專利名稱：一種鋁用電解質(zhì)及其使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一種鋁用電解質(zhì)及其使用方法，涉及一種鋁電解生產(chǎn)用電解質(zhì)熔劑配方及其使用方法。
背景技術(shù)：
工業(yè)電解槽內(nèi)使用為Na3AlF6-AlF3-Al2O3基純氟體系電解質(zhì)熔劑，其摩爾比(NaF與AlF3物質(zhì)的量比)一般控制在2. 2 2. 6之間，為一種酸性熔劑，一般還含有LiF、MgF2、CaF2等。電解質(zhì)熔劑在電解中做為氧化鋁熔劑和主要發(fā)熱介質(zhì)，因此，電解質(zhì)的氧化鋁熔解性能和導(dǎo)電性能是其主要的電解工藝參數(shù)。當(dāng)前，國內(nèi)電解鋁系列平均陽極電流密度O. 75A/cm2左右，實際電流效率一般在93%以下，電解溫度在930-960°C，而國外先進企業(yè)陽極電流密度達到了 O. 9A/cm2，系列電流效率都在94-96%之間。與國外相比國內(nèi)的主要差距是電流密度和電流效率低，電解槽單位面積產(chǎn)出率低，提高電流強度或提高電流效率以提高產(chǎn)出率潛力巨大。鋁電解槽取得較好的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)其首要條件是要求生產(chǎn)穩(wěn)定平穩(wěn)，電解槽處于較好的物料平衡和熱量平衡。傳統(tǒng)的節(jié)能措施主要為降低陽極與陰極之間極距或提高電解槽電流強度等，前者會造成電解槽電流效率與生產(chǎn)能力下降，電壓經(jīng)常性波動，槽況不穩(wěn)定且生產(chǎn)操作難度增大等，或者一般加大發(fā)熱區(qū)域熱量，造成爐幫形成困難影響電解槽電流效率和電解槽槽壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是針對上述已有技術(shù)存在的不足，提出一種可有效降低電解槽電壓、提高電流效率、使電解槽在高電流密度運行，提高產(chǎn)能和節(jié)約能耗的鋁用電解質(zhì)及其使用方法。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的。一種鋁用電解質(zhì)，其特征在于其熔融態(tài)的重量比成份包括NaF :50% 56% ；NaCl 0 3% ；A1F3 :26% 30% ； CaF2 :2% 4 % ；CaCl2 :0 1% ；MgF2 :0 3 % ；LiF :1 6 % ；KF :0 3 % ；KC1 :1% 3%。本發(fā)明的一種鋁用電解質(zhì)的使用方法，其特征在于鋁用電解質(zhì)工作狀態(tài)下電導(dǎo)率為2. 30 2. 65S/cm,熔體工作溫度為930 965°C，其過熱度控制在5 28°C，其對氧化鋁溶解度為6. 0 10· 2%ο本發(fā)明的一種鋁用電解質(zhì)的使用方法，其特征在于其陽極電流密度為O. 6(Tl. 2Α/cm2,電解質(zhì)熔體高度在15 25cm。本發(fā)明的一種鋁用電解質(zhì)的使用方法，其特征在于使用的電解槽槽型為臥式槽、立式槽或為多室槽。本發(fā)明的一種鋁用電解質(zhì)的使用方法，其特征在于與其使用相配套的陽極材料可為消耗性炭陽極或不消耗性惰性導(dǎo)電陽極。
