專利名稱：一種高電導(dǎo)率鋁電解用低溫電解質(zhì)及其使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于有色金屬冶金熔鹽電解領(lǐng)域，特別涉及一種高電導(dǎo)率鋁電解用低溫電解質(zhì)及 其使用方法。
背景技術(shù)：
目前鋁電解工業(yè)一直采用傳統(tǒng)的Hall-Heroult法，其電解質(zhì)為Na3AlF6-Al203，常加入CaF2 或由于原料帶入氧化鈣而生成CaF2。電解過(guò)程中為了控制分子比(Na3AlF6中的NaF與AlF3 物質(zhì)的量之比)，通常添加A1F3，將電解質(zhì)的分子比控制在一定的范圍之內(nèi)，目的是改善電解 質(zhì)的性質(zhì)，主要是降低初晶溫度等實(shí)現(xiàn)較低溫度電解以達(dá)到節(jié)能的目的，今后的發(fā)展趨勢(shì)仍 然是采用低熔點(diǎn)電解質(zhì)，即繼續(xù)加大A1F3的濃度，或添加降低電解質(zhì)熔點(diǎn)的添加劑，使電解 溫度降低到800~915°C，達(dá)到大幅度降低電能消耗的目標(biāo)。
但是隨著過(guò)多A1F3的添加，分子比減少，電解質(zhì)的電導(dǎo)率會(huì)下降，電阻增大，從而增 加電耗，在電解過(guò)程中有相當(dāng)可觀的電量消耗在電解質(zhì)本身的電阻損耗上，它直接影響到鋁 電解生產(chǎn)的電能消耗，電解質(zhì)的電壓降大約占整個(gè)電解槽電壓降的三分之一。
自Hall-Heroult法誕生以來(lái)，鋁電解科技工作者進(jìn)行了大量的研究，期間實(shí)驗(yàn)了各種氯 化物、硫化物、碳酸鹽、硫酸鹽、鋁酸鹽來(lái)代替冰晶石，均難以在工業(yè)成功應(yīng)用。因此只能 通過(guò)添加一些鹽類來(lái)改善冰晶石一氧化鋁熔鹽的物理化學(xué)性質(zhì)，以提高鋁電解生產(chǎn)的綜合指 標(biāo)。所添加鹽類應(yīng)該穩(wěn)定，在鋁電解中不分解，同時(shí)能夠起到改善冰晶石一氧化鋁熔液的物 理化學(xué)性能，例如降低熔點(diǎn)、提高電導(dǎo)率或提高鋁的溶解度等。大體能夠滿足上述所有目的 的添加劑很少，只有在堿金屬氟化物、氯化物或堿土金屬氟化物、氯化物中尋找。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)以上問(wèn)題，本發(fā)明提供一種高電導(dǎo)率鋁電解用低溫電解質(zhì)及其使用方法。 本發(fā)明內(nèi)容重點(diǎn)是添加能夠使電解質(zhì)電導(dǎo)率增大的電解質(zhì)混合物，電解質(zhì)混合添加劑為 NaCl與LiF、 MgF2、 LiCl或MgCl2的混合物，在較低電解溫度下，增大電解質(zhì)熔鹽的電導(dǎo) 率。其重點(diǎn)內(nèi)容為配置高電導(dǎo)率低溫電解質(zhì)，其中高電導(dǎo)率鋁電解用低溫電解質(zhì)成分按重量 百分比為NaF 38~51wt%， A1F3 30~47 wt %， Al2032~3 wt %， CaF2 2~5wt %， NaCl 1~8 wt %， LiF0~8wt%， MgF20~5wt%， LiC10~3wt%， MgCl20~3wt%。
其中的NaF和A1F3也可由不同分子比的工業(yè)冰晶石和A1F3配制而成。通常電解質(zhì)中的 NaF和A1F3來(lái)源于冰晶石(分子式Na3AlF6，也常寫(xiě)為3NaF A1F3， NaF占60%, A1F3占 40%， NaF與A1F3物質(zhì)的量之比成為分子比，Na3AlF6的分子比為3)，工業(yè)應(yīng)用中NaF的含
