CN105177631B - 电解精炼制备高纯铝的方法及电解槽 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电解质体系简化的电解槽，它包括槽体，其特征是阳极、阳极导体和石墨阴极、阴极导体分别设置于槽体底部两边，中间设有绝缘隔板将两者隔开，阳极导杆与阳极连接，阴极导杆与石墨阴极连接，并分别从槽体下部引出，设有阳极的槽体一侧设有阳极加料口；用于电解精炼制备高纯铝时，电解质覆盖在阳极导体和阴极导体上，电解时，电解温度不低于电解质和阳极导体的熔点，电解过程电流密度为200mA/㎝2～1200mA/㎝2，本发明可直接采用原铝作为阳极，简化了电解质体系，提高了电流效率，且电解质表面结壳，能有效防止电解质挥发并具有保温的作用，也防止了产物跟空气接触，避免了铝的烧损，同时，不需要使用碳素阳极，在很大程度上防止了不必要的污染。

Description

电解精炼制备高纯铝的方法及电解槽
技术领域
本发明涉及一种铝的精炼，具体地说是一种电解精炼制备高纯铝的方法及电解槽，特别是涉及一种电解质体系简化的电解精炼制备高纯铝的方法及电解槽。
背景技术
电解铝就是通过电解得到的铝。现代电解铝工业生产采用冰晶石-氧化铝融盐电解法。熔融冰晶石是溶剂，氧化铝作为溶质，以碳素体作为阳极，铝液作为阴极，通入强大的直流电后，在950℃～970℃下，在电解槽内的两极上进行电化学反应，既电解。随着国内外电子工业的迅猛发展和Al加工技术水平的提高，对精铝生产发展和技术水平的要求也上了一个台阶。现行的Hall-Heroult法制造的电解铝（原铝）纯度为99﹪～99.85﹪，而精铝是指普通电解铝经过一定生产工艺提纯到Al含量达99.9﹪～99.999﹪的金属铝，它具有良好的导电性、导热性、反光性、抗腐蚀性和优异的低温性能，被广泛地运用于电子、军工、航天、航空和轻工业等领域。
目前，高纯铝的生产主要运用三层液电解槽，包括由钢壳、保温料、镁砖组成的槽体，槽体上由镁砖形成原料( 普铝)入口，由阳极和阳极导体、阴极和阴极导体组成的导电系统；电解时，电解槽中有三层液体，底层为阳极和阳极导体，阳极导体由待精炼的原铝和加重剂Cu组成，中间层为电解质，密度介于阳极合金和铝之间，上层为精炼所得的高纯铝和阴极。由于电解时石墨阴极和高纯铝是浮于电解质表面的，需要尽量降低电解质的初晶点，而降低电解质初晶点的同时要保证电解质密度的稳定，这对电解质的选择提出了很高的要求。此外，阳极导体Cu-Al合金在精炼过程中成分的不断变化和阳极导体中杂质的积累会导致高熔点金属化合物的出现，恶化电解过程。上述矛盾的存在严重影响了铝精炼工艺的发展和大规模的工业化应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种电解质体系简化的电解精炼制备高纯铝的方法及电解槽。
本发明是采用如下技术方案实现其发明目的的，一种电解精炼制备高纯铝的方法，在精炼过程中，阳极、阳极导体和石墨阴极、阴极导体分别设置于电解槽底部两边，中间用绝缘隔板隔开，绝缘隔板的高度高于阴极导体液层上部50㎜以上，电解质覆盖在阳极导体和阴极导体上，所述电解质为Na3AlF6，填充高度高于绝缘隔板高度；电解时，电解温度不低于电解质和阳极导体的熔点，电解过程电流密度为200mA/㎝2～1200mA/㎝2，阳极导体一侧的铝失去电子进入电解质并在水平方向上向阴极导体扩散，扩散到阴极导体表面的铝离子得到电子附着在阴极导体表面，完成电解精炼过程。
本发明所述阴极导体为纯度大于99.999﹪的高纯铝，所述阳极导体为原铝或Cu-Al合金。
本发明所述Cu-Al合金中铜的含量范围为30﹪～40﹪。
本发明所述阳极采用石墨或原铝。
本发明所述电解质中添加有添加剂，所述添加剂为AlF3或NaF或KF或LiF或MgF2＋CaF2或BaF2中的一种或组合。
