電解鋁用電解質以及使用該電解質的電解工藝的製作方法
2023-06-15 06:21:51
電解鋁用電解質以及使用該電解質的電解工藝的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種電解鋁用電解質以及採用該電解質的電解工藝，本發明中的電解質採用純氟化鹽體系，包括以下質量百分比的組分：NaF，20-29.9％；AlF3，60.1-66％；LiF，3-10％；KF，4-13.9％；Al2O3，3-6％；其中NaF與AlF3的摩爾比為0.6-0.995。本發明提供的電解質初晶溫度低、氧化鋁有較好的溶解性、電解質具有較高的電導率，本發明中的電解質對電解過程中降低能耗、提高電流效率、改善工作環境具有較好的作用。
【專利說明】電解鋁用電解質以及使用該電解質的電解工藝
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種電解鋁用電解質以及使用該電解質的電解工藝，屬於有色金屬冶煉行業。
【背景技術】
[0002]電解鋁就是通過電解方法得到鋁。現有技術中，電解鋁通常採用的是傳統的Hall-Heroult溶鹽電解鋁工藝，該工藝採用的是冰晶石-氧化鋁融鹽電解法，其以冰晶石Na3AlF6氟化鹽熔體為熔劑,將Al2O3溶於氟化鹽中，以碳素體作為陽極，招液作為陰極，通入強大的直流電後，在940-960°C的高溫條件下，在電解槽的兩極進行電化學反應，從而得到電解鋁。傳統的電解鋁工藝由於電解溫度高，因此存在電解質揮發量大，碳素陽極氧化損失大、能耗大、熱損失大、電解工作環境差等特點。
[0003]為了降低電解溫度，現有技術中，中國專利文獻CN101671835A公開了一種鋁電解的低溫熔鹽體系，該體系的熔鹽組成為AlF3和Al2O3,以及KF、NaF、MgF2, CaF2, NaCl、LiF、BaF2中的一種或者多種鹽，其中AlF3的摩爾百分比含量為22_50%，Al2O3的摩爾百分含量為1_25%，剩餘組分的含量為25-77%。該電解質的電解溫度可以降到680-900攝氏度的廣泛區域進行操作。但是，上述電解質中，BaF2由於密度較大，在電解過程中容易發生沉降，因此難以在工業化生產中得到廣泛的應用；MgF2、CaF2是高熔點物質，使用MgF2和CaF2會增加整個體系的初晶溫度，並且使用MgF2和CaF2會降低電解質的電導率和氧化鋁溶解度；由於NaCl的熔點較低，因此添加NaCl是降低電解質初晶溫度的途徑之一，但是NaCl在上述電解溫度下對Cu、Fe、Al、Ni等金屬有嚴重的腐蝕作用，會導致諸如電解槽配件等金屬物發生腐蝕，這種腐蝕作用大大影響了電解裝置的使用壽命，並且NaCl在電解過程中，極易揮發形成對人體有害的HCl氣體，因此NaCl至今難以廣泛應用在工業化生產中；而除了添加NaCl，根據本領域的公知常識，降低NaF和AlF3的摩爾比也能夠降低電解質的初晶溫度，但現行工業中，NaF和AlF3的摩爾比通常是大於2.2的，這是因為如果進一步降低電解質的初晶溫度，並相應降低電解溫度會帶來一個無法解決的難題，即NaF和AlF3在低溫電解的過程中陰極會產生「結殼」現象，這種「結殼」現象的原因在於電解過程中電解質中的鈉離子和鋁離子會聚集在陰極，生成鈉冰晶石，鈉冰晶石的熔點較高，在低溫條件下難以熔融，這就導致陰極表面會覆蓋一層難熔的冰晶石殼體，從而大大影響了電解過程的正常電解。
[0004] 一種電解質能否成功應用於工業化生產需要綜合考慮其初晶溫度、揮發性、電導率、氧化鋁溶解度、生產環境以及是否能夠保證電解過程穩定運行等諸多因素，而上述現有技術中存在的問題使得電解質的工業化應用受到了很大的限制，如何在進一步降低電解質初晶溫度的同時，還能夠避免對電解裝置的腐蝕和對人體的危害，同時還能保證製備得到的電解質具有適宜的電導率和氧化鋁溶解度且不產生「結殼」現象，是現有技術中尚未解決的難題。
【發明內容】
[0005]本發明所要解決的技術問題是現有技術中缺少在進一步降低電解質初晶溫度的同時，還能夠避免對電解裝置的腐蝕和對人體的危害，同時還能保證製備得到的電解質具有適宜的電導率和氧化鋁溶解度且不產生「結殼」現象的電解質的問題，本發明提供了一種初晶溫度低、對電解槽無腐蝕作用不易揮發、具有適宜的電導率和氧化鋁溶解度且不產生「結殼」現象的電解鋁用電解質以及使用該電解質的電解工藝。
