專利名稱：一種低溫熔鹽電解制備鋁及鋁合金的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電解法制鋁技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種低溫熔鹽電解制備鋁及鋁合金的方法。
背景技術(shù)：
鋁是重要的金屬，其產(chǎn)量?jī)H次于鋼鐵，是第二大金屬材料，我國(guó)是第一產(chǎn)鋁大國(guó)。工業(yè)上金屬鋁采用熔鹽電解法生產(chǎn)，以氧化鋁為原料，冰晶石為熔劑和電解質(zhì)，鋁液為陰極，碳素材料為陽(yáng)極，電解溫度為950℃，電解過程中鋁在陰極析出，陽(yáng)極析出氧再與碳反應(yīng)生成CO2和CO放出。該方法的缺點(diǎn)是電解溫度高、電耗大。因此，人們一直在探尋低溫熔鹽電解制備金屬鋁的方法。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有熔鹽電解制鋁技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提供一種低溫熔鹽電解制備鋁及鋁合金的方法。
本發(fā)明方法以金屬氯化物或金屬氯化物混合物為電解質(zhì)，例如NaCl與CaCl2或NaCl與BaCl2或CaCl2與BaCl2混合物或純CaCl2等。要求電解質(zhì)熔點(diǎn)≤800℃，滿足該條件的金屬氯化物或金屬氯化物混合物均可作為電解質(zhì)。生產(chǎn)鋁時(shí)，以固體Al2O3或固態(tài)鋁、炭和固態(tài)Al2O3混合物或液態(tài)鋁和固態(tài)Al2O3混合物為陰極，石墨等碳素材料或惰性電極為陽(yáng)極。以固態(tài)陰極電解的工藝是間歇式電解。將陰極放在石墨電解槽底部，將電解質(zhì)放在陰極上部，通電加熱，電解質(zhì)熔化后，將陽(yáng)極插入熔鹽，在大于Al2O3分解電壓小于電解質(zhì)分解電壓、極間距≥0.1cm、溫度≤800℃條件下進(jìn)行熔鹽電解，電解至電流低于1.0安培結(jié)束電解。然后取出陰極放入熔煉爐內(nèi)，在溫度≥660℃條件下熔化鋁后鑄錠；以液態(tài)鋁和氧化鋁混合物為陰極電解是連續(xù)式電解。溫度≥660℃，可以定期從陰極取出鋁，加入氧化鋁，電解過程連續(xù)進(jìn)行。間歇式和連續(xù)式電解過程陰極析出金屬鋁，碳素陽(yáng)極產(chǎn)生一氧化碳和二氧化碳，惰性材料陽(yáng)極產(chǎn)生氧氣。
本發(fā)明的電解質(zhì)采用常規(guī)方法脫水制成。固態(tài)陰極是將固體Al2O3在10MPa～150MPa壓力下壓塊，1000～1200℃空氣下燒結(jié)制成，或?qū)⒐虘B(tài)鋁(0～15％)、炭(0～10％)和固態(tài)Al2O3(80～100％)按質(zhì)量配比混合，在無(wú)氧氣條件下經(jīng)1000～1200℃燒結(jié)制成，燒結(jié)時(shí)間以保證固態(tài)陰極在電解時(shí)不粉化為原則；液態(tài)陰極是以液態(tài)鋁和固態(tài)Al2O3(添加量以不影響導(dǎo)電為原則)混合物為陰極。
