专利名称：一种铝用电解质及其使用方法
技术领域：
一种铝用电解质及其使用方法，涉及一种铝电解生产用电解质熔剂配方及其使用方法。
背景技术：
工业电解槽内使用为Na3AlF6-AlF3-Al2O3基纯氟体系电解质熔剂，其摩尔比(NaF与AlF3物质的量比)一般控制在2. 2 2. 6之间，为一种酸性熔剂，一般还含有LiF、MgF2、CaF2等。电解质熔剂在电解中做为氧化铝熔剂和主要发热介质，因此，电解质的氧化铝熔解性能和导电性能是其主要的电解工艺参数。当前，国内电解铝系列平均阳极电流密度O. 75A/cm2左右，实际电流效率一般在93%以下，电解温度在930-960°C，而国外先进企业阳极电流密度达到了 O. 9A/cm2，系列电流效率都在94-96%之间。与国外相比国内的主要差距是电流密度和电流效率低，电解槽单位面积产出率低，提高电流强度或提高电流效率以提高产出率潜力巨大。铝电解槽取得较好的技术经济指标其首要条件是要求生产稳定平稳，电解槽处于较好的物料平衡和热量平衡。传统的节能措施主要为降低阳极与阴极之间极距或提高电解槽电流强度等，前者会造成电解槽电流效率与生产能力下降，电压经常性波动，槽况不稳定且生产操作难度增大等，或者一般加大发热区域热量，造成炉帮形成困难影响电解槽电流效率和电解槽槽寿命。
发明内容
本发明的目的就是针对上述已有技术存在的不足，提出一种可有效降低电解槽电压、提高电流效率、使电解槽在高电流密度运行，提高产能和节约能耗的铝用电解质及其使用方法。本发明的目的是通过以下技术方案实现的。一种铝用电解质，其特征在于其熔融态的重量比成份包括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%。本发明的一种铝用电解质的使用方法，其特征在于铝用电解质工作状态下电导率为2. 30 2. 65S/cm,熔体工作温度为930 965°C，其过热度控制在5 28°C，其对氧化铝溶解度为6. 0 10· 2%ο本发明的一种铝用电解质的使用方法，其特征在于其阳极电流密度为O. 6(Tl. 2Α/cm2,电解质熔体高度在15 25cm。本发明的一种铝用电解质的使用方法，其特征在于使用的电解槽槽型为卧式槽、立式槽或为多室槽。本发明的一种铝用电解质的使用方法，其特征在于与其使用相配套的阳极材料可为消耗性炭阳极或不消耗性惰性导电阳极。
本发明的一种铝用电解质的使用方法，其特征在于与其使用相配套的阴极材料可为全石墨化阴极或部分石墨质阴极材料，也可为TiB2/C复合阴极材料。本发明的一种铝用电解质的使用方法，其特征在于与其使用相配套的侧部材料为普通炭块，或为氮化硅结合碳化硅，或为两者复合侧部材料。本发明的一种铝用电解质，其核心为提高电解质中导电载体NaF含量(电解质中导电载体90%以上是Na+离子)。主要措施使在不提高初晶温度条件下提高Na+离子摩尔浓度以提高载电体数量，其次在电解质加入一定量的LiF和KF提高NaF载电体活度。其目的为提高铝电解质熔融状态下导电性能和对氧化铝的熔解能力，同时保持现有生产的过热度条件，以稳定电解槽炉帮和散热分配。使用本发明所述电解质，发热区域电阻降低，可以通过提高电流强度和增大极距加入弥补，进而可以提高电流效率和提高产能，降低单位产品生产能耗。因此，本发明电解质相比当前工业所用电解质，具有高效节能的特点。配方成分变化原则为通过优化电解质中间碱金属和碱土金属含量配比，保持目标
电解槽中工业电解质熔剂替换后的熔体初晶温度不变，提高电解质导电性能20%以上，提高氧化铝熔解性能10%以上，保持电解过程的较高电流效率和较好炉膛内型，同时，该电解质体系还可以大幅降低电解槽日常氟化铝添加量。配方中组分针对性有所不同，针对不同槽况可实时调控。如适当提高Mg盐和Ca盐含量可提高电解质碳渣分离性能，矿化悬浮状氧化铝，提高氧化铝溶解速度。提高钾盐可以提升和氧化铝熔解速度。提高锂盐可以提高导电率。本发明的一种铝用电解质，其使用方法可分为独立启动槽与在线不停槽替换两种方式。其中新独立启动槽可在新启动槽和电解槽大修二次启动槽等情况下应用。如在新启动和二次启动槽内可用原电解质熔剂预先计算一定量调整成分，将两者混匀磨细后熔化后加入电解槽内或以固体状装入电解槽随槽升温熔化，具体视不同启动方法和方案决定。