鋁熱法簡(jiǎn)史

1859年俄國(guó)科學(xué)家別克托夫(H．H．BeKeTOBy)在《論若干還原現(xiàn)象》中提到“用鋁還原氧化鋇得到24?和33?的鋇鋁合金”。這是對(duì)鋁熱法試驗(yàn)的最早報(bào)告，但當(dāng)時(shí)在工業(yè)上沒(méi)有得到使用。

1893年戈?duì)柕率┟滋?H．Goldschmidt)發(fā)現(xiàn)金屬氧化物的粉末和粉狀還原金屬(基本上是鋁)的混合料，點(diǎn)火引發(fā)反應(yīng)后，就能自動(dòng)繼續(xù)進(jìn)行，直至爐料反應(yīng)完畢。

1898年戈?duì)柕率┟滋卦诘聡?guó)電化學(xué)學(xué)會(huì)上做了關(guān)于金屬熱還原法的報(bào)告，人們才知道鋁熱法在工業(yè)生產(chǎn)上已取得良好效果，可以經(jīng)濟(jì)地、大批量地生產(chǎn)不含碳的鐵合金與純金屬。這一年應(yīng)該是鋁熱法用于工業(yè)生產(chǎn)的起點(diǎn)。

工業(yè)上用鋁熱法生產(chǎn)的鐵合金主要有：鈦鐵、鉬鐵、鈮鐵、硼鐵、釩鐵、鎢鐵、金屬鉻、金屬錳以及鎳基、鈦基、鋁基等中間合金。

中國(guó)以鋁熱法工業(yè)生產(chǎn)鐵合金是從1957年底吉林鐵合金廠生產(chǎn)鉬鐵開(kāi)始的。

鋁熱法生產(chǎn)設(shè)備簡(jiǎn)單，占地面積小，生產(chǎn)規(guī)?？筛鶕?jù)任務(wù)確定，產(chǎn)品品種較多，生產(chǎn)周期短等特點(diǎn)。

用鋁粉為還原劑的金屬熱還原法。當(dāng)鋁與金屬氧化物反應(yīng)時(shí)，產(chǎn)生足夠的熱量，使還原的金屬和形成的渣熔融分離而獲得金屬或合金。在生產(chǎn)工業(yè)純金屬(如錳、鉻、釩等)、無(wú)碳或低碳鐵合金和金屬焊接方面獲得廣泛應(yīng)用。

鋁熱法與用硅鐵作還原劑的硅熱法同屬利用自熱反應(yīng)生產(chǎn)鐵合金的方法，稱金屬熱法，又稱爐外法。它們以鋁粒、硅鐵粉或鋁鎂合金粉作還原劑。鋁熱法主要用來(lái)生產(chǎn)含有高熔點(diǎn)金屬與難還原元素的鐵合金、中間合金、鉻與錳等。產(chǎn)品特點(diǎn)是含碳量極低(一般<0．05%)。

鋁還原氧化物的反應(yīng)屬置換型化學(xué)反應(yīng)，并放出熱量ΔH°298(反應(yīng))。用熱化學(xué)反應(yīng)式表示為：2/yM_xO_y 4/3Al_=2x/yM 2/3Al₂O₃ ΔH°₂₉₈(反應(yīng))反應(yīng)熱ΔH°298是用化學(xué)手冊(cè)上的數(shù)據(jù)計(jì)算。即ΔH°298(反應(yīng))=2/3ΔH°₂₉₈(Al₂O₃)-2/yΔH°₂₉₈(MxOy)氧化物的生成標(biāo)準(zhǔn)焓ΔH°₂₉₈，通稱標(biāo)準(zhǔn)生成熱。