含量通常小于60%，因此添加A1F3，提高A1F3的含量。由于鋁電解工業(yè)中電解質(zhì)的分子比小 于3，所以在化工生產(chǎn)冰晶石過(guò)程中己經(jīng)含有過(guò)量的A1F3，因此有不同的分子比產(chǎn)品。實(shí)驗(yàn) 過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整NaF或A1F3的含量便能得到不同成分的電解質(zhì)。 本發(fā)明的一種高電導(dǎo)率鋁電解用低溫電解質(zhì)的使用方法為
采用本發(fā)明的高電導(dǎo)率鋁電解用低溫電解質(zhì)，置于鋁電解槽中進(jìn)行電解操作，電解條件 為溫度805 915'C，陽(yáng)極電流密度為0.83~1.0A/cm2，進(jìn)行8~20h的電解應(yīng)用。結(jié)果表明， 添加電解質(zhì)混合添加劑后，電流效率提高了 0.4-0.8%，電解質(zhì)電導(dǎo)率為2.25~2.60S/cm。
本發(fā)明的電解質(zhì)通過(guò)添加氯化鈉和氟化鎂，可使電解溫度降低15 20'C,電導(dǎo)率提高 0.06S/cm，電流效率提高2%。
本發(fā)明的電解質(zhì)通過(guò)添加氯化鈉和氟化鋰，可使電解溫度降低70~80'C，電導(dǎo)率提高 10%，具有很大的節(jié)能價(jià)值。
需要說(shuō)明的是氯化鈉(NaCl)具有吸水性，使用前在350 400'C條件下烘干4 6h，在使 用時(shí)保持NaCl干燥。
使用MgCl2前需經(jīng)過(guò)真空脫水法取出結(jié)晶水，步驟為
(1) 將帶有結(jié)晶水的氯化鎂放到真空容器中，在大氣條件下，真空容器在敞開(kāi)狀態(tài)下， 將真空容器溫度升到IO(TC，恒溫2個(gè)小時(shí)，此時(shí)脫去六水氯化鎂中的兩個(gè)水，變?yōu)樗乃?化鎂。反應(yīng)式為
MgC/2 6//20 10(M50。C > MgC/2 4//20 + 2//2<9個(gè)
(2) 真空容器在敞開(kāi)狀態(tài)下，將真空容器繼續(xù)升高至15(TC，恒溫3個(gè)小時(shí)，此時(shí)使四 水氯化鎂變?yōu)槎然V。反應(yīng)式為
MgC/2 47/20 150~170'c >Jl/ga2 2//20 + 2//20個(gè)
(3) 關(guān)閉真空容器法蘭，將真空容器抽真空到10—i至10—2帕斯卡，然后將真空容器溫度 升至250'C，恒溫3個(gè)小時(shí)。反應(yīng)式為
MgC/2 2//20——>MgC/2 //20 + //20個(gè)
(4) 將真空容器溫度繼續(xù)升高至35(TC，恒溫4個(gè)小時(shí)，此步為了脫去六水氯化鎂中的 最后一個(gè)水分子。反應(yīng)式為
MgC/2 i/20——>MgC/2 + //20個(gè)
經(jīng)過(guò)上述步驟進(jìn)行六水氯化鎂的脫水，可以得到無(wú)水氯化鎂。
采用本發(fā)明提供的高電導(dǎo)率鋁電解用低溫電解質(zhì)，鋁電解槽的保溫結(jié)構(gòu)按照電解溫度為 800 915'C進(jìn)行設(shè)計(jì)，電解質(zhì)的初晶溫度降到800 90(TC范圍，從而使電解溫度達(dá)到860-915
'c之間。
采用本發(fā)明提供的高電導(dǎo)率鋁電解用低溫電解質(zhì)，電解槽溫度場(chǎng)的邊界條件是內(nèi)襯的 表面溫度為650~800°C，電解槽陰極炭塊底部溫度在78(K920'C之間。
