CN101103141A

CN101103141A - 一种电解生产铝的方法

Info

Publication number: CN101103141A
Application number: CNA2004800366667A
Authority: CN
Inventors: 博伊德·R·戴维斯; 杨建红; 阿兰·罗伊; 约翰·N·赫林
Original assignee: University of Chicago
Current assignee: University of Chicago
Priority date: 2003-11-05
Filing date: 2004-11-04
Publication date: 2008-01-09
Also published as: CA2544702A1; ZA200603562B; US20050092619A1; RU2006119476A; NO20062501L; WO2005045101A3; AU2004288233A1; WO2005045101A2; EP1689913A2; BRPI0416235A

Abstract

本发明提供了一种使用新的电解液组分和低温操作的电解生产铝的新方法。电解液包括具有从约2wt.％至6wt.％的氧化铝的氟化铝-氟化钾的混合物。该新电解液使得电解还原氧化铝的温度低至700℃。这个较低的温度允许使用惰性阳极，并有益于使用润湿阴极。该新的电解液混合物具有较高的氧化铝溶解度，并且即使有5wt.％氧化铝在电解期间存在于电解液中也保持完全液态。氧气(O₂)是使用新电解液和惰性阳极在氧化铝电解期间产生的唯一气体，因此消除了温室气体的产生。阳极和阴极可以以垂直、水平或某些其它结构安装。

Description

一种电解生产铝的方法

发明背景

1.发明领域

本发明涉及一种电解液和一种用于在较低温度下生产铝的方法，并且，更具体地，本发明涉及一种电解液，其能够实现在较低温度下使用多种电极包括惰性阳极和可润湿阴极来生产铝的方法。

2.发明背景

原铝是由在包含基于AlF₃-NaF系统的熔融氟化盐的电解槽(或锅)中电解氧化铝而生产的。在电解期间中，二氧化碳气体在阳极形成并从电解槽逸出，而液态金属铝在电解槽底部的阴极形成。该电解方法(又称Hall-Héroult方法)在超过900℃的温度下运行。因为许多原因如此高的温度是有害的，包括电解槽组件的损坏。

典型铝生产方法的另一个缺点是使用可消耗的碳阳极材料。由于碳与氧气的反应在阳极表面形成二氧化碳气泡，碳阳极逐步消耗，需要不断的使剩余的阳极相对阴极重新定位以维持一个最佳的阳极-阴极距离。最终，阳极必须被替换。而且，碳阳极的制造和使用会促进温室气体例如二氧化碳和全氟化碳(PFCs)的生成。

铝业界长期以来一直在寻找一种所谓的惰性阳极(即其不会被电解过程消耗)来用在铝生产电解槽中以替换可消耗的碳阳极。这项研究进行了数十年。迄今所描述的所有这些所谓惰性阳极材料都有各种关于商用成功所需属性的缺点。由陶瓷或金属陶瓷材料制成的阳极引起一些实用工程问题，例如不良的耐热震性、电连接、运行困难和可量测性等。金属制备的阳极与金属陶瓷或陶瓷材料相比，在改进的电和机械性能上具有潜在的优势。但是，在高温下(即在900℃到1000℃之间)金属阳极的研究只有有限的成功。

在低于800℃保持液态的低温电解液可以增加惰性阳极的效用。最近该领域的研究主要集中在氟化钠(NaF)-氟化铝(AlF₃)基电解液系统，即所谓的低电解液(bath)比(NaF/AlF₃)熔化物。由于氧化铝(Al₂O₃)在这些低温(750℃左右)电解液中相对低的溶解度，提出了一种泥浆电解槽(slurry-cell)的概念来在电解期间保持固体氧化铝悬浮，使得在电解期间电解液中的氧化铝活性保持较高。但是，泥浆电解槽的运行带来运行困难和金属收集的问题，以及对电解槽设计需要非常严格的要求以保持氧化铝悬浮这一事实。

