氧化鋁微量元素及雜質對鋁電解生產(chǎn)的影響

溫鐵軍 谷萬鐸|文

隨著我國電解鋁工業(yè)的迅速發(fā)展，2014年產(chǎn)能達3000余萬噸，巨大的市場需求，使氧化鋁行業(yè)也得到快速發(fā)展，國內部分地區(qū)微量元素和雜質含量高的鋁土礦生產(chǎn)的氧化鋁，導致氧化鋁物理化學指標品位的下降，對電解生產(chǎn)產(chǎn)生極大的影響。

現(xiàn)代電解鋁廠的原料輸送方式和干式吸氟生產(chǎn)工藝及環(huán)保要求，生產(chǎn)原料氧化鋁要具有很好的物理性能，使氧化鋁在電解質中的溶解速度快，減少槽底沉淀；流動性好，利于長距離風動輸送和電解槽氧化鋁的自動添加；在加料和輸送過程中飛揚損失少，破碎率低，以降低氧化鋁單耗，改善環(huán)境質量；較強的吸附氟化氫的能力，提高氧化鋁做吸附劑的干法煙氣凈化的效果；良好的保溫性能，易于在電解質表面形成良好的結殼——電解質熔體天然屏障，減少熱損失；有效地防護陽極氧化，減少陽極消耗。氧化鋁化學性能對電解生產(chǎn)影響則更為巨大，微量元素含量直接影響原鋁品質和生產(chǎn)技術經(jīng)濟指標。

影響氧化鋁品質的因素

1.物理性質對氧化鋁的影響

不同物理性質的氧化鋁，是由于鋁酸鈉溶液分解和氫氧化鋁煅燒過程的工藝特點不同所產(chǎn)生。砂狀氧化鋁工藝要求較粉狀或中間狀氧化鋁復雜和嚴格，生產(chǎn)成本較高，國內氧化鋁生產(chǎn)廠家大多為后者氧化鋁，國外生產(chǎn)的氧化鋁產(chǎn)品以砂狀氧化鋁占主導地位。

砂狀氧化鋁較粉狀氧化鋁相比具有如下優(yōu)點：由于砂狀氧化鋁粒度均勻且細粒氧化鋁含量少，使砂狀氧化鋁流動性明顯好于粉狀氧化鋁，在現(xiàn)代電解鋁廠的風動輸送系統(tǒng)中流動更快；高比表面積使其吸附能力強，因而最適用于氣體干法凈化系統(tǒng)。

氧化鋁的粒度和強度在很大程度上取決于原始氫氧化鋁的粒度和強度。生產(chǎn)砂狀氧化鋁時，必須制得粒度較粗和強度較大的氫氧化鋁。這些氧化鋁廠家可以通過改進生產(chǎn)工藝獲得所需要的砂狀氧化鋁，氧化鋁灼減含量（水分）亦可通過控制焙燒工藝得到控制，國內應用的燒結法碳分和燒結法種分等新技術生產(chǎn)的砂狀氧化鋁，性能指標已達到國外砂狀氧化鋁的技術水平。

2.化學性質（雜質）對氧化鋁的影響

Na2O在氧化鋁生產(chǎn)中的產(chǎn)生，主要是堿法生產(chǎn)工藝所致，砂狀氧化鋁Na2O含量也明顯比粉狀氧化鋁低，因此為了降低氧化鋁中的鈉含量，需進一步對分解過程進行優(yōu)化。

氧化鋁中含有的Fe2O3、SiO2、TiO2等雜質，這些雜質主要來源于礦石和鋁酸鈉溶液，氧化鋁廠能夠通過改變工藝控制進一步降低這些元素的含量，滿足電解鋁生產(chǎn)的需要。

3.不同地區(qū)鋁礬土品位情況

國內具有特殊代表性的河南省的鋁土礦中SiO2主要以伊利石、葉臘石和高嶺石形態(tài)賦存，隨棄赤泥的化學堿損失相對較低。山西省的鋁土礦中SiO2主要以高嶺石形態(tài)賦存，隨棄赤泥的化學堿損失很高，棄赤泥的Na2O/SiO2在0.5以上。

氧化鋁物理性能及對電解生產(chǎn)的影響

鋁電解廠要求氧化鋁具有很好的物理性能，以便使氧化鋁在電解質中的溶解速度快，槽底沉淀少；流動性好，便于風動輸送和向電解槽自動添加；在加料和輸送過程中飛揚損失少，以降低氧化鋁單耗、改善環(huán)境；對氟化氫的吸附能力強，能提高氧化鋁做吸附劑的干法煙氣凈化的效果；保溫性能好，能在電解質上形成良好的結殼，屏蔽電解質熔體，減少熱損失；有效地防護陽極氧化，減少陽極消耗；氧化鋁物理性質的指標很多，常用的有粒度、磨損指數(shù)、比表面積、堆積密度、α-Al2O3含量、安息角等。氧化鋁的流動性、粉塵量、保溫能力，在冰晶石熔體中的溶解速度和吸附氟化氫的能力等都取決于上述各項物理性質。