本發(fā)朋的電解質(zhì)選用堿金屬氟化物、堿金屬氯化物、堿土金屬氟化物或堿土金屬氯化物 作為添加劑，可以達(dá)到改善冰晶石一氧化鋁熔液的物理化學(xué)性能的作用，減小電阻損耗，提 高電功效率、節(jié)省電能、降低成本。使用本發(fā)明的電解質(zhì)使電解溫度大幅降低，電解質(zhì)電導(dǎo) 率為2.25-2.60 S/cm。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明中MgCl2在使用前需經(jīng)過(guò)真空脫水法取出結(jié)晶水。
本發(fā)明中的NaF 、 A1F3、 CaF2 、 NaCl 、 LiF、 MgF2 、 LiCl和MgCl2均為工業(yè)級(jí)產(chǎn)品， 純度98.5%以上。其中的NaF和A1F3也可由不同分子比的工業(yè)冰晶石和A1F3配制而成。 實(shí)施例1
電解質(zhì)成分按重量百分比為含氟化鈉47%，氟化鋁42%,氧化鋁3%，氟化鈣4%，氯化 鈉4%。
將上述成分的電解質(zhì)置于鋁電解槽中進(jìn)行電解操作，電解條件為溫度900'C，陽(yáng)極電流 密度為1.0A/cm2，進(jìn)行了8h的電解應(yīng)用。結(jié)果表明，添加氯化鈉后，電流效率提高了0.5%， 電解質(zhì)電導(dǎo)率為2.32S/cm。
其中鋁電解槽的保溫結(jié)構(gòu)按照電解溫度為900'C進(jìn)行設(shè)計(jì)，電解槽溫度場(chǎng)的邊界條件是 內(nèi)襯的表面溫度為785°C，電解槽陰極炭塊底部溫度為880°C。
氯化鈉使用之前在38(TC烘干6h后使用。 實(shí)施例2
電解質(zhì)成分按重量百分比為含氟化鈉48%，氟化鋁42%，氧化鋁3%，氟化鈣3%，氯化 鈉2%，氟化鋰2%。 ，
將上述成分的電解質(zhì)置于鋁電解槽中進(jìn)行電解操作，電解條件為溫度915'C，陽(yáng)極電流 密度為0.96A/cm2，進(jìn)行了7h的電解應(yīng)用。結(jié)果表明，添加氯化鈉和氟化鋰后，電流效率提 高0.6% ，電解質(zhì)電導(dǎo)率為2.42S/cm。
其中鋁電解槽的保溫結(jié)構(gòu)按照電解溫度為915'C進(jìn)行設(shè)計(jì)，電解槽溫度場(chǎng)的邊界條件是 內(nèi)襯的表面溫度為788°C，電解槽陰極炭塊底部溫度為881'C。
氯化鈉使用之前采用400'C烘干4h后使用。 實(shí)施例3
電解質(zhì)成分按重量百分比為含氟化鈉47%，氟化鋁41%，氧化鋁3%，氟化鈣3%，氯化 鈉3%，氟化鎂3%。
將上述成分的電解質(zhì)置于鋁電解槽中進(jìn)行電解操作，電解條件為溫度90(TC，陽(yáng)極電流 密度為0.88A/cm2，進(jìn)行了9h的電解應(yīng)用。結(jié)果表明，添加氯化鈉和氟化鎂后，電流效率提 高了 0.8%，電解質(zhì)電導(dǎo)率為2.29S/cm。
其中鋁電解槽的保溫結(jié)構(gòu)按照電解溫度為卯6'C進(jìn)行設(shè)計(jì)，電解槽溫度場(chǎng)的邊界條件是 內(nèi)襯的表面溫度為788°C，電解槽陰極炭塊底部溫度為88rC。
氯化鈉使用之前在40(TC烘干4h后使用。 實(shí)施例4
電解質(zhì)成分按重量百分比為含氟化鈉46%,氟化鋁38%，氧化鋁2%，氟化鈣4%，氯化 鈉5%，氟化鋰5%。
將上述成分的電解質(zhì)置于鋁電解槽中進(jìn)行電解操作，電解條件為溫度815'C，陽(yáng)極電流 密度為1.0A/cm2，進(jìn)行了8h的電解應(yīng)用。結(jié)果表明，添加氯化鈉和氟化鋰后，電流效率提高 了 0.7%，電解質(zhì)電導(dǎo)率為2.56S/cm。
