CN103484897A - 一种电解铝用电解质以及使用该电解质的电解工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电解铝用电解质以及采用该电解质的电解工艺，本发明中的电解质采用纯氟化盐体系，包括以下质量百分比的组分：NaF，30-38％；AlF3，49-60％；LiF，1-5％；KF，1-6％；Al2O3，3-6％；其中NaF与AlF3的摩尔比为1.0-1.52。本发明提供的电解质初晶温度低、氧化铝有较好的溶解性、电解质具有较高的电导率，本发明中的电解质对电解过程中降低能耗、提高电流效率、改善工作环境具有较好的作用。
Description
技术领域
本发明涉及一种电解铝用电解质以及使用该电解质的电解工艺，属于有色金属冶炼行业。
背景技术
电解铝就是通过电解方法得到铝。现有技术中，电解铝通常采用的是传统的Hall-Heroult溶盐电解铝工艺，该工艺采用的是冰晶石-氧化铝融盐电解法，其以冰晶石Na3AlF6氟化盐熔体为熔剂，将Al2O3溶于氟化盐中，以碳素体作为阳极，铝液作为阴极，通入强大的直流电后，在940-960℃的高温条件下，在电解槽的两极进行电化学反应，从而得到电解铝。传统的电解铝工艺由于电解温度高，因此存在电解质挥发量大，碳素阳极氧化损失大、能耗大、热损失大、电解工作环境差等特点。
为了降低电解温度，现有技术中，中国专利文献CN101671835A公开了一种铝电解的低温熔盐体系，该体系的熔盐组成为AlF3和Al2O3，以及KF、NaF、MgF2、CaF2、NaCl、LiF、BaF2中的一种或者多种盐，其中AlF3的摩尔百分比含量为22-50％，Al2O3的摩尔百分含量为1-25％，剩余组分的含量为25-77％。该电解质的电解温度可以降到680-900摄氏度的广泛区域进行操作。但是，上述电解质中，BaF2由于密度较大，在电解过程中容易发生沉降，因此难以在工业化生产中得到广泛的应用；MgF2、CaF2是高熔点物质，使用MgF2和CaF2会增加整个体系的初晶温度，并且使用MgF2和CaF2会降低电解质的电导率和氧化铝溶解度；由于NaCl的熔点较低，因此添加NaCl是降低电解质初晶温度的途径之一，但是NaCl在上述电解温度下对Cu、Fe、Al、Ni等金属有严重的腐蚀作用，会导致诸如电解槽配件等金属物发生腐蚀，这种腐蚀作用大大影响了电解装置的使用寿命，并且NaCl在电解过程中，极易挥发形成对人体有害的HCl气体，因此NaCl至今难以广泛应用在工业化生产中；而除了添加NaCl，根据本领域的公知常识，降低NaF和AlF3的摩尔比也能够降低电解质的初晶温度，但现行工业中，NaF和AlF3的摩尔比通常是大于2.2的，这是因为如果进一步降低电解质的初晶温度，并相应降低电解温度会带来一个无法解决的难题，即NaF和AlF3在低温电解的过程中阴极会产生“结壳”现象，这种“结壳”现象的原因在于电解过程中电解质中的钠离子和铝离子会聚集在阴极，生成钠冰晶石，钠冰晶石的熔点较高，在低温条件下难以熔融，这就导致阴极表面会覆盖一层难熔的冰晶石壳体，从而大大影响了电解过程的正常电解。
一种电解质能否成功应用于工业化生产需要综合考虑其初晶温度、挥发性、电导率、氧化铝溶解度、生产环境以及是否能够保证电解过程稳定运行等诸多因素，而上述现有技术中存在的问题使得电解质的工业化应用受到了很大的限制，如何在进一步降低电解质初晶温度的同时，还能够避免对电解装置的腐蚀和对人体的危害，同时还能保证制备得到的电解质具有适宜的电导率和氧化铝溶解度且不产生“结壳”现象，是现有技术中尚未解决的难题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有技术中缺少在进一步降低电解质初晶温度的同时，还能够避免对电解装置的腐蚀和对人体的危害，同时还能保证制备得到的电解质具有适宜的电导率和氧化铝溶解度且不产生“结壳”现象的电解质的问题，本发明提供了一种初晶温度低、对电解槽无腐蚀作用不易挥发、具有适宜的电导率和氧化铝溶解度且不产生“结壳”现象的电解铝用电解质以及使用该电解质的电解工艺。