典型铝生产方法的另一个缺点是需要在电解槽底部维持一个足够的熔融金属铝池。当电解槽底部的碳块暴露于熔融盐电解液时产生很大的运行困难。因为熔融铝无法润湿碳，需要大量的铝来完全覆盖电解槽底部。由于电解期间在金属池所产生的磁场造成在电解液-铝分界面的波动，这种深铝池的存在导致生产效率低。这些波动通过使用所谓的润湿阴极使之最小化，即阴极基底材料被熔融铝润湿。

典型铝生产的又一个缺点是典型氧化铝电解槽的大尺寸或“占地面积”。这是由于电极的水平对齐，其之所以必要是因为缺乏在电极垂直对齐的电解槽中维持稳定的阳极-阴极距离所需的合适的惰性阳极和润湿阴极。

本领域需要一种用于在低温电解液中运行的，即运行温度低于800℃的电解生产铝的方法。该方法应消除对可消耗碳阳极的需求并能在水平、垂直、或其它设置方式中使用惰性阳极、润湿阴极、和/或双极电极。该方法也应该在氧化铝电解期间提供一个阳极和阴极之间固定的距离以提供电稳定的电解环境。另外，该方法应提供一种在运行温度下完全液态的电解液。

发明概述

本发明的一个目的是提供一种克服现有技术中诸多缺点的氧化铝电解方法。

本发明的另一个目的是在低于800℃的温度下把氧化铝电解成铝。本发明的一个特性为一种电解盐浴，其基于包含用于电解生产铝的氧化铝(Al₂O₃)的氟化铝(AlF₃)-氟化钾(KF)混合物。本发明的一个优点是它允许在较低温度下电解生产铝，并由此降低成本包括资金、运行、以及环境成本。

本发明的再一个目的是提供一种在电解运行期间电解液保持稳定的电解液。本发明的一个特性为一种在660℃和1000℃之间的处理温度范围内具有相对低的蒸气压(小于10毫巴)的电解液。该特性的一个优点是在电解期间电解液组分的浓度保持相对恒定。

本发明的又一个目的是提供一种在电解运行期间保持液相的电解液。本发明的一个特性为一种具有比目前使用的低温电解液的氧化铝溶解度更高的电解液。该特性的一个优点是电解槽的设计和运行条件变得更灵活。

本发明的再一个目的是提供一种可以使用惰性阳极的方法。本发明的一个特性是较低的运行温度和电解液组分允许使用更多选择的惰性阳极材料。该特性的一个优点是惰性阳极不被电解过程消耗。另一个优点是成本大大降低。

本发明的又一个目的是提供一种使用润湿阴极的金属低温生产方法。本发明的一个特性为润湿阴极只需要一层熔融铝薄膜在其表面上。该特性的一个优点是使由在熔融铝中产生的磁场所引起的在电解液铝分界面上的波动最小化，使阳极-阴极距离更小从而得到更低的电解槽电压。另一个优点是铝膜保护阴极表面使之与电解液分开。再一个优点是尽量减小或阻止细铝滴可能从未润湿的阴极分离，其由于在阳极的逆反应导致生产效率低。另外的一个优点是进一步节约成本。

本发明的再一个目的是提供一种可使用垂直或倾斜的惰性阳极，以及垂直或倾斜的润湿阴极的金属生产方法。本发明的一个特性为对于给定的产率电解槽的占地面积减小。该特性的一个优点是电解过程较易能量管理。由于较小的表面积和较少的热辐射，较小的电解槽既需要较少的热量输入又具有较少的热量损失。因为需要较少的热量输入，另外一个优点是可以使用更低的电流密度(CD)而进一步降低电解槽电压。该特性因此提供额外的节约。

本发明的又一个目的是提供一种在电解过程中电极之间的距离保持恒定的方法。本发明的一个特性为使用惰性阳极和润湿阴极。该特性的一个优点是通过控制阳极-阴极距离可以实现能源节约。

本发明的再一个目的是提供一种消除产生温室气体，例如，二氧化碳和碳氟化合物的氧化铝电解方法。本发明的一个特性为所使用的阳极是惰性的。该特性的一个优点是在氧化铝的电解期间所产生的唯一气体是氧气(O₂)。另一个优点是由于省掉了生产碳阳极的碳工厂，成本进一步降低，并降低了对任何排放控制的需求。

