鋁電解生產(chǎn)所需用的原材料大致分三類: 原料——氧化鋁; 熔劑——氟化鹽(包括冰晶石、 氟化鋁、 氟化鈉、 氟化鎂、 氟化鈣和氟化鋰等); 預(yù)焙陽極炭塊或炭糊。

1.4.1 鋁電解原料——氧化鋁

氧化鋁是當(dāng)前冰晶石-氧化鋁熔鹽電解法的唯一原料, 是由礦石中提煉出來的有一定粒度要求的白色粉料, 流動(dòng)性很好, 不溶于水, 能溶解在熔融的冰晶石中, 熔點(diǎn)2050℃, 真密度3.5~3.6 g/cm3, 體積密度1.0 g/cm3。氧化鋁有7種晶型, 最常見的是α-Al2O3, 又稱剛玉型氧化鋁。它主要是不斷的補(bǔ)充電解質(zhì)中的鋁氧氟配合離子, 使其保持一定范圍的濃度, 以保證電解的持續(xù)進(jìn)行。為了取得良好的生產(chǎn)指標(biāo), 對氧化鋁的要求是非常嚴(yán)格的, 主要體現(xiàn)在化學(xué)純度和物理性能上。

(1)化學(xué)純度

工業(yè)氧化鋁通常含有98.5%的氧化鋁以及二氧化硅、 三氧化二鐵、 二氧化鈦、 氧化鈉、 氧化鈣和水等少量雜質(zhì)。在電解過程中, 那些電位比鋁正的元素的氧化物雜質(zhì), 如二氧化硅、 三氧化二鐵都會優(yōu)先還原, 還原出來的 Si 和 Fe等雜質(zhì)進(jìn)入鋁內(nèi), 從而使鋁的品位降低, 且降低電流效率; 而那些電位比鋁負(fù)的元素的氧化物雜質(zhì), 如氧化鈉、 氧化鈣會分解冰晶石, 使電解質(zhì)組成發(fā)生改變并增加氟鹽消耗量。水分會分解冰晶石, 不僅產(chǎn)生氟化氫氣體, 還會增加鋁液中的氫含量。P2O5等高價(jià)氧化物雜質(zhì)則會降低電流效率。所以鋁工業(yè)對于氧化鋁的純度提出了嚴(yán)格的要求。

(2)物理性能

工業(yè)氧化鋁的物理性能, 對于保證電解過程正常進(jìn)行和提高氣體凈化效率, 關(guān)系很大。一般要求它具有較小的吸水性, 能夠較多較快地溶解在熔融冰晶石里, 粒度適宜、 飛揚(yáng)損失少, 并且能夠嚴(yán)密地覆蓋在陽極炭塊上, 當(dāng)氧化鋁覆蓋在電解質(zhì)結(jié)殼上時(shí), 可起良好的保溫作用。在氣體凈化中, 要求它具有較好的活性和足夠的比表面積, 從而能夠有效地吸收氟化氫氣體。另外, 氧化鋁要有良好的流動(dòng)性。這些物理性能取決于氧化鋁晶體的晶型、 形狀和粒度。按照氧化鋁的物理特性, 可將其分成砂型、 中間型和粉型三種, 見表1-1。

砂型氧化鋁呈球狀, 顆粒較粗, 安息角小, 只有30°~35°, 其中α-Al2O3含量少于10%~15%, γ-Al2O3含量較高, 具有較大的活性, 適于在干法凈化中用來吸附 HF 氣體, 在半連續(xù)下料的電解槽上載氟氧化鋁可用作原料, 故砂型氧化鋁得到廣泛應(yīng)用。粉型氧化鋁呈片狀和羽毛狀, 顆粒較細(xì), 安息角大, 為45°, 其中α-Al2O3 含量達(dá)到80%。中間型氧化鋁介乎兩者之間。

生產(chǎn)每噸鋁所需的Al2O3量, 從理論上計(jì)算等于 1889 kg。實(shí)際上由于工業(yè)氧化鋁中大約含有Al2O3 98.5%, 以及在運(yùn)輸和加料過程中有飛揚(yáng)和機(jī)械損失, 所以生產(chǎn)每噸鋁所需的工業(yè)氧化鋁量是1920~1940 kg。

1.4.2 鋁電解熔劑——氟化鹽

鋁電解熔劑包括冰晶石、 氟化鋁、 氟化鈉、 氟化鎂、 氟化鈣、 氟化鋰等, 氧化鋁可溶于由冰晶石和其他幾種氟化物組成的熔劑中, 構(gòu)成氟鹽-氧化鋁熔液。

(1)冰晶石

冰晶石分天然和人造兩種。天然冰晶石產(chǎn)于格陵蘭島, 無色或雪白色, 密度為2.95 g/cm3, 熔點(diǎn)1009.2℃, 在自然界中貯量有限。 因此現(xiàn)代鋁工業(yè)則使用合成的人造冰晶石, 為灰白色的粉末, 易黏于手, 不溶于水, 熔點(diǎn)為1012±2℃。

冰晶石的分子式為Na3AlF6, 或?qū)懗?NaF·AlF3。氟化鈉與氟化鋁的摩爾比稱為冰晶石的分子比, 分子比為3時(shí)稱為中性, 分子比大于3時(shí)稱為堿性, 小于3時(shí)稱為酸性, 一般人造冰晶石的分子比為1.6~2.2。