如圖1 氧化物生成△F°-T關(guān)系圖

鋁熱還原反應(yīng)能否進(jìn)行，可以根據(jù)氧化物的相對(duì)穩(wěn)定性來(lái)判斷。而氧化物的穩(wěn)定性則根據(jù)氧化物生成自由能ΔF°=-kTlnpo₂來(lái)判斷。所有氧化物都隨溫度的升高而更易分解，從而也更易還原。各種氧化物的氧勢(shì)差在高溫下變小。從圖1可以估計(jì)還原情況。在△F°-T圖中，位置低的元素可以還原位置較高的氧化物。兩條△F°-T線間的距離越大，則還原反應(yīng)產(chǎn)生的熱量愈多。鋁(或硅)熱還原反應(yīng)的先決條件是△F°≤0，即反應(yīng)自由能的負(fù)值越大，鋁熱還原反應(yīng)就越容易進(jìn)行。從△F°-T圖分析鋁(或硅)熱還原反應(yīng)時(shí)，未考慮動(dòng)力學(xué)過(guò)程，所以這種判斷是定性的。所有的金屬熱還原反應(yīng)在較低溫度下的△F°比較高溫度下的△F°的負(fù)值大，因此在反應(yīng)能夠進(jìn)行的條件下，將反應(yīng)溫度盡可能控制在比較低的水平，這樣對(duì)還原反應(yīng)向右進(jìn)行有利。

鋁熱還原反應(yīng)有的可以把金屬全部從相關(guān)的氧化物中置換出來(lái)，如鐵、鎢、鉬等;而有的只能進(jìn)行到合金液與爐渣中的氧化物接近平衡，一部分氧化物留在爐渣中。有些氧化物在鋁熱還原過(guò)程中被還原成低價(jià)氧化物，如TiO₂被還原成TiO，從酸性氧化物轉(zhuǎn)變?yōu)閴A性氧化物，與還原過(guò)程產(chǎn)生的Al₂O₃結(jié)合成鋁酸鹽而留在爐渣中，增加了鈦的損失。

鋁熱法減少低價(jià)氧化物在爐渣中的損失

(1)是增加還原金屬的加入量，在還原劑過(guò)剩的條件下避免低價(jià)氧化物產(chǎn)生;

(2)是添加堿性氧化物如CaO、MgO、BaO即可減少爐渣中TiO、MnO等的含量，提高金屬元素的回收率。堿性氧化物還可以降低爐渣的熔點(diǎn)和改進(jìn)爐渣的流動(dòng)性。堿性氧化物添加的數(shù)量應(yīng)盡量少，以免增加渣量影響反應(yīng)過(guò)程。

由于反應(yīng)快，很難達(dá)到平衡條件。部分還原金屬未被用于還原而殘留在合金中，形成中間化合物如TiAl、TiAl₃等，使合金含鋁量高，而且難以獲得高品位合金。為了促使反應(yīng)接近平衡，有時(shí)添加第3種元素，如添加鐵來(lái)吸收反應(yīng)產(chǎn)生的金屬，使反應(yīng)向右進(jìn)行。這種辦法在生產(chǎn)鐵合金時(shí)是可行的，還可以降低合金熔點(diǎn)和反應(yīng)溫度。要得到含鋁低的產(chǎn)品，則可將鋁的配加量稍低于計(jì)算量。圖1可以為選擇還原劑的種類和氧化物的類型提供參考。鐵合金冶煉常用的還原劑主要是鋁與硅鐵，偶而也用少量鎂(以鎂鋁合金加入)。

鋁熱法的反應(yīng)結(jié)果必須使金屬與爐渣均有良好的流動(dòng)性，即被加熱至它們的熔點(diǎn)以上，使產(chǎn)出的合金與爐渣清楚分離;并且能得到較高的金屬收得率，才能認(rèn)為是反應(yīng)自動(dòng)進(jìn)行而被工業(yè)生產(chǎn)采用。這一問(wèn)題需要分析鋁熱法冶煉過(guò)程的熱平衡。

在鋁熱還原反應(yīng)過(guò)程中，反應(yīng)物的還原、生成物的產(chǎn)生、反應(yīng)熱的產(chǎn)生、反應(yīng)物(合金與爐渣)的加熱等都是在同一瞬間、同一體系之中同時(shí)完成的。所以熱量集中，反應(yīng)速度快，時(shí)間短，熱效率高。反應(yīng)熔體的表面始終為加入的爐料所覆蓋，所以當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行時(shí)，反應(yīng)器熱傳導(dǎo)和熱輻射所產(chǎn)生的熱損失，對(duì)還原過(guò)程的影響較小。由于反應(yīng)時(shí)間短，爐料與反應(yīng)物的蒸發(fā)損失量小，所以蒸發(fā)熱量也少。

