电解铝铝电解质熔体中炭渣对电解生产的影响詹磊(青铜峡铝厂,宁夏青铜峡751603)摘要:电解质中的炭渣对电解生产一般认为是有害无益的。

但在青铜峡铝厂80kA 系列的生产实践中发现,电解质中存有适量的炭渣,在电解质与之分离良好的前提下对电解生产过程是有用的。

尤其是对控制下料量,清亮电解质很有帮助。

本文对此情况进行探讨并提出合理处理炭渣问题的一些简单看法。

关键词:电解铝;电解质;炭渣;添加剂中图分类号:TF821 文献标识码:B 文章编号:10021752(2000)06002803在霍尔-埃鲁法炼铝过程中,由于阴阳两级均使用碳素制品,故而电解质熔体中生成并存在炭渣就是不可避免的。

就自焙槽而言,因为阳极是阳极糊(骨料焦+沥青制成)由直流电产生的焦耳热和电解槽自身的热量逐渐焙烧成的,阳极本体物质组成非常不均匀,在电解过程中更是容易发生选择性氧化使骨料焦粒脱落形成炭渣。

所以自焙槽的炭渣是一个非常值得探讨的问题。

1 上插槽铝电解质中炭渣的来源电解槽电解质中的炭渣可以从阳极、阴极以及电解过程中铝的二次反应等途径产生,主要是前二者。

1.1 碳阳极在电解过程中的选择性氧化碳的多种结构取决于生成它们的材料以及生成机理。

不同结构的碳有不同的反应活性。

上插自焙槽阳极是由直流电产生的焦耳热和电解槽自身的热量逐渐焙烧成的。

在此过程中作为骨料的石油焦颗粒组成阳极碳素的 框架!,作为粘结剂的沥青在焦化的同时填充 框架!的空隙形成阳极本体。

尽管煤沥青所产生的碳结构与传统的石油焦结构最相似,但阳极焙烧温度是比较低的,其晶粒很少能等于石油焦的粒度。

另外,焙烧反应是在各种不断变化的因素的影响下进行的,因此,自焙槽阳极物质的结构组成是不均匀的,并且随阳极糊的制成工艺和理化性能以及电解生产其它技术条件(如阳极总高、阳极糊的偏析程度、电解温度、阳极表面温度、阳极本体的温度分布等)的不同,其不均匀的程度也有所不同,在阳极本体中沥青的焦化物比石油焦有更高的化学活性。

这种差别导致了电解过程中的选择性氧化。

活性大的优先氧化,造成阳极反应的不同步,使消耗较慢的骨料颗粒从阳极表面脱落成为炭渣。

这是电解质内炭渣的主要来源。

所以改进阳极糊生产工艺,优化其理化性能是减少炭渣产生的主要途径。

但是在生产中炭渣并不是越少越好。

一方面,要增加阳极本体物质的均匀性,需增加阳极糊的油比、小颗粒料的配比,而这种阳极糊所形成阳极的导电能力较差,增加了阳极电压降。

另一方面,在生产中适量的存有炭渣对电解过程是有利的。

1.2 阴极碳块的剥落、掉渣电解槽的阴极是由预焙碳块和捣固糊砌成。

在电解过程中,电解槽内的熔体是不断流动的。

铝液携带着稀的氧化铝-电解质沉淀物不断地磨擦冲刷着阴极内衬表面,使阴极内衬表面碳粒被剥落下来进入电解质中成为炭渣。

这一过程中如阴极表面存在蚀坑,因为流体在蚀坑处形成涡流,会使剥落过程加速。

并且阴极碳块的石墨化程度越高,这一过程进行的越快。

另一方面,电解质中的碱金属会与碳阴极发生反应(即碱金属离子对阴极碳块的渗透,这一反应随阴极碳块石墨化程度的降低而加剧),造成碳块体积膨胀并变得疏松多孔,也促进了碳粒的剥落。

因此提高阴极碳块质量也是减少炭渣产生的一个方面,同时此过程也加速了电解槽的破损。

文献和有关的实际应用表明,半石墨化的碳块在这一方面有较大的优势。

2 铝电解质中炭渣的存在状态及其对电解生产的影响收稿日期:1999-08-0228 轻 金 属 2000年第6期电解质中的炭渣一部分漂浮在电解质表面,一部分悬浮在电解质内部。

