一種真空金屬熱還原煉鋰的裝置及方法
【專利摘要】一種真空金屬熱還原煉鋰的裝置及方法，裝置包括加熱電阻爐和反應(yīng)罐；反應(yīng)罐內(nèi)放置有料桶、活動支架和支撐筒；活動支架放置在料桶頂部，支撐筒放置在活動支架上；收集器放置在固定支架上，冷凝器放置在收集器上；方法按以下步驟進(jìn)行：（1）將煉鋰用反應(yīng)物料置于料桶中；（2）封閉反應(yīng)罐，抽真空，通入冷卻水，將料桶內(nèi)的物料加熱，進(jìn)行真空熱還原反應(yīng)；金屬鋰蒸汽在冷凝器上冷凝后進(jìn)入收集器；（3）停止加熱，通入惰性氣體至常壓，將反應(yīng)罐降至常溫，在收集器中獲得金屬鋰。本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，適用于大規(guī)模生產(chǎn)，通過料桶，活動支架和支撐筒的組合，使物料的放置和取出更方便。
【專利說明】一種真空金屬熱還原煉鋰的裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于冶金【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種真空金屬熱還原煉鋰的裝置及方法。

【背景技術(shù)】
[0002]金屬鋰具有獨(dú)特的理化性能，廣泛應(yīng)用于航空航天、核能發(fā)電、能源電池等新興領(lǐng)域，近年來需求量劇增。金屬鋰的生產(chǎn)方法主要有熔鹽電解法和真空熱還原法。熔鹽電解法是目前工業(yè)生產(chǎn)金屬鋰的主要方法，工藝成熟，但是該工藝的生產(chǎn)原料為高純氯化鋰，成本較高；一次產(chǎn)品中鈉、鉀等有害雜質(zhì)含量較高；陽極氣體為氯氣，污染環(huán)境，腐蝕設(shè)備；工藝流程長。而真空熱還原法可直接以工業(yè)級碳酸鋰或氫氧化鋰為原料成本較低；而且由于金屬鋰與鈉和鉀的蒸氣壓不同導(dǎo)致結(jié)晶位置不同，因此有害雜質(zhì)的含量極低；生產(chǎn)過程中無有害氣體生成；所以，真空熱還原法是一種有工業(yè)應(yīng)用前景的煉鋰方法。
[0003]真空熱還原法根據(jù)還原劑的不同可以分為碳熱還原法、氫熱還原法和金屬熱還原法。碳熱還原法和氫熱還原法由于還原溫度高、不易操作、金屬鋰品位低等原因不易于進(jìn)行工業(yè)推廣；而以硅、鋁及其合金的金屬熱還原法煉鋰最具有工業(yè)應(yīng)用價值，目前已有金屬熱還原煉鋰的半工業(yè)試驗(yàn)見諸文獻(xiàn)報道。但是限制該方法推廣的主要原因是金屬鋰的收集技術(shù)不成熟，影響生產(chǎn)效率，導(dǎo)致單位質(zhì)量金屬鋰的生產(chǎn)能耗較大、生產(chǎn)成本較高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有制備金屬鋰的方法存在的上述不足，本發(fā)明提供一種真空金屬熱還原煉鋰的裝置及方法，將冷凝器和收集器設(shè)置在反應(yīng)罐內(nèi)，通過加熱煉鋰用物料產(chǎn)生金屬鋰蒸汽，在反應(yīng)te內(nèi)直接收集，在提聞生廣效率的同時，大幅提聞金屬裡的收率。
[0005]本發(fā)明的真空金屬熱還原煉鋰的裝置包括加熱電阻爐和反應(yīng)罐；反應(yīng)罐的下部位于加熱電阻爐內(nèi)，反應(yīng)罐的上部設(shè)有冷卻水套；反應(yīng)罐的頂部與法蘭蓋密封連接，法蘭蓋上設(shè)有真空口和充氣孔；其中反應(yīng)罐內(nèi)放置有料桶、活動支架和支撐筒；料桶位于反應(yīng)罐底部且位于加熱電阻爐的內(nèi)部，活動支架放置在料桶頂部，支撐筒放置在活動支架上；支撐筒內(nèi)壁上設(shè)有固定支架，收集器放置在固定支架上，冷凝器放置在收集器上，并且收集器和冷凝器位于加熱電阻爐的上方；第一熱電偶和第二熱電偶插入反應(yīng)罐內(nèi)，第一熱電偶的底端位于收集器和冷凝器之間，第二熱電偶的底端位于料桶內(nèi)。