简言之，本发明提供一种用于低温电解氧化铝(Al₂O₃)的改进的电解液，该电解液包括氧化铝，以及氟化铝(AlF₃)和氟化钾(KF)的混合物。

本发明也提供一种在电解生产铝中使用惰性阳极和润湿阴极的方法，该方法包括在选自660℃和1000℃之间的温度下的电解过程中使用所述的阳极和阴极。

另外，本发明提供一种低于1000℃电解氧化铝的方法，该方法包括提供一种包含多于35mol％的氟化钾(KF)和多于30mol％的氟化铝(AlF₃)的电解液；与电解液一起注入氧化铝；并对电解液施加电压。

附图简述

本发明及上述和其它目的和优点将由下面的附图所示的本发明优选实施方案的详述最好理解，其中：

图1是根据本发明特性的氟化钾-氟化铝二元系统的示意图；

图2是根据本发明特性的电极垂直设置设计的示意图；

图3是用于测试电极的电解槽的示意图；以及

图4是根据本发明特性，对于垂直设置的一个铝-青铜合金惰性阳极和两个TiB₂-C复合物润湿阴极在100A电流下进行一次50小时电解工作，以伏特计电解槽电压作为时间函数的曲线图。

发明详述

本发明提供一种用于电解生产金属铝(Al)的低温电解系统，其能够使用垂直、水平或其它设置方式的惰性阳极、润湿阴极、和/或双极电极。该低温电解系统是基于氟化铝(AlF₃)-氟化钾(KF)二元系统，见图1，并且可以包括添加剂来改变电解液性质。

电解液详述

AlF₃-KF系统的相图，图1，说明该系统具有比氟化铝(AlF₃)-氟化钠(NaF)系统宽很多的低温(＜800℃)液体组成范围。在700℃下，单相液体区域从约60摩尔(mol)％KF-40mol％AlF₃扩展至约40mol％KF-60mol％AlF₃。由于该宽范围，在商业低温电解铝中AlF₃-KF基系统中的电解液组分比具有698℃的低共熔温度的并且基本上在700℃下是54mol％NaF-46mol％AlF₃的单点组成(不是线或区)的AlF₃-NaF基低温电解液中的组分更易于控制和维持在液相。

令人惊讶和出乎意料地，本发明人已经发现AlF₃-KF基系统非常适合用于在低于AlF₃-NaF电解系统操作温度的温度下电解生产铝。该AlF₃-KF基系统与AlF₃-NaF基系统相比具有较高的氧化铝溶解度。这使得电解液中溶解的氧化铝含量更易于控制。该AlF₃-KF基系统具有适当的密度和与铝的界面能，使电解液和金属铝产物能有效分离并使铝滴聚结。该AlF₃-KF基系统具有足够的粘度以使在电解期间从阳极上升的氧气泡引起的对流导致电解液的有效混合。当固体颗粒如不溶解的氧化铝存在时粘度较高，并且可能会阻止电解液的充分混合。而且，较高的粘度可能阻碍由阳极放出的气泡的流动性，由于过多的气泡存在于阳极和阴极之间，这将增加电解槽的电阻，因而导致较高的电解槽电压。

在AlF₃-KF基电解液中，较低的电解液粘度受到相对较高氧化铝溶解度(在AlF₃-KF中5wt.％相对在AlF₃-NaF中2wt.％)的支持，这允许在液体熔融物中电解操作。

本发明人还发现具有较高冰晶石比率(KF的摩尔数比AlF₃的摩尔数)的氟化铝-氟化钾熔融组分具有更好的离子电导率。AlF₃-KF系统中的离子电导率相对于AlF₃-NaF系统有所改进。这最可能是由于低温下液体组分的宽范围。本发明人发现对于AlF₃-KF基电解液，钾离子(K⁺)，与高温下AlF₃-NaF基电解液中较小的钠离子(Na⁺)不同，由于它们较大的尺寸，不会插入阴极材料中(进入阴极基底材料的晶格中)。

AlF₃-KF电解液在700℃可以具有从大约1.0(50mol％AlF₃-50mol％KF)至1.5(40mol％AlF₃-60mol％KF)的KF与AlF₃的摩尔比，并且其中在电解液中溶解的氧化铝的量从约2wt.％至6wt.％，足以进行电解。氧化铝的这种溶解度消除了对在熔融物中维持足量溶解氧化铝的泥浆电解槽型操作的需要。

