高锂电解质对铝电解生产的影响及改善措施

高锂电解质对铝电解生产的影响及改善措施

万飞

陕西有色榆林新材料集团有限责任公司    陕西省榆林市榆阳区   719000

摘  要：为提高铝电解生产的综合效益，本文主要对高锂电解质对铝电解生产环节可能造成的不良影响和改善措施展开探析，首先阐述电解质体系中LiF的来源及富集原因，然后分别说明对铝电解生产造成的不良影响及改善措施，旨在为相关人员提供参考。

关键词：高锂电解质；铝电解；影响；措施

引言

铝是工业生产中非常重要的一种金属材料，为满足社会中对该材料不断提高的使用需求，冶金企业在生产过程中逐渐引进低品位铝土矿参与生产。但低品位铝土矿中杂质较多，为保障最终生成铝液的纯净度，需要采用行之有效的技术改善措施，对铝电解生产中的各类负面影响进行控制。

1  电解质体系中LiF的来源及富集

铝电解生产过程中发生的化学反应可用如下公式表达：

通过向铝电解生产系统中依次加入生产原料氧化铝、氟化铝、阳极和开槽时的装炉料冰晶石、电解质等物质，最终生成原铝液及废气[1]。各类物质在铝电解生产系统中经过一系列化学反应后，所生成的原铝液中锂元素的含量非常少，投入的生产原料预培阳极中不含锂元素的，则可通过物料守恒基本概念推测，化学反应过程中存在的锂元素必然是由其他生产原材料携带。通过比对某电解铝厂的原料质检报告发现，铝电解生产中使用的质量百分数为98.5%，另含有0.028%的锂元素，则说明锂元素跟随生产原料氧化铝与其他原料共同发生了化学反应。锂元素是金属元素中一种较为活泼的元素，当跟随氧化铝参加高温电解化学反应时，会和生产原料中的氟化铝或冰晶石接触和反应，生成不等量的LiF，LiF的生成过程可通过以下两个化学反应方程式来表示：

    （1）

或    （2）

其中方程式（1）说明在正常铝电解反应中是如何生成的，而当铝电解厂应用电解质粉进行装炉反应时，原本富集在电解质中的会再次进入生产系统参与化学反应。

在铝电解厂持续生产的过程中，大量含有微量锂元素的氧化铝生产原料被填入到生产系统中，经过化学反应后生成铝液，而生产原料中含的锂元素则在电解反应的作用下留存在电解质中，通过逐年积累逐渐形成高锂电解质体系，深入研究电解质体系对铝电解生产造成的影响，对提高铝电解厂的生产效率和生产质量具有重要意义。

2  对铝电解生产造成的不良影响

2.1  影响电解温度

传统铝电解生产环节中，为保障铝电解反应的完全程度，会通过人工方式向生产系统中加入适量碳酸锂，以保证电解槽温始终维持在950℃以上。但随着技术的不断革新，性价比更好的高锂氧化铝材料逐渐替代碳酸锂用于电解槽温度控制，而当电解质中富集的含量超过5%时，会使电解槽在铝电解化学反应过程中温度的难以良好的维持在950℃以上，而是基本保持在920~903℃之间，会在一定程度上增加电解质原材料损耗率、损失电流效率，不利于提高企业的生产效益。

2.2  影响氧化铝的溶解度

氧化铝在电解反应中的溶解度会受到搅拌完全程度、电解温度冰晶石熔盐电解质的溶解速度及温度等因素的影响，如冰晶石熔盐电解质温度越高，氧化铝的溶解效果速度和溶解效果越好。但当电解质中锂元素含量过高时，会对电解质的反应温度造成不良影响，不利于提高氧化铝的溶解能力，还可能发生炉内反应不完全、沉淀物增多、阴极压降升高、异常结壳等多种不良现象。

