冶金过程中阳极效应对电解铝液中氢形成的影响研究

（黄河鑫业有限公司，青海 西宁 810000）

近几年电解铝技术在我国快速发展，铸锭铝制品所使用的传统电解铝工艺早已被短流程技术代替，但是阳极效应在冶金过程电解铝液中氢的形成直接对铝制品的质量产生影响[1]。铝在金属中属于化学性质比较活泼的，可以和二氧化碳发生反应生成Al2O3并吸收H，氢在液态铝中的溶解度相对于在固态铝中要大一些，因此吸收的氢气能够大量的溶于铝液中。吸入氢后的铝液凝固后会出现疏松、气孔等现象，对铝制品的质量和性能产生很大影响。铝液中的氢分子和溶解后的氢产生的量比导致铝制品疏松，而铝制品的分层会受疏松现象的影响；氢引起的铝制品出现气孔会使铝制品在铸锭过程中性能降低，就会导致制作出的铝件亮度损失，因此在铝制品出现气泡现象的时候我们只能采用退火和固溶相结合的方法来补救。如果铝溶液中的氢含量越来越多，将会导致铝制品的缺陷越来越严重。

1 阳极效应对电解铝的影响分析

众所周知冶金就是将金属溶液中的杂质需要通过熔融（加热达到熔点之上）来进行造渣、除渣实现消除，同时通过某些化学成分实现除渣、去氧、脱碳等得到相对应的纯净合金成分的过程。再进行精细的精炼过程这一般就属于涉及金属成型行业，例如对矿石的加工冶炼、毛坯粗炼，及毛坯的再加工炼铁厂、炼钢厂和有色的金属提纯。阳极效应是电解铝中经常出现的情况，碳作为阳极电解液会生成气体二氧化碳，二氧化碳的阻塞导致电流不能正常经过。铝液中的氧和杂质含量的增多并不是由阳极效应自身造成，而是在阳极效应之后进行的加料和过程处理中导致铝液在电解时增加了对氢和杂质的吸收。我们在实际生产中会采用两种阻止阳极效应的方法。第一种是把足量的氧化铝加入到电解液中，然后在96℃的铝液-电解液中插入浸湿的木条，发生脱水反应后产生大量的二氧化碳气体和水。铝溶液被二氧化碳气体搅起后时阳极底面和穿过气膜的铝液接触使电路发生短路现象，阻止了阳极效应的发生[2]。加热后的铝液与水和二氧化碳能够发生化学效应。

第二种方法是把高压风管直接插入到放置在槽上部的铝溶液中，让压缩空气在送风程序的作用下被吹到铝溶液中，高温的铝液和压缩空气发生化学反应，体积逐渐增加，发生的沸腾作用使阴极中的铝液被搅起造成电路短路现象，阻止了阳极效应的发生。加热后的铝液和高压下的氧气、水和二氧化碳发生化学效应，产生大量的氢和氧化铝杂质。

从化学式中可以看出，在发生阳极效应时对铝溶液中的氢和氧化铝杂质的处理是电解铝中非常重要的过程。

2 影响分析试验

铝电解形成的过程中，原料带入的水分导致氧化铝和效应处理的过程，及水解与水分电解的过程是与铝液吸氢直接相关的两个过程。氢含量是电解铝过程中发生阳极效应后需要主要的重要指标，铝溶液的电解直接影响了水分的电解，铝溶液在电解后产生氢的主要原因就是水分的电解。

氢在铝液电解后只有一小部分扩散到铝溶液中，大部分是和其他气体一起被氧化铝杂质吸收，被氧化铝杂质带入到铝溶液里[3]。多种化学作用导致铝溶液在电解过程中会出现二氧化碳扩散、电解液界面形态和运动方向改变、铝液-电解液循环等现象，对氧化铝杂质在铝液-电解液界面的产生起着关键作用，产生的氧化铝杂质不但能帮助氢进入到铝溶液中，还是导致氢溶解在铝溶液中的主要原因。

图1 阳极效应对电解铝液中氢的影响

我们把铝液和木条通过模拟外热式电炉的方法进行氢产物裂解，采用热分析的试验方法，对铝液中裂解的木条对氢的吸入和增加的过程进行研究，与分子动力学技术相结合，通过模拟木条效应试验对铝液中氢的溶解和扩散、对氢扩散后的分布情况及在铝液中的溶解情况进行研究。我们用工业的纯金属铝作为铝液，铝液用高纯石墨坩埚容器盛放，氢气的通气管采用石墨管，研究出木条裂解后生成的氢气和铝液发生气液反应的规律和氢气在铝液中的扩散情况。首先在电阻炉上放置石墨坩埚，在电阻炉中加入氮，把电阻炉温度调到960℃，连续100分钟用石墨管将氢通入到铝液中。试验结果如图1所示。

从图1能够反映出电解铝在阳极效应中形成氢的浓度变化，随着时间的增加，产生的氢含量浓度越来越高，导致铝制品质量下降，同时造成空气污染。负电荷在氧化铝质点表面向右方向移动才能达到平衡状态，分子间存在相互吸引的气场，由于固体吸附气体的化学性质导致氧化铝和氢分子结合到一起，导致氢在氧化铝质点表面上浓度增加。

3 结语

铝溶液和氢含量在冶金过程中存在着密切的关系，电解过程中氢的生成量是铝液中实际氢含量的3.28＊104倍，氢的含量是阳极电解铝液时重点检测的指标。铝液表面生成的氧化铝薄膜对铝液起着保护的作用，可以有效阻止铝液对氢的吸入，促进冶金工业发展、提高冶金产品质量、增加品种、发展冶金新技术及探索冶金新流程等方面起着重要作用。