[0006]本發明所述的電解鋁用電解質以及使用該電解質的電解工藝的技術方案為:
[0007]— 種電解鋁用電解質，由以下質量百分比的組分組成:
[0008]NaF, 20-29.9% ；
[0009]AlF3,60.1-66% ；
[0010]LiF, 3-10% ；
[0011]KF,4-13.9% ；
[0012]Al2O3, 3-6% ；
[0013]其中NaF與AlF3的摩爾比為0.6-0.995。
[0014]所述NaF與AlF3的摩爾比為0.6-0.7。
[0015]所述電解質的初晶溫度為620_670°C。
[0016]所述電解質的初晶溫度為640_670°C。
[0017]所述電解質的電解溫度為720_760°C。
[0018]使用所述的電解鋁用電解質的電解工藝，包括如下步驟:
[0019](I)將特定量的NaF、AlF3、LiF、KF、Al2O3進行混合，對得到的混合物進行加熱形成熔體；或者將特定量的NaF、AlF3, LiF、KF進行混合，對得到的混合物進行加熱直至熔融後再加入Al2O3得到熔體；
[0020](2)將步驟(1)製備得到的熔體升溫至720_760°C進行電解。
[0021]將步驟(1)製備得到的熔體在730_750°C條件下進行電解。
[0022]在電解過程中定量補充Al2O315
[0023]本發明所述的電解鋁用電解質以及使用該電解質的電解工藝的優點在於:
[0024](I)本發明所述的電解鋁用電解質，採用純氟化鹽體系，包括以下質量百分比的組分:NaF, 20-29.9% ；A1F3,60.1-66% ；LiF,3-10% ；KF,4-13.9% ；Α1203, 3-6% ;其中 NaF 與AlF3的摩爾比為0.6-0.995。
[0025]這樣設置的優點在於:
[0026]第一、初晶溫度低且不產生結殼現象。本發明通過採用純氟化鹽體系的電解質，通過限定電解質中物質的組成，並進一步限定這些物質的含量，以及所述NaF與AlF3的摩爾比為0.6-0.995，使得電解質的初晶溫度降低至640-670°C，從而使得電解工藝可以在720-760°C條件下進行電解，減少了氟化鹽的揮發損失，避免了對電解裝置的腐蝕和對人體的危害，改善了工作環境，大大降低了電解過程的能耗，達到了節能減排的目的；同時本發明通過添加適宜含量的LiF和KF，可以和電解質中的鈉離子和鋁離子結合形成熔點低的鋰冰晶石和鉀冰晶石，從而保證電解過程中不會產生結殼的現象。
[0027]第二、氧化鋁有較高的溶解度。本發明的電解鋁用電解質與現行工業相比，沒有外加CaF2和MgF2，而是在NaF與AlF3的摩爾比為0.6-0.995的體系中，添加了適宜比例的、具有增加氧化鋁溶解度和溶解速度功能的KF，從而改善了低摩爾比電解質鋁溶解度低的缺點。
[0028]第三、電解質具有較高的電導率。電解質的電導率隨溫度的降低而降低，因此低電解溫度下的電導率通常難以滿足正常電解過程的需要，本發明通過降低電解質的初晶溫度使得電解溫度也相應降低，但本發明通過添加具有增加導電率大的LiF，並對電解質中組分的配比進行優化，使得所述電解質在低溫下的電導率也能夠滿足電解過程的需要，提高了電解過程的電流效率。本發明限定LiF的含量為3-10%，原因在於，LiF的含量過低，則無法起到提高電導率和防止結殼的作用，而LiF的含量過高，又會導致氧化鋁的溶解度隨之降低，本發明通過限定LiF的含量為3-10%，有效避免了上述兩種情況。
[0029]第四、減少了對金屬的腐蝕。使用本發明中上述配比的電解質進行電解，對電解槽裝置沒有腐蝕作用，從而提高了電解裝置的使用壽命。
[0030](2)本發明所述的電解工藝，將特定含量的NaF、A1F3、LiF、KF、Al2O3進行混合，對得到的混合物進行加熱形成熔體；或者將特定含量的NaF、AlF3, LiF、KF進行混合，對得到的混合物進行加熱直至熔融後再加入Al2O3得到熔體；然後將製備得到的熔體在720-760°C條件下進行電解。電解溫度與電解質的揮發、工藝的能耗、電導率和氧化鋁的溶解度有著直接的影響，本發明的發明人通過長期的研究，基於本發明所述的電解質的組分和含量特性，相匹配地設定電解溫度為720-760°C，在增大電導率和氧化鋁溶解度的同時，還大幅度降低了電解質的揮發和電解工藝的能耗，提高了工藝的經濟性能。