调整成分所需固体物质由氧化物、碳酸盐和卤化物等混合均匀，一般为碳酸钠、氟化钠、氯化钠，氯化钾，碳酸锂，碳酸镁、氟化钙以及氯化钙组成。在线不停槽调整为出铝端和烟道端和阳极底部加入预先计算好的调整物质，加入原则可为少量多次逐步逼近，也可为一次性加入。加入量视电解槽内存量电解质而定，一般不超过槽内熔体电解质质量的30%。加入物质一般为氧化物或卤化物，尽量不要加入碳酸盐，以免反应不及时而产生槽底沉淀，同时也可缩短成分调整时间。电解质过高摩尔分子比可能会对阴极和侧部材料有所不利，但经过试验测试发现，该影响十分有限且可控，因此电解槽侧部内衬和阴极材料可沿用现有电解槽所用材料，也可使用新型的高性能材料。对于预焙阳极来讲，其消耗量与工业现有电解质相近，适应阳极电流密度范围为O. 6(Tl. 2A/cm2。本发明的一种铝用电解质，其使用相配套的阳极材料可为消耗性炭阳极或不消耗性惰性导电阳极；与其使用相配套的阴极材料可为全石墨化阴极或部分石墨质阴极材料，也可为TiB2/C复合阴极材料；与其使用相配套的侧部材料可为普通炭块，也可为氮化硅结合碳化硅，也可为两者复合侧部材料。使用时，加大系列电流强度，增大电解所用阳极和阴极之间距离，保持现有槽膛内型和散热分布，降低单槽氟化铝添加量，可通过提高产能和电流效率以及降低消耗等方式达到节能目的。
使用时，增加电解槽电极之间距离，保持熔体区发热量，保持现有槽膛内型和散热分布，降低单槽氟化铝添加量，通过提高产能和电流效率方式达到节能目的。使用时，加强电解槽槽体保温设计，减少电解槽散热损失，保持极间距离，降低单槽氟化铝添加量，通过降低电解槽平均电压达到节能目的。本发明的一种铝用电解质及其使用方法，可减少单位电流电解质的电压降，提高电解槽单位产能，降低电解槽单位产品能量消耗，降低生产氟化铝添加量，实现电解槽生产高效节能降耗的目的。
具体实施例方式—种铝用电解质,其成分包括氟化钠、氯化钠、氟化铝、氟化钙、氯化钙、氟化镁，氟化锂、氟化钾和氯化钾；其熔融态成分重量组成包括=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. %。本配方电解质摩尔分子比在3. 2(Γ4. 30，已经不同于传统的酸性铝电解质，为一种碱性低温电解质。本发明的一种铝用电解质使用方法，其铝用电解质的工作状态下电导率为
2.30 2. 65S/cm,熔体工作温度为93(T965°C，其过热度控制在5 28°C，其对氧化铝溶解度为 6. 02 10. 20%ο本发明的一种铝用电解质使用方法，其适应阳极电流密度范围为O. 6(Tl. 2A/cm2,电解质熔体高度在15 25cm。本发明的一种铝用电解质使用方法，使用的铝电解槽型为卧式槽或立式槽，也可为多室槽。在新启动和二次启动槽内用原电解质熔剂预先计算一定量调整成分，将两者混匀磨细后熔化后加入电解槽内或以固体状装入电解槽随槽升温熔化，调整成分所需固体物质由氧化物、碳酸盐和卤化物等混合均匀，一般为碳酸钠、氟化钠、氯化钠，氯化钾，碳酸锂，碳酸镁、氟化钙以及氯化钙组成。本发明的一种铝用电解质使用方法，其使用方法是不停槽状态下在出铝端和烟道端和阳极底部加入预先计算好的调整物质，加入原则为少量多次逐步逼近，加入量视电解槽内存量电解质而定，一般总加入量不超过槽内熔体电解质质量的30%，加入物质一般为氧化物或齒化物。实施例I
实验室配制一种电解质，其固体组成为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. %。测试其初晶温度为928°C，940°C下测得其电导率为2. 60 S/cm,较工业常用电解质同等条件下导电性能提升幅度为27%，氧化铝溶解度为7. 81%。实施例2
实验室配制一种电解质，其固体组成为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. %。测试其初晶温度为922°C，930°C下测得其电导率为2. 63 S/cm,较工业常用电解质同等条件下导电性能提升幅度为28%，氧化铝溶解度为6. 02%。实施例3实验室配制一种电解质，其固体组成为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. %。测试其初晶温度为924°C，935°C下测得其电导率为2. 65 S/cm,较工业常用电解质同等条件下导电性能提升幅度为30%，氧化铝溶解度为7. 43%。实施例4