本发明所述的电解铝用电解质以及使用该电解质的电解工艺的技术方案为：
一种电解铝用电解质，由以下质量百分比的组分组成：
NaF，30-38％；
AlF3，49-60％；
LiF，1-5％；
KF，1-6％；
Al2O3，3-6％；
其中NaF与AlF3的摩尔比为1.0-1.52。
所述NaF与AlF3的摩尔比为1.12-1.52。
所述电解质的初晶温度为620-670℃。
所述电解质的初晶温度为640-670℃。
所述电解质的电解温度为720-760℃。
使用所述的电解铝用电解质的电解工艺，包括如下步骤：
(1)将特定量的NaF、AlF3、LiF、KF、Al2O3进行混合，对得到的混合物进行加热形成熔体；或者将特定量的NaF、AlF3、LiF、KF进行混合，对得到的混合物进行加热直至熔融后再加入Al2O3得到熔体；
(2)将步骤(1)制备得到的熔体升温至720-760℃进行电解。
将步骤(1)制备得到的熔体在730-750℃条件下进行电解。
在电解过程中定量补充Al2O3。
本发明所述的电解铝用电解质以及使用该电解质的电解工艺的优点在于：
(1)本发明所述的电解铝用电解质，采用纯氟化盐体系，包括以下质量百分比的组分：NaF，30-38％；AlF3，49-60％；LiF，1-5％；KF，1-6％；Al2O3，3-6％；其中NaF与AlF3的摩尔比为1.0-1.52。
这样设置的优点在于：
第一、初晶温度低且不产生结壳现象。本发明通过采用纯氟化盐体系的电解质，通过限定电解质中物质的组成，并进一步限定这些物质的含量，以及所述NaF与AlF3的摩尔比为1.0-1.52，使得电解质的初晶温度降低至640-670℃，从而使得电解工艺可以在720-760℃条件下进行电解，减少了氟化盐的挥发损失，避免了对电解装置的腐蚀和对人体的危害，改善了工作环境，大大降低了电解过程的能耗，达到了节能减排的目的；同时本发明通过添加适宜含量的LiF和KF，可以和电解质中的钠离子和铝离子结合形成熔点低的锂冰晶石和钾冰晶石，从而保证电解过程中不会产生结壳的现象。
第二、氧化铝有较高的溶解度。本发明的电解铝用电解质与现行工业相比，没有外加CaF2和MgF2，而是在NaF与AlF3的摩尔比为1.0-1.52的体系中，添加了适宜比例的、具有增加氧化铝溶解度和溶解速度功能的KF，从而改善了低摩尔比电解质铝溶解度低的缺点。
第三、电解质具有较高的电导率。电解质的电导率随温度的降低而降低，因此低电解温度下的电导率通常难以满足正常电解过程的需要，本发明通过降低电解质的初晶温度使得电解温度也相应降低，但本发明通过添加具有增加导电率大的LiF，并对电解质中组分的配比进行优化，使得所述电解质在低温下的电导率也能够满足电解过程的需要，提高了电解过程的电流效率。本发明限定LiF的含量为1-5％，原因在于，LiF的含量过低，则无法起到提高电导率和防止结壳的作用，而LiF的含量过高，又会导致氧化铝的溶解度随之降低，本发明通过限定LiF的含量为1-5％，有效避免了上述两种情况。
第四、减少了对金属的腐蚀。使用本发明中上述配比的电解质进行电解，对电解槽装置没有腐蚀作用，从而提高了电解装置的使用寿命。
