冶金過程中陽極效應對電解鋁液中氫形成的影響研究

（黃河鑫業有限公司，青海 西寧 810000）

近幾年電解鋁技術在我國快速發展，鑄錠鋁制品所使用的傳統電解鋁工藝早已被短流程技術代替，但是陽極效應在冶金過程電解鋁液中氫的形成直接對鋁制品的質量產生影響[1]。鋁在金屬中屬于化學性質比較活潑的，可以和二氧化碳發生反應生成Al2O3并吸收H，氫在液態鋁中的溶解度相對于在固態鋁中要大一些，因此吸收的氫氣能夠大量的溶于鋁液中。吸入氫后的鋁液凝固后會出現疏松、氣孔等現象，對鋁制品的質量和性能產生很大影響。鋁液中的氫分子和溶解后的氫產生的量比導致鋁制品疏松，而鋁制品的分層會受疏松現象的影響；氫引起的鋁制品出現氣孔會使鋁制品在鑄錠過程中性能降低，就會導致制作出的鋁件亮度損失，因此在鋁制品出現氣泡現象的時候我們只能采用退火和固溶相結合的方法來補救。如果鋁溶液中的氫含量越來越多，將會導致鋁制品的缺陷越來越嚴重。

1 陽極效應對電解鋁的影響分析

眾所周知冶金就是將金屬溶液中的雜質需要通過熔融（加熱達到熔點之上）來進行造渣、除渣實現消除，同時通過某些化學成分實現除渣、去氧、脫碳等得到相對應的純凈合金成分的過程。再進行精細的精煉過程這一般就屬于涉及金屬成型行業，例如對礦石的加工冶煉、毛坯粗煉，及毛坯的再加工煉鐵廠、煉鋼廠和有色的金屬提純。陽極效應是電解鋁中經常出現的情況，碳作為陽極電解液會生成氣體二氧化碳，二氧化碳的阻塞導致電流不能正常經過。鋁液中的氧和雜質含量的增多并不是由陽極效應自身造成，而是在陽極效應之后進行的加料和過程處理中導致鋁液在電解時增加了對氫和雜質的吸收。我們在實際生產中會采用兩種阻止陽極效應的方法。第一種是把足量的氧化鋁加入到電解液中，然后在96℃的鋁液-電解液中插入浸濕的木條，發生脫水反應后產生大量的二氧化碳氣體和水。鋁溶液被二氧化碳氣體攪起后時陽極底面和穿過氣膜的鋁液接觸使電路發生短路現象，阻止了陽極效應的發生[2]。加熱后的鋁液與水和二氧化碳能夠發生化學效應。

第二種方法是把高壓風管直接插入到放置在槽上部的鋁溶液中，讓壓縮空氣在送風程序的作用下被吹到鋁溶液中，高溫的鋁液和壓縮空氣發生化學反應，體積逐漸增加，發生的沸騰作用使陰極中的鋁液被攪起造成電路短路現象，阻止了陽極效應的發生。加熱后的鋁液和高壓下的氧氣、水和二氧化碳發生化學效應，產生大量的氫和氧化鋁雜質。

從化學式中可以看出，在發生陽極效應時對鋁溶液中的氫和氧化鋁雜質的處理是電解鋁中非常重要的過程。

2 影響分析試驗

鋁電解形成的過程中，原料帶入的水分導致氧化鋁和效應處理的過程，及水解與水分電解的過程是與鋁液吸氫直接相關的兩個過程。氫含量是電解鋁過程中發生陽極效應后需要主要的重要指標，鋁溶液的電解直接影響了水分的電解，鋁溶液在電解后產生氫的主要原因就是水分的電解。

氫在鋁液電解后只有一小部分擴散到鋁溶液中，大部分是和其他氣體一起被氧化鋁雜質吸收，被氧化鋁雜質帶入到鋁溶液里[3]。多種化學作用導致鋁溶液在電解過程中會出現二氧化碳擴散、電解液界面形態和運動方向改變、鋁液-電解液循環等現象，對氧化鋁雜質在鋁液-電解液界面的產生起著關鍵作用，產生的氧化鋁雜質不但能幫助氫進入到鋁溶液中，還是導致氫溶解在鋁溶液中的主要原因。

圖1 陽極效應對電解鋁液中氫的影響

我們把鋁液和木條通過模擬外熱式電爐的方法進行氫產物裂解，采用熱分析的試驗方法，對鋁液中裂解的木條對氫的吸入和增加的過程進行研究，與分子動力學技術相結合，通過模擬木條效應試驗對鋁液中氫的溶解和擴散、對氫擴散后的分布情況及在鋁液中的溶解情況進行研究。我們用工業的純金屬鋁作為鋁液，鋁液用高純石墨坩堝容器盛放，氫氣的通氣管采用石墨管，研究出木條裂解后生成的氫氣和鋁液發生氣液反應的規律和氫氣在鋁液中的擴散情況。首先在電阻爐上放置石墨坩堝，在電阻爐中加入氮，把電阻爐溫度調到960℃，連續100分鐘用石墨管將氫通入到鋁液中。試驗結果如圖1所示。

從圖1能夠反映出電解鋁在陽極效應中形成氫的濃度變化，隨著時間的增加，產生的氫含量濃度越來越高，導致鋁制品質量下降，同時造成空氣污染。負電荷在氧化鋁質點表面向右方向移動才能達到平衡狀態，分子間存在相互吸引的氣場，由于固體吸附氣體的化學性質導致氧化鋁和氫分子結合到一起，導致氫在氧化鋁質點表面上濃度增加。

3 結語

鋁溶液和氫含量在冶金過程中存在著密切的關系，電解過程中氫的生成量是鋁液中實際氫含量的3.28＊104倍，氫的含量是陽極電解鋁液時重點檢測的指標。鋁液表面生成的氧化鋁薄膜對鋁液起著保護的作用，可以有效阻止鋁液對氫的吸入，促進冶金工業發展、提高冶金產品質量、增加品種、發展冶金新技術及探索冶金新流程等方面起著重要作用。