实验室配制一种电解质，其固体组成为NaF : 50 wt. % ；NaCl 3 wt. % ；A1F3 30wt. % ； CaF2 2 wt. % ； MgF2 0 wt. % ；LiF :6 wt. % ；KF :3 wt. % ；KC1 I wt. %。测试其初晶温度为944°C，960°C下测得其电导率为2. 42 S/cm,较工业常用电解质同等条件下导电性能提升幅度为20%，氧化铝溶解度为9. 27%。实施例5
实验室配制一种电解质，其固体组成为NaF : 50 wt. % ；NaCl 2 wt. % ；A1F3
30wt. % ； CaF2 4 wt. % ； MgF2 I wt. % ；LiF lwt. % ；KF 3 wt. % ；KC1 3 wt. %。测试其初晶温度为948°C，965°C下测得其电导率为2. 38 S/cm，较工业常用电解质同等条件下导电性能提升幅度为19%，氧化铝溶解度为10. 20%。实施例6
实验室配制一种电解质，其固体组成为NaF : 50 wt. % ；NaCl 3 wt. % ；A1F3 30wt. % ； CaF2 4 wt. % ； MgF2 3wt. % ；LiF 1 wt. % ；KF 3 wt. % ；KC1 3 wt. %。测试其初晶温度为938°C，950°C下测得其电导率为2. 30 S/cm，较工业常用电解质同等条件下导电性能提升幅度为15%，氧化铝溶解度为8. 56%。实施例7
实验室配制一种电解质，其固体组成为NaF : 53 wt. % ；NaCl 2 wt. % ；A1F3 28wt. % ； CaF2 3wt. % ； MgF2 2wt. % ；LiF :4 wt. % ；KF :2 wt. % ；KC1 2 wt. %。测试其初晶温度为935°C，945°C下测得其电导率为2. 53S/cm，较工业常用电解质同等条件下导电性能提升幅度为24%，氧化铝溶解度为8. 09%。实施例8
某20 kA独立可调电流强度电解试验槽，槽型为卧式，阳极采用炭阳极，阴极采用TiB2/C复合阴极材料，槽平均电压为3. 98V，电解温度为950°C左右，初期电流强度为20KA，电流密度经测算为O. 70A/cm2,极距经现场测量为4. 5cm左右。槽内电解质组成为NaF 50wt. % ；NaCl I wt. % ；A1F3 30wt. % ； CaF2 4 wt. % ； MgF2 2wt. % ；LiF I wt. % ；KF 2wt. % ；KC1 3 wt. %。瞬时电流效率达92. 15%,电解吨铝直流电耗为12870KW*h。改变试验条件，电流强度由20KA提升至22KA，强化比例为10%，电流密度相应提高到 O. 77 A/cm2,改变槽内电解质组成为 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. %。电解质温度降至940°C左右，槽平均电压将为3. 92V，瞬时电流效率达92. 86%，电解吨铝直流电耗为12580KW*hoo实施例9
某200 kA系列实际电流强度217kA，槽平均电压为4. 02V,电解温度为940°C，电流密度经现场测算为O. 73A/cm2,极距经现场测量为4. 3cm左右。实际电流效率经盘存分析为91. 92%。因其电流密度处于国内中等水平，因此相应选择配套的高导电解质组成，槽内电解质最终组成为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. %。电导率由2. 04S/cm逐渐变为2. 17S/cm，再到2. 40 S/cm，最终调整到2. 52 S/cm，导电性能提升幅度为23%，同时相应调整后加料间隔和加料量。电流强度由217KA提升至233KA，强化比例为8%，电流密度相应提高到O. 83 A/cm2。电解温度由944°C逐步降低到933°C，单槽吨铝氟化铝添加量由25kg降低至19kg，电流效率保持在92%左右，槽电压降低为3. 98V，吨铝直流电耗由13020kW*h降低为12900kW*h，由于分摊电耗有所降低，吨铝综合交流电耗由14470kff*h降低至13800kW*h，单槽产能由578吨/年提高至653吨/年，单槽每年因降低单位电耗而降低成本约18. I万元，因增产而增加经济效益约52万元，因降低氟化铝添加量减少成本I. 8万元，合计单槽经济效益71. 9万元。实施例10