[0006]上述的收集器由一個環(huán)形底板和內(nèi)、外圓筒構(gòu)成一體結(jié)構(gòu)，內(nèi)圓筒的底邊與環(huán)形底板的內(nèi)邊連接，外圓筒的底邊與環(huán)形底板的外邊連接。
[0007]上述的冷凝器由至少一個冷凝片組成，冷凝片為環(huán)形結(jié)構(gòu)，冷凝片的上、下表面與圓臺的側(cè)壁結(jié)構(gòu)相同，冷凝片的垂直投影結(jié)構(gòu)與收集器的垂直投影結(jié)構(gòu)相同；當(dāng)冷凝器由多個冷凝片組成時，各冷凝片從上到下排列并通過冷凝支架固定在一起，除最上層的冷凝片外，其余各冷凝片上均設(shè)有通孔。
[0008]上述裝置中，反應(yīng)罐外部還設(shè)有保溫電阻爐，位于加熱電阻爐和冷卻水套之間。
[0009]本發(fā)明的真空金屬熱還原煉鋰的方法是采用上述裝置，按以下步驟進(jìn)行: 1、將煉鋰用反應(yīng)物料置于料桶中；所述的煉鋰用反應(yīng)物料的制備方法為:將含鋰原料和添加劑混合均勻后壓制成球型團(tuán)塊，在70(Tl000°C和真空度< 10Pa條件下煅燒f 2h，得到含鋰熟料；將含鋰熟料與還原劑分別破碎并磨細(xì)至粒度< 80 μ m，再混合均勻獲得混合粉料，將混合粉料壓制成球型團(tuán)塊作為煉鋰用反應(yīng)物料；
2、封閉裝有料桶的反應(yīng)罐，通過真空口將反應(yīng)罐抽真空至壓力<10Pa，向冷卻水套內(nèi)通入冷卻水，通過加熱電阻爐將料桶內(nèi)的物料加熱，當(dāng)?shù)诙犭娕紲y到的溫度為100(Γ1250?，并且控制第一熱電偶測到的溫度為20(T600°C，進(jìn)行真空熱還原反應(yīng)，反應(yīng)時間在1.5飛h ;反應(yīng)過程中產(chǎn)生的金屬鋰蒸汽在冷凝器上冷凝后進(jìn)入收集器；
3、反應(yīng)完成后停止加熱，當(dāng)反應(yīng)罐內(nèi)的溫度降至第一熱電偶測到的溫度低于金屬鋰熔點(diǎn)時，通過充氣孔向反應(yīng)罐內(nèi)通入惰性氣體至常壓，將反應(yīng)罐降至常溫，在收集器中獲得金屬鋰。
[0010]上述方法中，制備煉鋰用反應(yīng)物料時，選用的含鋰原料為碳酸鋰；選用的添加劑為氧化鈣，選用的還原劑為硅鐵合金；含鋰原料與添加劑的的混合比例按摩爾比為含鋰原料丄添加劑=1: (2?3)，含鋰熟料與還原劑的混合比例按含鋰熟料中的鋰與還原劑中的硅的摩爾比為(3.3^4):1。
[0011]上述方法中，向反應(yīng)罐內(nèi)融入惰性氣體至常壓后，為保證冷凝器上的金屬鋰被充分收集，通過反應(yīng)罐外的保溫電阻爐對反應(yīng)罐加熱，控制第一熱電偶測到的溫度在20(T30(TC，保溫0.5?2h，然后關(guān)閉保溫電阻爐將反應(yīng)罐降至常溫。
[0012]上述方法中，金屬鋰的收率彡95%。
[0013]上述的硅鐵合金中硅的重量含量在7(Γ100%之間。
[0014]上述的惰性氣體選用氬氣。
[0015]本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，適用于大規(guī)模生產(chǎn)，通過料桶，活動支架和支撐筒的組合，使物料的放置和取出更方便，本發(fā)明的方法可生產(chǎn)能耗少，成本低，產(chǎn)品收率和純度都較高，具有良好的應(yīng)用前景。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明的真空金屬熱還原煉鋰的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖中，1、加熱電阻爐，2、煉鋰用反應(yīng)物料，3、料桶，4、活動支架，5、保溫電阻爐，6、反應(yīng)罐，7、冷卻水套，8、緊固螺栓，
9、充氣孔，10、第一熱電偶，11、真空口，12、密封墊，13、冷凝器，14、金屬鋰，15、收集器，16、固定支架，17、支撐筒，18、第二熱電偶，19、冷凝器支架，20、法蘭蓋；
