鋁電解質(zhì)中鋰鹽含量對400KA電解槽生產(chǎn)的影響

（天山鋁業(yè)股份有限公司，石河子市，832000） 劉君鵬 丁達(dá)勇 王龍召

早在1886年霍爾的第一個(gè)專利書中，就已提出了鋰鹽在鋁電解上應(yīng)用的建議，它的主要作用是降低電解質(zhì)的初晶點(diǎn)，提高電解質(zhì)導(dǎo)電率，降低電解質(zhì)密度等，但鋰鹽也有降低氧化鋁在電解質(zhì)中溶解度的作用，故含量不宜過高，必須結(jié)合氟化鈣、氟化鎂含量控制在一定范圍，且分子比要與其匹配，才能確保生產(chǎn)平穩(wěn)。下面從鋰鹽對電解質(zhì)體系的影響進(jìn)行逐一分析。

從國內(nèi)各鋁廠了解到，因國內(nèi)鋁廠大部分采購國產(chǎn)氧化鋁，而國產(chǎn)氧化鋁中氟化鋰含量普遍在0.2%～2.5%之間[1]。因此氟化鋰來源主要是原料氧化鋁，另外有少數(shù)鋁廠采購碳酸鋰作為添加劑。

1 氟化鋰對電解槽生產(chǎn)的影響

1.1 對溫度的影響

電解溫度T實(shí)際可表示為電解質(zhì)的初晶溫度t0與電解值的過熱度△t之和，即T=t0+△t，電解質(zhì)中添加鋰鹽后，當(dāng)電解質(zhì)中 Al2O3、AlF3、CaF2、MgF2的含量一定時(shí)，從公式⑴中可得到，每增加1%LiF可降低電解質(zhì)初晶溫度約8℃。使電解質(zhì)具有優(yōu)良的物理化學(xué)性質(zhì)［2］。

Bullard和Przbycien得出Al2O3、AlF3、CaF2、MgF2和LiF的含量與冰晶石熔液初晶點(diǎn)的綜合關(guān)系式如下∶

公式⑴中括號內(nèi)各種添加劑為質(zhì)量百分比，AlF3為過量百分比。

添加劑對電解質(zhì)初晶溫度的影響是綜合性的，但AlF3和LiF影響較大，表1是某鋁廠部分電解槽電解質(zhì)成分和分子比、初晶溫度的化驗(yàn)結(jié)果。

鋰鹽能使電解質(zhì)初晶溫度降低，主要是由于添加鋰鹽后，在電解質(zhì)體系中形成了一個(gè)穩(wěn)定的低溶點(diǎn)化合物鋰冰晶石（Li3AlF6），通過簡單的LiF～AlF3二元系相圖可以看出，鋰冰晶石（Li3AlF6）的熔點(diǎn)只有785℃左右，而冰晶石（Na3AlF6）的熔點(diǎn)則為1010℃，因此，電解質(zhì)含一定量氟化鋰可以顯著降低冰晶石－氧化鋁二元系的熔點(diǎn)。

表1 電解槽電解質(zhì)成分和分子比、初晶溫度的化驗(yàn)結(jié)果

1.2 氟化鋰對能耗的影響

由于LiF可增大電解質(zhì)的電導(dǎo)率(減小電解質(zhì)電阻)，減小電解質(zhì)黏度，降低電解質(zhì)的蒸氣壓(可減小揮發(fā)性)，降低電解質(zhì)密度，從而可以降低電解槽工作電壓，實(shí)現(xiàn)較低電壓運(yùn)行。同時(shí)，工業(yè)實(shí)踐表明∶含LiF的電解質(zhì)能有效提高電流效率，大型預(yù)焙槽已經(jīng)采用相對低摩爾比電解質(zhì)，如果電流效率不高于94%，LiF含量在2%～5%能少許提高電流效率,原因是目前較低電壓的前提下，電解槽極距進(jìn)一步壓縮，鋰電解質(zhì)體系減小電解質(zhì)電阻，有利于保障極距。因此，適量的LiF含量將有效提高電流效率，降低電解的能耗。

1.3 氟化鋰對電解質(zhì)密度、電導(dǎo)率、粘度的影響

LiF能降低電解質(zhì)密度，可使鋁液鏡面同電解質(zhì)界面更好的分層，減少二次反應(yīng)的幾率，達(dá)到提高電流效率的目的。

鋰鹽作為鋁電解質(zhì)的組分所起的作用主要是降低電解質(zhì)的初晶點(diǎn)，提高其電導(dǎo)率［3］，此外還減小其蒸汽壓和密度。其缺點(diǎn)是減少氧化鋁在電解質(zhì)中的溶解度。