一个优选的电解液实施方案是KF与AlF₃的摩尔比约为1.3(43mol％AlF₃-57mol％KF)，并且氧化铝的浓度从约4wt.％至5wt.％。这些浓度通过降低电解槽电压来改善电解过程。这个实施方案靠近图1中K₃AlF₆的液相线。该电解液的电导率极大地依赖于K⁺离子浓度。因此，具有较高KF水平的电解液通常导致较低的电解槽电压。

由于金属铝在阴极产生，在电解期间靠近阴极区域的KF浓度可以比在主体电解液中的高。如果主体电解液组成太靠近液相线，则固体K₃AlF₆可以沉淀在阴极上，降低可用于电解的有效表面积并提高电解槽电压。另外，如下文所述，沉积可以导致可润湿阴极的不完全润湿，使得处理无效。因此，主体电解液组成的优选实施方案是通过KF与AlF₃的摩尔比为约1.3而不是1.5给出的，这是在700℃液相线下。

较高的温度改进了电导率并增加了液体的组成范围，所以电解液的温度可以高于700℃用以改进电解槽操作。可以在高至1000℃的温度下使用该电解液。在这种情况下，最佳的电解液组成中KF略多以保持最佳组分在液相线约2mol％内，进一步改善电导率。虽然较高温度可以导致较高的电解液电导率和较低的电解槽电压，但是较低温度具有较小的腐蚀性并可以使用更多选择的惰性阳极材料。本发明人发现约700℃的温度是最佳的并由此成为一个优选的操作实施方案。

添加剂可以改善或改变AlF₃-KF电解液系统的性质。一种该添加剂可以是NaF，如果连续长时间使用该电解槽，根据在给电解槽的氧化铝给料中可以存在的残余钠离子(Na⁺)水平，其可以加入电解液中或允许在电解液中积累。该残余NaF可以从用于生产氧化铝给料的拜耳法中使用的氢氧化钠(NaOH)中得到。

电解液中NaF的增加会对电解槽性能产生有害影响。在电解液中NaF的高水平下，固体沉积物可以在阴极上断断续续形成并造成电解槽的低效，以及增加了金属铝产物中的杂质水平。

本发明人发现少量添加NaF(＞2wt％)对阴极和阳极都造成有害的电解槽操作。在电解期间主体电解液中少量Na⁺阳离子的存在在靠近阴极区域被扩大。在电解期间，经过电解槽电解液的多数电流通过阳离子(Na⁺和K⁺)传送，因为它们相对于电解液中的阴离子具有较小的尺寸和较大的流动性。因为Na⁺阳离子比K⁺更小且更易于流动，所以Na⁺阳离子倾向于集中在靠近带负电的阴极表面。在靠近阴极区域中局部NaF/KF比率的增加改变了局部电解液的组成，这降低了在该区域中氧化铝的溶解度，并引起氧化铝和/或冰晶石型化合物沉淀在阴极上成为断断续续的灰色膜。本发明人已经观察到该膜。

该膜在阴极表面的存在通过阻止铝润润湿阴极和妨碍金属铝聚结而妨碍了电解槽的操作。在阴极上形成的金属铝倾向于作为熔融铝的小滴分散在电解液中，小滴通过电解液中的对流而清除干净。铝滴甚至可以与阳极接触，破坏阳极表面的膜并加速阳极的损耗速率。其它的阳离子，包括碱金属或碱土金属的阳离子，也可以充当该碱性电解液的次要添加剂来调节电解液的液相线区域或物理性质。