鋁熱法的主要熱源是熱化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的反應(yīng)熱△H°₂₉₈(反應(yīng))，它可以通過(guò)計(jì)算方法求得。1914年俄國(guó)化學(xué)家熱姆丘日內(nèi)在“得到的金屬和渣的含熱量，和伴隨反應(yīng)過(guò)程的熱損失，對(duì)各種不同的合金是近似于相同”的基礎(chǔ)上，提出“若要鋁熱過(guò)程正常進(jìn)行，則必須在反應(yīng)中每克爐料發(fā)生的熱量不少于550cal”的法則。即用單位爐料產(chǎn)生的熱量來(lái)判斷鋁熱還原過(guò)程能否自動(dòng)進(jìn)行。

熱姆丘日內(nèi)法則在生產(chǎn)上可作為參考，或在新品種研制時(shí)作初步估計(jì)時(shí)使用。其原因是對(duì)氧化物還原程度的規(guī)定不同，合金和爐渣的熔點(diǎn)不同，冶煉規(guī)模大小不同，礦石的相結(jié)構(gòu)不同等，所以在經(jīng)過(guò)配料計(jì)算得到爐料的配比后，要先用小規(guī)模冶煉設(shè)備試煉，然后再作適當(dāng)調(diào)整，方可用于生產(chǎn)。在正常生產(chǎn)的工廠中當(dāng)?shù)V石變換時(shí)也需要經(jīng)過(guò)試煉來(lái)修正配料單。生產(chǎn)上爐料的總量應(yīng)包括鋁、硅鐵等還原劑，氧化物(或礦石)及雜質(zhì)(或脈石)、熔劑等的質(zhì)量和。反應(yīng)熱是根據(jù)手冊(cè)中的生成焓(△H°₉₈)數(shù)據(jù)計(jì)算。由于年代和版本的不同，存在著不同程度的差異，計(jì)算出的反應(yīng)熱也是不同的。實(shí)際工作者應(yīng)選定一批數(shù)據(jù)，固定使用，并根據(jù)實(shí)踐得出修正系數(shù)。

通過(guò)計(jì)算，如果單位爐料發(fā)熱量低于550cal/g時(shí)，則鋁熱反應(yīng)不能自動(dòng)進(jìn)行，需要調(diào)整配料，增加反應(yīng)熱。

鋁熱法增加反應(yīng)熱的方法

(1)調(diào)整氧化物中高價(jià)與低價(jià)氧化物的比例，增加氧化物中氧的總量。鋁熱法生產(chǎn)金屬錳時(shí)對(duì)錳礦石引用了活性氧概念。所謂活性氧是指將錳氧化物按MnO計(jì)算后，未與Mn結(jié)合的氧。如Mn3O4的活性氧為7%，而Mn2O3則為10%。這是利用高、低價(jià)氧化物比例調(diào)整鋁熱還原反應(yīng)發(fā)熱量的例子。

(2)生產(chǎn)鐵合金時(shí)可以添加赤鐵礦(Fe₂O₃)或鐵鱗(Fe₃O₄)代替部分鋼屑，它們和鋁或硅反應(yīng)后都產(chǎn)生大量熱。如生產(chǎn)鎳基合金時(shí)用NiO代替部分鎳。

(3)添加BaO₂或NaClO₃、KClO₃、NaNO_3、KNO₃等與鋁反應(yīng)后能放出大量熱的增熱劑，使?fàn)t料單位發(fā)熱量提高到期望值。這是常用的方法。但要注意使用NaNO₃或KNO₃時(shí)會(huì)使合金含氮高，和排出如氧化氮等污染環(huán)境的氣體。

(4)預(yù)熱爐料，提高爐料的顯熱。一般情況爐料預(yù)熱溫度每提高100℃，就可使單位發(fā)熱量增加約30cal/g。

(5)向反應(yīng)器內(nèi)輸送電能，即形成電鋁熱法。

單位爐料發(fā)熱量過(guò)高時(shí)，會(huì)使鋁熱反應(yīng)劇烈，甚至達(dá)到爆發(fā)程度;冶煉時(shí)噴濺嚴(yán)重使?fàn)t料與產(chǎn)物損失增加，合金與爐渣混雜而分離不清。嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞設(shè)備和危及操作人員安全。降低爐料單位發(fā)熱量的有效辦法是添加惰性物，增加爐料的量。常用的惰性物有合金精整產(chǎn)生的合金碎屑，冶煉產(chǎn)生的爐渣、石灰、鎂砂等。此外，增大鋁粒及爐料的粒度可以抑制反應(yīng)的速度。