圖2為本發(fā)明實(shí)施例中的收集器剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為圖2的俯視圖；
圖4為本發(fā)明實(shí)施例中的頂層冷凝片結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5為圖4的俯視圖；
圖6為本發(fā)明實(shí)施例1中的帶有通孔的冷凝片結(jié)構(gòu)示意圖；
圖7為本發(fā)明實(shí)施例2中的帶有通孔的冷凝片結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0017]本發(fā)明實(shí)施例中采用的料桶、活動支架、支撐筒、收集器和冷凝器的材質(zhì)為耐高溫不銹鋼。
[0018]本發(fā)明實(shí)施例中采用的碳酸鋰、氧化鈣和硅鐵合金為市購工業(yè)級產(chǎn)品。
[0019]本發(fā)明實(shí)施例中惰性氣體選用氬氣。
[0020]本發(fā)明實(shí)施例中采用的活動支架為環(huán)形。
[0021]本發(fā)明實(shí)施例中當(dāng)冷凝器由多個冷凝片組成時，設(shè)有通孔的冷凝片上的通孔在冷凝片上均勻分布，各通孔的總面積為冷凝片上表面總面積的15?70%。
[0022]本發(fā)明實(shí)施例中冷凝片內(nèi)圓的直徑滿足同時通過第一熱電偶和第二熱電偶，冷凝片的高度為外圓直徑的1/Γ3/2。
[0023]實(shí)施例1
真空金屬熱還原煉鋰的裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括加熱電阻爐I和反應(yīng)罐6 ;反應(yīng)罐6的下部位于加熱電阻爐I內(nèi)，反應(yīng)罐6的上部設(shè)有冷卻水套7 ;反應(yīng)罐6的頂部與法蘭蓋20密封連接，法蘭蓋20上設(shè)有真空口 11和充氣孔9 ;
法蘭蓋20通過緊固螺栓8與反應(yīng)罐6固定在一起，法蘭蓋20和反應(yīng)罐6之間設(shè)有密封墊12 ；
其中反應(yīng)罐6內(nèi)放置有料桶3、活動支架4和支撐筒17 ;料桶3位于反應(yīng)罐6底部且位于加熱電阻爐I的內(nèi)部，活動支架4放置在料桶3頂部，支撐筒17放置在活動支架4上；支撐筒17內(nèi)壁上設(shè)有固定支架16，收集器15放置在固定支架16上，冷凝器13放置在收集器15上，并且收集器15和冷凝器13位于加熱電阻爐I的上方；
第一熱電偶10和第二熱電偶18插入反應(yīng)罐6內(nèi)，第一熱電偶10的底端位于收集器15和冷凝器13之間，第二熱電偶18的底端位于料桶3內(nèi)；
收集器結(jié)構(gòu)如圖2和3所示，由一個環(huán)形底板和內(nèi)、外圓筒構(gòu)成一體結(jié)構(gòu)，內(nèi)圓筒的底邊與環(huán)形底板的內(nèi)邊連接，外圓筒的底邊與環(huán)形底板的外邊連接；
冷凝器13由有3個冷凝片組成，冷凝片為環(huán)形結(jié)構(gòu)，冷凝片的上、下表面與圓臺的側(cè)壁結(jié)構(gòu)相同，冷凝片的垂直投影結(jié)構(gòu)與收集器的垂直投影結(jié)構(gòu)相同；各冷凝片從上到下排列并通過冷凝支架19固定在一起，除最上層的冷凝片外，其余各冷凝片上均設(shè)有通孔；其中最上層冷凝片結(jié)構(gòu)如圖4和5所示，其余冷凝片結(jié)構(gòu)如圖6所示；
反應(yīng)罐6外部還設(shè)有保溫電阻爐5，位于加熱電阻爐I和冷卻水套7之間；
真空金屬熱還原煉鋰的方法是采用上述裝置，按以下步驟進(jìn)行:
1、將煉鋰用反應(yīng)物料置于料桶中；所述的煉鋰用反應(yīng)物料的制備方法為:將碳酸鋰和氧化鈣按摩爾比1:2混合均勻后壓制成球型團(tuán)塊，在700°C和真空度彡10Pa條件下煅燒2h，得到含鋰熟料；將含鋰熟料與硅鐵合金分別破碎并磨細(xì)至粒度< 80 μ m，再混合均勻獲得混合粉料，混合比例按含鋰熟料中的鋰與硅鐵合金中的硅的摩爾比為3.3:1 ;將混合粉料壓制成球型團(tuán)塊作為煉鋰用反應(yīng)物料；其中硅鐵合金中硅的重量含量70% ；
2、封閉裝有料桶的反應(yīng)罐，通過真空口將反應(yīng)罐抽真空至壓力<10Pa，向冷卻水套內(nèi)通入冷卻水，通過加熱電阻爐將料桶內(nèi)的物料加熱，當(dāng)?shù)诙犭娕紲y到的溫度為100(Γ1250?，并且控制第一熱電偶測到的溫度為20(T600°C，進(jìn)行真空熱還原反應(yīng)，反應(yīng)時間在6h ;反應(yīng)過程中產(chǎn)生的金屬鋰蒸汽在冷凝器上冷凝后進(jìn)入收集器；
3、反應(yīng)完成后停止加熱，當(dāng)反應(yīng)罐內(nèi)的溫度降至第一熱電偶測到的溫度低于金屬鋰熔點(diǎn)時，通過充氣孔向反應(yīng)罐內(nèi)通入惰性氣體至常壓，將反應(yīng)罐降至常溫，在收集器中獲得金屬鋰；
向反應(yīng)罐內(nèi)融入惰性氣體至常壓后，為保證冷凝器上的金屬鋰被充分收集，通過反應(yīng)罐外的保溫電阻爐對反應(yīng)罐加熱，控制第一熱電偶測到的溫度在20(T30(TC，保溫0.5h，然后關(guān)閉保溫電阻爐將反應(yīng)罐降至常溫；
金屬鋰的收率97%。
[0024]實(shí)施例2
真空金屬熱還原煉鋰的裝置結(jié)構(gòu)同實(shí)施例1，不同點(diǎn)在于:
冷凝器由有2個冷凝片組成，設(shè)有通孔的冷凝片結(jié)構(gòu)如圖7所示；
真空金屬熱還原煉鋰的方法同實(shí)施例1，不同點(diǎn)在于:
碳酸鋰和氧化鈣按摩爾比1:2.5混合，在850°C和真空度彡10Pa條件下煅燒1.5h，得到含鋰熟料；
含鋰熟料與硅鐵合金混合比例按含鋰熟料中的鋰與硅鐵合金中的硅的摩爾比為
3.6:1 ;娃鐵合金中娃的重量含量在85% ；
真空熱還原反應(yīng)，反應(yīng)時間在4h ；
通過反應(yīng)罐外的保溫電阻爐對反應(yīng)罐加熱，控制第一熱電偶測到的溫度在20(T30(TC，保溫Ih ；
金屬鋰的收率96%。
[0025]實(shí)施例3
真空金屬熱還原煉鋰的裝置結(jié)構(gòu)同實(shí)施例1，不同點(diǎn)在于:
冷凝器由有I個冷凝片組成，沒有設(shè)有通孔的冷凝片；
真空金屬熱還原煉鋰的方法同實(shí)施例1，不同點(diǎn)在于:
碳酸鋰和氧化鈣按摩爾比1:3混合，在1000°C和真空度彡10Pa條件下煅燒lh，得到含裡熟料；
含鋰熟料與硅鐵合金混合比例按含鋰熟料中的鋰與硅鐵合金中的硅的摩爾比為4:1 ；娃鐵合金中娃的重量含量在98% ；
真空熱還原反應(yīng)，反應(yīng)時間在1.5h ；
通過反應(yīng)罐外的保溫電阻爐對反應(yīng)罐加熱，控制第一熱電偶測到的溫度在20(T30(TC，保溫2h ；
金屬鋰的收率95%。
【權(quán)利要求】
1.一種真空金屬熱還原煉鋰的裝置，包括加熱電阻爐和反應(yīng)罐；反應(yīng)罐的下部位于加熱電阻爐內(nèi)，反應(yīng)罐的上部設(shè)有冷卻水套；反應(yīng)罐的頂部與法蘭蓋密封連接，法蘭蓋上設(shè)有真空口和充氣孔；其特征在于:反應(yīng)罐內(nèi)放置有料桶、活動支架和支撐筒；料桶位于反應(yīng)罐底部且位于加熱電阻爐的內(nèi)部，活動支架放置在料桶頂部，支撐筒放置在活動支架上；支撐筒內(nèi)壁上設(shè)有固定支架，收集器放置在固定支架上，冷凝器放置在收集器上，并且收集器和冷凝器位于加熱電阻爐的上方；第一熱電偶和第二熱電偶插入反應(yīng)罐內(nèi)，第一熱電偶的底端位于收集器和冷凝器之間，第二熱電偶的底端位于料桶內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