除了在阴极造成有害影响外也对阳极产生影响，电解液中Na⁺的存在可以产生促进较高的阳极损耗速率的有害影响。钠离子可以造成电解液中阴离子部分的再分布，并改变阴离子部分对阳极损耗的影响。在KF-AlF₃-Al₂O₃电解液中主要的含氧阴离子部分最可能是氧六氟二铝酸盐离子(Al₂OF₆ ^2-)和二氧四氟二铝酸盐离子(Al₂O₂F₄ ^2-)。在电解期间，Al₂O₂F₄ ^2-易于氧化为Al₂OF₆ ^2-，释放氧气，而Al₂OF₆ ^2-不易氧化。因此，在阳极表面电解液中两种含氧阴离子的总浓度没有显著改变。如果阳极表面是氧化物膜或含氧物种，其在大多数惰性的阳极配方中是最可能的，那么这是显著的。溶解阳极表面的氧化物膜或含氧物种的驱动力是最小的，因为在阳极表面的电解液中存在含氧阴离子。由于仅少量KalF₄从电解液熔融物中损失，在AlF₃-KF系统中电解液组分的控制比在AlF₃-NaF系统中更灵活。

在NaF-AlF₃-Al₂O₃电解液中Al₂OF₆ ^2-阴离子与Al₂O₂F₄ ^2-阴离子的比率明显比KF-AlF₃-Al₂O₃电解液中的高。在电解期间，阳极上主要的氧化反应可能是Al₂OF₆ ^2-向AlF^-转化，释放氧气。结果是在阳极表面有较少数量的含氧物种，以及随后溶解阳极上氧化物膜的较大驱动力并增大了阳极损耗速率。因此，看起来在不显著增加阳极损耗速率下对加入到KF-AlF₃-Al₂O₃电解液中的NaF有一种限制。该限制与熔融物中Al₂O₂F₄ ^2-物种的浓度有关。本发明人发现该限制是小于2wt.％NaF。电解液中高于这个NaF浓度时，会发生过度的阳极损耗。同样的影响存在于其它添加剂如氟化锂(LiF)中。

电解液净化操作可以用于原位或出位电解槽中，并且有害部分可以通过各种方法例如通过沸石类或多孔碳结构收集而除去。或者，可以通过改变上游处理过程，即在前述拜耳法中使用KOH以降低氧化铝给料中钠的含量而在电解液中减少有害部分。

电极详述

由于前面讨论的AlF₃-KF基电解液系统的较低温度，本发明的低温电解液系统使用惰性阳极和可润湿阴极的形式的低成本金属材料。如此，商业可获得的金属和金属合金可以用作本发明的惰性阳极。复合材料可以用于可润湿阴极。

惰性阳极的使用使在电解铝期间阳极和阴极之间的距离恒定。这个特性提供了电稳定的电解环境。

除了惰性阳极和润湿阴极，本发明的电解液系统与其它电极，包括传统的碳阳极和碳阴极配合工作良好。

1、阳极

阳极由选自金属、金属合金、金属氧化物和金属陶瓷组成的组的材料组成。合金可以是铝-青铜合金，即该合金主要是铜并加入相当量的铝(1至20wt.％)。商业可获得的铝-青铜合金(包括，但不限于，统一编码系统(UNS)序号C60800至C60210，和C95200至C95900)显示非常适合用作惰性阳极。例如，合金C63000(规格：9.0至11.0wt.％Al，4.0至5.5wt.％Ni，2.0至4.0wt.％Fe，1.5wt.％Mn，0.30wt.％Zn，0.25wt.％Si，0.20wt.％Sn)工作良好，并因此是惰性阳极的优选配方。

优选的阳极是金属料块，其具有在电解期间形成的并且不显著影响电解槽操作电压的稳定的含氧膜。一般地，具有氧化物或含氧膜的阳极在0.8安培每平方厘米(A/cm²)电流表面密度下具有小于0.5伏(V)的极化电压。

金属阳极具有其它的优点，包括经过阳极的改善的电导率、改善的耐热震性以及改善的韧性和延展性，从而易于制造、处理和安装。

商业可获得的铜基合金，特别是铝-青铜合金如UNS C63000工作良好。在使用商业铜合金作为阳极，总电流为100A的50小时(hr)电解测试(下文)中，使用UNS C63000作为阳极制备的金属铝产物的杂质含量是0.09wt％Cu、0.03wt％Fe和＜0.01wt％Ni。