其中鋁電解槽的保溫結(jié)構(gòu)按照電解溫度為815'C進(jìn)行設(shè)計(jì)，電解槽溫度場(chǎng)的邊界條件是 內(nèi)襯的表面溫度為703°C，電解槽陰極炭塊底部溫度為789°C。
氯化鈉使用之前在35(TC烘干6h后使用。 實(shí)施例5
電解質(zhì)成分按重量百分比為含氟化鈉47%，氟化鋁35%，氧化鋁2%，氟化鈣4%，氯化 鈉6%，氟化鋰6%。
將上述成分的電解質(zhì)置于鋁電解槽中進(jìn)行電解操作，電解條件為溫度82(TC，陽(yáng)極電流 密度為0.83A/cm2，進(jìn)行了 12h的電解應(yīng)用。結(jié)果表明，添加氯化鈉和氟化鋰后，電流效率提 高了0.8%，電解質(zhì)電導(dǎo)率為2.56S/cm。
鋁電解槽的保溫結(jié)構(gòu)按照電解溫度為820'C進(jìn)行設(shè)計(jì)，電解槽溫度場(chǎng)的邊界條件是內(nèi)襯 的表面溫度為713'C，電解槽陰極炭塊底部溫度為798"C。
氯化鈉使用之前在37(TC烘干5.5h后使用。 實(shí)施例6
電解質(zhì)成分按重量百分比為含氟化鈉38%，氟化鋁47%,氧化鋁2%，氟化鈣4%，氯化 鈉4%，氟化鋰5%。
將上述成分的電解質(zhì)置于鋁電解槽中進(jìn)行電解操作，電解條件為溫度805。C，陽(yáng)極電流
密度為0.95A/cm2,進(jìn)行了20h的電解應(yīng)用。結(jié)果表明，添加氯化鈉和氟化鋰后電流效率提高 了0.4%，電解質(zhì)電導(dǎo)率為2.38S/cm。
其中鋁電解槽的保溫結(jié)構(gòu)按照電解溫度為805'C進(jìn)行設(shè)計(jì)，電解槽溫度場(chǎng)的邊界條件是-內(nèi)襯的表面溫度為775°C，電解槽陰極炭塊底部溫度為7S7'C。
氯化鈉使用之前在400。C烘干4h后使用。 實(shí)施例7
電解質(zhì)成分按重量百分比為含氟化鈉41%，氟化鋁47%，氧化鋁2.5%，氟化鈣4%，氯 化鈉3.5%，氯化鋰2%。
將上述成分的電解質(zhì)置于鋁電解槽中進(jìn)行電解操作，電解條件為溫度845'C，陽(yáng)極電流 密度為0.91A/cm2，進(jìn)行了15h的電解應(yīng)用。結(jié)果表明，添加氯化鈉和氯化鋰后，電流效率提 高了 0.4%，電解質(zhì)電導(dǎo)率為2.31S/cm。
其中鋁電解槽的保溫結(jié)構(gòu)按照電解溫度為845'C進(jìn)行設(shè)計(jì)，電解槽溫度場(chǎng)的邊界條件是 內(nèi)襯的表面溫度為730°C，電解槽陰極炭塊底部溫度為825°C。
氯化鈉使用之前在370'C烘干6h后使用。 實(shí)施例8
電解質(zhì)成分按重量百分比為含氟化鈉41%，氟化鋁47%，氧化鋁2%，氟化鈣4%，氯化 鈉4%，氯化鎂2%。
將上述成分的電解質(zhì)置于鋁電解槽中進(jìn)行電解操作，電解條件為溫度855'C,陽(yáng)極電流 密度為1.0A/cm2，進(jìn)行了llh的電解應(yīng)用。結(jié)果表明，添加氯化鈉和氯化鎂后，電流效率提 高了0.4%，電解質(zhì)電導(dǎo)率為2.25S/cm。
其中鋁電解槽的保溫結(jié)構(gòu)按照電解溫度為855'C進(jìn)行設(shè)計(jì)，電解槽溫度場(chǎng)的邊界條件是 內(nèi)襯的表面溫度為736'C，電解槽陰極炭塊底部溫度為826°C。
氯化鈉使用之前在400'C烘干4.5h后使用，氯化鎂使用之前在采用真空脫水法取出結(jié)晶水 后使用。 實(shí)施例9
電解質(zhì)成分按重量百分比為含氟化鈉51%，氟化鋁30%，氧化鋁3%，氟化鈣5%，氯化 鈉8%,氯化鎂3%。
