冶金過(guò)程中陽(yáng)極效應(yīng)對(duì)電解鋁液中氫形成的影響研究

（黃河鑫業(yè)有限公司，青海 西寧 810000）

近幾年電解鋁技術(shù)在我國(guó)快速發(fā)展，鑄錠鋁制品所使用的傳統(tǒng)電解鋁工藝早已被短流程技術(shù)代替，但是陽(yáng)極效應(yīng)在冶金過(guò)程電解鋁液中氫的形成直接對(duì)鋁制品的質(zhì)量產(chǎn)生影響[1]。鋁在金屬中屬于化學(xué)性質(zhì)比較活潑的，可以和二氧化碳發(fā)生反應(yīng)生成Al2O3并吸收H，氫在液態(tài)鋁中的溶解度相對(duì)于在固態(tài)鋁中要大一些，因此吸收的氫氣能夠大量的溶于鋁液中。吸入氫后的鋁液凝固后會(huì)出現(xiàn)疏松、氣孔等現(xiàn)象，對(duì)鋁制品的質(zhì)量和性能產(chǎn)生很大影響。鋁液中的氫分子和溶解后的氫產(chǎn)生的量比導(dǎo)致鋁制品疏松，而鋁制品的分層會(huì)受疏松現(xiàn)象的影響；氫引起的鋁制品出現(xiàn)氣孔會(huì)使鋁制品在鑄錠過(guò)程中性能降低，就會(huì)導(dǎo)致制作出的鋁件亮度損失，因此在鋁制品出現(xiàn)氣泡現(xiàn)象的時(shí)候我們只能采用退火和固溶相結(jié)合的方法來(lái)補(bǔ)救。如果鋁溶液中的氫含量越來(lái)越多，將會(huì)導(dǎo)致鋁制品的缺陷越來(lái)越嚴(yán)重。

1 陽(yáng)極效應(yīng)對(duì)電解鋁的影響分析

眾所周知冶金就是將金屬溶液中的雜質(zhì)需要通過(guò)熔融（加熱達(dá)到熔點(diǎn)之上）來(lái)進(jìn)行造渣、除渣實(shí)現(xiàn)消除，同時(shí)通過(guò)某些化學(xué)成分實(shí)現(xiàn)除渣、去氧、脫碳等得到相對(duì)應(yīng)的純凈合金成分的過(guò)程。再進(jìn)行精細(xì)的精煉過(guò)程這一般就屬于涉及金屬成型行業(yè)，例如對(duì)礦石的加工冶煉、毛坯粗煉，及毛坯的再加工煉鐵廠、煉鋼廠和有色的金屬提純。陽(yáng)極效應(yīng)是電解鋁中經(jīng)常出現(xiàn)的情況，碳作為陽(yáng)極電解液會(huì)生成氣體二氧化碳，二氧化碳的阻塞導(dǎo)致電流不能正常經(jīng)過(guò)。鋁液中的氧和雜質(zhì)含量的增多并不是由陽(yáng)極效應(yīng)自身造成，而是在陽(yáng)極效應(yīng)之后進(jìn)行的加料和過(guò)程處理中導(dǎo)致鋁液在電解時(shí)增加了對(duì)氫和雜質(zhì)的吸收。我們?cè)趯?shí)際生產(chǎn)中會(huì)采用兩種阻止陽(yáng)極效應(yīng)的方法。第一種是把足量的氧化鋁加入到電解液中，然后在96℃的鋁液-電解液中插入浸濕的木條，發(fā)生脫水反應(yīng)后產(chǎn)生大量的二氧化碳?xì)怏w和水。鋁溶液被二氧化碳?xì)怏w攪起后時(shí)陽(yáng)極底面和穿過(guò)氣膜的鋁液接觸使電路發(fā)生短路現(xiàn)象，阻止了陽(yáng)極效應(yīng)的發(fā)生[2]。加熱后的鋁液與水和二氧化碳能夠發(fā)生化學(xué)效應(yīng)。

第二種方法是把高壓風(fēng)管直接插入到放置在槽上部的鋁溶液中，讓壓縮空氣在送風(fēng)程序的作用下被吹到鋁溶液中，高溫的鋁液和壓縮空氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，體積逐漸增加，發(fā)生的沸騰作用使陰極中的鋁液被攪起造成電路短路現(xiàn)象，阻止了陽(yáng)極效應(yīng)的發(fā)生。加熱后的鋁液和高壓下的氧氣、水和二氧化碳發(fā)生化學(xué)效應(yīng)，產(chǎn)生大量的氫和氧化鋁雜質(zhì)。

