三層液電解法生產(chǎn)精鋁的節(jié)能環(huán)保技術(shù)

張鐘月（新疆化工設(shè)計(jì)研究院 新疆 烏魯木齊）

一、精鋁

精鋁是指普通電解鋁經(jīng)過(guò)一定生產(chǎn)工藝精煉提純、含量達(dá)到99.99%以上的金屬鋁。其與原鋁相比具有許多優(yōu)異的性質(zhì)，如鋁的導(dǎo)電性、延展性、反射性、抗腐蝕性增強(qiáng)。其中最有價(jià)值的是抗腐蝕能力，約為原鋁的9倍。隨著電子工業(yè)及航空技術(shù)的發(fā)展，對(duì)精鋁的需求也越來(lái)越多。

二、三層液精煉鋁工藝

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)精鋁生產(chǎn)普遍采用三層液電解法（僅中鋁公司包頭鋁業(yè)分公司采用偏析法）。因由三層熔體組成而得名：最下層為陽(yáng)極合金，由原鋁和“加重劑”銅組成；中間層為電解質(zhì)，最上層為精煉所得的精鋁液。利用陽(yáng)極合金、電解質(zhì)以及陰極精鋁液之間的密度差，使精煉槽中始終保持著三層液體的狀態(tài)。該法最早由Hoops于1901年發(fā)明，1932年法國(guó)人Gadeau對(duì)此法加以改進(jìn)，是一電化學(xué)過(guò)程，即陽(yáng)極合金中的鋁失去電子，進(jìn)行電化學(xué)溶解，變成Al3＋進(jìn)入電解質(zhì)，在外加電壓的推動(dòng)下，Al3＋又在陰極上得到電子進(jìn)行電化學(xué)還原，即：

在陽(yáng)極：Al（液）-3e→Al3+在陰極：Al3++3e→Al（液）

在上述過(guò)程中，原鋁或者陽(yáng)極合金中，比鋁更正電性的雜質(zhì)，如Fe、Cu、Si等不發(fā)生電化學(xué)溶解，而留在陽(yáng)極合金中；比鋁更負(fù)電性的雜質(zhì)，如Na+、Ca2+、Mg2+等不能在陰極放電析出，而殘留于電解質(zhì)中，從而達(dá)到精煉的目的。三層液電解精煉鋁槽示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 傳統(tǒng)三層液電解精煉鋁槽示意圖

三、三層液精鋁電解槽的工藝技術(shù)改進(jìn)

隨著以信息技術(shù)為代表的現(xiàn)代新技術(shù)的快速發(fā)展,對(duì)精鋁生產(chǎn)的數(shù)量和質(zhì)量提出了新的要求，現(xiàn)有的精鋁生產(chǎn)技術(shù)不能滿足現(xiàn)代新技術(shù)日新月異更新的需求。 和世界精鋁生產(chǎn)的先進(jìn)技術(shù)相比，我國(guó)的三層液鋁精煉電解槽已顯露出容量小、機(jī)械化水平低、能耗高、勞動(dòng)生產(chǎn)率低等缺點(diǎn)[1]。因此本文提出了以下節(jié)能環(huán)保技術(shù)。

1.采用純氟化物電解質(zhì)

電解質(zhì)作為精煉媒體是非常重要的，目前主要為國(guó)內(nèi)企業(yè)常用的氟氯化物(NaF—AlF3—BaCl2—NaCl)電解質(zhì)和國(guó)外企業(yè)用的純氟化物(NaF—AlF3—BaF2—CaF2)電解質(zhì)。

氟氯化物電解質(zhì)中的BaCl2吸水性較強(qiáng)，往往含有一定的結(jié)晶水，在工業(yè)電解條件下，易水解產(chǎn)生HF和HCl氣體，導(dǎo)致電解質(zhì)各組分的消耗量都很大，并且易產(chǎn)生較多的電解質(zhì)渣和氟氯化合物酸氣，而純氟化物(NaF—AIF3—BaF2—CaF2)電解質(zhì)幾乎不吸水，因此在電解過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生大量酸霧和電解質(zhì)渣。電解質(zhì)消耗量小。