鋁電解要求氧化鋁的粒度要均勻。氧化鋁的粒度主要用粒級參數(shù)控制，要求所用氧化鋁大于150μm的含量要小于2%，小于45μm的含量要小于10%。

磨損指數(shù)是氧化鋁強度和控制氧化鋁粒度的一個重要指標。要求在保證其他物理性質的情況下，磨損指數(shù)越小越好，減少氧化鋁破損產(chǎn)生的細粒。氧化鋁的比表面積，要求控制在60～80m2/g，保證大比表面積氧化鋁對氟化氫的吸附能力。氧化鋁中的α-Al2O3含量降到5%～10%，利于提高電流效率。氧化鋁的松散密度要求基本穩(wěn)定，利于電解槽下料量精確控制。

氧化鋁微量元素及雜質對電解生產(chǎn)影響

1.電解質微量元素的影響

LiF、CaF：鋰鹽含量占電解質總量的2%左右時，可以降低電解質的初晶溫度，提高電解質電導率，提高電流效率，進而降低電壓并降低電耗，高含量氟化鋁電解質的缺點是降低氧化鋁溶解度。

鋰鹽含量過高，會導致槽溫過低（LiF含量每升高1%，將降低電解質初晶溫度約8℃），嚴重影響氧化鋁的溶解性能，容易引起爐底沉淀，影響電解槽熱平衡，但為低溫電解創(chuàng)造基礎條件。電解質中氟化鈣標準為3%～5%，每增加1%，將降低電解質初晶溫度3℃。

氟化鉀：鉀鹽在電解質中主要以K2NaAlF6形式存在。隨著KF含量的增加，初晶溫度基本上呈現(xiàn)線性變化。鉀鹽可以降低鋁液與電解質的界面張力，增加鋁液在電解質中的溶解度和溶解速度，但高鉀電解質存在電導率較低，低溫電解過程中k+在陰極附近富集，易產(chǎn)生陰極結殼現(xiàn)象。一般情況下，電解質中微量元素LiF、KF、MgF含量總和不超過5.6%， KF含量每增加1%，將降低電解質初晶溫度3～4℃（見表1）。

在添加劑中，鉀鹽是極少可增加氧化鋁溶解度的添加劑之一。氟化鋁和氟化鋰都會明顯降低氧化鋁的溶解度。KF可以減小電解質的密度，有利電解質與鋁液分層?？梢越档统蹙囟?，但幅度較小。KF對電解質導電率的影響較小。在所有的添加劑中唯LiF有提高導電率的作用，其他都會降低導電率，包括氟化鋁。高熔點的鉀鈉冰晶石有利于爐幫形成。多項文獻證實，10%以下的KF濃度對槽壽命影響細微。

2.氧化鋁的其他雜質對鋁電解的影響

氧化鋁的其他微量元素（雜質）是影響原鋁質量的主要因素，同時也影響鋁電解過程的技術經(jīng)濟指標，如電流效率及氟化鹽消耗等，因此必須控制和減少氧化鋁中的雜質含量。

氧化鈉是氧化鋁產(chǎn)品中的主要雜質，氧化鋁中氧化鈉含量的升高對電解生產(chǎn)有很大的影響，當電解質中的鈉含量增加時，必須多加入氧化鋁以維持正常的NaF/AlF3比值，使氟化鹽的消耗量增加，增加了電解質的體積。同時氧化鈉在電解質化學變化和對工藝控制方面影響較大。氧化鈉在電解質中反應為 ：3NaO+2AlF3→Al2O3+6NaF

氧化鋁中Na2O含量保持0.2%～0.3%，低鈉氧化鋁對電解生產(chǎn)比較有益。

氧化鋁中其他氧化物雜質Fe2O3、SiO2、TiO2、V2O5等，這些含有比鋁更正電性的氧化物雜質首先在陰極上析出而使原鋁的質量降低，同時影響電流效率。

氧化鋁中的灼減表示氧化鋁進入電解槽之后所要釋放的總水量，氧化鋁的水分和比表面積與焙燒程度密切相關，比表面積大，細料少，含水分或揮發(fā)份多。根據(jù)中國氧化鋁質量標準，目前氧化鋁灼減基本能達到小于1%的要求。

結語

氧化鋁物理和化學性質對鋁電解生產(chǎn)技術經(jīng)濟指標影響極大。粒度均勻適中，磨損指數(shù)、比表面積、松散密度、α-Al2O3含量、安息角等物理性能優(yōu)良的砂狀氧化鋁流動性好，飛揚損失少，溶解速度快，對氟化氫的吸附能力強對電解生產(chǎn)非常有利，氧化鋁的化學雜質如Fe2O3、SiO2、TiO2等會使原鋁的質量降低，同時影響電流效率；灼減高將增加電解質中氟化物的水解而產(chǎn)生氟化氫，影響鋁電解過程的技術經(jīng)濟指標，氧化鋁生產(chǎn)廠家可通過工藝升級改良滿足鋁電解生產(chǎn)的需要，盡可能地降低氧化鋁中的雜質含量。