關(guān)于低溫鋁電解的工藝技術(shù)探析

摘 要：自美國(guó)霍爾和法國(guó)埃魯發(fā)明了煉鋁的電解法之后，鋁工業(yè)就一直采用這種方法，但是這種方法耗能高、單槽生產(chǎn)率低、污染嚴(yán)重，鋁生產(chǎn)行業(yè)也一直在尋找新的、更加先進(jìn)的技術(shù)。低溫鋁電解因?yàn)槟軌蛴行岣唠娏餍?、?jié)省電能，并能延長(zhǎng)電解槽的使用壽命，一直是鋁業(yè)界中備受關(guān)注的話題。本文對(duì)低溫鋁電解的工藝技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要論述。

關(guān)鍵詞：鋁電解 低溫鋁電解 工藝技術(shù)

中圖分類號(hào)：TN2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）07（a）-0073-01

傳統(tǒng)的霍爾-埃魯法在電解生產(chǎn)鋁時(shí)通常在940 ℃～960 ℃進(jìn)行，低溫鋁電解是要實(shí)現(xiàn)溫度在800 ℃～900 ℃的鋁電解。低溫鋁電解的方法有很多，其中鈉冰晶石體系，鋰冰晶石體系低溫電解、鉀冰晶石體系低溫電解以Al2O3為原料，屬于傳統(tǒng)低溫鋁電解。氯化鋁融鹽電解、硫化鋁融鹽電解、非水溶液溶劑中鹵化鋁和有機(jī)鋁鹽電解以非Al2O3的鋁鹽為原料，屬于非傳統(tǒng)低溫鋁電解。

1 傳統(tǒng)低溫鋁電解工藝技術(shù)

對(duì)于傳統(tǒng)的低溫鋁電解來(lái)講，降低電解質(zhì)體系的初晶點(diǎn)溫度是實(shí)現(xiàn)低溫鋁電解的關(guān)鍵，因此對(duì)鈉冰晶石體系、鋰冰晶石、鉀冰晶石等電解質(zhì)的研究尤為重要。

1.1 鈉冰晶石體系低溫電解

鈉冰晶石體系的基本成分是Na3AlF6，AlF3和Al2O3。此外，還添加一些添加劑如CaF2、MgF2、LiF和NaCl等。我國(guó)低溫鋁電解研究者邱竹賢針對(duì)添加不同的添加劑對(duì)初晶點(diǎn)溫度的不同影響做了總結(jié)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在各添加劑中LiF、MgF2、BaCl2和AlF3對(duì)鋁電解質(zhì)初晶點(diǎn)的溫度變化影響最大，電解質(zhì)/a2hndE2JvgaFxzYKsWA2kKhWQwqrbcP9GAB7wlq8aA=中每添加1%的添加劑，其溫度下降5℃以上。

Al2O3在鋁電解質(zhì)中的溶解速度和溶解度對(duì)電解過(guò)程較為重要，如果電解質(zhì)中的Al2O3溶解度太小或者溶解速度緩慢，在電解過(guò)程中則會(huì)造成Al2O3沉淀在槽底的情況，這樣會(huì)增加能量的消耗。為了防止此情況發(fā)生，在低溫電解質(zhì)時(shí)可添加輕度焙燒Al2O3。電解質(zhì)引起的電壓降在鋁電解槽電壓中意味著會(huì)降低槽電壓和減少電能的消耗。為保證各電解參數(shù)在低溫電解時(shí)不發(fā)生變化，需降低極距，以補(bǔ)償溫度降低所引起的電解質(zhì)導(dǎo)電率下降而帶來(lái)的槽電壓上升。

在鋁電解生產(chǎn)過(guò)程中，可以向冰晶石熔體中添加Al2O3、LiF、AlF3、NaCl、CaF2、MgF2以及NaF來(lái)降低電解質(zhì)的密度，以加快電解質(zhì)與鋁液的分離，有利于提高電流效率。熔融金屬鋁和電解質(zhì)間的界面張力越大，越能有效地減少鋁通過(guò)此界面向電解質(zhì)中的傳輸。而低溫電解時(shí)界面張力有利于電流效率提高。

1.2 鋰冰晶石體系低溫電解

在LiF，AlF3二元系中，由于鋰冰晶石的熔點(diǎn)為785 ℃，并且鋰冰晶石與AlF3的共晶點(diǎn)為710 ℃，因此，在該體系中存在著寬闊的低溫區(qū)域，不過(guò)在純鋰冰晶石中Al2O3的溶解度也只有1%～2%（質(zhì)量），Al2O3溶解度太小影響了該體系作為鋁電解質(zhì)低溫體系。根據(jù)研究者實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，以Na3AlF6，LiF，AlF3，CaF2，Al2O3作為低溫體系進(jìn)行研究，電解質(zhì)組成為Na3AlF654%（質(zhì)量），LiF14%（質(zhì)量），AlF326%（質(zhì)量），CaF2%（質(zhì)量），Al2O3%（質(zhì)量），電解溫度800 ℃，電流密度0.43 A/cm2，電流效率達(dá)92%，無(wú)陰極固體結(jié)殼現(xiàn)象發(fā)生。鋰冰晶石體系的缺點(diǎn)是Al2O3溶解度太小，LiF價(jià)格昂貴。只有在LiF大量生產(chǎn)的情況下，LiF才能廣泛使用。