本發(fā)明的一種鋁用電解質(zhì)的使用方法，其特征在于與其使用相配套的陰極材料可為全石墨化陰極或部分石墨質(zhì)陰極材料，也可為TiB2/C復(fù)合陰極材料。本發(fā)明的一種鋁用電解質(zhì)的使用方法，其特征在于與其使用相配套的側(cè)部材料為普通炭塊，或為氮化硅結(jié)合碳化硅，或為兩者復(fù)合側(cè)部材料。本發(fā)明的一種鋁用電解質(zhì)，其核心為提高電解質(zhì)中導(dǎo)電載體NaF含量(電解質(zhì)中導(dǎo)電載體90%以上是Na+離子)。主要措施使在不提高初晶溫度條件下提高Na+離子摩爾濃度以提高載電體數(shù)量，其次在電解質(zhì)加入一定量的LiF和KF提高NaF載電體活度。其目的為提高鋁電解質(zhì)熔融狀態(tài)下導(dǎo)電性能和對氧化鋁的熔解能力，同時保持現(xiàn)有生產(chǎn)的過熱度條件，以穩(wěn)定電解槽爐幫和散熱分配。使用本發(fā)明所述電解質(zhì)，發(fā)熱區(qū)域電阻降低，可以通過提高電流強度和增大極距加入彌補，進而可以提高電流效率和提高產(chǎn)能，降低單位產(chǎn)品生產(chǎn)能耗。因此，本發(fā)明電解質(zhì)相比當(dāng)前工業(yè)所用電解質(zhì)，具有高效節(jié)能的特點。配方成分變化原則為通過優(yōu)化電解質(zhì)中間堿金屬和堿土金屬含量配比，保持目標(biāo)
電解槽中工業(yè)電解質(zhì)熔劑替換后的熔體初晶溫度不變，提高電解質(zhì)導(dǎo)電性能20%以上，提高氧化鋁熔解性能10%以上，保持電解過程的較高電流效率和較好爐膛內(nèi)型，同時，該電解質(zhì)體系還可以大幅降低電解槽日常氟化鋁添加量。配方中組分針對性有所不同，針對不同槽況可實時調(diào)控。如適當(dāng)提高Mg鹽和Ca鹽含量可提高電解質(zhì)碳渣分離性能，礦化懸浮狀氧化鋁，提高氧化鋁溶解速度。提高鉀鹽可以提升和氧化鋁熔解速度。提高鋰鹽可以提高導(dǎo)電率。本發(fā)明的一種鋁用電解質(zhì)，其使用方法可分為獨立啟動槽與在線不停槽替換兩種方式。其中新獨立啟動槽可在新啟動槽和電解槽大修二次啟動槽等情況下應(yīng)用。如在新啟動和二次啟動槽內(nèi)可用原電解質(zhì)熔劑預(yù)先計算一定量調(diào)整成分，將兩者混勻磨細后熔化后加入電解槽內(nèi)或以固體狀裝入電解槽隨槽升溫熔化，具體視不同啟動方法和方案決定。調(diào)整成分所需固體物質(zhì)由氧化物、碳酸鹽和鹵化物等混合均勻，一般為碳酸鈉、氟化鈉、氯化鈉，氯化鉀，碳酸鋰，碳酸鎂、氟化鈣以及氯化鈣組成。在線不停槽調(diào)整為出鋁端和煙道端和陽極底部加入預(yù)先計算好的調(diào)整物質(zhì)，加入原則可為少量多次逐步逼近，也可為一次性加入。加入量視電解槽內(nèi)存量電解質(zhì)而定，一般不超過槽內(nèi)熔體電解質(zhì)質(zhì)量的30%。加入物質(zhì)一般為氧化物或鹵化物，盡量不要加入碳酸鹽，以免反應(yīng)不及時而產(chǎn)生槽底沉淀，同時也可縮短成分調(diào)整時間。電解質(zhì)過高摩爾分子比可能會對陰極和側(cè)部材料有所不利，但經(jīng)過試驗測試發(fā)現(xiàn)，該影響十分有限且可控，因此電解槽側(cè)部內(nèi)襯和陰極材料可沿用現(xiàn)有電解槽所用材料，也可使用新型的高性能材料。對于預(yù)焙陽極來講，其消耗量與工業(yè)現(xiàn)有電解質(zhì)相近，適應(yīng)陽極電流密度范圍為O. 6(Tl. 2A/cm2。本發(fā)明的一種鋁用電解質(zhì)，其使用相配套的陽極材料可為消耗性炭陽極或不消耗性惰性導(dǎo)電陽極；與其使用相配套的陰極材料可為全石墨化陰極或部分石墨質(zhì)陰極材料，也可為TiB2/C復(fù)合陰極材料；與其使用相配套的側(cè)部材料可為普通炭塊，也可為氮化硅結(jié)合碳化硅，也可為兩者復(fù)合側(cè)部材料。使用時，加大系列電流強度，增大電解所用陽極和陰極之間距離，保持現(xiàn)有槽膛內(nèi)型和散熱分布，降低單槽氟化鋁添加量，可通過提高產(chǎn)能和電流效率以及降低消耗等方式達到節(jié)能目的。