從化學(xué)式中可以看出，在發(fā)生陽(yáng)極效應(yīng)時(shí)對(duì)鋁溶液中的氫和氧化鋁雜質(zhì)的處理是電解鋁中非常重要的過(guò)程。

2 影響分析試驗(yàn)

鋁電解形成的過(guò)程中，原料帶入的水分導(dǎo)致氧化鋁和效應(yīng)處理的過(guò)程，及水解與水分電解的過(guò)程是與鋁液吸氫直接相關(guān)的兩個(gè)過(guò)程。氫含量是電解鋁過(guò)程中發(fā)生陽(yáng)極效應(yīng)后需要主要的重要指標(biāo)，鋁溶液的電解直接影響了水分的電解，鋁溶液在電解后產(chǎn)生氫的主要原因就是水分的電解。

氫在鋁液電解后只有一小部分?jǐn)U散到鋁溶液中，大部分是和其他氣體一起被氧化鋁雜質(zhì)吸收，被氧化鋁雜質(zhì)帶入到鋁溶液里[3]。多種化學(xué)作用導(dǎo)致鋁溶液在電解過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)二氧化碳擴(kuò)散、電解液界面形態(tài)和運(yùn)動(dòng)方向改變、鋁液-電解液循環(huán)等現(xiàn)象，對(duì)氧化鋁雜質(zhì)在鋁液-電解液界面的產(chǎn)生起著關(guān)鍵作用，產(chǎn)生的氧化鋁雜質(zhì)不但能幫助氫進(jìn)入到鋁溶液中，還是導(dǎo)致氫溶解在鋁溶液中的主要原因。

圖1 陽(yáng)極效應(yīng)對(duì)電解鋁液中氫的影響

我們把鋁液和木條通過(guò)模擬外熱式電爐的方法進(jìn)行氫產(chǎn)物裂解，采用熱分析的試驗(yàn)方法，對(duì)鋁液中裂解的木條對(duì)氫的吸入和增加的過(guò)程進(jìn)行研究，與分子動(dòng)力學(xué)技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)模擬木條效應(yīng)試驗(yàn)對(duì)鋁液中氫的溶解和擴(kuò)散、對(duì)氫擴(kuò)散后的分布情況及在鋁液中的溶解情況進(jìn)行研究。我們用工業(yè)的純金屬鋁作為鋁液，鋁液用高純石墨坩堝容器盛放，氫氣的通氣管采用石墨管，研究出木條裂解后生成的氫氣和鋁液發(fā)生氣液反應(yīng)的規(guī)律和氫氣在鋁液中的擴(kuò)散情況。首先在電阻爐上放置石墨坩堝，在電阻爐中加入氮，把電阻爐溫度調(diào)到960℃，連續(xù)100分鐘用石墨管將氫通入到鋁液中。試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

從圖1能夠反映出電解鋁在陽(yáng)極效應(yīng)中形成氫的濃度變化，隨著時(shí)間的增加，產(chǎn)生的氫含量濃度越來(lái)越高，導(dǎo)致鋁制品質(zhì)量下降，同時(shí)造成空氣污染。負(fù)電荷在氧化鋁質(zhì)點(diǎn)表面向右方向移動(dòng)才能達(dá)到平衡狀態(tài)，分子間存在相互吸引的氣場(chǎng)，由于固體吸附氣體的化學(xué)性質(zhì)導(dǎo)致氧化鋁和氫分子結(jié)合到一起，導(dǎo)致氫在氧化鋁質(zhì)點(diǎn)表面上濃度增加。

3 結(jié)語(yǔ)

鋁溶液和氫含量在冶金過(guò)程中存在著密切的關(guān)系，電解過(guò)程中氫的生成量是鋁液中實(shí)際氫含量的3.28＊104倍，氫的含量是陽(yáng)極電解鋁液時(shí)重點(diǎn)檢測(cè)的指標(biāo)。鋁液表面生成的氧化鋁薄膜對(duì)鋁液起著保護(hù)的作用，可以有效阻止鋁液對(duì)氫的吸入，促進(jìn)冶金工業(yè)發(fā)展、提高冶金產(chǎn)品質(zhì)量、增加品種、發(fā)展冶金新技術(shù)及探索冶金新流程等方面起著重要作用。