CN107630251B - 熔盐电解法转化氮化铝的方法、铝灰、铝渣灰回收处理方法及电解槽 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及熔盐电解法转化氮化铝的方法、铝灰、铝渣灰回收处理方法及电解槽。所述熔盐电解法转化氮化铝的方法，包括以下步骤：1)将氮化铝混合氧化铝制备成电解预处理物，所述电解预处理物含有55‑65％的氧化铝和35‑45％的氮化铝，并且电解预处理物过20‑30目筛；2)在熔盐电解法中的阳极炭块上方依次铺设堵缝料、电解预处理物和氧化铝；熔盐电解法中电解质是含有氧化铝和氟化物的熔盐；3)在电解温度940‑960℃的范围内进行熔盐电解。本发明方法及电解槽可以有效且便宜的处理氮化铝或含有氮化铝的杂质，并且处理成本较低。
Description
技术领域
本发明涉及氮化铝再生利用领域，具体涉及熔盐电解法转化氮化铝的方法、铝灰、铝渣灰回收处理方法及电解槽。
背景技术
氮化铝属原子晶体，最高可稳定到2200℃，其除人工固定技术合成外，还常常作为加工副产物出现在某些金属加工的生产过程中，例如电解铝或铝加工产业上，所产生的杂质也即铝渣灰，从铝渣灰中分离出绝大部分金属铝或铝合金颗粒后剩余的铝渣灰粒度很小，简称为铝灰，铝灰除含有大量氧化铝外，还含部分氮化铝、氟化物等成分。
现代生产工艺中通常希望能获得原子或元素级别的绿色工艺处理模式，即在生产过程中，有利用价值的原子或元素最好是能完全成为有用的物品，而不是落入杂质中被浪费掉。例如前述所述的氮化铝、含有氮化铝的杂质等，其中的铝元素通常是希望能以金属成分被回收利用，或是以其他有用物的形式被回收利用。除人工特定需求合成出的氮化铝外，部分多余的氮化铝以及以杂质形式出现的含有氮化铝的产物而言，如何有效且便宜的处理此类产物，则成为对氮化铝或含有氮化铝的杂质的回收处理的难题之一。以其中的铝渣灰和铝灰为例，国内电解铝及铝加工行业每年都会产生数十万吨铝渣灰或铝灰，多年来，电解铝行业希望将含有大量氧化铝的铝渣灰或铝灰返回铝电解生产过程用作原料，但由于其中氮化铝的存在，一直没有更为有效且便宜的工艺处理方法，大多只能被迫将铝渣灰或铝灰外卖，另外，随着国家对固体危险废物管理加强，包括铝渣灰或铝灰，不允许按照一般货物外卖处理，然而有运输、处置资质的企业极少，导致处理成本极高。
发明内容
本发明提供一种熔盐电解法转化氮化铝的方法、铝灰、铝渣灰回收处理方法及电解槽，其可以有效且便宜的处理氮化铝或含有氮化铝的杂质，并且处理成本较低。
为解决以上技术问题，本发明提供第一方面的技术方案，即熔盐电解法转化氮化铝的方法，包括以下步骤：
1)将氮化铝混合氧化铝制备成电解预处理物，所述电解预处理物含有55-65％的氧化铝和35-45％的氮化铝，并且电解预处理物过20-30目筛；
2)在熔盐电解法中的阳极炭块上方依次铺设堵缝料、电解预处理物和氧化铝；熔盐电解法中电解质是含有氧化铝和氟化物的熔盐；
3)在电解温度940-960℃的范围内进行熔盐电解。
本申请还提供第二方面的技术方案，即铝灰回收处理方法，包括以下步骤：
1)将铝灰混合氧化铝或氮化铝制备成电解预处理物，所述电解预处理物含有55-60％的氧化铝、35-40％的氮化铝、其余是氟化物，并且电解预处理物过20-30目筛；
2)在熔盐电解法中的阳极炭块上方依次铺设堵缝料、电解预处理物和氧化铝；熔盐电解法中电解质是含有氧化铝和氟化物的熔盐；
3)在电解温度940-960℃的范围内进行熔盐电解。
本申请还提供第三方面的技术方案，即铝渣灰回收处理方法，包括以下步骤：