將上述成分的電解質(zhì)置于鋁電解槽中進(jìn)行電解操作，電解條件為溫度825'C,陽(yáng)極電流 密度為0.92A/cm2，進(jìn)行了10h的電解應(yīng)用。結(jié)果表明，添加氯化鈉和氯化鎂后，電流效率提 高了0.5%，電解質(zhì)電導(dǎo)率為2.43S/cm。其中鋁電解槽的保溫結(jié)構(gòu)按照電解溫度為825'C進(jìn)行設(shè)計(jì)，電解槽溫度場(chǎng)的邊界條件是
內(nèi)襯的表面溫度為7i5'c，電解槽陰極炭塊底部溫度為8orc。
氯化鈉使用之前在3卯'C烘干4h后使用，氯化鎂使用之前在采用真空脫水法取出結(jié)晶水 后使用。 實(shí)施例10
電解質(zhì)成分按重量百分比為含氟化鈉40%，氟化鋁47%,氧化鋁2%，氟化鈣2%，氯化 鈉6%，氯化鋰3%。
將上述成分的電解質(zhì)置于鋁電解槽中進(jìn)行電解操作，電解條件為溫度860'C，陽(yáng)極電流 密度為0.94A/cm2，進(jìn)行了13h的電解應(yīng)用。結(jié)果表明，添加氯化鈉和氯化鋰后，電流效率提 高了 0.5%，電解質(zhì)電導(dǎo)率為2.55S/cm。
其中鋁電解槽的保溫結(jié)構(gòu)按照電解溫度為860'C進(jìn)行設(shè)計(jì)，電解槽溫度場(chǎng)的邊界條件是 內(nèi)襯的表面溫度為743'C,電解槽陰極炭塊底部溫度為832°C。
氯化鈉使用之前在360'C烘干5h后使用，氯化鎂使用之前在采用真空脫水法取出結(jié)晶水 后使用。 實(shí)施例11
電解質(zhì)成分按重量百分比為含氟化鈉45%，氟化鋁43%,氧化鋁2%，氟化鈣3%，氯化 鈉2%，氟化鎂5%。
將上述成分的電解質(zhì)置于鋁電解槽中進(jìn)行電解操作，電解條件為溫度87(TC，陽(yáng)極電流 密度為1.0A/cm2，進(jìn)行了14h的電解應(yīng)用。結(jié)果表明，添加氯化鈉和氟化鎂后，電流效率提 高了 0.4%，電解質(zhì)電導(dǎo)率為2.34S/cm。
其中鋁電解槽的保溫結(jié)構(gòu)按照電解溫度為870'C進(jìn)行設(shè)計(jì)，電解槽溫度場(chǎng)的邊界條件是 內(nèi)襯的表面溫度為755°C，電解槽陰極炭塊底部溫度為839°C。
氯化鈉使用之前在370'C烘干6h后使用，氯化鎂使用之前在采用真空脫水法取出結(jié)晶水 后使用。 實(shí)施例12
電解質(zhì)成分按重量百分比為含氟化鈉42%，氟化鋁41%，氧化鋁3%，氟化鈣3%，氯化 鈉3%，氟化鋰8%。
將上述成分的電解質(zhì)置于鋁電解槽中進(jìn)行電解操作，電解條件為溫度835'C，陽(yáng)極電流 密度為0.97A/cm2，進(jìn)行了16h的電解應(yīng)用。結(jié)果表明，添加氯化鈉和氟化鋰后，電流效率提 高了 0.5%，電解質(zhì)電導(dǎo)率為2.60S/cm。
其中鋁電解槽的保溫結(jié)構(gòu)按照電解溫度為835'C進(jìn)行設(shè)計(jì)，電解槽溫度場(chǎng)的邊界條件是 內(nèi)襯的表面溫度為747°C，電解槽陰極炭塊底部溫度為792°C。
氯化鈉使用之前在380'C烘干4h后使用，氯化鎂使用之前在采用真空脫水法取出結(jié)晶水 后使用。 實(shí)施例13
電解質(zhì)成分按重量百分比為含氟化鈉50%，氟化鋁40%,氧化鋁3%，氟化鈣5%，氯化 鈉1%，氟化鋰1%。
將上述成分的電解質(zhì)置于鋁電解槽中進(jìn)行電解操作，電解條件為溫度82(TC，陽(yáng)極電流 密度為1.0A/cm2，進(jìn)行了18h的電解應(yīng)用。結(jié)果表明，添加氯化鈉和氟化鋰后，電流效率提 高了 0.4%，電解質(zhì)電導(dǎo)率為2.25S/cm。