金屬化合物的生成，Al₂O₃與其他氧化物組成復(fù)合氧化物時(shí)的成渣反應(yīng)等都產(chǎn)生熱量，但在計(jì)算爐料單位發(fā)熱量時(shí)不予考慮。

鋁熱法冶煉鐵合金的反應(yīng)是一經(jīng)觸發(fā)即自動(dòng)進(jìn)行，無(wú)法控制，因此對(duì)爐料準(zhǔn)備有嚴(yán)格要求。配料計(jì)算與稱量必須準(zhǔn)確。配好的爐料要混勻后才能裝入反應(yīng)爐內(nèi)。爐料的粒度直接影響反應(yīng)速度。粒度粗反應(yīng)速度慢，粒度細(xì)則反應(yīng)速度快。通過(guò)礦石或氧化物與還原金屬粒度的適當(dāng)配合，使熱量集中以及反應(yīng)速度之間達(dá)到最優(yōu)配合，才能得到較高的金屬收得率。例如五氧化二釩與鋁的反應(yīng)很劇烈，可以加大粒度來(lái)控制它們之間的反應(yīng)進(jìn)程。粗鋁粒表面氧化物少，使鋁粒含氧減少，反應(yīng)中生成大的高鋁合金液滴。高鋁合金液滴的密度增至可使液滴下沉，下滴過(guò)程中與熔渣中的金屬氧化物繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)，使大部分鋁被消耗掉。下沉至合金層表面的高鋁合金與覆蓋的爐渣中的金屬氧化物，在高溫下繼續(xù)發(fā)生置換反應(yīng)。細(xì)的鋁粒表面上生成的氧化物使鋁粒含氧較高，因而對(duì)還原反應(yīng)不利，所以鋁熱法使用的鋁粒粒度，小于0.1mm的數(shù)量應(yīng)少于5%。如上所述鋁熱法冶煉鐵合金的工藝可以分為原料準(zhǔn)備、配料、冶煉、精整等4個(gè)主要工序。

鋁熱法原料準(zhǔn)備

主要工作是將礦石、氧化物和熔劑(石灰、螢石)等徹底干燥，去除附著水、結(jié)晶水和揮發(fā)物(如選礦試劑)。然后加工成生產(chǎn)要求的粒度。所用設(shè)備均為通用設(shè)備，如回轉(zhuǎn)窯、干燥爐、破碎機(jī)和球磨機(jī)等。鋁粒由鐵合金廠自己制造。粒度要求有規(guī)定。一般是生產(chǎn)后立即使用，不宜長(zhǎng)期存放。制造鋁粒的噴霧法是將鋁錠加熱熔化后，用壓縮空氣加壓，從熔鋁鍋經(jīng)噴嘴噴出時(shí)，由霧化器用壓縮空氣將鋁流擊碎而成鋁粒?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整噴出壓力或改換霧化器，得到所要求粒度的鋁粒。另一種方法是將鋁錠壓延成鋁箔，再經(jīng)機(jī)械剪切成鋁碎屑。

鋁熱法配料

這是鋁熱法生產(chǎn)的關(guān)鍵工序，不允許出任何差錯(cuò)，否則將產(chǎn)生不良后果，甚至得不到產(chǎn)品。配料在配料站進(jìn)行。配料站主要設(shè)備有貯料倉(cāng)、磅秤、混料筒和運(yùn)料斗。配料前要校正磅秤。料要按規(guī)定的順序稱量。加入混料機(jī)內(nèi)的爐料重量和混料時(shí)間，由混料機(jī)容量規(guī)定。小量生產(chǎn)可以用人工混料。減少損失的方法

如圖鋁熱法配料站布置圖

1—貯料倉(cāng);2—混料筒;3—運(yùn)料斗;4—磅秤;5—螢石料箱

鋁熱法冶煉

鋁熱還原反應(yīng)在反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行。反應(yīng)器亦稱熔煉爐。反應(yīng)器分固定式反應(yīng)器(圖5)和移動(dòng)式反應(yīng)器(圖6)兩種。圖5a是上部點(diǎn)火冶煉用的反應(yīng)器，無(wú)加料設(shè)備，放在砂基上;圖5b是下部點(diǎn)火用的反應(yīng)器，也是放在砂基上;圖5c為底部砌磚的固定式反應(yīng)器。3種反應(yīng)器均有出渣口，冶煉反應(yīng)結(jié)束后放出大部分爐渣。移動(dòng)式反應(yīng)器均放在移動(dòng)小車(chē)上，推至煙罩下，或反應(yīng)室中