1)分离出铝渣灰中的金属铝或铝合金颗粒，剩余的即为铝灰；将铝灰混合氧化铝或氮化铝制备成电解预处理物，所述电解预处理物含有55-60％的氧化铝、35-40％的氮化铝、其余是氟化物，并且电解预处理物过20-30目筛；
2)在熔盐电解法中的阳极炭块上方依次铺设堵缝料、电解预处理物和氧化铝；熔盐电解法中电解质是含有氧化铝和氟化物的熔盐；
3)在电解温度940-960℃的范围内进行熔盐电解。
优选的，所述电解预处理物含有60％的氧化铝和40％的氮化铝，或电解预处理物含有60％的氧化铝、35％的氮化铝、其余是氟化物。
优选的，步骤1)中电解预处理物过25目筛。
优选的，步骤3)中在电解温度为950℃时进行熔盐电解。
优选的，堵缝料由3％-5％的氧化铝、95％-97％的冰晶石组成。
优选的，堵缝料由4％的氧化铝、96％的冰晶石组成。
优选的，堵缝料的直径占阳极炭块之间缝隙宽度的百分比位于90-95％的范围内。
优选的，堵缝料的直径占阳极炭块之间缝隙宽度的百分比是93％。
优选的，电解预处理物的铺设高度占阳极炭块高度的百分比位于60-70％的范围内。
优选的，电解预处理物的铺设高度占阳极炭块高度的百分比是65％。
优选的，堵缝料的铺设高度占电解预处理物的铺设高度的百分比位于20％-25％的范围内。
优选的，堵缝料的铺设高度占电解预处理物的铺设高度的百分比是23％。
本申请还提供第四方面的技术方案，即熔盐电解法转化氮化铝的电解槽，电解槽内设置有电解质层、阳极炭块、阳极钢爪，在阳极炭块上方依次铺设有堵缝料、电解预处理物和氧化铝；电解质层是含有氧化铝和氟化物的熔盐；电解预处理物含有55-65％的氧化铝和35-45％的氮化铝，并且电解预处理物过20-30目筛。
优选的，电解槽经过电解一段时间后，电解质层下方有铝液层产生。
本申请提供的熔盐电解法转化氮化铝的方法、铝灰、铝渣灰回收处理方法及电解槽，其采用首先将氮化铝混合氧化铝制备成特定比例成分的电解预处理物，然后再将堵缝料、电解预处理物和氧化铝依顺序铺设在阳极炭块上方，利用熔盐电解在特定电解温度下进行电解，将氮化铝转化为熔盐电解需要的电解质成分，其中发生的反应如下式1和式2所示，实现氮化铝的无害化资源利用，从而可以有效且便宜的处理氮化铝或含有氮化铝的杂质，并且处理成本较低。
3HF+AlN＝AlF3+NH3 式1
AlF3+3NaF3＝Na3AlF6 式2
附图说明
图1是本申请实施方式熔盐电解法转化氮化铝的电解槽的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互任意组合。
利用本申请实施方式的熔盐电解法转化氮化铝的方法来电解氮化铝。
实施方式一：熔盐电解法转化氮化铝
具体包括以下步骤，按照图1所示的熔盐电解法转化氮化铝的电解槽的示意图，图1中电解槽1内设置有电解质层3、阳极炭块2、阳极钢爪5，在阳极炭块2上方依次铺设有堵缝料6、电解预处理物7和氧化铝8；电解质是含有氧化铝和氟化物的熔盐；电解预处理物7含有55-65％的氧化铝和35-45％的氮化铝，并且电解预处理物7过20-30目筛。堵缝料6用于将阳极炭块2之间的极间缝9、边缝10封堵住，避免电解预处理物7落入电解质层内，同时保持气体在阳极炭块2的极间缝9和边缝10处可以流通，经过电解一段时间后，电解质层3下方有铝液层4产生。
1)将氮化铝混合氧化铝制备成电解预处理物，所述电解预处理物主要含有重量百分比是M1％的氧化铝和N1％的氮化铝，并且电解预处理物过L目筛；
2)在熔盐电解法中的阳极炭块上方依次铺设堵缝料、电解预处理物和氧化铝；熔盐电解法中电解质是含有氧化铝和氟化物的熔盐；
3)在电解温度T℃的范围内进行熔盐电解。