某200 kA系列实际电流强度222kA，槽平均电压为3. 96V，电解温度为930°C，电流密
度经现场测算为O. 75A/cm2，极距经现场测量为4. Ocm左右。实际电流效率经盘存分析为91. 03%。因其电流密度处于国内中等水平，因此相应选择配套的高导电解质组成，，槽内电解质最终组成为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. %。电导率由2. 02S/cm逐渐变为2. 23S/cm，再到2. 46 S/cm，最终调整到2. 65 S/cm，导电性能提升幅度为30%，通过拉高极距和降低槽电压得到节能效果。电解槽平均电压降至3. 88V,单槽吨铝氟化铝添加量由25kg降低至17kg，电流效率保持在93%左右，，吨铝直流电耗由12970kff*h降低为12460kW*h，由于分摊电耗有所降低，吨铝综合交流电耗由13800kW*h降低至13200kW*h，单槽产能由587吨/年提高至596吨/年，单槽每年因降低单位电耗而降低成本约14. 3万元，因增产而增加经济效益约2万元，因降低氟化铝添加量减少成本2. 8万元，合计单槽经济效益19. I万元。上述的实施实例仅仅是本发明的典型实施方式进行描述，在不脱离本发明设计构思前提下，本领域中工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应在本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已全部记载在权利要求书中。
权利要求
1.一种铝用电解质，其特征在于其熔融态的重量比成份包括=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.根据权利要求I所述的一种铝用电解质的使用方法，其特征在于铝用电解质工作状态下电导率为2. 30 2. 65S/cm,熔体工作温度为930 965°C，其过热度控制在5 28°C，其对氧化铝溶解度为6. 02 10. 20%。
3.根据权利要求I所述的一种铝用电解质的使用方法，其特征在于其阳极电流密度为O.6(Tl. 2A/cm2，电解质熔体高度在15 25cm。
4.根据权利要求I所述的一种铝用电解质的使用方法，其特征在于使用的电解槽槽型为卧式槽、立式槽或为多室槽。
5.根据权利要求I所述的一种铝用电解质的使用方法，其特征在于与其使用相配套的阳极材料可为消耗性炭阳极或不消耗性惰性导电阳极。
6.根据权利要求I所述的一种铝用电解质的使用方法，其特征在于与其使用相配套的阴极材料可为全石墨化阴极或部分石墨质阴极材料，也可为TiB2/C复合阴极材料。
7.根据权利要求I所述的一种铝用电解质的使用方法，其特征在于与其使用相配套的侧部材料为普通炭块，或为氮化硅结合碳化硅，或为两者复合侧部材料。
全文摘要
一种铝用电解质及其使用方法，涉及一种铝电解生产用电解质熔剂配方及其使用方法。其特征在于其熔融态的重量比成份包括NaF50%～56%；NaCl0~3%；AlF326%～30%；CaF22%~4%；CaCl20~1%；MgF20～3%；LiF1～6%；KF0～3%；KCl1%~3%。电解质熔盐电导率为2.30-2.65S/cm；(2)控制电解质工作温度为930～965℃，过热度5~28℃；(3)提高电流强度或增大阴阳极距离，或加强槽体保温。本发明的一种铝用电解质及其使用方法，可减少单位电流电解质的电压降，提高电解槽单位产能，降低电解槽单位产品能量消耗，降低生产氟化铝添加量，实现电解槽生产高效节能降耗的目的。
文档编号C25C3/18GK102817044SQ201210262178
公开日2012年12月12日 申请日期2012年7月27日 优先权日2012年7月27日
发明者黄海波, 邱仕麟 申请人:中国铝业股份有限公司