[0031]作為優選，本發明還進一步設置所述電解溫度為730_750°C。
[0032]為了使本發明所述的技術方案更加便於理解，下面結合【具體實施方式】對本發明所述的技術方案做進一步的闡述。
【具體實施方式】
[0033]實施例1
[0034]本實施例中的電解質的成分為:NaF,20%；A1F3,65.98% ；LiF,5.01% ；KF,6.01% ；Al2O3, 3%，其中NaF與氟化鋁AlF3的摩爾比為0.6。
[0035]對本實施例中所述的電解質的性能進行測定，結果為:本實施例中電解質的初晶溫度為640°C。
[0036]使用本實施例中所述電解質的電解工藝為:
[0037](I)將上述量的NaF、AlF3、LiF、KF、Al2O3進行混合，對得到的混合物進行加熱形成熔體；
[0038](2)將步驟(1)製備得到的熔體升溫至720°C進行電解，在電解過程中定量補充Al2O3,電解過程中電解質的電導率^ 1.7Ω-1 ^cm \密度& 2.03g/cm3，氧化鋁飽和濃度5%。
[0039]實施例2
[0040]本實施例中的電解質的成分為:NaF，29.9%;AlF3，60.1 % ；LiF, 3% ；KF, 4% ；A1203,3%，其中NaF與氟化鋁AlF3的摩爾比為0.995。
[0041]對本實施 例中所述的電解質的性能進行測定，結果為:本實施例中電解質的初晶溫度為670°C。
[0042]使用本實施例中所述電解質的電解工藝為:
[0043](I)將上述量的NaF、A1F3、LiF、KF進行混合，對得到的混合物進行加熱直至熔融後再加入上述量的Al2O3得到熔體；
[0044](2)將步驟⑴製備得到的熔體升溫至760°C進行電解，電解過程中電解質電導率^ 1.8 Ω * cnT1，密度^ 2.05g/cm3，氧化鋁飽和濃度6%。
[0045]實施例3
[0046]本實施例中的電解質的成分為:NaF，20% ；A1F3,66 % ；LiF, 4% ；KF, 4% ；A1203, 6 %，其中NaF與氟化鋁AlF3的摩爾比為0.6。
[0047]對本實施例中所述的電解質的性能進行測定，結果為:本實施例中電解質的初晶溫度為640°C。
[0048]使用本實施例中所述電解質的電解工藝為:
[0049](I)將上述量的NaF、AlF3、LiF、KF、Al2O3進行混合，對得到的混合物進行加熱形成熔體；
[0050](2)將步驟(1)製備得到的熔體升溫至730°C進行電解，在電解過程中定量補充Al2O3,電解過程中電解質的電導率^ 1.6Ω-1 ^cm \密度& 2.03g/cm3，氧化鋁飽和濃度5%。
[0051]實施例4
[0052]本實施例中的電解質的成分為:NaF，21%；A1F3,60.1% ；LiF,10% ；KF,5.9% ；Al2O3, 3%，其中NaF與氟化鋁AlF3的摩爾比為0.7。
[0053]對本實施例中所述的電解質的性能進行測定，結果為:本實施例中電解質的初晶溫度為640°C。
[0054]使用本實施例中所述電解質的電解工藝為:
[0055](I)將上述量的NaF、AlF3、LiF、KF、Al2O3進行混合，對得到的混合物進行加熱形成熔體；
[0056](2)將步驟(1)製備得到的熔體升溫至750°C進行電解，在電解過程中定量補充Al2O3,電解過程中電解質的電導率^ 1.8Ω-1 ^cm \密度& 2.04g/cm3，氧化鋁飽和濃度6%。
[0057]實施例5
[0058]本實施例中的電解質的成分為:NaF，20%；A1F3,60.1% ；LiF,3% ；KF,13.9% ；Al2O3, 3%，其中NaF與氟化鋁AlF3的摩爾比為0.67。
[0059]對本實施例中所述的電解質的性能進行測定，結果為:本實施例中電解質的初晶溫度為620°C。