上述步骤中，所述电解预处理物主要含有重量百分比是55-65％的氧化铝和35-45％的氮化铝，更优选采用重量百分比是60％的氧化铝和40％的氮化铝，采用优选重量百分比比例可以促使电解过程中电流效率、电解过程中电解质内氧化铝的重量百分比含量满足特定要求，例如电流效率在89-95％范围内，并且电解过程中电解质内氧化铝的重量百分比含量在2-3％范围内。
上述步骤中，堵缝料可以是现有电解工艺中常规使用的材料，本申请可以是优选堵缝料采用由氧化铝和冰晶石组成，其各自的重量百分比含量以M2％和N2％表示，特别优选由重量百分比含量分别是3％-5％的氧化铝、95％-97％的冰晶石组成。在阳极炭块与电解预处理物之间设置堵缝料，是为了避免直接添加电解预处理物而导致电解熔盐中氧化铝含量过高，从而降低电流效率的影响。另外，采用本申请特定的堵缝料对于电解过程中可以更进一步地降低成本，尤其是在前述堵缝料可以是通过电解槽阳极炭块上换下去的原料进行破碎后所得的堵缝料，即可补充电解槽熔盐电解所需的电解质，降低了电流效率，同时降低电解成本。
上述步骤中，堵缝料的直径还可以是多种预设情况，优选例如堵缝料的直径占阳极炭块之间缝隙宽度即极间缝宽度的百分比d1位于90-95％的范围内。此优选范围可以促使堵缝料能对极间缝有很好的堵漏作用，同时也能维持气体在阳极炭块两边以及上方的流通情况。
上述步骤中，电解预处理物、堵缝料的铺设高度可以有多种预设情况，例如优选电解预处理物的铺设高度占阳极炭块高度的百分比d2位于60-70％的范围内；还可优选例如堵缝料的铺设高度占电解预处理物的铺设高度的百分比d3位于20-25％的范围内；上述优选范围可以促使电流效率在合适的预设范围内。
参照上述步骤，在不同参数条件下，测量电解时的电解工艺要求，例如电流效率、电解过程中电解质内氧化铝的重量百分比含量d4％，其中d4是在电解过程中每隔一段时间测定一次，所得数据取平均值而得。具体结果可见下表1。
表1
表1中实施例10中表示不采用堵缝料，直接在阳极炭块上铺设电解预处理物。
从上述实施例效果来看，实施例1-9所得效果在本申请方案范围内，其中实施例1-4效果较优，实施例4最佳。
实施方式二：铝灰回收处理方法
具体包括以下步骤，按照图1所示的熔盐电解法转化氮化铝的电解槽的示意图，图1中电解槽1内设置有电解质层3、阳极炭块2、阳极钢爪5，在阳极炭块2上方依次铺设有堵缝料6、电解预处理物7和氧化铝8；电解质是含有氧化铝和氟化物的熔盐；电解预处理物7含有55-65％的氧化铝和35-45％的氮化铝，并且电解预处理物7过20-30目筛。堵缝料6用于将阳极炭块2之间的极间缝9、边缝10封堵住，避免电解预处理物7落入电解质层内，同时保持气体在阳极炭块2的极间缝9和边缝10处可以流通，经过电解一段时间后，电解质层3下方有铝液层4产生。
1)将铝灰混合氧化铝或氮化铝制备成电解预处理物，所述电解预处理物主要含有重量百分比是M1％的氧化铝、N1％的氮化铝，其余是氟化物，并且电解预处理物过L目筛；
2)在熔盐电解法中的阳极炭块上方依次铺设堵缝料、电解预处理物和氧化铝；熔盐电解法中电解质是含有氧化铝和氟化物的熔盐；
3)在电解温度T℃的范围内进行熔盐电解。
上述步骤中，所述电解预处理物主要含有重量百分比是55-60％的氧化铝和35-40％的氮化铝，其余是氟化物，更优选采用重量百分比是60％的氧化铝和35％的氮化铝，其余是氟化物，采用优选重量百分比比例可以促使电解过程中电流效率、电解过程中电解质内氧化铝的重量百分比含量满足特定要求，例如电流效率在89-95％范围内，并且电解过程中电解质内氧化铝的重量百分比含量在2-3％范围内。