本发明以重量计，AlF3的添加量为电解质重量的10﹪～21﹪，NaF的添加量为电解质重量的10﹪～15﹪，MgF2＋CaF2的添加量为电解质重量的0.5﹪～2﹪，BaF2的添加量为电解质重量的25﹪～34﹪，KF的添加量为电解质重量的0.5﹪～3﹪；LiF的添加量为电解质重量的10﹪～13﹪；组合添加时添加剂的添加量为电解质重量的5﹪～22﹪。
一种电解精炼制备高纯铝用电解槽，它包括槽体，阳极、阳极导体和石墨阴极、阴极导体分别设置于槽体底部两边，中间设有绝缘隔板将两者隔开，阳极导杆与阳极连接，阴极导杆与石墨阴极连接，并分别从槽体下部引出，设有阳极的槽体一侧设有阳极加料口。
本发明所述绝缘隔板的高度高于阴极导体液层上部50㎜以上。
为加强保温效果，本发明所述槽体的内壁设有保温内衬。
由于采用上述技术方案，本发明较好的实现了发明目的，可直接采用原铝作为阳极，简化了电解质体系，提高了电流效率，且电解质表面可形成电解质结壳，能有效防止电解质挥发并具有保温的作用，也防止了产物跟空气接触，避免了铝的烧损，同时，不需要使用碳素阳极，在很大程度上防止了不必要的污染。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
由图1可知，一种电解精炼制备高纯铝用电解槽，它包括槽体3，阳极2、阳极导体10和石墨阴极6、阴极导体5分别设置于槽体3底部两边，中间设有绝缘隔板8将两者隔开，阳极导杆9与阳极2连接，阴极导杆7与石墨阴极6连接，并分别从槽体3下部引出，设有阳极2的槽体3一侧设有阳极加料口11。
本发明所述绝缘隔板8的高度高于阴极导体5液层上部50㎜以上。
为加强保温效果，本发明所述槽体3的内壁设有保温内衬4。
一种电解精炼制备高纯铝的方法，在精炼过程中，阳极2、阳极导体10和石墨阴极6、阴极导体5分别设置于电解槽底部两边，中间用绝缘隔板8隔开，绝缘隔板8的高度高于阴极导体5液层上部50㎜以上，电解质1覆盖在阳极导体10和阴极导体5上，所述电解质1为Na3AlF6（冰晶石），填充高度高于绝缘隔板8高度；电解时，电解温度不低于电解质1和阳极导体10的熔点，电解过程电流密度为200 mA/㎝2～1200mA/㎝2，阳极导体10一侧的铝失去电子进入电解质1并在水平方向上向阴极导体5扩散，扩散到阴极导体5表面的铝离子得到电子附着在阴极导体5表面，完成电解精炼过程。
本发明所述阴极导体为纯度大于99.999﹪的高纯铝，所述阳极导体为原铝或Cu-Al合金。
本发明所述Cu-Al合金中铜的含量范围为30﹪～40﹪。
本发明所述阳极采用石墨或原铝。
本发明所述电解质中添加有添加剂，所述添加剂为AlF3或NaF或KF或LiF或MgF2＋CaF2或BaF2中的一种或组合。
本发明以重量计，AlF3的添加量为电解质重量的10﹪～21﹪，NaF的添加量为电解质重量的10﹪～15﹪，MgF2＋CaF2的添加量为电解质重量的0.5﹪～2﹪，BaF2的添加量为电解质重量的25﹪～34﹪，KF的添加量为电解质重量的0.5﹪～3﹪；LiF的添加量为电解质重量的10﹪～13﹪；组合添加时添加剂的添加量为电解质重量的5﹪～22﹪。
本实施例为阴极导体5选用高纯铝（纯度99.999﹪），阳极导体10选用原铝（纯度99.63﹪），为防止不必要的污染，阳极也采用原铝。固态原铝从阳极加料口11加入电解槽内，固态高纯铝也加入电解槽内在绝缘隔板8的另一侧，再将电解质（Na3AlF6和NaF，NaF的添加量为电解质Na3AlF6重量的10﹪）覆盖在固态原铝和固态高纯铝上；然后，开始通电加热，温度至940℃时，电解质、固态原铝和固态高纯铝开始熔化，保温2小时。待电解质、固态原铝和固态高纯铝完全熔融时，开始电解，电解过程采用恒流电解，电流密度为800mA/㎝2。电解时，阴极导体5、阳极导体10液层高为50～300㎜，绝缘隔板8采用耐火材料，其高度高于阴极导体5液层上部50㎜以上。