2、阴极

阴极由与氧化铝电解相关的环境相容的材料制得。通常，适合的材料是被铝润湿的材料。适合的阴极基底材料包括选自金属硼化物、金属硼化物-碳复合物、基底上含金属硼化物的涂层、石墨(C)、钼(Mo)和钨(W)组成的组。金属硼化物包括，但不局限于，钛(Ti)和锆(Zr)的硼化物。可以被铝润湿的其它材料可以用作阴极。

熔融铝充分润湿TiB₂-C复合物。与未润湿的阴极相比，可润湿阴极降低了电解期间阴极的电势，并降低了电解期间阳极-阴极距离，进一步降低了操作电压。润湿阴极还促进了熔融铝产物的聚结，因此通过使逆反应最小化提高了过程的效率。润湿阴极和惰性阳极的使用是通过低温电解液而实现的，并且允许垂直设置阳极和阴极。

垂直设置使在阴极上形成的金属由阴极的底部滴落并在电解槽底部收集。另外，垂直结构降低了阳极-阴极距离并允许较小的电解槽占地面积或尺寸，从而降低了热输入的需求。较低的热输入使得进一步增加电解槽效率的较低电流密度成为可能。在具有水平设置电极的电解槽中，较小的阳极-阴极距离有助于使过程的低效最小化，这种低效是由于电解期间在金属铝垫板上产生的磁场而在电解液-铝界面产生的波动造成的。

由TiB₂-C复合物制备的阴极在700℃下被铝润湿并在AlF₃-KF电解液中作为阴极工作良好。其它被铝润湿的材料也将工作良好。

下文中图2说明具有垂直电极设计的电解槽概念。所示的电极数是一种可能的说明和实施方案。

电解槽结构

电解槽中惰性阳极和润湿阴极的方向可以是垂直的、倾斜的或水平的。使用阳极12-阴极14-阴极14-阳极12-阴极14-阴极14-阳极12这一顺序的垂直设计在图2中以数字10表示。在这个顺序中，电解发生在阳极12和阴极14之间，但是不发生在两个相邻的阴极14之间。电解中放出的氧气将电解液带至电解槽的顶部。该电解液经过阴极-阴极室18返回电解槽的底部。

因此，电解液再循环路径建立在相邻阴极14间的间隔区域。这种设置促进经过电解槽的对流并维持更均匀的电解液组成。考虑到放出的氧气，可以为电解液流动和速度使室之间的空间最优化。包括电解槽中区域的多种电极设置都是可能的，在该区域中不发生电解并且建立再循环路径。

本发明的AlF₃-KF电解液系统的较低操作温度允许双极板用在多极电解槽中。前述的阴极材料可以用来涂覆惰性阳极的一侧以产生在多极电解槽中使用的双极电极。例如，双极电极可以包括在第一侧用TiB₂涂覆的铝青铜惰性阳极。在本发明的AlF₃-KF电解液系统的较低操作温度下，TiB₂还可以直接用作双极电解槽中的板材料。在具有双极板结构的电解槽中，电极设置可以使得建立电解液再循环路径。

下面的实施例简单地说明测试和使用本发明的新电解液和电极，并表明它们的有效性。

下文中图3仅说明电解槽和电解槽元件的一般状况。

实施例

一次电解运转过程在100安培(A)下运行50小时(hrs)。实验电解槽的基本形状的示意图在图3中以数字30表示。电解槽的元件30包含在烧结的氧化铝坩埚32中，其通常被表示为圆柱形。经过烧结的氧化铝管34将氧化铝送入电解槽30中，该管具有从电解槽中伸出的第一端36，和延伸至电解槽边界40内的第二端38。通过位于端封闭的氧化铝管44中的铂(Pt)-Pt-10％铑(Rh)热电偶42监控温度。热电偶42的第一端46终止于一对电导线48，同时包裹在氧化铝管44中的热电偶42的第二端50浸没在电解液52(用虚线表示)中。

不锈钢棒54通常平行于坩埚的纵轴延伸，作为阳极56的电导线。通常，为了最佳结果，阳极设置在电解槽内的同心位置。两个阴极58的面平行于阳极56的面。阴极58具有不锈钢电导线60。烧结的氧化铝套62保护并使不锈钢棒54，和不锈钢电导线60电绝缘。氟化铝-氟化钾熔融物52包含在电解槽30内，并且一般通过重力限制在电解槽的一端。不锈钢电导线60、氧化铝进料管34以及热电偶42的相对位置通过电解槽顶部的孔而固定，所有这些，如上文所述，通常平行于坩埚32的纵轴延伸。