制備鋁合金時(shí)，固態(tài)陰極是將作為合金組元的金屬氧化物與氧化鋁混合、壓塊、在空氣氣氛中1000～1200℃燒結(jié)后作為陰極，或?qū)⒆鳛楹辖鸾M元的金屬氧化物與金屬鋁混合、壓塊、還原氣氛1000～1200℃以下燒結(jié)后作為陰極，或作為合金組元的金屬氧化物與氧化鋁及金屬鋁或碳混合、壓塊、還原氣氛100～1200℃燒結(jié)后作為陰極，或?qū)⒆鳛楹辖鸾M元的金屬氧化物與氧化鋁及金屬鋁和碳混合、壓塊、還原氣氛1000～1200℃燒結(jié)后作為陰極，燒結(jié)時(shí)間以保證固態(tài)陰極在電解時(shí)不粉化為原則；液態(tài)陰極是將作為合金組元的金屬氧化物與液態(tài)鋁混合物為陰極；或作為合金組元的金屬氧化物和固態(tài)Al2O3及液態(tài)鋁混合物為陰極，或作為合金組元的金屬氧化物與氧化鋁加入液態(tài)鋁為陰極。其余方法同上。例如加入作為合金組元的金屬氧化物TiO2、SrO、Sc2O3、Li2O、ZrO2等制備Al-Ti、Al-Sr、Al-Sc、Al-Li、Al-Zr等合金，加入作為合金組元的稀土氧化物L(fēng)a2O3、Ce2O3、Er2O3等制備Al-La、Al-Ce、Al-Er等合金，陰極材料根據(jù)合金成分要求按照化學(xué)計(jì)量比配比。
本發(fā)明方法在低于800℃溫度范圍生產(chǎn)金屬鋁、鋁合金，大幅度降低了電解溫度，節(jié)省電能。通過化學(xué)分析對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分析，生產(chǎn)的鋁或鋁合金符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1將2公斤Al2O3在30MPa壓力下壓塊，常壓、保護(hù)氣氛，1000℃、10個(gè)小時(shí)燒結(jié)(或者1100℃燒結(jié)8個(gè)小時(shí)，或者1200℃燒結(jié)6個(gè)小時(shí))制成陰極，將陰極放在石墨電解槽底部；NaCl-CaCl2按照摩爾比為1∶1混合1公斤，脫水制成電解質(zhì)，放到陰極塊上部；通電加熱到600℃，電解質(zhì)熔化后，將石墨陽(yáng)極插入熔鹽，距-氧化鋁陰極0.3cm處，通電壓3.2V電解，電解到電流低于1.0安培。取出陰極放入熔煉爐內(nèi)，在660℃熔化后鑄錠。通過化學(xué)分析，產(chǎn)品中鋁純度99％以上。
實(shí)施例2在2公斤Al2O3中加入50克金屬鋁顆粒，130MPa壓力壓塊，常壓、保護(hù)氣氛，1000℃、10個(gè)小時(shí)燒結(jié)(或者1100℃燒結(jié)8個(gè)小時(shí)，或者1200℃燒結(jié)6個(gè)小時(shí))制成陰極，將陰極放在石墨電解槽底部；NaCl-CaCl2按照摩爾比為1∶1混合1公斤，脫水制成電解質(zhì)，放到陰極塊上部；通電加熱到600℃，電解質(zhì)熔化后，將石墨陽(yáng)極插入熔鹽，距-氧化鋁陰極0.3cm處，通電壓3.2V電解，電解到電流低于1.0安培。取出陰極放入熔煉爐內(nèi)，在660℃熔化后鑄錠。通過化學(xué)分析，產(chǎn)品中鋁純度99％以上。
實(shí)施例3在2公斤Al2O3中加入50克炭顆粒，80MPa壓力壓塊，常壓、保護(hù)氣氛，1000℃、10個(gè)小時(shí)燒結(jié)(或者1100℃燒結(jié)8個(gè)小時(shí)，或者1200℃燒結(jié)6個(gè)小時(shí))制成陰極，將陰極放在石墨電解槽底部；NaCl-CaCl2按照摩爾比為1∶1混合1公斤，脫水制成電解質(zhì)，放到陰極塊上部；通電加熱到600℃，電解質(zhì)熔化后，將石墨陽(yáng)極插入熔鹽，距-氧化鋁陰極0.3cm處，通電壓3.2V電解，電解到電流低于1.0安培。取出陰極放入熔煉爐內(nèi)，在660℃熔化后鑄錠。通過化學(xué)分析，產(chǎn)品中鋁純度99％以上。