上述步骤中，堵缝料可以是现有电解工艺中常规使用的材料，本申请可以是优选堵缝料采用由氧化铝和冰晶石组成，其各自的重量百分比含量以M2％和N2％表示，特别优选由重量百分比含量分别是3％-5％的氧化铝、95％-97％的冰晶石组成。在阳极炭块与电解预处理物之间设置堵缝料，是为了避免直接添加电解预处理物而导致电解熔盐中氧化铝含量过高，从而降低电流效率的影响。另外，采用本申请特定的堵缝料对于电解过程中可以更进一步地降低成本，尤其是在前述堵缝料可以是通过电解槽阳极炭块上换下去的原料进行破碎后所得的堵缝料，即可补充电解槽熔盐电解所需的电解质，降低了电流效率，同时降低电解成本。
上述步骤中，堵缝料的直径还可以是多种预设情况，优选例如堵缝料的直径占阳极炭块之间缝隙宽度即极间缝宽度的百分比d1位于90-95％的范围内。此优选范围可以促使堵缝料能对极间缝有很好的堵漏作用，同时也能维持气体在阳极炭块两边以及上方的流通情况。
上述步骤中，电解预处理物、堵缝料的铺设高度可以有多种预设情况，例如优选电解预处理物的铺设高度占阳极炭块高度的百分比d2位于60-70％的范围内；还可优选例如堵缝料的铺设高度占电解预处理物的铺设高度的百分比d3位于20-25％的范围内；上述优选范围可以促使电流效率在合适的预设范围内。
参照上述步骤，在不同参数条件下，测量电解时的电解工艺要求，例如电流效率、电解过程中电解质内氧化铝的重量百分比含量d4％，其中d4是在电解过程中每隔一段时间测定一次，所得数据取平均值而得。具体结果可见下表2。
表2
表2中实施例10中表示不采用堵缝料，直接在阳极炭块上铺设电解预处理物。
从上述实施例效果来看，实施例1-9所得效果在本申请方案范围内，其中实施例1-4效果较优，实施例4最佳。
实施方式三、铝渣灰回收处理方法
具体包括以下步骤，按照图1所示的熔盐电解法转化氮化铝的电解槽的示意图，图1中电解槽1内设置有电解质层3、阳极炭块2、阳极钢爪5，在阳极炭块2上方依次铺设有堵缝料6、电解预处理物7和氧化铝8；电解质是含有氧化铝和氟化物的熔盐；电解预处理物7含有55-65％的氧化铝和35-45％的氮化铝，并且电解预处理物7过20-30目筛。堵缝料6用于将阳极炭块2之间的极间缝9、边缝10封堵住，避免电解预处理物7落入电解质层内，同时保持气体在阳极炭块2的极间缝9和边缝10处可以流通，经过电解一段时间后，电解质层3下方有铝液层4产生。
1)分离出铝渣灰中的金属铝或铝合金颗粒，剩余的即为铝灰；
2)将铝灰混合氧化铝或氮化铝制备成电解预处理物，所述电解预处理物主要含有重量百分比是M1％的氧化铝、N1％的氮化铝，其余是氟化物，并且电解预处理物过L目筛；
3)在熔盐电解法中的阳极炭块上方依次铺设堵缝料、电解预处理物和氧化铝；熔盐电解法中电解质是含有氧化铝和氟化物的熔盐；
4)在电解温度T℃的范围内进行熔盐电解。
上述步骤中，所述电解预处理物主要含有重量百分比是55-60％的氧化铝和35-40％的氮化铝，其余是氟化物，更优选采用重量百分比是60％的氧化铝和35％的氮化铝，其余是氟化物，采用优选重量百分比比例可以促使电解过程中电流效率、电解过程中电解质内氧化铝的重量百分比含量满足特定要求，例如电流效率在89-95％范围内，并且电解过程中电解质内氧化铝的重量百分比含量在2-3％范围内。