種真空金屬熱還原煉鋰的裝置，其特征在于所述的收集器由一個環(huán)形底板和內(nèi)、外圓筒構(gòu)成一體結(jié)構(gòu)，內(nèi)圓筒的底邊與環(huán)形底板的內(nèi)邊連接，外圓筒的底邊與環(huán)形底板的外邊連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種真空金屬熱還原煉鋰的裝置，其特征在于所述的冷凝器有至少一個冷凝片組成，冷凝片為環(huán)形結(jié)構(gòu)，冷凝片的上、下表面與圓臺的側(cè)壁結(jié)構(gòu)相同，冷凝片的垂直投影結(jié)構(gòu)與收集器的垂直投影結(jié)構(gòu)相同；當(dāng)冷凝器由多個冷凝片組成時，各冷凝片從上到下排列并通過冷凝支架固定在一起，除最上層的冷凝片外，其余各冷凝片上均設(shè)有通孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種真空金屬熱還原煉鋰的裝置，其特征在于所述的反應(yīng)罐外部還設(shè)有保溫電阻爐，位于加熱電阻爐和冷卻水套之間。
5.一種真空金屬熱還原煉鋰的方法，其特征在于采用權(quán)利要求1所述的裝置，按以下步驟進(jìn)行: (O將煉鋰用反應(yīng)物料置于料桶中；所述的煉鋰用反應(yīng)物料的制備方法為:將含鋰原料和添加劑混合均勻后壓制成球型團(tuán)塊，在70(Ti00(rc和真空度< 10Pa條件下煅燒f2h，得到含鋰熟料；將含鋰熟料與還原劑分別破碎并磨細(xì)至粒度< 80 μ m，再混合均勻獲得混合粉料，將混合粉料壓制成球型團(tuán)塊作為煉鋰用反應(yīng)物料； (2)封閉裝有料桶的反應(yīng)罐，通過真空口將反應(yīng)罐抽真空至壓力<10Pa，向冷卻水套內(nèi)通入冷卻水，通過加熱電阻爐將料桶內(nèi)的物料加熱，當(dāng)?shù)诙犭娕紲y到的溫度為100(Γ1250?，并且控制第一熱電偶測到的溫度為20(T600°C，進(jìn)行真空熱還原反應(yīng)，反應(yīng)時間在1.5飛h ;反應(yīng)過程中產(chǎn)生的金屬鋰蒸汽在冷凝器上冷凝后進(jìn)入收集器； (3)反應(yīng)完成后停止加熱，當(dāng)反應(yīng)罐內(nèi)的溫度降至第一熱電偶測到的溫度低于金屬鋰熔點(diǎn)時，通過充氣孔向反應(yīng)罐內(nèi)通入惰性氣體至常壓，將反應(yīng)罐降至常溫，在收集器中獲得金屬鋰。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種真空金屬熱還原煉鋰的方法，其特征在于制備煉鋰用反應(yīng)物料時，選用的含鋰原料為碳酸鋰；選用的添加劑為氧化鈣，選用的還原劑為硅鐵合金；含鋰原料與添加劑的的混合比例按摩爾比為含鋰原料:添加劑=1: (2?3)，含鋰熟料與還原劑的混合比例按含鋰熟料中的鋰與還原劑中的硅的摩爾比為(3.3?4):1。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種真空金屬熱還原煉鋰的方法，其特征在于向反應(yīng)罐內(nèi)融入惰性氣體至常壓后，為保證冷凝器上的金屬鋰被充分收集，通過反應(yīng)罐外的保溫電阻爐對反應(yīng)罐加熱，控制第一熱電偶測到的溫度在20(T30(TC，保溫0.5?2h，然后關(guān)閉保溫電阻爐將反應(yīng)罐降至常溫。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種真空金屬熱還原煉鋰的方法，其特征在于金屬鋰的收率



bO ri/ r* ζ
【文檔編號】C22B9/04GK104388688SQ201410651204
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月17日
【發(fā)明者】狄躍忠, 彭建平, 王耀武, 馮乃祥 申請人:東北大學(xué)