本发明由于增加了电解槽最上层电解质1与空气的接触面积，从而加强电解质1表面空气对流与散热，在电解质表面可形成电解质结壳12，有效防止电解质挥发并具有保温的作用，也防止了产物跟空气接触，避免了铝的烧损。同时，本发明直接采用原铝作为阳极，不需要使用碳素阳极，在很大程度上防止了不必要的污染。
电解后，采用虹吸方式提取高纯铝，得到的高纯铝的纯度由原铝的99.63﹪提高到99.98﹪；铝液送往铸造车间，在保温炉内经净化澄清后，浇铸成铝锭或直接加工成线坯、型材等。阴极电流效率为98﹪，阳极电流效率为99﹪。
本发明在正常进行电解精炼前，可以将阳极导杆9、阴极导杆7与直流电源反接，进行反向预电解，以去除电解质中的杂质后，再进行电解精炼。
实施例2：
本发明所述阳极导体10为Cu-Al合金。所述Cu-Al合金中铜的含量范围为30﹪～40﹪。
本实施例阳极导体选用Cu-Al合金。所述Cu-Al合金中铜的含量范围为30﹪，铝含量为65﹪。电解质为Na3AlF6和AlF3，AlF3的添加量为电解质重量的10﹪。加热时，温度至900℃，保温4小时。电解时，电解过程采用恒流电解，电流密度为600mA/㎝2。得到的高纯铝的纯度可以提高到99.991﹪，阴极电流效率为98.4﹪，阳极电流效率为99.6﹪。
余同实施例1。
实施例3：
本实施例阳极导体选用Cu-Al合金。所述Cu-Al合金中铜的含量范围为28﹪，铝含量为67﹪。电解质按Na3AlF6:LiF:MgF2＋CaF2: AlF3＝68:11.5:1.5:19的比例组合而成。加热时，温度至900℃，保温4小时。电解时，电解过程采用恒流电解，电流密度为700mA/㎝2。得到的高纯铝的纯度可以提高到99.997﹪，阴极电流效率为98.6﹪，阳极电流效率为99.9﹪。
余同实施例1。

Claims (9)

1.一种电解精炼制备高纯铝的方法，其特征是在精炼过程中，阳极、阳极导体和石墨阴极、阴极导体分别设置于电解槽底部两边，中间用绝缘隔板隔开，绝缘隔板的高度高于阴极导体液层上部50㎜以上，电解质覆盖在阳极导体和阴极导体上，所述电解质为，填充高度高于绝缘隔板高度；电解时，电解温度不低于电解质和阳极导体的熔点，电解过程电流密度为200mA/㎝2 ～1200mA/㎝2 ，阳极导体一侧的铝失去电子进入电解质并在水平方向上向阴极导体扩散，扩散到阴极导体表面的铝离子得到电子附着在阴极导体表面，电解时在电解质的表面形成电解质结壳，完成电解精炼过程。
2.根据权利要求1所述电解精炼制备高纯铝的方法，其特征是所述阴极导体为纯度大于99.999﹪的高纯铝，所述阳极导体为原铝或Cu-Al合金。
3.根据权利要求2所述电解精炼制备高纯铝的方法，其特征是所述Cu-Al合金中铜的含量范围为30﹪～40﹪。
4.根据权利要求1所述电解精炼制备高纯铝的方法，其特征是所述阳极采用石墨或原铝。
5.根据权利要求1或2或3或4所述电解精炼制备高纯铝的方法，其特征是所述电解质中添加有添加剂，所述添加剂为或NaF或KF或LiF或或中的一种或组合。
6.根据权利要求5所述电解精炼制备高纯铝的方法，其特征是以重量计，的添加量为电解质重量的10﹪～21﹪，NaF的添加量为电解质重量的10﹪～15﹪，的添加量为电解质重量的0.5﹪～2﹪，的添加量为电解质重量的25﹪～34﹪，KF的添加量为电解质重量的0.5﹪～3﹪；LiF的添加量为电解质重量的10﹪～13﹪；组合添加时添加剂的添加量为电解质重量的5﹪～22﹪。
7.一种电解精炼制备高纯铝用电解槽，它包括槽体，其特征是阳极、阳极导体和石墨阴极、阴极导体分别设置于槽体底部两边，中间设有绝缘隔板将两者隔开，阳极导杆与阳极连接，阴极导杆与石墨阴极连接，并分别从槽体下部引出，设有阳极的槽体一侧设有阳极加料口。
8.根据权利要求7所述电解精炼制备高纯铝用电解槽，其特征是所述绝缘隔板的高度高于阴极导体液层上部50㎜以上。
9.根据权利要求7或8所述电解精炼制备高纯铝用电解槽，其特征是所述槽体的内壁设有保温内衬。
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