铝电解质中锂盐含量对400KA电解槽生产的影响

2018-10-27天山铝业股份有限公司石河子市832000刘君鹏丁达勇王龙召

石河子科技 2018年4期

（天山铝业股份有限公司，石河子市，832000）刘君鹏丁达勇王龙召

早在1886年霍尔的第一个专利书中，就已提出了锂盐在铝电解上应用的建议，它的主要作用是降低电解质的初晶点，提高电解质导电率，降低电解质密度等，但锂盐也有降低氧化铝在电解质中溶解度的作用，故含量不宜过高，必须结合氟化钙、氟化镁含量控制在一定范围，且分子比要与其匹配，才能确保生产平稳。下面从锂盐对电解质体系的影响进行逐一分析。

从国内各铝厂了解到，因国内铝厂大部分采购国产氧化铝，而国产氧化铝中氟化锂含量普遍在0.2%～2.5%之间[1]。因此氟化锂来源主要是原料氧化铝，另外有少数铝厂采购碳酸锂作为添加剂。

1 氟化锂对电解槽生产的影响

1.1 对温度的影响

电解温度T实际可表示为电解质的初晶温度t0与电解值的过热度△t之和，即T=t0+△t，电解质中添加锂盐后，当电解质中 Al2O3、AlF3、CaF2、MgF2的含量一定时，从公式⑴中可得到，每增加1%LiF可降低电解质初晶温度约8℃。使电解质具有优良的物理化学性质［2］。

Bullard和Przbycien得出Al2O3、AlF3、CaF2、MgF2和LiF的含量与冰晶石熔液初晶点的综合关系式如下∶

公式⑴中括号内各种添加剂为质量百分比，AlF3为过量百分比。

添加剂对电解质初晶温度的影响是综合性的，但AlF3和LiF影响较大，表1是某铝厂部分电解槽电解质成分和分子比、初晶温度的化验结果。

锂盐能使电解质初晶温度降低，主要是由于添加锂盐后，在电解质体系中形成了一个稳定的低溶点化合物锂冰晶石（Li3AlF6），通过简单的LiF～AlF3二元系相图可以看出，锂冰晶石（Li3AlF6）的熔点只有785℃左右，而冰晶石（Na3AlF6）的熔点则为1010℃，因此，电解质含一定量氟化锂可以显著降低冰晶石－氧化铝二元系的熔点。

表1 电解槽电解质成分和分子比、初晶温度的化验结果

1.2 氟化锂对能耗的影响

由于LiF可增大电解质的电导率(减小电解质电阻)，减小电解质黏度，降低电解质的蒸气压(可减小挥发性)，降低电解质密度，从而可以降低电解槽工作电压，实现较低电压运行。同时，工业实践表明∶含LiF的电解质能有效提高电流效率，大型预焙槽已经采用相对低摩尔比电解质，如果电流效率不高于94%，LiF含量在2%～5%能少许提高电流效率,原因是目前较低电压的前提下，电解槽极距进一步压缩，锂电解质体系减小电解质电阻，有利于保障极距。因此，适量的LiF含量将有效提高电流效率，降低电解的能耗。

1.3 氟化锂对电解质密度、电导率、粘度的影响

LiF能降低电解质密度，可使铝液镜面同电解质界面更好的分层，减少二次反应的几率，达到提高电流效率的目的。

锂盐作为铝电解质的组分所起的作用主要是降低电解质的初晶点，提高其电导率［3］，此外还减小其蒸汽压和密度。其缺点是减少氧化铝在电解质中的溶解度。

LiF对降低电解质粘度的效果最显著，粘度的降低，促进电解质在电解槽内的流动和CO2气体的排除，提高电流效率。

1.4 氟化锂对原铝质量的影响

电解铝生产中，于电解质内加一定量的锂盐有提高电流效率、降低电解质初晶温度、减少电流消耗及阳极损耗，防止环境污染等优点。但锂盐加入过多也会给生产带来不利，将会影响铝液质量。

当铝液中Li含量与电解质中LiF含量建立平衡时，则有下列反应式∶

德国Essen铝厂统计了工业铝电解槽中的Li含量与电解质中LiF含量之间的关系式，其回归方程为∶

2 锂盐含量的控制范围研究与实践

现代铝工业中，对电解质体系的研究一直在不断深化，通过对添加剂的不断应用来改善传统电解质体系，以实现低温、高效的炼铝模式。电解质中添加锂盐一直是改善电解质体系重要措施之一，但由于氧化铝矿所含成分的不同，氧化铝中Li2O含量差别较大，单纯使用Li2O含量较高的氧化铝会造成铝电解过程中LiF含量过高的现象，影响电解槽的平稳运行。某厂电解质中LiF含量偏高(3%～5%)，大部分电解槽长期处于低温生产状态，电解槽普遍存在沉淀多、结壳厚、效应频发的现象。

在工业实践中，目前已得到的共识是LiF含量在1%～3%之间是较好的低分子比电解质体系。由于锂盐的存在，使得槽温与传统电解质体系之理论温度不相吻合，尤其当锂盐含量较高时，偏差值更大。某公司500kA电解槽的运行情况分析可得出∶当LiF含量含量高，低温、低电压、较低分子比(2.5～2.6)时，槽运行状况不佳，存在稳定性差、效率低下、效应系数高等缺点，反而给各项经济技术带来负面影响。

某公司跟踪根据电解质氟化锂含量变化趋势，从原料控制着手，适度控制氟化锂含量范围。结果表明：锂盐含量控制在2.5%～3.5%范围内，可通过添加低Li2O含量的氧化铝予以调整，并减少AlF3的添加量，将分子比控制在2.6～2.7间，增大电解质的电导率，减小电解质黏度，降低电解质的蒸气压，降低电解质密度，槽温控制在940℃左右，保持适度的过热度，电解槽可在较低电压运行。铝水平24～26cm，电解质水平17～20cm，不发生大幅度变化。

试验摸索在各项工艺条件达到最佳匹配后，电流效率明显提高（槽日产提高了42.37kg），直流电单耗下降了119kwh/t.Al，氟化铝单耗下降了3.76kg/t.Al，各项指标均有所改善，电流效率能保证在91.5%以上,铝锭综合交流电单耗能稳定在13600kWh/t.Al以下。原铝质量也得到保证，没有客户提出异议。