2.3  对企业生产效益的影响

当将铝电解生产条件中得的碳酸锂更改为高锂电解质后，为确保不会对铝电解生产效益产生显著影响，最理想状态应将铝电解生产过程中的过热温度控制在5~10℃范围内[2]。一旦过热超过此温度范围，就会引发化炉帮的不良现象，使铝的二次反应速度加快，不利于保持原铝质量；若过热过低，则会提高电解质粘稠度，提高沉淀物数量，影响电解槽的稳定运行。若想实现未定控制过热的目标，应全方面考虑两水平、分子比、下料量、下料频次等铝电解生产技术应用要点，通过调整生产工艺细节，保证企业的综合生产效益。

3  改善高锂电解质对铝电解生产影响的有效措施

3.1  在电解槽大修期间置换电解质

铝电解生产过程中使用的电解槽通常需要定期大修，提高电解槽的状态，以保证铝电解生产效率[3]。利用电解槽大修空隙，及时更换电解质，通过应用含锂量较小的材料参与铝电解生产，减少铝电解反应中的生成量，以减少对铝电解生产造成的不良影响。可在经过大修后再次投入生产的电解槽在装炉焙烧环节，将冰晶石材料替换成破碎电解质或高分子冰晶石，有效减少电解槽初始启动阶段中的含量，提高铝电解生产的稳定性。

3.2  适量应用低锂盐氧化铝材料

在铝电解生产环节适量应用低锂盐氧化铝材料，能有效抑制电解质中的富集速度[4]。通过对某电解厂应用低锂盐氧化铝材料进行生产前后的数据对比发现，氧化铝中含有不同质量百分数的锂元素，会直接影响电解质中的含量，适量应用低锂盐氧化铝材料参与铝电解生产，还能在一定程度上降低槽温，提高电流效率。

3.3  积极推动工艺技术创新

相关企业应积极推动工艺技术创新，建立更科学的工艺技术标准，才能推动行业健康发展[5]。如可适量提高电解质分子比，以最大程度减少对电解质初晶温度造成的负面影响，适当调整过热度，尽量保持电解质过热度在10~15℃范围内，以改善电解质过度粘稠的问题，提高电流效率，提高生产效率，减少能耗水平，提高经济效益。

3.4  改善措施总结

通过应用可行措施改善高锂电解质对铝电解生产的影响，有利于同时提高相关企业的生产效益和经济效益[6]。通过总结发现，在铝电解生产过程中将分子比控制在2.72上下，可将电解质中含量较为稳定的控制在2.6%左右，反应过程中电解槽温度能较为稳定的控制在925~930℃温度范围内，减少过热度异常问题，保障电流效率。通过比对相关铝电解生产厂的生产数据发现，采用此种方式能显著提高铝电解生产的整体效率。

4  结语：

综上所述，在铝电解生产过程中，由于生产原材料中含有不利于铝电解生产化学完全反映的锂元素，并在铝电解过程中逐渐富集，会在一定程度上影响电解生产的综合效益。通过应用行之有效的改善措施，减少高锂电解质在铝电解反应中的负面影响，能显著改善生产质量，有利于促进行业健康发展。

参考文献：

[1] 郭勇. 高锂,钾盐电解质体系下铝电解槽焙烧启动工艺控制实践[J]. 甘肃冶金, 2020, 42(4):5.

[2] 王侠前. 换极对铝电解槽稳定性的影响及改进措施[J]. 中国有色冶金, 2021, 50(6):5.

[3] 段波. 改善铝电解高锂高钾复杂电解质体系的实践探究[J]. 化工设计通讯, 2021, 47(1):2.

[4] 周锋、李喜元、张刚刚. 高锂盐体系对铝电解生产的影响及应对措施[J]. 轻金属, 2020(9):5.

[5] 马军玺. 高锂盐电解质体系下铝电解槽的电流效率分析与应对措施[J]. 世界有色金属, 2021(22):3.

[6] 王芳. 探究锂离子电池电解液中杂质含量对电池的影响及除杂技术[J]. 化工管理, 2020(6):2.