其中只有后者对电解过程是有危害的。

2.1 电解质对炭渣湿润性差,两者分离良好当电解质对炭渣的湿润性差时,两者分离良好,炭渣漂浮在电解质中,并随着熔体的流动聚积在电解槽火眼、炉帮、小头等熔体流速慢的位置(这在发生阳极效应时可明显观察到)。

电解质中的炭渣在这一状态下,对电解过程的影响不大。

因为尽管电解质中的炭渣仍然生成(阳极糊组成一定),但熔体的流动使阳极投影部分电解质中的炭渣量并不太多,所以这种情况下炭渣对电解质物理化学性质的影响很小。

并且,上插槽电解铝过程中可用这一特点控制下料量。

在青铜峡铝厂80kA上插槽电解铝系列生产中还没有实现点式下料,尽管采取了边部加工操作,下料量仍无法控制(每次下料量在80~ 160kg变化),操作中容易产生沉淀。

而当炉帮及小头存在漂浮状态的炭渣时,由于炭渣比重较小,对进入电解质中的氧化铝有承负效果,起到控制下料,减少沉淀的作用。

这是通常碳渣在电解质中呈这种状态时电解槽生产比较平稳的原因之一。

2.2 电解质对炭渣湿润性较好,两者分离差当电解质对炭渣湿润性较好时,两者分离能力差,炭渣悬浮在电解质中,与电解质混在一起分不清楚,电解质熔体发粘,由火眼喷出的电解质呈白色条状,在固体电解质的断面上可以清楚地看到灰色或灰白色的夹杂。

在此状态下(也就是所谓含炭时),炭渣不能从电解质中分离,新生成的炭渣又进入里面,电解质中的悬浮炭渣量不断增多,从而破坏电解的生产技术条件,如降低电解质的导电率、增大电解质的粘度、降低电解质流动性、使电解质发热等。

炭渣在电解质中呈这种状态时对电解生产的危害是很大的,需及时处理。

3 调节电解质中炭渣状态,改善电解生产技术条件的几点看法3.1 降低电解质与炭渣的湿润性,促进两者的分离在生产中,促进炭渣与电解质的分离是主要任务之一。

要降低电解质与炭渣的湿润性,须增大电解质与炭渣的相间张力。

增大电解质与炭渣的相间张力有降低槽温、加入添加剂两种办法。

3.1.1 降低槽温槽温对电解质表面张力的影响是很明显的。

当槽温下降(下料量有效控制,电解质的过热度变化不大)时,电解质表面张力增大,电解质与炭渣分离程度改善。

这一点可在生产过程中得到验证。

不过,由于没有实现点式下料的上插槽上料量无法准确控制,槽温过低会造成电解质发粘而无法达到预期目的,所以实际操作中单纯降低槽温是不可取的。

3.1.2 使用添加剂另一个主要方法是采用弱酸性电解质或添加能降低电解质对炭渣湿润性的物质,使炭渣漂浮起来。

使用添加剂作为改善电解质物理化学性质的一个重要途径,其使用已为大多数电解生产者所认同。

目前使用的各种添加剂,AlF3以及M gF2、CaF2等都有增大电解质-炭渣之间界面张力、同时又减少电解质-阳极本体之间界面张力的作用。

因此从添加剂的角度谋求实现电解质与炭渣的良好分离是生产的有效方法。

实际生产中,除AlF3(由于自焙槽自身因素的限制,电解质的分子比不能太低)外,综合考虑各方面的因素,MgF2是一种比较适用的添加剂(不过M gF2过量也会有增加电解质粘度,影响原铝铸造质量的压力等不利因素)。