實(shí)施例4在2公斤Al2O3中加入50克金屬鋁顆粒和50克炭顆粒，30MPa壓力壓塊，常壓，保護(hù)氣氛、1000℃、10個(gè)小時(shí)燒結(jié)(或者1100℃燒結(jié)8個(gè)小時(shí)，或者1200℃燒結(jié)6個(gè)小時(shí))制成陰極，將陰極放在石墨電解槽底部；NaCl-CaCl2按照摩爾比為1∶1混合1公斤，脫水制成電解質(zhì)，放到陰極塊上部；通電加熱到600℃，電解質(zhì)熔化后，將石墨陽(yáng)極插入熔鹽，距-氧化鋁陰極0.3cm處，通電壓3.2V電解，電解到電流低于1.0安培。取出陰極放入熔煉爐內(nèi)，在660℃熔化后鑄錠。通過化學(xué)分析，產(chǎn)品中鋁純度99％以上。
實(shí)施例5按質(zhì)量配比固態(tài)鋁6％、炭4％和固態(tài)Al2O390％混合，30MPa壓力壓塊，常壓，保護(hù)氣氛、1000℃、10個(gè)小時(shí)燒結(jié)(或者1100℃燒結(jié)8個(gè)小時(shí)，或者1200℃燒結(jié)6個(gè)小時(shí))制成陰極，將陰極放在石墨電解槽底部；NaCl-CaCl2按照摩爾比為1∶1混合1公斤，脫水制成電解質(zhì)，放到陰極塊上部；通電加熱到600℃，電解質(zhì)熔化后，將石墨陽(yáng)極插入熔鹽，距-氧化鋁陰極0.3cm處，通電壓3.2V電解，電解到電流低于1.0安培。取出陰極放入熔煉爐內(nèi)，在660℃熔化后鑄錠。通過化學(xué)分析，產(chǎn)品中鋁純度99％以上。
實(shí)施例6按質(zhì)量配比固態(tài)鋁12％、炭8％和固態(tài)Al2O380％混合，30MPa壓力壓塊，常壓，保護(hù)氣氛、1000℃、10個(gè)小時(shí)燒結(jié)(或者1100℃燒結(jié)8個(gè)小時(shí)，或者1200℃燒結(jié)6個(gè)小時(shí))制成陰極，將陰極放在石墨電解槽底部；NaCl-CaCl2按照摩爾比為1∶1混合1公斤，脫水制成電解質(zhì)，放到陰極塊上部；通電加熱到600℃，電解質(zhì)熔化后，將石墨陽(yáng)極插入熔鹽，距-氧化鋁陰極0.3cm處，通電壓3.2V電解，電解到電流低于1.0安培。取出陰極放入熔煉爐內(nèi)，在660℃熔化后鑄錠。通過化學(xué)分析，產(chǎn)品中鋁純度99％以上。
實(shí)施例7將2公斤金屬鋁放入石墨電解槽底部，加入500克氧化鋁，然后加入摩爾比1∶1的NaCl-CaCl2混合物1公斤，通電加熱到680℃，金屬鋁、鹽熔化后，將石墨陽(yáng)極棒插入熔鹽，距液態(tài)鋁液面0.5cm處，通電壓3.3V電解，電解8小時(shí)后，通過插到陰極鋁液液面之上的陶瓷漏斗將氧化鋁粉加到鋁液中，進(jìn)行連續(xù)電解。每隔8小時(shí)加500克氧化鋁粉，同時(shí)采用虹吸方法將陰極中的鋁取出鑄錠，制得金屬鋁。通過化學(xué)分析，產(chǎn)品中鋁純度99％以上。
實(shí)施例8將制備金屬鋁實(shí)施例1或2中的氧化鋁換成氧化鋁和氧化鍶的混合物，總鋁鍶物質(zhì)的量比為1∶1(也可以根據(jù)客觀要求配比鋁鍶)，按其程序進(jìn)行電解。通過化學(xué)分析，產(chǎn)品中鋁和鍶的含量99％以上。