a—煙罩式：1—可傾翻的鐵爐殼;2—含鎂砂的打結(jié)料;3—行駛車(chē)架;4—排煙罩;5—排煙罩的可翻開(kāi)部分(為便于車(chē)子開(kāi)入和人工裝料)

b—反應(yīng)室式：1—料倉(cāng);2—螺旋運(yùn)輸機(jī);3—水冷料管;4—砌磚的上部反應(yīng)器身;5—砌磚坩堝;6—鎂砂襯;7—砌磚套室;

8—旋風(fēng)除塵器

由加料器或人工加料。反應(yīng)器由兩部分組成：上部是一個(gè)空心圓筒，外殼用鋼板焊成，上下沿用角鋼加固，上沿有吊環(huán)。內(nèi)襯用耐火磚、鎂磚或高鋁磚砌成，也可以用生產(chǎn)的爐渣破碎后打結(jié)，還可以用液態(tài)爐渣澆鑄，也可以用鑄鐵鑄成片塊拼裝，不用砌耐火材料內(nèi)襯。底部是用石英砂(僅硅熱法用)、鎂砂或鎂磚筑成的坩堝，盛反應(yīng)產(chǎn)生的合金。

冶煉操作按引火方式分為兩種，即上部點(diǎn)火法與下部點(diǎn)火法。

a—上部點(diǎn)火反應(yīng)器：1—爐殼;2—粘土磚襯;3—渣口;4—砂基;5—爐料;6—引火劑;7—煙罩

b—下部點(diǎn)火反應(yīng)器：1—砂基(鎂砂);2—爐筒;3—爐罩;4—煙罩;5—料倉(cāng);6—溜槽;7—底料;8—引火劑;9—加入爐料

c—磚砌坩堝反應(yīng)器：1—鎂磚層;2—用鎂磚砌的坩堝;3—打結(jié)料;4—鎂砂;5—起吊用軸耳;6—煙罩;7—人工加料用閘板

上部點(diǎn)火法

是將配料站混合好的爐料全部裝入反應(yīng)器內(nèi)。然后在爐料上部置引火劑，引火劑點(diǎn)著后熔煉反應(yīng)即開(kāi)始。待全部爐料反應(yīng)完畢，經(jīng)鎮(zhèn)靜后放出爐渣。合金冷凝后再取出冷卻。工業(yè)生產(chǎn)中冶煉鉬鐵就是采用上部點(diǎn)火法。生產(chǎn)批量小的鐵合金也多用這種方法。

下部點(diǎn)火法

冶煉是在反應(yīng)器底部先加入部分混合好的爐料，在爐料層上部加入引火劑引發(fā)反應(yīng)后，再陸續(xù)從上部料倉(cāng)加入混合爐料。加料速度以使熔融物表面有一薄層爐料，而且反應(yīng)穩(wěn)定繼續(xù)進(jìn)行為準(zhǔn)。也可以用人工加料。下部點(diǎn)火法比上部點(diǎn)火法能充分利用熔煉爐體積，節(jié)約耐火材料。工業(yè)生產(chǎn)中大都采用下部點(diǎn)火法。冶煉某些鐵合金在反應(yīng)結(jié)束后還要加入精煉料。精煉料是由鐵礦粉與鋁粉、硅鐵粉組成，能放出大量熱，在一定時(shí)間內(nèi)將爐渣保持在熔融狀態(tài)，有利于混雜在爐渣中的合金粒下沉;精煉劑的反應(yīng)產(chǎn)物為鐵滴，鐵滴在穿過(guò)熔渣層下降時(shí)可以吸附渣層中的“金屬霧”使之凝聚成較大的液滴而下沉，這樣可以提高金屬元素的收得率。

有一種固定式反應(yīng)器，設(shè)有合金排放孔，和出渣口，反應(yīng)結(jié)束后先從出渣口放出爐渣，再?gòu)暮辖鹋欧趴诜懦龊辖?。這種反應(yīng)器可以節(jié)約耐火材料和提高熱效率。當(dāng)然這僅用于大規(guī)模生產(chǎn)熔點(diǎn)較低的合金。(見(jiàn)鈮鐵)