冰晶石是熔劑的主要成分, 它的作用第一是能較好的溶解氧化鋁, 并且所構(gòu)成的熔體可在純冰晶石熔點(diǎn)以下進(jìn)行電解; 第二在電解溫度下, 冰晶石熔液的密度比鋁液密度要小10%, 故電解出來的鋁液能沉積在槽底上面; 第三冰晶石具有良好的導(dǎo)電性。目前, 冰晶石是鋁電解生產(chǎn)中最理想的一種熔劑。

從理論上講冰晶石在電解過程中是不消耗的, 但實(shí)際上由于冰晶石中的氟化鋁被帶進(jìn)電解液中的水分分解, 或自身揮發(fā), 氟化鈉被電解槽內(nèi)襯吸收以及操作時(shí)的機(jī)械損失等原因, 故冰晶石在生產(chǎn)過程中是有一定損耗的, 在正常情況下大約每生產(chǎn)1 t鋁需耗冰晶石5~10 kg。

(2)氟化鋁

氟化鋁(AlF3)是一種白色的細(xì)微粉末, 屬菱形六面體結(jié)構(gòu), 其顆粒比氧化鋁稍大, 流動(dòng)性次之, 它是冰晶石-氧化鋁熔液的一種添加劑。它既可以彌補(bǔ)電解質(zhì)中氟化鋁的損失, 又可以調(diào)整電解質(zhì)的分子比, 以保證生產(chǎn)技術(shù)條件的穩(wěn)定, 其單耗為20~30 kg/t(Al)。因氟化鋁用量也較大, 它沒有熔化溫度, 只有升華溫度, 沸點(diǎn)為183℃, 易揮發(fā)和飛揚(yáng), 故在向槽內(nèi)添加時(shí)應(yīng)注意操作方法。

(3)氟化鈉

氟化鈉(NaF)是一種白色粉末, 易溶于水, 同樣是電解質(zhì)的一種添加劑, 但它多用于電解槽的預(yù)熱或開動(dòng)初期, 因?yàn)樵谶@個(gè)時(shí)期, 新槽的炭素內(nèi)襯對氟化鈉有選擇性的吸收, 使電解質(zhì)的分子比急劇下降, 同時(shí)裝新槽所用冰晶石的分子比又較低, 而生產(chǎn)條件又要求分子比要高, 以便提高爐溫, 所以裝爐和開動(dòng)初期, 要加一定量的氟化鈉。但在多數(shù)工廠用碳酸鈉代替氟化鈉, 這樣更加經(jīng)濟(jì)。

(4)氟化鈣

氟化鈣(CaF2)也是電解質(zhì)的一種添加劑, 屬于面心立方結(jié)構(gòu), 熔點(diǎn)1423℃。新槽啟動(dòng)時(shí)多添加氟化鈣, 它的作用主要是對爐幫的形成有好處, 可使?fàn)t幫比較堅(jiān)固, 同時(shí)也可降低電解質(zhì)的初晶溫度, 從而降低電解溫度。氟化鈣的含量在生產(chǎn)過程中隨電解質(zhì)的損失而減少, 但在生產(chǎn)中并不添加氟化鈣, 這是因?yàn)樵涎趸X中含有少量的氧化鈣, 氧化鈣與電解質(zhì)中的氟化鋁反應(yīng)可生成氟化鈣, 所以它可自行補(bǔ)充累積。

(5)氟化鎂

氟化鎂(MgF2)和氟化鈣的作用基本相似, 對爐幫形成起礦化劑作用, 但在降低電解質(zhì)溫度, 改善電解質(zhì)性質(zhì), 分離炭渣, 提高電流效率和電解質(zhì)導(dǎo)電率方面比氟化鈣的作用更為明顯, 實(shí)踐證明這是一種較好的添加劑。

(6)氟化鋰

氟化鋰或者碳酸鋰, 對降低電解溫度和提高電解質(zhì)導(dǎo)電率有顯著效果, 是提高電流效率和降低電耗的一種良好的添加劑, 應(yīng)當(dāng)推廣應(yīng)用。

1.4.3 鋁電解預(yù)焙陽極炭塊

在冰晶石-氧化鋁熔鹽電解生產(chǎn)中, 作為導(dǎo)電的陰陽極的各種材料, 既能良好導(dǎo)電, 又能耐高溫、 抗腐蝕, 同時(shí)價(jià)格低廉的目前只有炭素材料, 因此鋁工業(yè)生產(chǎn)都采用炭素材料作陰陽極和各種炭糊。

預(yù)焙陽極炭塊是利用一定粒度、 配比的石油焦和殘極, 與一定比例的煤瀝青(黏結(jié)劑), 經(jīng)過混捏、 成型、 焙燒而成的陽極炭塊。其用途是做預(yù)焙電解槽的陽極。 采用預(yù)焙陽極的好處是避免了自焙陽極在電解過程中有瀝青煙和其他有害氣體的散發(fā), 同時(shí)使用預(yù)焙陽極后槽電壓降低, 更有利于電解槽大型化和自動(dòng)化控制。

預(yù)焙陽極凈耗大約每噸鋁400~450 kg, 毛耗(包括殘極)為500~550 kg。因預(yù)焙陽極的消耗使得其中的雜質(zhì)被還原后以硅、 鐵、 鈦、 釩等元素雜質(zhì)進(jìn)入到鋁液中, 故對預(yù)焙陽極的理化指標(biāo)要求嚴(yán)格, 在化學(xué)成分上要求灰分越低越好, 尤其是對硅、 鐵、 鎳、 釩、 鈉、 硫等的控制, 在物理性能上要求比電阻和氣孔率要小。