[0060]使用本實施例中所述電解質的電解工藝為:
[0061](I)將上述量的NaF、AlF3、LiF、KF、Al2O3進行混合，對得到的混合物進行加熱形成熔體；
[0062](2)將步驟(1)製備得到的熔體升溫至720°C進行電解，在電解過程中定量補充Al2O3,電解過程電解質的電導率& 1.6Ω-1.cm \密度& 2.03g/cm3，氧化鋁飽和濃度5%。
[0063]實施例6
[0064]本實施例中的電解質的成分為:NaF，20% ；A1F3,61% ；LiF, 9 % ；KF, 4% ；A1203, 6 %，其中NaF與氟化鋁AlF3的摩爾比為0.65。
[0065]對本實施例中所述的電解質的性能進行測定，結果為:本實施例中電解質的初晶溫度為670°C。
[0066]使用本實施例中所述電解質的電解工藝為:[0067](I)將上述量的NaF、AlF3、LiF、KF、Al2O3進行混合，對得到的混合物進行加熱形成熔體；
[0068](2)將步驟(1)製備得到的熔體升溫至760°C進行電解，在電解過程中定量補充Al2O3,電解過程中電解質的電導率^ 1.8Ω-1 ^cm \密度& 2.05g/cm3，氧化鋁飽和濃度6%。
[0069]實施例7
[0070]本實施例中的電解質的成分為=NaF,13% ；A1F3,60% ；LiF,10% ；KF,12% ；A1203,5%，其中NaF與氟化鋁AlF3的摩爾比為0.43。
[0071]對本實施例中所述的電解質的性能進行測定，結果為:本實施例中電解質的初晶溫度為660°C。
[0072]使用本實施例中所述電解質的電解工藝為:
[0073](1)將上述量的NaF、AlF3、LiF、KF、Al2O3進行混合，對得到的混合物進行加熱形成熔體；
[0074](2)將步驟(1)製備得到的熔體升溫至760°C進行電解，在電解過程中定量補充Al2O3,電解過程中電解質的電導率^ 1.8Ω-1 ^cm \密度& 2.05g/cm3，氧化鋁飽和濃度6%。
[0075]上述實施例中的電解工藝中使用的電解槽為連續式預焙陽極電解槽，陽極電流密度為0.8A.cm_2。本發明中所述的電解質適用於現有技術中的任何電解槽。
[0076]上述實施例已對本發明的具體內容作了詳細闡述，本領域的專業技術人員應該明白，在本發明的基礎上所做的任何形式的改進和細節上的變動均屬於本發明所要求保護的內容。
【權利要求】
1.一種電解鋁用電解質，由以下質量百分比的組分組成:
NaF, 20-29.9% ；
AlF3,60.1-66% ；
LiF, 3-10% ；
KF,4-13.9% ；
Al2O3, 3-6% ； 其中NaF與AlF3的摩爾比為0.6-0.995。
2.根據權利要求1所述的電解質，其特徵在於，所述NaF與AlF3的摩爾比為0.6-0.7。
3.根據權利要求1或2所述的電解質，其特徵在於，所述電解質的初晶溫度為620-670 O。
4.根據權利要求3所述的電解質，其特徵在於，所述電解質的初晶溫度為640-670°C。
5.根據權利要求1 -4任一所述的電解質，其特徵在於，所述電解質的電解溫度為720-760℃
6.使用權利要求1-5任一所述的電解鋁用電解質的電解工藝，包括如下步驟: (1)將特定量的NaF、A1F3、LiF、KF、Al2O3進行混合，對得到的混合物進行加熱形成熔體；或者將特定量的NaF、AlF3, LiF、KF進行混合，對得到的混合物進行加熱直至熔融後再加入Al2O3得到熔體； (2)將步驟(1)製備得到的熔體升溫至720-760°C進行電解。
7.根據權利要求6所述的電解鋁用電解質的電解工藝，其特徵在於，將步驟(1)製備得到的熔體在730-750°C條件下進行電解。
8.根據權利要求6或7所述的電解鋁用電解質的電解工藝，其特徵在於，在電解過程中定量補充ai2o3。
【文檔編號】C25C3/18GK103938227SQ201310024018
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2013年1月23日 優先權日:2013年1月23日
【發明者】孫松濤, 方玉林 申請人:內蒙古聯合工業有限公司