鋁熱法冶煉貴重金屬鐵合金時(shí)，爐渣中往往殘存一定數(shù)量的金屬，可用電爐重熔回收。鋁熱法產(chǎn)生的爐渣含三氧化二鋁高，是有用的耐火材料和研磨材料。Al₂O₃>90%的爐渣就可以作為制高鋁磚的原料。

鋁熱法精整

冶煉得到的合金錠在空氣中冷卻至凝固后，從坩堝內(nèi)吊出。送進(jìn)冷卻室噴水急冷，使合金錠產(chǎn)生裂紋，以便破碎。水冷后的合金錠送至噴丸室，清除表面附著的爐渣和耐火材料。有的元素在合金錠中偏析較大，要按規(guī)定的取樣方法采集化學(xué)分析試樣。合金錠破碎至規(guī)定塊度后包裝出售。

以金屬鋁還原鈮精礦或氧化鈮生產(chǎn)鈮鐵中間合金的過(guò)程。鈮熔點(diǎn)高，還原困難，但如有鐵存在，被還原的鈮與鐵生成合金，不僅容易還原，而且由于鈮鐵的熔點(diǎn)比鈮低，更適于作煉鋼或高溫合金的添加劑。生產(chǎn)鈮鐵一般使用純Nb₂O₅和鈮精礦兩種原料。以純Nb₂O₅為原料生產(chǎn)的鈮鐵雜質(zhì)含量少、純度高，稱為高級(jí)鈮鐵，主要用于煉制高溫合金等。以鈮精礦為原料生產(chǎn)的鈮鐵稱為標(biāo)準(zhǔn)級(jí)鈮鐵，含鈮60%～65%，主要用作煉鋼的添加劑。根據(jù)合金中的鈮含量又可將鈮鐵分為高品位鈮鐵(Nb>65%)、中品位鈮鐵(Nb約50%)和低品位鈮鐵(Nb<30%)。根據(jù)還原熔煉使用的設(shè)備可分為爐外鋁熱還原法和電爐鋁熱還原法。

鋁熱法爐外鋁熱還原法

在無(wú)外加熱的爐內(nèi)實(shí)現(xiàn)還原熔煉反應(yīng)的過(guò)程。反應(yīng)完畢后，拆開(kāi)熔煉爐，取出反應(yīng)產(chǎn)物，將合金和渣在爐外分離。爐外鋁熱還原法的特點(diǎn)是在熔煉過(guò)程中不從熔煉爐中放出液態(tài)反應(yīng)產(chǎn)物，因此過(guò)程比較簡(jiǎn)單，一般采用建造費(fèi)用少、可拆卸的圓筒熔煉爐。爐外鋁熱還原法由于反應(yīng)生成的液態(tài)金屬和渣在同一反應(yīng)器中進(jìn)行凝固結(jié)晶，而兩種產(chǎn)物的最佳凝固結(jié)晶條件是不一樣的，因而存在不易獲得高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，原材料和耐火材料消耗大，間歇操作，砌爐、拆爐和清除合金中混雜的熔渣和耐火材料的勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題。為此，已開(kāi)發(fā)出一種可以分別放出液態(tài)金屬或熔渣的傾斜式熔煉爐。

爐外鋁熱還原法只適用于處理雜質(zhì)含量低的鈮精礦或氧化鈮，尤其要嚴(yán)格限制原料中有害雜質(zhì)磷、硫、鉛、砷、銻、錫、鉍的含量。為確保還原反應(yīng)完全，原料和還原劑鋁均需磨至細(xì)的粒度并混合均勻，使物料之間有最大的還原反應(yīng)接觸面積。物料只有經(jīng)過(guò)充分混勻才能獲得高的還原反應(yīng)速度和高的鈮回收率。還原劑鋁粉的用量除保證鈮和鐵的還原外，還應(yīng)計(jì)算雜質(zhì)還原所消耗的鋁，一般為理論量的110%。鋁粉用量過(guò)多不僅不能提高鈮的回收率，還導(dǎo)致反應(yīng)過(guò)分激烈，使鈮中殘留的鋁含量增加。用鐵精礦作添加劑時(shí)，其硅、磷含量要少。根據(jù)對(duì)鈮鐵純度的要求，常使用鐵屑或電解鐵粉添加劑。鐵的加入量以使合金接近Fe2Nb的低共熔點(diǎn)為宜。用純Nb₂O₅原料時(shí)，鐵用量以氧化鈮質(zhì)量的30%～40%為宜。降低爐渣的粘度可使合金和爐渣易于分離。通常在熔煉過(guò)程中加入熟石灰、氧化鋇、氧化鎂、螢石等助熔劑來(lái)降低爐渣的粘度。助熔劑的加入量必須適中，如加入的熟石灰過(guò)量太多，則易生成鈮酸鈣，使鈮的損失增大;助熔劑過(guò)多還會(huì)侵蝕爐襯耐火材料。此外，為了補(bǔ)充熱量，有時(shí)還需加入發(fā)熱劑如氯酸鈉等。引發(fā)反應(yīng)常用的強(qiáng)氧化劑有氯酸鹽、硝石和鎂粉等，也可用電容絲點(diǎn)火。物料必須預(yù)先干燥，反應(yīng)器和砂窩要保持干燥，以防爆炸。