1.3 鉀冰晶石體系低溫電解

Al2O3在純K3AlF6中有較大的溶解度，可有效解決在在鈉冰晶石體系中低溫電解時(shí)Al2O3溶解度小的問(wèn)題，但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鉀鹽對(duì)碳素材料的滲透力太強(qiáng)，而鋁電解的電極和槽襯是以碳素為材料的，因此鉀冰晶石體系曾一度被鋁工業(yè)禁用。后來(lái)，惰性電極和絕緣槽襯的雙極性電解槽的實(shí)現(xiàn)使鉀鹽在低溫鋁電解中得以使用。Sterten等在組成為Na3AlF638.5%（質(zhì)量），Li3AlF629.7%（質(zhì)量），K3AlF623.8%（質(zhì)量），CaF25%（質(zhì)量）和Al2O33%（質(zhì)量）的電解質(zhì)中電解制取鋁，當(dāng)電解溫度為850 ℃，電流密度為0.15 A/cm2時(shí)，電流效率稍低為82%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鉀冰晶石體系具有Al2O3溶解度大的優(yōu)點(diǎn)，但是電導(dǎo)率有所下降。鉀冰晶石體系最終能否作為鋁電解低溫體系，還須進(jìn)一步考察其物化性質(zhì)，電流效率及電化學(xué)性質(zhì)后才能確定。

2 非傳統(tǒng)低溫鋁電解工藝技術(shù)

因?yàn)榉莻鹘y(tǒng)低溫鋁電解的各種特點(diǎn)，目前對(duì)與非傳統(tǒng)低溫鋁電解的研究已非常少了。

2.1 氯化鋁融鹽電解

氯化鋁融鹽電解法以AlCl3取代了傳統(tǒng)的原料Al2O3，并且電解溫度較低只有700℃。關(guān)于氯化鋁融鹽電解法的研究自1854年以來(lái)一直沒(méi)有停止過(guò)。根據(jù)國(guó)外研制經(jīng)驗(yàn)和結(jié)果總結(jié)AlCl3融鹽電解法包括兩個(gè)主要步驟：一是從鋁土礦中制取Al2O3；二是Al2O3電解制取Al。鋁電解采用密閉的多室電解槽，用石墨作電極。所用電解質(zhì)體系有氯化物體系和氟氯化物體系兩類。與鋁業(yè)一直沿用的霍爾埃魯法相比具有電解溫度低，碳陽(yáng)極不消耗，電耗相對(duì)較小，能夠采用較大電流密度的優(yōu)勢(shì)，但是在實(shí)驗(yàn)中也表明該法具有一定的缺陷，氯化物對(duì)設(shè)備的腐蝕性較強(qiáng)，需要一個(gè)額外的氯化工序，能耗量增大，因AlCl3吸水性較強(qiáng)，易在槽內(nèi)產(chǎn)生沉淀。此方法目前已停止工業(yè)試驗(yàn)。

2.2 硫化鋁融鹽電解

Bucherer于1892年提出硫化鋁融鹽電解法，把Al2S3·3Na2S化合物溶解在堿金屬和堿土金屬氟化物（或氯化物）中進(jìn)行融鹽電解制取純鋁。德國(guó)和前蘇聯(lián)、美國(guó)科學(xué)家都曾對(duì)此法進(jìn)行了研究，1982年美國(guó)Minh等把Al2S3溶解在MgCl2，NaCl，KCl溶液中進(jìn)行電解制得金屬鋁。硫化鋁融鹽電解具有電解溫度低，碳陽(yáng)極不消耗的優(yōu)點(diǎn)，但是Al2S3需要合成方法制取，Al2S3極易水解發(fā)生反應(yīng)，而且在電解過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量有毒的硫化物揮發(fā)。目前對(duì)該法的研究已很少。

2.3 非水溶液溶劑中鹵化鋁和有機(jī)鋁鹽電解法

非水溶液溶劑中鹵化鋁和有機(jī)鋁鹽電解法具有能耗低、得到的鋁純度高、電解質(zhì)無(wú)腐蝕性，不用碳素材料的優(yōu)勢(shì)，但是該種方法成本高，原料不宜儲(chǔ)備，電解質(zhì)導(dǎo)電率低，電流密度和單位陰極面積上鋁的產(chǎn)出率低的缺陷，不適合大規(guī)模生產(chǎn)。

總之，低溫鋁電解的方法雖然有很多，但是從各研究結(jié)果看，鈉冰晶石體系低溫電解具有較高的使用價(jià)值。我國(guó)對(duì)于低溫鋁電解的研究水平在世界上處于領(lǐng)先地位，但是在工業(yè)應(yīng)用方面還不夠，我們應(yīng)當(dāng)將研究成果積極的應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中，為工業(yè)生產(chǎn)創(chuàng)造出更多的效益。

參考文獻(xiàn)

[1]田忠良，賴延清，銀瑰，等.低溫鋁電解研究進(jìn)展[J].有色金屬：冶煉部分，2004（5）.

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