(2)本发明所述的电解工艺，将特定含量的NaF、AlF3、LiF、KF、Al2O3进行混合，对得到的混合物进行加热形成熔体；或者将特定含量的NaF、AlF3、LiF、KF进行混合，对得到的混合物进行加热直至熔融后再加入Al2O3得到熔体；然后将制备得到的熔体在720-760℃条件下进行电解。电解温度与电解质的挥发、工艺的能耗、电导率和氧化铝的溶解度有着直接的影响，本发明的发明人通过长期的研究，基于本发明所述的电解质的组分和含量特性，相匹配地设定电解温度为720-760℃，在增大电导率和氧化铝溶解度的同时，还大幅度降低了电解质的挥发和电解工艺的能耗，提高了工艺的经济性能。
作为优选，本发明还进一步设置所述电解温度为730-750℃。
为了使本发明所述的技术方案更加便于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的阐述。
具体实施方式
实施例1
本实施例中的电解质的成分为：NaF，32％；AlF3，57％；LiF，3；KF，4％；Al2O3，4％，其中NaF与氟化铝AlF3的摩尔比为1.12。
对本实施例中所述的电解质的性能进行测定，结果为：本实施例中电解质的初晶温度为640℃。
使用本实施例中所述电解质的电解工艺为：
(1)将上述量的NaF、AlF3、LiF、KF、Al2O3进行混合，对得到的混合物进行加热形成熔体；
(2)将步骤(1)制备得到的熔体升温至720℃进行电解，在电解过程中定量补充Al2O3，电解过程中电解质的电导率≈1.7Ω-1·cm-1，密度≈2.03g/cm3，氧化铝饱和浓度5％。
实施例2
本实施例中的电解质的成分为：NaF，38％；AlF3，50％；LiF，2％；KF，5％；Al2O3，5％，其中NaF与氟化铝AlF3的摩尔比为1.52。
对本实施例中所述的电解质的性能进行测定，结果为：本实施例中电解质的初晶温度为670℃。
使用本实施例中所述电解质的电解工艺为：
(1)将上述量的NaF、AlF3、LiF、KF进行混合，对得到的混合物进行加热直至熔融后再加入上述量的Al2O3得到熔体；
(2)将步骤(1)制备得到的熔体升温至760℃进行电解，电解过程中电解质电导率≈1.8Ω-1·cm-1，密度≈2.05g/cm3，氧化铝饱和浓度6％。
实施例3
本实施例中的电解质的成分为：NaF，32％；AlF3，57％；LiF，3％；KF，4％；Al2O3，4％，其中NaF与氟化铝AlF3的摩尔比为1.12。
对本实施例中所述的电解质的性能进行测定，结果为：本实施例中电解质的初晶温度为640℃。
使用本实施例中所述电解质的电解工艺为：
(1)将上述量的NaF、AlF3、LiF、KF、Al2O3进行混合，对得到的混合物进行加热形成熔体；
(2)将步骤(1)制备得到的熔体升温至730℃进行电解，在电解过程中定量补充Al2O3，电解过程中电解质的电导率≈1.6Ω-1·cm-1，密度≈2.03g/cm3，氧化铝饱和浓度5％。
实施例4
本实施例中的电解质的成分为：NaF，32％；AlF3，57％；LiF，3％；KF，4％；Al2O3，4％，其中NaF与氟化铝AlF3的摩尔比为1.12。
对本实施例中所述的电解质的性能进行测定，结果为：本实施例中电解质的初晶温度为640℃。
使用本实施例中所述电解质的电解工艺为：
(1)将上述量的NaF、AlF3、LiF、KF、Al2O3进行混合，对得到的混合物进行加热形成熔体；
(2)将步骤(1)制备得到的熔体升温至750℃进行电解，在电解过程中定量补充Al2O3，电解过程中电解质的电导率≈1.8Ω-1·cm-1，密度≈2.04g/cm3，氧化铝饱和浓度6％。
实施例5
本实施例中的电解质的成分为：NaF，30％；AlF3，60％；LiF，1％；KF，6％；Al2O3，3％，其中NaF与氟化铝AlF3的摩尔比为1.0。
