淺談鋁電解生產(chǎn)工藝技術(shù)(已修改)
2025-06-29 20:11 本頁面
【正文】 淺談鋁電解生產(chǎn)工藝技術(shù)1．生產(chǎn)工藝 (1)工藝機(jī)理鋁電解工業(yè)生產(chǎn)采用霍爾埃魯冰晶石氧化鋁融鹽電解法。所謂冰晶石－氧化鋁融鹽就是以冰晶石為主的氟化鹽作為熔劑，氧化鋁為熔質(zhì)組成的多相電解質(zhì)體系，即為Na2AIF6A12O3二元系和Na3AIF6AIF3Al2O3三元系是工業(yè)電解質(zhì)的基礎(chǔ)。 能夠傳導(dǎo)電流和在電流通過時(shí)改變自己成分的液體叫做電解質(zhì)。 許多年以來，鋁電解質(zhì)一直以冰晶石為主體，其原因如下。 ①純冰晶石不含析出電位（放電電位）比鋁更正的金屬雜質(zhì)（鐵、硅、銅等），只要不從外界帶入雜質(zhì)，電解生產(chǎn)可以獲得較純的鋁。 ②冰晶石能夠較好的溶解氧化鋁，在電解溫度950970℃時(shí)，氧化鋁在冰晶石溶液中的溶解度約為10％（質(zhì)量）。 ③在電解溫度下，冰晶石一氧化鋁熔液的密度比同溫度的鋁液的密度小，它浮在鋁液上面，可防止鋁的氧化，同時(shí)使電解質(zhì)和鋁很好地分離，這既有利于電解過程，又簡化了電解槽結(jié)構(gòu)。 ④冰晶石有一定的導(dǎo)電能力，這樣使得電解液層的電壓降不至過高。 ⑤冰晶石熔液在電解溫度下有一定的流動(dòng)性，陽極氣體能夠從電解液中順利地排出，而且有利于電解液的循環(huán)，使電解液的溫度和成分都比較均勻。 ⑥鋁在冰晶石熔液中的溶解度不大，這是提高電流效率的一個(gè)有利因素。 ⑦冰晶石熔液的腐蝕性很大，但碳素材料能抗受它的侵蝕，用碳素材料作內(nèi)襯建造電解槽基本上可以滿足生產(chǎn)的要求。 ⑧在熔融狀態(tài)下，冰晶石基本上不吸水，揮發(fā)性也不大，這將減少物料消耗并能保證電解液成分相對(duì)穩(wěn)定。 以上所述有的是冰晶石的優(yōu)點(diǎn)，也有的是它的缺點(diǎn)，如純冰晶石的熔點(diǎn)較高（℃），導(dǎo)電性能不好和腐蝕性強(qiáng)，以及氧化鋁在其中的溶解量不大等，這些導(dǎo)致了熔鹽電解法生產(chǎn)鋁時(shí)電能消耗大，建設(shè)投資和生產(chǎn)費(fèi)用高。多年來，為了克服其缺點(diǎn)，促使入們?nèi)ふ夷艽嫠男挛镔|(zhì)，但至今尚未取得成功；同時(shí)，入們也研究使用一些添加物像氟化鈣、氟化鎂、氟化鋰等，來改善冰晶石一氧化鋁熔體的性質(zhì)。因此，鋁工業(yè)用的電解質(zhì)已經(jīng)遠(yuǎn)不是簡單的二元系而是多元系了?，F(xiàn)將添加物氟化鈣、氟化鎂、氟化銼對(duì)電解質(zhì)熔融溫度的影響列于表。表1 添加物對(duì)電解質(zhì)熔融溫度的影響電解質(zhì)成分未加添加物時(shí)熔融溫度/℃加添加物時(shí)的熔融溫度/℃添加物種類5%10%FAlF3+5%Al2O3982965953CaF2950920MgF2930 LiF 從表1可以看出，氟化鋰、氟化鎂能顯著地降低電解質(zhì)的初品溫度，但這些添加物分別有降低氧化鋁溶解度或惡化其他性質(zhì)的缺點(diǎn)，所以只有控制適當(dāng)?shù)奶砑恿坎拍芷鸬筋A(yù)期的效果。迄今為止，還沒有一種完全合乎理想的添加劑。 在固態(tài)下冰晶石比鋁密度大，但融化之后則比鋁密度小，在電解溫度下此密度變化及差值使電解液和鋁液能很好地分離開，鋁液沉在槽底，電解液漂浮在上層，保護(hù)在陰極析出的鋁不遭受氧化。 液體表面分子或離子被其內(nèi)層的分子或離子所吸引向內(nèi)壓縮的力量叫做表面張力。鋁電解槽中產(chǎn)生表面張力現(xiàn)象的不同物質(zhì)的接觸面有四個(gè)： ①熔融電解質(zhì)和氣體（陽極氣體和空氣）的界面； ②熔融電解質(zhì)和固體碳素陽極的界面； ③熔融電解質(zhì)和液體金屬的界面； ④液體金屬與固體碳素陰極的界面。 