關于低溫鋁電解的工藝技術探析

摘 要：自美國霍爾和法國埃魯發明了煉鋁的電解法之后，鋁工業就一直采用這種方法，但是這種方法耗能高、單槽生產率低、污染嚴重，鋁生產行業也一直在尋找新的、更加先進的技術。低溫鋁電解因為能夠有效提高電流效率、節省電能，并能延長電解槽的使用壽命，一直是鋁業界中備受關注的話題。本文對低溫鋁電解的工藝技術進行簡要論述。

關鍵詞：鋁電解 低溫鋁電解 工藝技術

中圖分類號：TN2 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）07（a）-0073-01

傳統的霍爾-埃魯法在電解生產鋁時通常在940 ℃～960 ℃進行，低溫鋁電解是要實現溫度在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鋁鹽電解以非Al2O3的鋁鹽為原料，屬于非傳統低溫鋁電解。

1 傳統低溫鋁電解工藝技術

對于傳統的低溫鋁電解來講，降低電解質體系的初晶點溫度是實現低溫鋁電解的關鍵，因此對鈉冰晶石體系、鋰冰晶石、鉀冰晶石等電解質的研究尤為重要。

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。我國低溫鋁電解研究者邱竹賢針對添加不同的添加劑對初晶點溫度的不同影響做了總結。實驗結果表明在各添加劑中LiF、MgF2、BaCl2和AlF3對鋁電解質初晶點的溫度變化影響最大，電解質/a2hndE2JvgaFxzYKsWA2kKhWQwqrbcP9GAB7wlq8aA=中每添加1%的添加劑，其溫度下降5℃以上。

Al2O3在鋁電解質中的溶解速度和溶解度對電解過程較為重要，如果電解質中的Al2O3溶解度太小或者溶解速度緩慢，在電解過程中則會造成Al2O3沉淀在槽底的情況，這樣會增加能量的消耗。為了防止此情況發生，在低溫電解質時可添加輕度焙燒Al2O3。電解質引起的電壓降在鋁電解槽電壓中意味著會降低槽電壓和減少電能的消耗。為保證各電解參數在低溫電解時不發生變化，需降低極距，以補償溫度降低所引起的電解質導電率下降而帶來的槽電壓上升。

在鋁電解生產過程中，可以向冰晶石熔體中添加Al2O3、LiF、AlF3、NaCl、CaF2、MgF2以及NaF來降低電解質的密度，以加快電解質與鋁液的分離，有利于提高電流效率。熔融金屬鋁和電解質間的界面張力越大，越能有效地減少鋁通過此界面向電解質中的傳輸。而低溫電解時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為785 ℃，并且鋰冰晶石與AlF3的共晶點為710 ℃，因此，在該體系中存在著寬闊的低溫區域，不過在純鋰冰晶石中Al2O3的溶解度也只有1%～2%（質量），Al2O3溶解度太小影響了該體系作為鋁電解質低溫體系。根據研究者實驗結果表明，以Na3AlF6，LiF，AlF3，CaF2，Al2O3作為低溫體系進行研究，電解質組成為Na3AlF654%（質量），LiF14%（質量），AlF326%（質量），CaF2%（質量），Al2O3%（質量），電解溫度800 ℃，電流密度0.43 A/cm2，電流效率達92%，無陰極固體結殼現象發生。鋰冰晶石體系的缺點是Al2O3溶解度太小，LiF價格昂貴。只有在LiF大量生產的情況下，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Al2O3溶解度小的問題，但是實驗結果表明，鉀鹽對碳素材料的滲透力太強，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禁用。后來，惰性電極和絕緣槽襯的雙極性電解槽的實現使鉀鹽在低溫鋁電解中得以使用。Sterten等在組成為Na3AlF638.5%（質量），Li3AlF629.7%（質量），K3AlF623.8%（質量），CaF25%（質量）和Al2O33%（質量）的電解質中電解制取鋁，當電解溫度為850 ℃，電流密度為0.15 A/cm2時，電流效率稍低為82%。實驗結果表明，鉀冰晶石體系具有Al2O3溶解度大的優點，但是電導率有所下降。鉀冰晶石體系最終能否作為鋁電解低溫體系，還須進一步考察其物化性質，電流效率及電化學性質后才能確定。

2 非傳統低溫鋁電解工藝技術

因為非傳統低溫鋁電解的各種特點，目前對與非傳統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取代了傳統的原料Al2O3，并且電解溫度較低只有700℃。關于氯化鋁融鹽電解法的研究自1854年以來一直沒有停止過。根據國外研制經驗和結果總結AlCl3融鹽電解法包括兩個主要步驟：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。所用電解質體系有氯化物體系和氟氯化物體系兩類。與鋁業一直沿用的霍爾埃魯法相比具有電解溫度低，碳陽極不消耗，電耗相對較小，能夠采用較大電流密度的優勢，但是在實驗中也表明該法具有一定的缺陷，氯化物對設備的腐蝕性較強，需要一個額外的氯化工序，能耗量增大，因AlCl3吸水性較強，易在槽內產生沉淀。此方法目前已停止工業試驗。

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）中進行融鹽電解制取純鋁。德國和前蘇聯、美國科學家都曾對此法進行了研究，1982年美國Minh等把Al2S3溶解在MgCl2，NaCl，KCl溶液中進行電解制得金屬鋁。硫化鋁融鹽電解具有電解溫度低，碳陽極不消耗的優點，但是Al2S3需要合成方法制取，Al2S3極易水解發生反應，而且在電解過程中會產生大量有毒的硫化物揮發。目前對該法的研究已很少。

2.3 非水溶液溶劑中鹵化鋁和有機鋁鹽電解法

非水溶液溶劑中鹵化鋁和有機鋁鹽電解法具有能耗低、得到的鋁純度高、電解質無腐蝕性，不用碳素材料的優勢，但是該種方法成本高，原料不宜儲備，電解質導電率低，電流密度和單位陰極面積上鋁的產出率低的缺陷，不適合大規模生產。

總之，低溫鋁電解的方法雖然有很多，但是從各研究結果看，鈉冰晶石體系低溫電解具有較高的使用價值。我國對于低溫鋁電解的研究水平在世界上處于領先地位，但是在工業應用方面還不夠，我們應當將研究成果積極的應用到工業生產中，為工業生產創造出更多的效益。

參考文獻

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

[2]邱竹賢，王兆文，高炳亮.鋁電解添加氯化鈉的研究[J].輕金屬，2002（3）：32.