LiF對降低電解質(zhì)粘度的效果最顯著，粘度的降低，促進(jìn)電解質(zhì)在電解槽內(nèi)的流動和CO2氣體的排除，提高電流效率。

1.4 氟化鋰對原鋁質(zhì)量的影響

電解鋁生產(chǎn)中，于電解質(zhì)內(nèi)加一定量的鋰鹽有提高電流效率、降低電解質(zhì)初晶溫度、減少電流消耗及陽極損耗，防止環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)。但鋰鹽加入過多也會給生產(chǎn)帶來不利，將會影響鋁液質(zhì)量。

當(dāng)鋁液中Li含量與電解質(zhì)中LiF含量建立平衡時(shí)，則有下列反應(yīng)式∶

德國Essen鋁廠統(tǒng)計(jì)了工業(yè)鋁電解槽中的Li含量與電解質(zhì)中LiF含量之間的關(guān)系式，其回歸方程為∶

2 鋰鹽含量的控制范圍研究與實(shí)踐

現(xiàn)代鋁工業(yè)中，對電解質(zhì)體系的研究一直在不斷深化，通過對添加劑的不斷應(yīng)用來改善傳統(tǒng)電解質(zhì)體系，以實(shí)現(xiàn)低溫、高效的煉鋁模式。電解質(zhì)中添加鋰鹽一直是改善電解質(zhì)體系重要措施之一，但由于氧化鋁礦所含成分的不同，氧化鋁中Li2O含量差別較大，單純使用Li2O含量較高的氧化鋁會造成鋁電解過程中LiF含量過高的現(xiàn)象，影響電解槽的平穩(wěn)運(yùn)行。某廠電解質(zhì)中LiF含量偏高(3%～5%)，大部分電解槽長期處于低溫生產(chǎn)狀態(tài)，電解槽普遍存在沉淀多、結(jié)殼厚、效應(yīng)頻發(fā)的現(xiàn)象。

在工業(yè)實(shí)踐中，目前已得到的共識是LiF含量在1%～3%之間是較好的低分子比電解質(zhì)體系。由于鋰鹽的存在，使得槽溫與傳統(tǒng)電解質(zhì)體系之理論溫度不相吻合，尤其當(dāng)鋰鹽含量較高時(shí)，偏差值更大。某公司500kA電解槽的運(yùn)行情況分析可得出∶當(dāng)LiF含量含量高，低溫、低電壓、較低分子比(2.5～2.6)時(shí)，槽運(yùn)行狀況不佳，存在穩(wěn)定性差、效率低下、效應(yīng)系數(shù)高等缺點(diǎn)，反而給各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)帶來負(fù)面影響。

某公司跟蹤根據(jù)電解質(zhì)氟化鋰含量變化趨勢，從原料控制著手，適度控制氟化鋰含量范圍。結(jié)果表明：鋰鹽含量控制在2.5%～3.5%范圍內(nèi)，可通過添加低Li2O含量的氧化鋁予以調(diào)整，并減少AlF3的添加量，將分子比控制在2.6～2.7間，增大電解質(zhì)的電導(dǎo)率，減小電解質(zhì)黏度，降低電解質(zhì)的蒸氣壓，降低電解質(zhì)密度，槽溫控制在940℃左右，保持適度的過熱度，電解槽可在較低電壓運(yùn)行。鋁水平24～26cm，電解質(zhì)水平17～20cm，不發(fā)生大幅度變化。

試驗(yàn)摸索在各項(xiàng)工藝條件達(dá)到最佳匹配后，電流效率明顯提高（槽日產(chǎn)提高了42.37kg），直流電單耗下降了119kwh/t.Al，氟化鋁單耗下降了3.76kg/t.Al，各項(xiàng)指標(biāo)均有所改善，電流效率能保證在91.5%以上,鋁錠綜合交流電單耗能穩(wěn)定在13600kWh/t.Al以下。原鋁質(zhì)量也得到保證，沒有客戶提出異議。

3 結(jié)語

根據(jù)電解槽設(shè)計(jì)槽型特點(diǎn)，結(jié)合生產(chǎn)技術(shù)條件，摸索氟化鋰含量高低對生產(chǎn)的利弊，提前預(yù)測氟化鋰變化趨勢，通過商務(wù)手段控制氟化鋰含量在一定范圍內(nèi)運(yùn)行，使電解槽工藝技術(shù)條件受到氟化鋰的負(fù)面影響降到最低，能夠取得較為理想的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。