使用時，增加電解槽電極之間距離，保持熔體區(qū)發(fā)熱量，保持現(xiàn)有槽膛內(nèi)型和散熱分布，降低單槽氟化鋁添加量，通過提高產(chǎn)能和電流效率方式達到節(jié)能目的。使用時，加強電解槽槽體保溫設(shè)計，減少電解槽散熱損失，保持極間距離，降低單槽氟化鋁添加量，通過降低電解槽平均電壓達到節(jié)能目的。本發(fā)明的一種鋁用電解質(zhì)及其使用方法，可減少單位電流電解質(zhì)的電壓降，提高電解槽單位產(chǎn)能，降低電解槽單位產(chǎn)品能量消耗，降低生產(chǎn)氟化鋁添加量，實現(xiàn)電解槽生產(chǎn)高效節(jié)能降耗的目的。
具體實施例方式—種鋁用電解質(zhì),其成分包括氟化鈉、氯化鈉、氟化鋁、氟化鈣、氯化鈣、氟化鎂，氟化鋰、氟化鉀和氯化鉀；其熔融態(tài)成分重量組成包括=NaF 50 56 wt. % ；NaCl 0^3wt. % ；AlF3 :26 30 wt. % ； CaF2 :2 4 wt. % ；CaCl2 :0 I wt. % ；MgF2 :0 3 wt. % ；LiF :1 6 wt. % ；KF :0 3 wt. % ；KC1 Γ3 wt. %。本配方電解質(zhì)摩爾分子比在3. 2(Γ4. 30，已經(jīng)不同于傳統(tǒng)的酸性鋁電解質(zhì)，為一種堿性低溫電解質(zhì)。本發(fā)明的一種鋁用電解質(zhì)使用方法，其鋁用電解質(zhì)的工作狀態(tài)下電導(dǎo)率為
2.30 2. 65S/cm,熔體工作溫度為93(T965°C，其過熱度控制在5 28°C，其對氧化鋁溶解度為 6. 02 10. 20%ο本發(fā)明的一種鋁用電解質(zhì)使用方法，其適應(yīng)陽極電流密度范圍為O. 6(Tl. 2A/cm2,電解質(zhì)熔體高度在15 25cm。本發(fā)明的一種鋁用電解質(zhì)使用方法，使用的鋁電解槽型為臥式槽或立式槽，也可為多室槽。在新啟動和二次啟動槽內(nèi)用原電解質(zhì)熔劑預(yù)先計算一定量調(diào)整成分，將兩者混勻磨細后熔化后加入電解槽內(nèi)或以固體狀裝入電解槽隨槽升溫熔化，調(diào)整成分所需固體物質(zhì)由氧化物、碳酸鹽和鹵化物等混合均勻，一般為碳酸鈉、氟化鈉、氯化鈉，氯化鉀，碳酸鋰，碳酸鎂、氟化鈣以及氯化鈣組成。本發(fā)明的一種鋁用電解質(zhì)使用方法，其使用方法是不停槽狀態(tài)下在出鋁端和煙道端和陽極底部加入預(yù)先計算好的調(diào)整物質(zhì)，加入原則為少量多次逐步逼近，加入量視電解槽內(nèi)存量電解質(zhì)而定，一般總加入量不超過槽內(nèi)熔體電解質(zhì)質(zhì)量的30%，加入物質(zhì)一般為氧化物或齒化物。實施例I
實驗室配制一種電解質(zhì)，其固體組成為NaF : 56 wt. %；NaCl 1.0 wt. % ；A1F3 26wt. % ； CaF2 4 wt. % ； MgF2 I. 0 wt. % ；LiF :1 wt. % ；KF :0 wt. % ；KC1 :3. 0 wt. %。測試其初晶溫度為928°C，940°C下測得其電導(dǎo)率為2. 60 S/cm,較工業(yè)常用電解質(zhì)同等條件下導(dǎo)電性能提升幅度為27%，氧化鋁溶解度為7. 81%。實施例2
