[发明专利]一种用于铝电解的电解质组合物

说明书

技术领域

本发明属于电解领域，具体涉及一种用于铝电解的电解质组合物。

背景技术

目前，工业上冶炼金属铝采用1886年诞生的Hall-Heroult熔盐电解法生产，即采用氧化铝作为原料，冰晶石（Na₃AlF₆，熔点约1010℃）作为电解质。铝电解过程中，电解质中常常加入一定量的AlF₃，使电解质分子比（NaF与AlF₃的摩尔比）在2.0~3.0之间。经过长期的研究与工业实践发现，电解质体系中加入AlF₃将电解质分子比调节在2.2~2.6，电解温度在940~970℃，过热度（电解温度与电解质初晶温度之差）在8~20℃时，可获得较好的技术经济指标。当电解质温度低于初晶温度时，电解质凝固形成坚硬的结壳。

Hall-Heroult熔盐电解法经过120多年的改进，生产技术与控制水平大大提高，氧化铝电解生产金属铝的电能消耗也降低到12500~13000kWh/t，然而该能耗值远远超过了热力学需要的能量（约6300kWh/t），只有50%左右的能量用于电解，能量损失主要为散热形式。

目前，工业用分子比在2.2~2.6的Na₃AlF₆-AlF₃电解质的初晶温度很高，正常电解时要保证8~20℃的过热度，因此，电解温度通常在940~970℃，在如此高温条件下进行电解生产热量损失较大。另一方面，电解温度越高，在电解槽阴极生成的金属铝在电解质熔体中的溶解度越高，向电解质熔体中溶解损失速度越大，难以保证较高的电流效率。因此，降低电解温度是铝电解研究的趋势之一。

从理论上讲，降低铝电解温度是减少铝电解槽热损失，提高铝电解槽的热效率，降低电能消耗的有效办法。但这一技术效果是在保证不降低电解质导电性能，不降低电解槽的电流效率，以及不对铝电解槽运行状况造成影响等前提条件下才能实现的。对现代的工业铝电解槽而言，降低槽电压和电流强度，可以降低输入到电解槽中的能量。在电解槽焙烧、启动后的一段时间内，电解质具有很高的温度，可达980~1000℃。从电解槽启动到正常生产的一长段时间内（通常1~2月），电解质温度主要通过逐渐降低槽电压来降低。但是当电解槽转入正常生产后，电解质温度的降低并不能靠降低槽电压来实现，唯一能降低电解温度的办法是改变电解质成分，例如降低电解质分子比、使用添加剂。

西方国家的电解铝厂中普遍采用降低电解质分子比的方法降低电解质温度，其电解质体系多为Na₃AlF₆-AlF₃-CaF₂-Al₂O₃。其中，CaF₂并非人为加入，而是由氧化铝原料中CaO杂质带入到电解质熔体中，并与熔体中的AlF₃反应生成。电解质中CaF₂含量在5%左右，Al₂O₃在2%~3%，电解质分子比为2.4~2.1，AlF₃相对于Na₃AlF₆过剩量可达12%~13%，这样的电解质组成，其电解温度在955~965℃。

但是过低的电解质分子比对铝电解生产也是不利的，其缺点如下：

1）分子比非常低时，即AlF₃相对于Na₃AlF₆过剩量很高，电解槽的电解温度变得难以控制，T. A. Utigard(Why ‘best’ pots operate between 955 and 970℃[C], TMS, Light metals 1999, 319-326)从理论上对高AlF₃含量下温度控制的难度作了分析；

2）电解质分子比降低，即过剩AlF₃量增加，也将使电解质电导率下降以及阳极过电压升高，如果保持槽电压不变，阳极和阴极之间距离必然要降低，电流效率损失加大；