實(shí)施例9將制備金屬鋁實(shí)施例5中的氧化鋁換成氧化鋁和氧化鈧的混合物，加入到金屬鋁液中，總鋁鈧物質(zhì)的量比為1∶1(也可以根據(jù)客觀要求配比鋁鈧)，按其程序進(jìn)行電解。通過化學(xué)分析，產(chǎn)品中鋁和鈧的含量99％以上。
實(shí)施例10將制備金屬鋁實(shí)施例1或2中氧化鋁換成氧化鋁和二氧化鈦的混合物，總鋁鈦物質(zhì)的量比為3∶1(也可以根據(jù)客觀要求配比鋁鈦)，按其程序進(jìn)行電解。通過化學(xué)分析，產(chǎn)品中鋁和鈦的含量99％以上。
實(shí)施例11將制備金屬鋁實(shí)施例5中的氧化鋁換成氧化鋁和氧化鉺的混合物，加入到金屬鋁液中，總鋁鉺物質(zhì)的量比為1∶1(也可以根據(jù)客觀要求配比鋁鉺)，按其程序進(jìn)行電解。通過化學(xué)分析，產(chǎn)品中鋁和鉺的含量99％以上。
實(shí)施例12將制備金屬鋁實(shí)施例5中的氧化鋁換成氧化鋁和氧化鑭的混合物，加入到金屬鋁液中，總鋁鑭的質(zhì)量比為1∶1(也可以根據(jù)客觀要求配比鋁鑭)，按其程序進(jìn)行電解。通過化學(xué)分析，產(chǎn)品中鋁和鑭的含量99％以上。
實(shí)施例13將制備金屬鋁實(shí)施例5中的氧化鋁換成氧化鋁和氧化鋯的混合物，加入到金屬鋁液中，總鋁鋯物質(zhì)的量比為1∶1(也可以根據(jù)客觀要求配比鋁鋯)，按其程序進(jìn)行電解。通過化學(xué)分析，產(chǎn)品中鋁和鋯的含量99％以上。
實(shí)施例14將制備金屬鋁實(shí)施例1或2中氧化鋁換成氧化鋁和氧化鋰的混合物，總鋁鋰物質(zhì)的量比為1∶1(也可以根據(jù)客觀要求配比鋁鋰)，按其程序進(jìn)行電解。通過化學(xué)分析，產(chǎn)品中鋁和鋰的含量99％以上。
實(shí)施例15將制備金屬鋁實(shí)施例5中的氧化鋁換成氧化鋁和氧化鉭的混合物，加入到金屬鋁液中，總鋁鉭物質(zhì)的量比為1∶1(也可以根據(jù)客觀要求配比鋁鉭)，按其程序進(jìn)行電解。通過化學(xué)分析，產(chǎn)品中鋁和鉭的含量99％以上。
實(shí)施例16將制備金屬鋁實(shí)施例1或2中氧化鋁換成氧化鋁和氧化鈮的混合物，總鋁鈮物質(zhì)的量比為1∶1(也可以根據(jù)客觀要求配比鋁鈮)，按其程序進(jìn)行電解。通過化學(xué)分析，產(chǎn)品中鋁和鈮的含量99％以上。
實(shí)施例17將制備金屬鋁實(shí)施例5中的氧化鋁換成氧化鋁和氧化鏑的混合物，加入到金屬鋁液中，總鋁鏑物質(zhì)的量比為1∶1(也可以根據(jù)客觀要求配比鋁鏑)，按其程序進(jìn)行電解。通過化學(xué)分析，產(chǎn)品中鋁和鏑的含量99％以上。
權(quán)利要求
1.一種低溫熔鹽電解制備鋁及鋁合金的方法，其特征在于以金屬氯化物或金屬氯化物混合物為電解質(zhì)，要求電解質(zhì)熔點(diǎn)≤800℃，石墨等碳素材料或惰性電極為陽(yáng)極，以固態(tài)陰極電解的工藝是間歇式電解，將陰極放在石墨電解槽底部，將電解質(zhì)放在陰極上部，通電加熱，電解質(zhì)熔化后，將陽(yáng)極插入熔鹽，在大于Al2O3分解電壓小于電解質(zhì)分解電壓、極間距≥0.1cm、溫度≤800℃條件下進(jìn)行熔鹽電解，電解至電流低于1.0安培結(jié)束電解，然后取出陰極放入熔煉爐內(nèi)，在溫度≥660℃條件下熔化鋁后鑄錠；以液態(tài)鋁和氧化鋁混合物為陰極電解是連續(xù)式電解，溫度≥660℃，定期從陰極取出鋁，加入氧化鋁，電解過程連續(xù)進(jìn)行。
