三層液電解法生產精鋁的節能環保技術

張鐘月（新疆化工設計研究院 新疆 烏魯木齊）

一、精鋁

精鋁是指普通電解鋁經過一定生產工藝精煉提純、含量達到99.99%以上的金屬鋁。其與原鋁相比具有許多優異的性質，如鋁的導電性、延展性、反射性、抗腐蝕性增強。其中最有價值的是抗腐蝕能力，約為原鋁的9倍。隨著電子工業及航空技術的發展，對精鋁的需求也越來越多。

二、三層液精煉鋁工藝

現階段，國內精鋁生產普遍采用三層液電解法（僅中鋁公司包頭鋁業分公司采用偏析法）。因由三層熔體組成而得名：最下層為陽極合金，由原鋁和“加重劑”銅組成；中間層為電解質，最上層為精煉所得的精鋁液。利用陽極合金、電解質以及陰極精鋁液之間的密度差，使精煉槽中始終保持著三層液體的狀態。該法最早由Hoops于1901年發明，1932年法國人Gadeau對此法加以改進，是一電化學過程，即陽極合金中的鋁失去電子，進行電化學溶解，變成Al3＋進入電解質，在外加電壓的推動下，Al3＋又在陰極上得到電子進行電化學還原，即：

在陽極：Al（液）-3e→Al3+在陰極：Al3++3e→Al（液）

在上述過程中，原鋁或者陽極合金中，比鋁更正電性的雜質，如Fe、Cu、Si等不發生電化學溶解，而留在陽極合金中；比鋁更負電性的雜質，如Na+、Ca2+、Mg2+等不能在陰極放電析出，而殘留于電解質中，從而達到精煉的目的。三層液電解精煉鋁槽示意圖見圖1。

圖1 傳統三層液電解精煉鋁槽示意圖

三、三層液精鋁電解槽的工藝技術改進

隨著以信息技術為代表的現代新技術的快速發展,對精鋁生產的數量和質量提出了新的要求，現有的精鋁生產技術不能滿足現代新技術日新月異更新的需求。 和世界精鋁生產的先進技術相比，我國的三層液鋁精煉電解槽已顯露出容量小、機械化水平低、能耗高、勞動生產率低等缺點[1]。因此本文提出了以下節能環保技術。

1.采用純氟化物電解質

電解質作為精煉媒體是非常重要的，目前主要為國內企業常用的氟氯化物(NaF—AlF3—BaCl2—NaCl)電解質和國外企業用的純氟化物(NaF—AlF3—BaF2—CaF2)電解質。

氟氯化物電解質中的BaCl2吸水性較強，往往含有一定的結晶水，在工業電解條件下，易水解產生HF和HCl氣體，導致電解質各組分的消耗量都很大，并且易產生較多的電解質渣和氟氯化合物酸氣，而純氟化物(NaF—AIF3—BaF2—CaF2)電解質幾乎不吸水，因此在電解過程中不會產生大量酸霧和電解質渣。電解質消耗量小。

2.提高電解槽容量

開發100kA及以上的三層液電解槽，隨著槽容量的增大，其熱損失就越小，國外發達國家均為100kA以上的三層液電解槽。而我國最大容量為眾和鋁業公司開發的80kA電解槽，使我國精鋁生產水平達到一個嶄新的高度,但這與世界先進水平還存在一定的差距 。

3.槽體結構改進

在電解槽下層側面留有楔子型加料口，并用不會造成污染的材料做成擋板擋住，加料時以原鋁錠直接加入。在電解槽上部與加料口相對應的一側留出一個溢流口。這種出料方式在發達國家已成熟應用，并用一種對陰極精鋁不會造成污染的材料（如高純石墨)做成擋板擋住，在出鋁時打開。大大減少了用帶有石墨套筒底部設有若干徑向小孔的真空臺包出鋁時造成的陰極精鋁的波動，有利于陰極精鋁液水平的穩定，保證精鋁品位穩定。

此時加料口與出料口均在槽體側面，可用一塊石墨導電板替代傳統三層液電解槽的陰極導電母線和陽極導電母線，實現全封閉操作，可達到三種效益，一、避免沒有槽蓋時的大量熱損失；電解槽大量的熱是從上部損失的，為彌補這部分熱損失，保持電解槽的熱平衡，維持電解槽正常生產740℃的溫度，不得不通過提高電解槽的單槽電壓，因此正常生產有相當部分的熱能，以熱的形式從電解槽上部散失了，所以加大電解槽上部保溫是行之有效的節電方法[2]。二可實現機械化加料和出料操作，提高勞動生產效率，減少勞動定員；三相對于純氟化物電解質因不能與空氣中水蒸氣接觸，避免了酸霧產生的條件，形成無污染生產。

加料口和出料口如果分別設在槽體左側和右側，可將槽體前后緊貼，以減少槽體側面熱損失，經過上述改進，并通過實驗可知節能達到28%的效果，達到了減污降耗增效的結果。

結論

三層液的最大缺點就是生產成本高、能耗大、工人勞動強度大，需要的人員多，單位產能投資大，但三層液的最大優點就是產品質量優。本文通過對三層液電解槽進行技術改進，實現了封閉式運行、槽體前后緊貼避免了槽體上部、部分側面及加料和出料時的熱損失，達到降低電耗約28%的效果，同時避免了酸霧的產生。但以國內石墨做導電蓋板則損耗大，需定期更換的頻率較高，所以還需進一步的研究和開發高性能石墨導電蓋板，屆時三層液精鋁電解工藝將會達到國際先進水平。

[1]寧建文,李劼.我國三層液鋁電解精煉技術的現狀與發展.有色礦冶，2005.Vol.21.No1.

[2]賈芳.三層液電解法生產中的節電技術.新疆有色金屬，2003.