上述步骤中，堵缝料可以是现有电解工艺中常规使用的材料，本申请可以是优选堵缝料采用由氧化铝和冰晶石组成，其各自的重量百分比含量以M2％和N2％表示，特别优选由重量百分比含量分别是3％-5％的氧化铝、95％-97％的冰晶石组成。在阳极炭块与电解预处理物之间设置堵缝料，是为了避免直接添加电解预处理物而导致电解熔盐中氧化铝含量过高，从而降低电流效率的影响。另外，采用本申请特定的堵缝料对于电解过程中可以更进一步地降低成本，尤其是在前述堵缝料可以是通过电解槽阳极炭块上换下去的原料进行破碎后所得的堵缝料，即可补充电解槽熔盐电解所需的电解质，降低了电流效率，同时降低电解成本。
上述步骤中，堵缝料的直径还可以是多种预设情况，优选例如堵缝料的直径占阳极炭块之间缝隙宽度即极间缝宽度的百分比d1位于90-95％的范围内。此优选范围可以促使堵缝料能对极间缝有很好的堵漏作用，同时也能维持气体在阳极炭块两边以及上方的流通情况。
上述步骤中，电解预处理物、堵缝料的铺设高度可以有多种预设情况，例如优选电解预处理物的铺设高度占阳极炭块高度的百分比d2位于60-70％的范围内；还可优选例如堵缝料的铺设高度占电解预处理物的铺设高度的百分比d3位于20-25％的范围内；上述优选范围可以促使电流效率在合适的预设范围内。
参照上述步骤，在不同参数条件下，测量电解时的电解工艺要求，例如电流效率、电解过程中电解质内氧化铝的重量百分比含量d4％，其中d4是在电解过程中每隔一段时间测定一次，所得数据取平均值而得。具体结果可见下表3。
表3
表3中实施例10中表示不采用堵缝料，直接在阳极炭块上铺设电解预处理物。
从上述实施例效果来看，实施例1-9所得效果在本申请方案范围内，其中实施例1-4效果较优，实施例4最佳。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.熔盐电解法转化氮化铝的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将氮化铝混合氧化铝制备成电解预处理物，所述电解预处理物含有55-65％的氧化铝和35-45％的氮化铝，并且电解预处理物过20-30目筛；
2)在熔盐电解法中的阳极炭块上方依次铺设堵缝料、电解预处理物和氧化铝；熔盐电解法中电解质是含有氧化铝和氟化物的熔盐；
3)在电解温度940-960℃的范围内进行熔盐电解。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述电解预处理物含有60％的氧化铝和40％的氮化铝，或电解预处理物含有60％的氧化铝、35％的氮化铝、其余是氟化物。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：堵缝料由3％-5％的氧化铝、95％-97％的冰晶石组成。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：堵缝料的直径占阳极炭块之间缝隙宽度的百分比位于90-95％的范围内。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：电解预处理物的铺设高度占阳极炭块高度的百分比位于60-70％的范围内。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：堵缝料的铺设高度占电解预处理物的铺设高度的百分比位于20％-25％的范围内。
7.熔盐电解法转化氮化铝的电解槽，其特征在于：电解槽内设置有电解质层、阳极炭块、阳极钢爪，在阳极炭块上方依次铺设有堵缝料、电解预处理物和氧化铝；电解质是含有氧化铝和氟化物的熔盐；电解预处理物含有55-65％的氧化铝和35-45％的氮化铝，并且电解预处理物过20-30目筛。
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