2.提高電解槽容量

開(kāi)發(fā)100kA及以上的三層液電解槽，隨著槽容量的增大，其熱損失就越小，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家均為100kA以上的三層液電解槽。而我國(guó)最大容量為眾和鋁業(yè)公司開(kāi)發(fā)的80kA電解槽，使我國(guó)精鋁生產(chǎn)水平達(dá)到一個(gè)嶄新的高度,但這與世界先進(jìn)水平還存在一定的差距 。

3.槽體結(jié)構(gòu)改進(jìn)

在電解槽下層側(cè)面留有楔子型加料口，并用不會(huì)造成污染的材料做成擋板擋住，加料時(shí)以原鋁錠直接加入。在電解槽上部與加料口相對(duì)應(yīng)的一側(cè)留出一個(gè)溢流口。這種出料方式在發(fā)達(dá)國(guó)家已成熟應(yīng)用，并用一種對(duì)陰極精鋁不會(huì)造成污染的材料（如高純石墨)做成擋板擋住，在出鋁時(shí)打開(kāi)。大大減少了用帶有石墨套筒底部設(shè)有若干徑向小孔的真空臺(tái)包出鋁時(shí)造成的陰極精鋁的波動(dòng)，有利于陰極精鋁液水平的穩(wěn)定，保證精鋁品位穩(wěn)定。

此時(shí)加料口與出料口均在槽體側(cè)面，可用一塊石墨導(dǎo)電板替代傳統(tǒng)三層液電解槽的陰極導(dǎo)電母線和陽(yáng)極導(dǎo)電母線，實(shí)現(xiàn)全封閉操作，可達(dá)到三種效益，一、避免沒(méi)有槽蓋時(shí)的大量熱損失；電解槽大量的熱是從上部損失的，為彌補(bǔ)這部分熱損失，保持電解槽的熱平衡，維持電解槽正常生產(chǎn)740℃的溫度，不得不通過(guò)提高電解槽的單槽電壓，因此正常生產(chǎn)有相當(dāng)部分的熱能，以熱的形式從電解槽上部散失了，所以加大電解槽上部保溫是行之有效的節(jié)電方法[2]。二可實(shí)現(xiàn)機(jī)械化加料和出料操作，提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率，減少勞動(dòng)定員；三相對(duì)于純氟化物電解質(zhì)因不能與空氣中水蒸氣接觸，避免了酸霧產(chǎn)生的條件，形成無(wú)污染生產(chǎn)。

加料口和出料口如果分別設(shè)在槽體左側(cè)和右側(cè)，可將槽體前后緊貼，以減少槽體側(cè)面熱損失，經(jīng)過(guò)上述改進(jìn)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知節(jié)能達(dá)到28%的效果，達(dá)到了減污降耗增效的結(jié)果。

結(jié)論

三層液的最大缺點(diǎn)就是生產(chǎn)成本高、能耗大、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，需要的人員多，單位產(chǎn)能投資大，但三層液的最大優(yōu)點(diǎn)就是產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)。本文通過(guò)對(duì)三層液電解槽進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了封閉式運(yùn)行、槽體前后緊貼避免了槽體上部、部分側(cè)面及加料和出料時(shí)的熱損失，達(dá)到降低電耗約28%的效果，同時(shí)避免了酸霧的產(chǎn)生。但以國(guó)內(nèi)石墨做導(dǎo)電蓋板則損耗大，需定期更換的頻率較高，所以還需進(jìn)一步的研究和開(kāi)發(fā)高性能石墨導(dǎo)電蓋板，屆時(shí)三層液精鋁電解工藝將會(huì)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

[1]寧建文,李劼.我國(guó)三層液鋁電解精煉技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展.有色礦冶，2005.Vol.21.No1.

[2]賈芳.三層液電解法生產(chǎn)中的節(jié)電技術(shù).新疆有色金屬，2003.