在電解槽內(nèi)，金屬同電解質(zhì)，以及金屬同碳素材料的界面上有很大表面張力，因而鋁不能濕潤碳素，從而不能被其吸收。由于鋁在電解質(zhì)界面上具有大的表面張力，這樣就有助于減少鋁在電解質(zhì)中的溶解損失。鋁在碳素界面上的表面張力決定于它的純度，鋁中含有硅、鐵，特別是鈉能夠降低其表面張力，因而促進(jìn)了向炭塊的孔隙與裂縫中滲透，從而影響電解槽的壽命。 在現(xiàn)代工業(yè)上供給鋁電解生產(chǎn)使用的原材料有冰晶石、氟化鈉、氟化鋁、氟化鈣、氟化鎂和氧化鋁等。這種由冰晶石和其他幾種氟化物組成的熔劑與氧化鋁組成的電解質(zhì)在950℃左右 能夠很好地導(dǎo)電，而能夠抵抗這種電解質(zhì)侵蝕并且又能良好導(dǎo)電且價(jià)格低廉的惟有碳素材料。因此，目前鋁工業(yè)均采用炭陽極和炭陰極，電解過程總的反應(yīng)方程式為： （如果陽極氣體組成是70%CO2＋30%CO時(shí)） 這種電解質(zhì)熔液在950℃, g/cm3小10%左右，因而能夠保證電解過程中鋁液與電解質(zhì)熔液分層。在這種熔液里基本上不含有比鋁更正電性的元素，從而能夠保證電解產(chǎn)物鋁的質(zhì)量。此外，冰晶石一氧化鋁熔液基本上不吸水，在電解溫度下它的蒸氣壓不高，具有較大的穩(wěn)定性。 當(dāng)電流通過電解質(zhì)時(shí)，使這些物質(zhì)組成在電極上分離出來的現(xiàn)象叫做電解，盛電解質(zhì)的裝置就叫做電解槽。在正常生產(chǎn)時(shí)，電解槽的槽底積存一定數(shù)量的金屬鋁，這個(gè)金屬層的表面就是陰極表面，它與電解質(zhì)直接接觸，因而必然有部分金屬溶解到電解質(zhì)中去，陰極金屬鋁溶解到電解質(zhì)中是降低電流效率的主要原因。影響鋁在電解質(zhì)中的溶解度的最大因素是溫度，溫度愈高，鋁的溶解損失愈大。根據(jù)對(duì)鋁電解槽的多次測(cè)量表明，溫度每升高10℃，電流效率大約降低1%2％。因此，電解槽力求保持低溫操作，對(duì)于提高電流效率是有好處的。 陽極效應(yīng)是熔鹽電解時(shí)的特殊現(xiàn)象，冰晶石氧化鋁電解時(shí)，當(dāng)電解區(qū)中氧化鋁含量降低到1％2％時(shí)，則可在陽極上發(fā)生陽極效應(yīng)。陽極效應(yīng)發(fā)生的原因，有多種解釋，但最受重視能較好解釋效應(yīng)現(xiàn)象的是濕潤性改變學(xué)說和電極過程改變學(xué)說兩種，在此不做詳細(xì)解說。 (2)鋁電解生產(chǎn)工藝流程簡述鋁電解生產(chǎn)過程，主要是以冰晶石一氧化鋁熔液做電解質(zhì)，碳素材料為陰極和陽極，直流電從陽極導(dǎo)入，經(jīng)過電解液和鋁液層后從陰極棒導(dǎo)出，直流電的作用是以熱能形式保持冰晶石、氧化鋁等原料呈熔融狀態(tài)和實(shí)現(xiàn)電化學(xué)反應(yīng)，反 應(yīng)結(jié)果在陽極上生成二氧化碳和一氧化碳?xì)怏w，在陰極上析出液態(tài)金屬鋁。隨著電解過程的進(jìn)行，析出的鋁被蓄積起來，周期地從電解槽中取出來，取出的鋁從電解廠房送往鑄造部門，經(jīng)過相應(yīng)的處理后澆鑄成各種規(guī)格的坯錠。 一臺(tái)電解槽是一個(gè)生產(chǎn)單元，一定數(shù)量的電解槽串聯(lián)起來構(gòu)成一個(gè)系列，一個(gè)或幾個(gè)系列組成一個(gè)電解車間。鋁電解生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。 從圖1可見，電解鋁使用的原料是氧化鋁、陽極糊或預(yù)焙陽極塊（陽極塊）、冰晶石、氟化鋁和其他氟化物等，這些原料都是在專門的車間或工廠中制備的。 煙氣中除二氧化碳和一氧化碳外，還含有少量的氟化氫或其他氣體，氟化氫是有害氣體，影響周圍環(huán)境，應(yīng)
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