运转过程在氩(Ar)气氛下进行。氩气流保持在1.13升每分钟(L/min)。氧传感器安装在气路出口以测量在合金阳极上产生的氧的量。

用于50小时100A运转的电解槽基本设计(图3)使用了垂直板平行设置。使用的三个板电极包括在两个阴极板之间的中心阳极板。每块电极板的尺寸是大约133毫米(mm)宽、85mm高和12mm厚。阳极由铝-青铜(合金C63000，上文给出组分的规格)制备，阴极由TiB₂-C复合物制备。阳极-阴极距离是2.3cm。初始电解液组分是50wt.％AlF₃、45wt.％KF和5wt.％Al₂O₃。在电解期间，将氧化铝连续送入电解槽中。在50小时测试期间，电解测试在700℃下进行并且阳极电流密度保持为0.44A/cm²。

图4表示对于该运行以伏特计电解槽电压作为时间的函数的曲线图。电压在100A的电流下在50小时内基本保持恒定。测试运行结束时回收到与85％的电流效率对应的相当量的产物铝。随后的分析显示出0.09wt.％Cu、0.03wt.％Fe和＜0.01wt.％Ni的杂质含量。没有发现阳极损耗，虽然在阳极表面上发现了200-300微米(μm)厚的氧化物膜。

虽然已经参照举例性实施方案的细节描述了本发明，但是这些细节不意味着限制所附的权利要求书定义的本发明的范围。

Claims

1.一种用于电解氧化铝(Al₂O₃)的改进的电解液，该电解液包括氟化铝(AlF₃)和氟化钾(KF)的混合物。

2.如权利要求1所述的电解液，其中氟化铝(AlF₃)与氟化钾(KF)的摩尔比大于1∶1。

3.如权利要求1所述的电解液，该电解液进一步包括从约2wt.％至6wt.％的氧化铝(钒土/Al₂O₃)。

4.如权利要求1所述的电解液，其中电解液组分的浓度在电解期间保持恒定。

5.如权利要求1所述的电解液，其中电解液用于在约660℃至1000℃下将氧化铝电解为铝。

6.如权利要求3所述的电解液，其中电解液在电解期间保持液态。

7.如权利要求6所述的电解液，其中可以与电解液一起使用惰性阳极和可润湿阴极。

8.一种在电解生产铝中使用惰性阳极和可润湿阴极的方法，包括在电解过程中在660℃与1000℃之间的温度下使用阳极和阴极。

9.如权利要求8所述的方法，其中阳极包括选自金属、金属合金、金属氧化物和金属陶瓷组成的组的材料。

10.如权利要求8所述的方法，其中合金是铜合金(铝-青铜)并且含有从约1wt.％至20wt.％的铝(Al)。

11.如权利要求8所述的方法，其中阴极是由选自金属硼化物、金属硼化物-碳复合物、在基底上含金属硼化物的涂层、石墨、钼和钨组成的组的材料制备。

12.如权利要求8所述的方法，阳极包含含氧膜。

13.如权利要求12所述的方法，其中含氧膜是在电解过程中形成的。

14.如权利要求11所述的方法，其中材料涂覆惰性阳极的一侧以产生用于多级电解槽的双极电极。

15.如权利要求8所述的方法，阳极和阴极之间的距离保持恒定。

16.如权利要求8所述的方法，其中电极可以以垂直结构设置。

17.如权利要求8所述的方法，其中电极可以以倾斜结构设置。

18.如权利要求8所述的方法，其中O₂是电解产生的唯一气体。

19.如权利要求16所述的方法，其中电解槽的垂直结构产生电解液的再循环路径。

20.一种在低于1000℃下电解氧化铝的方法，该方法包括：

a)供应含大于35mol％氟化钾(KF)及大于30mol％氟化铝(AlF₃)的电解液；

b)将氧化铝与电解液一起注入；以及

c)向电解液施加电压。