鋁熱法電爐鋁熱還原法

鋁熱還原過(guò)程中采用電能補(bǔ)償加熱的生產(chǎn)方法。這種方法能較易控制還原反應(yīng)的速度，可獲得較高質(zhì)量的產(chǎn)品，并節(jié)省鋁粉，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)亦較爐外鋁熱還原法高。電爐鋁熱還原法生產(chǎn)鈮鐵有一段法和二段法充分。一段法是物料在電弧作用下一次完成還原反應(yīng)，產(chǎn)出鈮鐵。二段法是先用電弧爐熔化物料，然后進(jìn)行鋁熱還原熔煉。為使電極深插合適和保持爐況穩(wěn)定，必須嚴(yán)格控制爐膛電阻。爐膛電阻受爐料組成、鋁粉粒度和數(shù)量、爐渣化學(xué)成分、爐膛尺寸和電極間距、爐內(nèi)溫度分布等因素的影響。中國(guó)一些工廠以鈮鐵礦為原料，采用三相電弧爐生產(chǎn)中、高品位鈮鐵，冶煉溫度1973～2073K，氧化鈮回收率96%，氧化鉭回收率83%，鈮鐵中的鈮含量為50%～70%。

鋁熱還原是自動(dòng)反應(yīng)，因此要特別注意安全問(wèn)題，以免引起火災(zāi)、爆炸、燒傷等事故。爐料的存放要分開(kāi)，鋁粒與發(fā)熱劑及氧化物粉不能堆放在一起?；旌虾玫囊睙挔t料要立即熔煉不可存放?；炝蠄?chǎng)地不能潮濕和有積水，以免不慎引起混料的爐料反應(yīng)，造成爆炸事故。冶煉過(guò)程中操作人員要位于安全地帶，同時(shí)穿好勞動(dòng)防護(hù)用品，以免燒傷。要及時(shí)清理現(xiàn)場(chǎng)，不讓有粉塵存在，以免引起著火事故。點(diǎn)火時(shí)要注意安全。熔煉時(shí)要啟動(dòng)通風(fēng)系統(tǒng)，及時(shí)將煙塵廢氣排出，以免污染工作環(huán)境。 2100433B

鋁熱法金屬鈣的生產(chǎn)存在以下的問(wèn)題：

1、其成本在很大程度上受制于煤炭和原材料鋁粉的價(jià)格的變化；

2、其質(zhì)量尚不能達(dá)到電解法金屬鈣的純度，而要達(dá)到國(guó)外客戶普遍對(duì)金屬鈣的純度要求，必須經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的升華提純，成本會(huì)有較大的增加，從而難以和在逐步調(diào)整價(jià)格的電解法金屬鈣在市場(chǎng)上進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)。

3、鋁熱法金屬鈣的生產(chǎn)普遍存在導(dǎo)致一些小金屬鎂廠關(guān)閉的同樣問(wèn)題，即環(huán)境污染。隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)格的重視和控制，鋁熱法金屬鈣的生產(chǎn)如果不進(jìn)行一定的投入來(lái)解決環(huán)保問(wèn)題，將很可能會(huì)遭遇到一些小金屬鎂廠同樣的結(jié)局。

