鋁電解質

鋁電解質

鋁電解生產用的電解質,由冰晶石(Na3AlF6)、氧化鋁(Al2O3)和其他鹽類添加物(如AlF3、CaF2、MgF2、LiF)組成。

鋁電解質

主要組成

鋁電解與銅電解不同,不能在水溶液中進行,因為在水溶液中電解時,陰極上只能析出氫而不能析出鋁。因此,必須採用熔融鹽電解質。鋁電解質中的氧化鋁是電解的原料,熔點為2323K。生產lt鋁理論上需要1.89t氧化鋁,實際上由於有飛揚等損失,一般需要1.92~1.94t。冰晶石是溶解氧化鋁的溶劑,其熔點為1282K。天然冰晶石的分子式為Na3AlF6,儲量很少,鋁電解工業用的冰晶石是人工合成的,其分子通式為nNaF•AlF3(n一般為2~3)。冰晶石中NaF與A1F3的摩爾比稱為冰晶石比或冰晶石摩爾比,以CR表示。CR=3的冰晶石呈中性,CR>3者呈鹼性,CR<3者呈酸性。冰晶石比是鋁電解生產中的一個重要技術參數,在生產過程中必須保持在一定範圍內。採用計算機控制的自動半連續加料大型電解槽,所用的冰晶石比一般為2.2左右。採用機械加料的中型電解槽,冰晶石比一般為2.6~2.8。在鋁電解過程中,冰晶石比不斷變化。電解槽啟動初期,由於陰極炭素內襯選擇性地吸收NaF,NaF的損失速度大於AlF。揮發和被Na20、Ca0、H20分解的損失速度,冰晶石比會自動降低。因此,需添加NaF加以調整,使冰晶石比保持在一定範圍。也可以用Na2CO3代替NaF。但在鋁電解正常生產期間,NaF的損失速度小於A1F3的損失速度,冰晶石比則會自動升高,必須添加AlF。加以調整。電解質中的其他鹽類添加物在電解過程中損失很少,只需要定期加以補充。電解質中的氧化鋁含量一般保持在3%~5%左右,在電解過程中需要定期補充。

體系

1886年,埃魯(LT.Heroult)和霍爾(c.M.Hall)發明電解冰晶石一氧化鋁熔融鹽的煉鋁方法,並於1887年實現了小規模工業生產。初期所用的電解質體系為簡單的Na3AlF6-Al203二元系,Al2O3。的含量為14%~16%。為了降低電解溫度,向電解質中添加了CaF2,其含量為5%左右。於是電解質變成為Na3AlF6-Al203多元系。這種三元體系的鋁電解質一直用到20世紀50年代。以後開始向電解質中添加MGF,其含量為3%~4%,並同時採用CR為2.7左右的冰晶石。這時的鋁電解質發展成為NaAlF-A1F、3CaF2MgF2-A120。多元系。20世紀60年代後部分鋁電解工廠向電解質中添加LiF,以此來提高電解質的導電度
中國撫順鋁廠第一系列投產時,所用的電解質為Na3A1F6-A1203-CaF2系,A1203含量為8%左右,CaF2含量為5%左右,採用效應加工制度。1960年以後採用酸性電解質,CR=2.3~2.5,同時向電解質中添加3%~4%.MgFz,實行無效應操作制度。80年代開始,中國部分鋁廠向電解質中添加2%~3%LiF,或以Lizcos代替LiF。因此,20世紀80年代中國所用的鋁電解質體系有表中所列的幾種。
中國所用的鋁電解質體系

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展望

隨著鋁電解槽大型預焙化以及生產操作的機械化和自動化,鋁電解質成分向著低冰晶石比和低氧化鋁濃度方向發展,有的鋁廠已採用CR=2.1~2.3的冰晶石,氧化鋁濃度保持在2%~3%的低濃度範圍。
霍爾-埃魯法電解質能滿足鋁電解的要求。電解質中溶解有一定的氧化鋁而卻不含有比鋁更正電性雜質,因而保證了鋁的質量;初晶溫度不十分高,電解可在低於1273K溫度下進行;不吸水、揮發性不大,易於操作;在電解溫度下電解質的密度小於鋁的密度,析出的鋁會沉積在槽底上,使電解槽結構簡化。但人們還在不斷尋求新的電解質成分和新的煉鋁方法,採用低溫鋁電解質是鋁電解的發展方向。

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