實驗室配制一種電解質(zhì)，其固體組成為NaF : 56 wt. % ；NaCl 0. O wt. % ；A1F3 26wt. % ； CaF2 4 wt. % ； MgF2 3. 0 wt. % ；LiF :6 wt. % ；KF :0 wt. % ；KC1 :1. 0 wt. %。測試其初晶溫度為922°C，930°C下測得其電導(dǎo)率為2. 63 S/cm,較工業(yè)常用電解質(zhì)同等條件下導(dǎo)電性能提升幅度為28%，氧化鋁溶解度為6. 02%。實施例3實驗室配制一種電解質(zhì)，其固體組成為NaF : 56 wt. %；NaCl 1.0 wt. % ；A1F3 26wt. % ； CaF2 2 wt. % ； MgF2 0. 0 wt. % ；LiF :6 wt. % ；KF :1 wt. % ；KC1 :1. 0 wt. %。測試其初晶溫度為924°C，935°C下測得其電導(dǎo)率為2. 65 S/cm,較工業(yè)常用電解質(zhì)同等條件下導(dǎo)電性能提升幅度為30%，氧化鋁溶解度為7. 43%。實施例4
實驗室配制一種電解質(zhì)，其固體組成為NaF : 50 wt. % ；NaCl 3 wt. % ；A1F3 30wt. % ； CaF2 2 wt. % ； MgF2 0 wt. % ；LiF :6 wt. % ；KF :3 wt. % ；KC1 I wt. %。測試其初晶溫度為944°C，960°C下測得其電導(dǎo)率為2. 42 S/cm,較工業(yè)常用電解質(zhì)同等條件下導(dǎo)電性能提升幅度為20%，氧化鋁溶解度為9. 27%。實施例5
實驗室配制一種電解質(zhì)，其固體組成為NaF : 50 wt. % ；NaCl 2 wt. % ；A1F3
30wt. % ； CaF2 4 wt. % ； MgF2 I wt. % ；LiF lwt. % ；KF 3 wt. % ；KC1 3 wt. %。測試其初晶溫度為948°C，965°C下測得其電導(dǎo)率為2. 38 S/cm，較工業(yè)常用電解質(zhì)同等條件下導(dǎo)電性能提升幅度為19%，氧化鋁溶解度為10. 20%。實施例6
實驗室配制一種電解質(zhì)，其固體組成為NaF : 50 wt. % ；NaCl 3 wt. % ；A1F3 30wt. % ； CaF2 4 wt. % ； MgF2 3wt. % ；LiF 1 wt. % ；KF 3 wt. % ；KC1 3 wt. %。測試其初晶溫度為938°C，950°C下測得其電導(dǎo)率為2. 30 S/cm，較工業(yè)常用電解質(zhì)同等條件下導(dǎo)電性能提升幅度為15%，氧化鋁溶解度為8. 56%。實施例7
實驗室配制一種電解質(zhì)，其固體組成為NaF : 53 wt. % ；NaCl 2 wt. % ；A1F3 28wt. % ； CaF2 3wt. % ； MgF2 2wt. % ；LiF :4 wt. % ；KF :2 wt. % ；KC1 2 wt. %。測試其初晶溫度為935°C，945°C下測得其電導(dǎo)率為2. 53S/cm，較工業(yè)常用電解質(zhì)同等條件下導(dǎo)電性能提升幅度為24%，氧化鋁溶解度為8. 09%。實施例8
某20 kA獨立可調(diào)電流強度電解試驗槽，槽型為臥式，陽極采用炭陽極，陰極采用TiB2/C復(fù)合陰極材料，槽平均電壓為3. 98V，電解溫度為950°C左右，初期電流強度為20KA，電流密度經(jīng)測算為O. 70A/cm2,極距經(jīng)現(xiàn)場測量為4. 5cm左右。槽內(nèi)電解質(zhì)組成為NaF 50wt. % ；NaCl I wt. % ；A1F3 30wt. % ； CaF2 4 wt. % ； MgF2 2wt. % ；LiF I wt. % ；KF 2wt. % ；KC1 3 wt. %。瞬時電流效率達92. 15%,電解噸鋁直流電耗為12870KW*h。改變試驗條件，電流強度由20KA提升至22KA，強化比例為10%，電流密度相應(yīng)提高到 O. 77 A/cm2,改變槽內(nèi)電解質(zhì)組成為 NaF 56 wt. % ；NaCl :1. O wt. % ；A1F3 :26 wt. % ；CaF2 4 wt. % ； MgF2 I. 0 wt. % ；LiF :1 wt. % ；KF :1 wt. % ；KC1 :3. 0 wt. %。電解質(zhì)溫度降至940°C左右，槽平均電壓將為3. 92V，瞬時電流效率達92. 86%，電解噸鋁直流電耗為12580KW*hoo實施例9