对本实施例中所述的电解质的性能进行测定，结果为：本实施例中电解质的初晶温度为620℃。
使用本实施例中所述电解质的电解工艺为：
(1)将上述量的NaF、AlF3、LiF、KF、Al2O3进行混合，对得到的混合物进行加热形成熔体；
(2)将步骤(1)制备得到的熔体升温至720℃进行电解，在电解过程中定量补充Al2O3，电解过程电解质的电导率≈1.6Ω-1·cm-1，密度≈2.03g/cm3，氧化铝饱和浓度5％。
实施例6
本实施例中的电解质的成分为：NaF，38％；AlF3，54％；LiF，4％；KF，1％；Al2O3，3％，其中NaF与氟化铝AlF3的摩尔比为1.4。
对本实施例中所述的电解质的性能进行测定，结果为：本实施例中电解质的初晶温度为670℃。
使用本实施例中所述电解质的电解工艺为：
(1)将上述量的NaF、AlF3、LiF、KF、Al2O3进行混合，对得到的混合物进行加热形成熔体；
(2)将步骤(1)制备得到的熔体升温至760℃进行电解，在电解过程中定量补充Al2O3，电解过程中电解质的电导率≈1.8Ω-1·cm-1，密度≈2.05g/cm3，氧化铝饱和浓度6％。
实施例7
本实施例中的电解质的成分为：NaF，34％；AlF3，49％；LiF，5％；KF，6％；Al2O3，6％，其中NaF与氟化铝AlF3的摩尔比为1.39。
对本实施例中所述的电解质的性能进行测定，结果为：本实施例中电解质的初晶温度为660℃。
使用本实施例中所述电解质的电解工艺为：
(1)将上述量的NaF、AlF3、LiF、KF、Al2O3进行混合，对得到的混合物进行加热形成熔体；
(2)将步骤(1)制备得到的熔体升温至760℃进行电解，在电解过程中定量补充Al2O3，电解过程中电解质的电导率≈1.8Ω-1·cm-1，密度≈2.05g/cm3，氧化铝饱和浓度6％。
上述实施例中的电解工艺中使用的电解槽为连续式预焙阳极电解槽，阳极电流密度为0.8A·cm-2。本发明中所述的电解质适用于现有技术中的任何电解槽。
上述实施例已对本发明的具体内容作了详细阐述，本领域的专业技术人员应该明白，在本发明的基础上所做的任何形式的改进和细节上的变动均属于本发明所要求保护的内容。
Claims (8)
1.一种电解铝用电解质，由以下质量百分比的组分组成：
NaF，30-38％；
AlF3，49-60％；
LiF，1-5％；
KF，1-6％；
Al2O3，3-6％；
其中NaF与AlF3的摩尔比为1.0-1.52。
2.根据权利要求1所述的电解质，其特征在于，所述NaF与AlF3的摩尔比为1.12-1.52。
3.根据权利要求1或2所述的电解质，其特征在于，所述电解质的初晶温度为620-670℃。
4.根据权利要求3所述的电解质，其特征在于，所述电解质的初晶温度为640-670℃。
5.根据权利要求1-4任一所述的电解质，其特征在于，所述电解质的电解温度为720-760℃。
6.使用权利要求1-5任一所述的电解铝用电解质的电解工艺，包括如下步骤：
(1)将特定量的NaF、AlF3、LiF、KF、Al2O3进行混合，对得到的混合物进行加热形成熔体；或者将特定量的NaF、AlF3、LiF、KF进行混合，对得到的混合物进行加热直至熔融后再加入Al2O3得到熔体；
(2)将步骤(1)制备得到的熔体升温至720-760℃进行电解。
7.根据权利要求6所述的电解铝用电解质的电解工艺，其特征在于，将步骤(1)制备得到的熔体在730-750℃条件下进行电解。
8.根据权利要求6或7所述的电解铝用电解质的电解工艺，其特征在于，在电解过程中定量补充Al2O3。
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