以氢氧化锂为原料铝热炼锂新工艺的基础研究

Nowadays lithium is widely used in ultra-light alloy, aerospace, aviation, nuclear-generated power industry, so the demand of lithium increases rapidly all over the world. On the basis of rich in lithium minerals, lithium product process improvement is necessary in China. Vacuum thermal reduction may be used extensively in future because of no-corrosive gas, high-purity and short-cycle. In order to reduce the ratio of mass and lithium and improve reduction residue utilization, a novel high-activity vacuum aluminothermic extraction lithium process is developed which used lithium hydroxide, alumina and calcium oxide as raw materials. The reduction products are metal lithium and calcium aluminate which can be used to extract high-whiteness aluminum hydroxide. Reaction mechanisms of Li5AlO4 preparation, aluminothermic reduction will be investigated based on researches of thermodynamics, kinetic and experimental. Effects of technological conditions on reaction process will be explored. Behaviors of impurity in raw materials in reaction process and production mechanism of chief impurities in lithium will be researched. Condensation behaviors of lithium and chief metal impurities in vacuum system will be investigated. Previous fundamental research will supply theoretical basis for the industry application of the high-activity aluminothermic extraction lithium green process.

金属锂在超轻合金、航空航天、热核聚变等新兴技术领域的广泛应用，使其需求量呈供不应求之势，且中国锂矿资源丰富，因此开发锂冶炼工艺既具资源优势，也是形势之需。金属热还原法具有流程短、产品纯度高、无腐蚀性气体等特点，极具工业应用前景。本项目针对现有热还原炼锂工艺中料锂比高、还原渣弃置等问题，提出一种以氢氧化锂、氧化铝和氧化钙高温合成富锂的Li5AlO4熟料，真空铝热还原得到金属锂和可制备特种氢氧化铝的铝酸钙还原渣的高效绿色炼锂新工艺。基于热力学、动力学分析和实验研究，明晰高温合成Li5AlO4及真空铝热还原Li5AlO4炼锂的机理；揭示各因素对工艺过程的影响机制；明确原料中主要杂质在还原过程中的行为；阐明金属锂中主要有害杂质的产生机理；掌握锂及主要杂质的冷凝行为。建立较为完善的以氢氧化锂为原料，铝热还原制取低钾钠金属锂\铝酸钙还原渣的基础理论体系，为高效绿色铝热炼锂新工艺的实现提供理论基础。

金属锂在超轻合金、航空航天、热核聚变等新兴技术领域的广泛应用，使其需求量呈供不应求之势，且中国锂矿资源丰富，因此开发锂冶炼工艺既具资源优势，也是形势之需。金属热还原法具有流程短、产品纯度高、无腐蚀性气体等特点，极具工业应用前景。本项目针对现行热还原炼锂工艺中料锂比高、还原渣弃置等问题，提出一种以氢氧化锂、氧化铝和氧化钙高温合成富锂的Li5AlO4熟料，真空铝热还原得到金属锂和可制备特种氢氧化铝的铝酸钙还原渣的高效绿色炼锂新工艺。研究了氢氧化锂和氧化铝合成Li5AlO4的反应机理，合成过程主要存在氢氧化锂脱水，LiAlO2和Li5AlO4的生成三种化学反应，煅烧温度高于800℃，煅烧时间超过90min，会导致物料表面烧结抑制合成反应进行；研究还原条件对铝热还原Li5AlO4过程的影响，优化工艺参数可使金属锂还原率达到97%，还原渣主要物相为12CaO•7Al2O3，CaO•Al2O3；还原温度升高、还原时间延长都有利于锂还原率的提高，铝粉过量率太高会抑制锂蒸气扩散，不利于还原反应进行；硅热还原Li5AlO4所得还原渣产物主要为 Ca2SiO4和Ca2Al2SiO7；考查范围内，还原物料中Si/Ca对产物金属锂中对应杂质的影响较大。而K\Na\Mg对金属锂的纯度影响不明显。真空热法所得金属锂中有害杂质K\Na的含量低；采用Na2CO3和NaOH混合碱液溶出铝热炼锂还原渣，获得了溶出时间，溶出温度，液固比，粒度，碳酸钠浓度和氢氧化钠浓度对氧化铝溶出率的影响规律，优化条件下氧化铝溶出率达到85.24%；铝酸钠溶液经碳酸化分解得到氢氧化铝，60℃时碳分所得到的氢氧化铝粒度分布最细，中位径5.075μm，白度大于96。基于上述研究成果建立了较为完善的以氢氧化锂为原料，铝热还原制取低钾钠金属锂，同时铝酸钙还原渣制备高白特种氢氧化铝的基础理论体系，为高效绿色铝热炼锂新工艺的实现提供理论基础。