某200 kA系列實際電流強度217kA，槽平均電壓為4. 02V,電解溫度為940°C，電流密度經(jīng)現(xiàn)場測算為O. 73A/cm2,極距經(jīng)現(xiàn)場測量為4. 3cm左右。實際電流效率經(jīng)盤存分析為91. 92%。因其電流密度處于國內(nèi)中等水平，因此相應(yīng)選擇配套的高導(dǎo)電解質(zhì)組成，槽內(nèi)電解質(zhì)最終組成為NaF 50 52wt. % ；NaCl :0 0· 8wt. % ；A1F3 :29 30wt. % ； CaF2 :3 4wt. % ；CaCl2 0. 5 I wt. % ；MgF2 :2. 5 3 wt. % ；LiF :4 6 wt. % ；KF :2 3 wt. %。電導(dǎo)率由2. 04S/cm逐漸變?yōu)?. 17S/cm，再到2. 40 S/cm，最終調(diào)整到2. 52 S/cm，導(dǎo)電性能提升幅度為23%，同時相應(yīng)調(diào)整后加料間隔和加料量。電流強度由217KA提升至233KA，強化比例為8%，電流密度相應(yīng)提高到O. 83 A/cm2。電解溫度由944°C逐步降低到933°C，單槽噸鋁氟化鋁添加量由25kg降低至19kg，電流效率保持在92%左右，槽電壓降低為3. 98V，噸鋁直流電耗由13020kW*h降低為12900kW*h，由于分攤電耗有所降低，噸鋁綜合交流電耗由14470kff*h降低至13800kW*h，單槽產(chǎn)能由578噸/年提高至653噸/年，單槽每年因降低單位電耗而降低成本約18. I萬元，因增產(chǎn)而增加經(jīng)濟效益約52萬元，因降低氟化鋁添加量減少成本I. 8萬元，合計單槽經(jīng)濟效益71. 9萬元。實施例10
某200 kA系列實際電流強度222kA，槽平均電壓為3. 96V，電解溫度為930°C，電流密
度經(jīng)現(xiàn)場測算為O. 75A/cm2，極距經(jīng)現(xiàn)場測量為4. Ocm左右。實際電流效率經(jīng)盤存分析為91. 03%。因其電流密度處于國內(nèi)中等水平，因此相應(yīng)選擇配套的高導(dǎo)電解質(zhì)組成，，槽內(nèi)電解質(zhì)最終組成為NaF 54 56 wt. % ；NaCl :1. 2 I. 5wt. % ；A1F3 :26 27 wt. % ； CaF2 4 5 wt. % ； MgF2 0. 8 I. O wt. % ；LiF :2 3 wt. % ;KF :1 2 wt. % ；KC1 :1. (Tl. 5 wt. %。電導(dǎo)率由2. 02S/cm逐漸變?yōu)?. 23S/cm，再到2. 46 S/cm，最終調(diào)整到2. 65 S/cm，導(dǎo)電性能提升幅度為30%，通過拉高極距和降低槽電壓得到節(jié)能效果。電解槽平均電壓降至3. 88V,單槽噸鋁氟化鋁添加量由25kg降低至17kg，電流效率保持在93%左右，，噸鋁直流電耗由12970kff*h降低為12460kW*h，由于分攤電耗有所降低，噸鋁綜合交流電耗由13800kW*h降低至13200kW*h，單槽產(chǎn)能由587噸/年提高至596噸/年，單槽每年因降低單位電耗而降低成本約14. 3萬元，因增產(chǎn)而增加經(jīng)濟效益約2萬元，因降低氟化鋁添加量減少成本2. 8萬元，合計單槽經(jīng)濟效益19. I萬元。上述的實施實例僅僅是本發(fā)明的典型實施方式進行描述，在不脫離本發(fā)明設(shè)計構(gòu)思前提下，本領(lǐng)域中工程技術(shù)人員對本發(fā)明的技術(shù)方案作出的各種變型和改進，均應(yīng)在本發(fā)明的保護范圍，本發(fā)明請求保護的技術(shù)內(nèi)容，已全部記載在權(quán)利要求書中。