青铜峡铝厂80kA 系列添加剂使用情况为:分子比∀∀∀2 7~2 9, LiF∀∀∀2 0%~2 7%,M gF2∀∀∀3 5%~4 5%,使用效果比较理想。

但从经济和效果两方面考虑,在生产中可不使用LiF,而将M gF2含量提高到5 0% ~5 5%理会为适宜。

3.2 注意正常生产情况下炭渣在电解槽内的循环3.2.1 及时捞出槽内过多炭渣,提高电解质的流动性在电解生产正常进行时,电解质中的炭渣是可以燃烧消耗的。

这一过程可由以下二式描述: C(炭渣)+CO2(溶解)#2CO(溶解)∃C(炭渣)+CO2(气泡)#2CO((气泡)%正常生产情况下,电解质与炭渣分离良好,这两个反应过程不受传质因素的限制,反应能顺利进行。

所以炭渣在电解槽中是可以自己消耗的。

并且一定量的炭渣可起控制下料的作用。

当碳阳极、阴极碳块的理化性能较优良时,电解质中炭渣生成量少,这种情况下的炭渣可不用处理,并可在适当的条件下添加炭渣,同时,可适当调整阳极糊的配比,以期改善阳极的导电能力(目前,青铜峡铝厂正着手试验低油比、大颗粒配比的阳极糊,结果还有待观察);反之,当碳阳极、阴极碳块的理化性能较差,电解质中炭渣生成量多,炭渣不能完全燃烧,并积累过多从而影响电解质的流动性。

这种情况下炭渣需捞出来,还可通过调整阳极糊加以改善。

292000年第6期 詹磊:铝电解质熔体中炭渣对电解生产的影响3.2.2 必要时向槽内加入以前捞出的炭渣,控制电解槽温度在生产中,从电解槽中捞出的炭渣有两方面的去向:一是当作垃圾扔掉,二是通过分离回收电解质。

青铜峡铝厂二期106kA 系列就是通过浮选法回收炭渣中的电解质的。

但在一期80kA 系列的生产实践中发现,在向一些热槽中添加炭渣能起到控制槽温改善电解过程技术条件的作用。

这是由于从电解槽中捞出的炭渣中含有大量的氟化盐成分,加入槽内的碳微粒又起到控制氧化铝下料量清亮了电解质的作用的缘故。

4 结 语∃在上插槽炼铝过程中,电解质内产生炭渣是不可避免的,但可从改善阳极糊和阴极碳块的理化性能入手,控制生成量。

%在槽内炭渣量较少时,可考虑使用低油比、大颗粒配比的阳极糊,以期改善阳极的导电性能。

&在电解质与炭渣分离良好的前提下,上插槽内存有一定量的炭渣对生产是有利的,必要时可向槽内加入炭渣,即炭渣可以循环。

∋在促进电解质与炭渣的分离方面,加入添加剂是比较有效的途径。

在考虑各种因素的条件下,Mg F 2是最好的添加剂,其含量控制在5 0%~5 5%为宜。

参考文献:(1)黄英科等.铝电解质熔液中炭渣的形成和分布及其分离措施,轻金属(J ).1994(10),23~27.(2)张创奇等.上插槽炼铝(M ).中南工业大学出版社,1998.(3)K.格罗泰姆、B.威尔奇.(邱竹贤、王家庆等译).铝电解厂技术(M ).轻金属编辑部,1997.(责任编辑 何允平)信息苑关于世界原铝生产能力的预测:1998~2022美刊∗轻金属时代(L MA )+F eb.1999年发表了 G ean Ov erseas !对世界原铝生产能力的预测。

对2022年的预测是基于2008~2022年全球经济的年平均增长率为1 75%作出的。

所有预测以1997年的数字为基准。

对2007年及2022年全球原铝生产能力预测如下表:单位:kt地区或国家 2007年2022年生产能力产 量生产能力产 量南非1190119015001000其他非洲国家88684610001000加拿大3064304738003700美国4189382252004700巴西1443144324002300委内瑞拉74074017001600其他拉丁美洲国家79378111001000中国3401318643004000印度1496141019001800中东251625164100其他亚洲国家588446700600澳大利亚/新西兰2467246731003000东欧9107801000800俄罗斯/独联体4557382951004300斯堪的枘维亚1962193923002300西欧2188195928002500总 计32390303994200039000(王祝堂摘译自L M A,Feb.1999,142)30 轻 金 属 2000年第6期。