綜上所述，在當(dāng)前國(guó)際市場(chǎng)需求和國(guó)內(nèi)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的情勢(shì)下，由于供過(guò)于求，中國(guó)金屬鈣的銷售和市場(chǎng)份額不容樂(lè)觀，價(jià)格在相當(dāng)時(shí)期內(nèi)可能會(huì)處于較低的價(jià)位，將面臨激烈的競(jìng)爭(zhēng)。而與電解法金屬鈣相比，鋁熱法金屬鈣的生產(chǎn)更是受到了諸多因素的制約，應(yīng)從產(chǎn)品質(zhì)量，成本價(jià)格，市場(chǎng)需求，國(guó)家宏觀調(diào)控，環(huán)保要求等諸多方面進(jìn)行謹(jǐn)慎的考量，以避免盲目投入而帶來(lái)不必要的損失。

鋁熱反應(yīng)十分激烈，所以點(diǎn)燃后難以熄滅。若在鋼等其他金屬物上點(diǎn)燃，還會(huì)熔穿金屬物，加劇反應(yīng)。故常被用于制作穿甲彈可以熔穿裝甲。

鋁熱反應(yīng)過(guò)程中放出的熱可以使高熔點(diǎn)金屬熔化并流出，故鋁熱法廣泛運(yùn)用于焊接搶險(xiǎn)工程之中。另外，鋁熱法也是冶煉釩、鉻、錳等高熔點(diǎn)金屬的重要手段。

除此之外，其他的金屬單質(zhì)與金屬氧化物混合之后點(diǎn)燃，也會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的氧化還原反應(yīng)，效果類似于鋁熱反應(yīng)。其中的金屬單質(zhì)可以是鋁、鎂、鈣、鈦，或者是非金屬硼、硅，而金屬氧化物可以是三氧化二鉻、二氧化錳、氧化亞鐵、三氧化二鐵、四氧化三鐵、氧化銅和四氧化三鉛或者是非金屬氧化物二氧化硅、三氧化二硼等。有時(shí)這些反應(yīng)也根據(jù)反應(yīng)中的還原劑而被稱為“鎂熱法”“硅熱法”“鈣熱法”“碳熱法”等等。(注:鋁-氧化銅的混合物點(diǎn)燃后會(huì)發(fā)生劇烈爆炸！)

鋁熱反應(yīng)原理可以應(yīng)用在生產(chǎn)上，例如焊接鋼軌、冶煉難熔金屬、制作傳統(tǒng)的煙火劑等。用某些金屬氧化物（如V₂O₅、Cr₂O₃、MnO₂等）代替氧化鐵，也可以做鋁熱劑。當(dāng)鋁粉跟這些金屬氧化物反應(yīng)時(shí)，產(chǎn)生足夠的熱量，使被還原的金屬在較高溫度下呈熔融狀態(tài)，跟形成的熔渣分離開(kāi)來(lái)，從而獲得較純的金屬。在工業(yè)上常用這種方法冶煉難熔的金屬，如釩、鉻、錳等。

巴西圣保羅礦冶公司的阿拉克斯（Araxa）廠是世界上最大的鈮鐵生產(chǎn)廠。自1965年起用傳統(tǒng)鋁熱法工藝生產(chǎn)鈮鐵。在90年代初建成半連續(xù)自熱還原法生產(chǎn)鈮鐵的工藝流程（見(jiàn)圖2）。鋁熱法冶煉用反應(yīng)器為固定式（圖3），并裝有爐蓋。反應(yīng)產(chǎn)生的爐渣與鈮鐵從爐內(nèi)排放。用料罐將準(zhǔn)備好的原料分別裝入指定的圓筒形料倉(cāng)。各種爐料按配料稱量，每次裝入總用量的1/12（混合料約2500kg）。在混料器中混合4min后，卸入小料倉(cāng)內(nèi)，用螺旋運(yùn)輸機(jī)加到傳送帶上，運(yùn)至鋁熱反應(yīng)器頂?shù)幕旌狭蟼}(cāng)中。所有料倉(cāng)出口，均與一根經(jīng)過(guò)布袋除塵器的排氣管相通，保持負(fù)壓以減少粉塵。打開(kāi)混合料倉(cāng)閥門(mén)，往反應(yīng)器內(nèi)加10t混合料。用鎂條點(diǎn)燃后，反應(yīng)即開(kāi)始。爐料反應(yīng)完后，其余混合料以1～3t/min加入。反應(yīng)完后打開(kāi)出渣口將爐渣放出。爐渣用高壓水粒化。再打開(kāi)出鐵口放出鈮鐵，鑄錠（每塊重約4t）。一個(gè)冶煉周期約1h。