權(quán)利要求
1.一種鋁用電解質(zhì)，其特征在于其熔融態(tài)的重量比成份包括=NaF 50% 56% ；NaCl 0 3% ；A1F3 :26% 30% ； CaF2 :2% 4 % ；CaCl2 :0 1% ；MgF2 :0 3 % ；LiF :1 6 % ；KF :0 3 % ；KC1 :1% 3%。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種鋁用電解質(zhì)的使用方法，其特征在于鋁用電解質(zhì)工作狀態(tài)下電導(dǎo)率為2. 30 2. 65S/cm,熔體工作溫度為930 965°C，其過熱度控制在5 28°C，其對氧化鋁溶解度為6. 02 10. 20%。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種鋁用電解質(zhì)的使用方法，其特征在于其陽極電流密度為O.6(Tl. 2A/cm2，電解質(zhì)熔體高度在15 25cm。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種鋁用電解質(zhì)的使用方法，其特征在于使用的電解槽槽型為臥式槽、立式槽或為多室槽。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種鋁用電解質(zhì)的使用方法，其特征在于與其使用相配套的陽極材料可為消耗性炭陽極或不消耗性惰性導(dǎo)電陽極。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種鋁用電解質(zhì)的使用方法，其特征在于與其使用相配套的陰極材料可為全石墨化陰極或部分石墨質(zhì)陰極材料，也可為TiB2/C復(fù)合陰極材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種鋁用電解質(zhì)的使用方法，其特征在于與其使用相配套的側(cè)部材料為普通炭塊，或為氮化硅結(jié)合碳化硅，或為兩者復(fù)合側(cè)部材料。
全文摘要
一種鋁用電解質(zhì)及其使用方法，涉及一種鋁電解生產(chǎn)用電解質(zhì)熔劑配方及其使用方法。其特征在于其熔融態(tài)的重量比成份包括NaF50%～56%；NaCl0~3%；AlF326%～30%；CaF22%~4%；CaCl20~1%；MgF20～3%；LiF1～6%；KF0～3%；KCl1%~3%。電解質(zhì)熔鹽電導(dǎo)率為2.30-2.65S/cm；(2)控制電解質(zhì)工作溫度為930～965℃，過熱度5~28℃；(3)提高電流強度或增大陰陽極距離，或加強槽體保溫。本發(fā)明的一種鋁用電解質(zhì)及其使用方法，可減少單位電流電解質(zhì)的電壓降，提高電解槽單位產(chǎn)能，降低電解槽單位產(chǎn)品能量消耗，降低生產(chǎn)氟化鋁添加量，實現(xiàn)電解槽生產(chǎn)高效節(jié)能降耗的目的。
文檔編號C25C3/18GK102817044SQ201210262178
公開日2012年12月12日 申請日期2012年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月27日
發(fā)明者黃海波, 邱仕麟 申請人:中國鋁業(yè)股份有限公司