2.按照權(quán)利要求1所述的低溫熔鹽電解制備鋁及鋁合金的方法，其特征在于生產(chǎn)鋁時(shí)，以固體Al2O3或固態(tài)鋁、炭和固態(tài)Al2O3混合物或液態(tài)鋁和固態(tài)Al2O3混合物為陰極，按質(zhì)量配比固態(tài)鋁0～15％、炭0～10％和固態(tài)Al2O380～100％。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的低溫熔鹽電解制備鋁及鋁合金的方法，其特征在于固態(tài)陰極是將固體Al2O3在10MPa～150MPa下壓塊，1000～1200℃空氣下燒結(jié)制成，或?qū)⒐虘B(tài)鋁、炭和固態(tài)Al2O3按配比混合，在無(wú)氧氣條件下經(jīng)1000～1200℃燒結(jié)制成；液態(tài)陰極是以液態(tài)鋁和固態(tài)Al2O3混合物為陰極。
4.按照權(quán)利要求1所述的低溫熔鹽電解制備鋁及鋁合金的方法，其特征在于制備鋁合金時(shí)，將作為合金組元的金屬氧化物與氧化鋁混合、壓塊、在空氣氣氛中1000～1200℃燒結(jié)后作為陰極；或?qū)⒆鳛楹辖鸾M元的金屬氧化物與金屬鋁混合、壓塊、還原氣氛1000～1200℃以下燒結(jié)后作為陰極；或作為合金組元的金屬氧化物與氧化鋁及金屬鋁或碳混合、壓塊、還原氣氛1000～1200℃燒結(jié)后作為陰極；或?qū)⒆鳛楹辖鸾M元的金屬氧化物與氧化鋁及金屬鋁和碳混合、壓塊、還原氣氛1000～1200℃燒結(jié)后作為陰極；液態(tài)陰極是將作為合金組元的金屬氧化物與液態(tài)鋁混合物為陰極；或作為合金組元的金屬氧化物和固態(tài)Al2O3及液態(tài)鋁混合物為陰極，或作為合金組元的金屬氧化物與氧化鋁加入液態(tài)鋁為陰極，陰極材料根據(jù)合金成分要求按照化學(xué)計(jì)量比配比。
5.按照權(quán)利要求1或4所述的低溫熔鹽電解制備鋁及鋁合金的方法，其特征在于加入作為合金組元的金屬氧化物TiO2、SrO、Sc2O3、Li2O、ZrO2制備Al-Ti、Al-Sr、Al-Sc、Al-Li、Al-Zr合金，加入作為合金組元的稀土氧化物L(fēng)a2O3、Ce2O3、Er2O3制備Al-La、Al-Ce、Al-Er等合金，陰極材料根據(jù)合金成分要求按照化學(xué)計(jì)量比配比。
全文摘要
一種低溫熔鹽電解制備鋁及鋁合金的方法，以金屬氯化物或金屬氯化物混合物為電解質(zhì)，要求電解質(zhì)熔點(diǎn)≤800℃，石墨等碳素材料或惰性電極為陽(yáng)極，以固態(tài)陰極電解的工藝是間歇式電解，將陰極放在石墨電解槽底部，將電解質(zhì)放在陰極上部，通電加熱，電解質(zhì)熔化后，將陽(yáng)極插入熔鹽，在大于Al
文檔編號(hào)C25C3/06GK1936085SQ200610047809
公開日2007年3月28日 申請(qǐng)日期2006年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月19日
發(fā)明者翟玉春, 謝宏偉, 王偉, 王錦霞, 顧惠敏 申請(qǐng)人:東北大學(xué)