其中鋁電解槽的保溫結(jié)構(gòu)按照電解溫度為82(TC進(jìn)行設(shè)計(jì)，電解槽溫度場(chǎng)的邊界條件是 內(nèi)襯的表面溫度為739°C，電解槽陰極炭塊底部溫度為801°C。
氯化鈉使用之前在400'C烘干4h后使用，氯化鎂使用之前在采用真空脫水法取出結(jié)晶水 后使用。
權(quán)利要求
1、一種高電導(dǎo)率鋁電解用低溫電解質(zhì)，其特征在于該電解質(zhì)的成分按重量百分比為NaF 38～51wt％，AlF3 30～47wt％，Al2O32～3wt％，CaF2 2～5wt％，NaCl 1～8wt％，LiF0～8wt％，MgF2 0～5wt％，LiCl 0～3wt％，MgCl2 0～3wt％。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高電導(dǎo)率鋁電解用低溫電解質(zhì)，其特征在于NaCl使用前 在35(K400'C條件下烘干4~6h,在使用時(shí)保持NaCl干燥。
3、 權(quán)利要求1所述的一種高電導(dǎo)率鋁電解用低溫電解質(zhì)的使用方法，其特征在于采 用該電解質(zhì)在電解條件為溫度805-915°C，陽(yáng)極電流密度為0.83~1.OA/cm2的條件下進(jìn)行電解 應(yīng)用，電解質(zhì)的初晶溫度在800 900℃。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種高電導(dǎo)率鋁電解用低溫電解質(zhì)的使用方法，其特征在于 采用該高電導(dǎo)率鋁電解用低溫電解質(zhì)，電導(dǎo)率為2.25~2.60 S/cm。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種高電導(dǎo)率鋁電解用低溫電解質(zhì)的使用方法，其特征在于 采用該高電導(dǎo)率鋁電解用低溫電解質(zhì)，鋁電解槽的保溫結(jié)構(gòu)按照電解溫度為800 915'C進(jìn)行 設(shè)計(jì)，電解槽溫度場(chǎng)的邊界條件是內(nèi)襯的表面溫度為650~800°C，電解槽陰極炭塊底部溫 度在780 920℃之間。
全文摘要
一種高電導(dǎo)率鋁電解用低溫電解質(zhì)及其使用方法，其特征在于高電導(dǎo)率鋁電解用低溫電解質(zhì)的成分按重量百分比為NaF 38～51wt％，AlF₃ 30～47wt％，Al₂O₃ 2～3wt％，CaF₂ 2～5wt％，NaCl 1～8wt％，LiF0～8wt％，MgF₂ 0～5wt％，LiCl 0～3wt％，MgCl₂ 0～3wt％；使用方法為在溫度805～915℃，陽(yáng)極電流密度為0.83～1.0A/cm²的條件下進(jìn)行電解應(yīng)用，電解質(zhì)的初晶溫度在800～900℃。本發(fā)明的電解質(zhì)可以達(dá)到改善冰晶石—氧化鋁熔液的物理化學(xué)性能的作用，減小電阻損耗，提高電功效率、節(jié)省電能、降低成本。使用本發(fā)明的電解質(zhì)使電解溫度大幅降低，電解質(zhì)電導(dǎo)率為2.25～2.60S/cm。
文檔編號(hào)C25C3/18GK101386996SQ20081022812
公開(kāi)日2009年3月18日 申請(qǐng)日期2008年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月17日
發(fā)明者于亞鑫, 王兆文, 石忠寧, 胡憲偉, 高炳亮 申請(qǐng)人:東北大學(xué)