楊運(yùn)川

（貴陽鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽 550003）

電解質(zhì)初晶溫度是鋁電解質(zhì)非常重要的物理化學(xué)參數(shù)之一，初晶溫度影響電解質(zhì)的揮發(fā)性、流動性、金屬與電解質(zhì)的分離和金屬的熔解損失等[1]。工業(yè)能耗大，環(huán)保要求高，惰性陽極、導(dǎo)流槽、低溫電解等技術(shù)成為近年來的熱門研究?；羰想娊怃X法的電解溫度一般在960℃左右，但鋁的熔點(diǎn)只有660℃，為了制造液態(tài)鋁，電解溫度實(shí)際上還有很大程度的降低。所以低溫電解質(zhì)一直是鋁電解工業(yè)研究的熱點(diǎn)，而尋找新型的低溫鋁電解質(zhì)必然要從降低電解質(zhì)體系初晶溫度著手，人們通常通過選擇合適的添加劑如：AlF3、CaF2、MgF2和LiF等來進(jìn)一步降低電解質(zhì)的初晶溫度[2]。初晶溫度的高低直接影響著鋁電解的電流效率，研究表明：當(dāng)其他條件相同時(shí)，電解溫度每降低1℃，電流效率就提高約0.18%[3]。本文使用某電解鋁企業(yè)的生產(chǎn)槽樣品，在其中添加AlF3，通過試驗(yàn)研究AlF3添加量對該電解質(zhì)體系的初晶溫度影響。

1 實(shí)驗(yàn)

本次試驗(yàn)原料有電解質(zhì)試樣和AlF3，其中電解質(zhì)試樣為某電解鋁企業(yè)生產(chǎn)槽所取樣品，該電解質(zhì)為鈉冰晶石體系，成分檢測結(jié)果如表1。AlF3為高純AlF3（純度≥99.9%），試驗(yàn)前將電解質(zhì)試樣按《GB/T33908-2017鋁電解質(zhì)初晶溫度測定技術(shù)規(guī)范》要求破碎、研磨至全部通過75μm的標(biāo)準(zhǔn)篩網(wǎng)貯存?zhèn)溆谩?/p>

表1 某生產(chǎn)槽電解質(zhì)樣品成分

將電解質(zhì)試樣用電子天平稱取10g，共稱取3份試樣，裝入專用的測試容器中，采用北京核心動力科技生產(chǎn)的初晶溫度測試儀對電解質(zhì)試樣進(jìn)行初晶溫度測試。

在制備好的電解質(zhì)試樣中按比例額外添加不同含量的AlF3粉體，分別制得添加量為5%wt、10%wt、15%wt、20%wt、25%wt、30%wtAlF3的電解質(zhì)試樣，并對每種試樣用電動拌桶攪拌混勻，每種添加量的試樣取3個(gè)，每個(gè)10g，裝入專用的測試容器中待測。

結(jié)合電解質(zhì)試樣初晶溫度測試結(jié)果和不同添加量AlF3的電解質(zhì)試樣初晶溫度測試結(jié)果的測試結(jié)果，將不同AlF3添加量的電解質(zhì)試樣初晶溫度平均值繪制曲線如圖1。

圖1 不同AlF3添加量的電解質(zhì)試樣初晶溫度變化曲線

從圖1可看出，對于本電解質(zhì)試樣，通過添加AlF3可以降低電解質(zhì)體系初晶溫度，這是因?yàn)榻档土穗娊赓|(zhì)體系的分子比，其中添加15%wtAlF3得到了該區(qū)間內(nèi)初晶溫度相對最低的電解質(zhì)體系，為了進(jìn)一步證實(shí)這一試驗(yàn)結(jié)果，對該含量的電解質(zhì)做初晶溫度驗(yàn)證試驗(yàn)，再取3組添加量15%wtAlF3的電解質(zhì)試樣，驗(yàn)證試驗(yàn)初晶溫度平均值911.4℃，明顯低于添加量0%wt、5%wt、10%wt、15%wt、20%wt、25%wt、30%wtAlF3的電解質(zhì)試樣，說明在添加量15%wtAlF3或其左右，初晶溫度有明顯下降。為了解釋這一現(xiàn)象，查閱文獻(xiàn)，嘗試著尋找理論計(jì)算模型來解釋。

張廷利[4]在《NaF-AlF3-Al2O3-CaF2-LiF-MgF2-KF系工業(yè)鋁電解質(zhì)初晶溫度的研究》一文中通過試驗(yàn)給出了電解質(zhì)初晶溫度計(jì)算式如式（1）所示。

將本次試驗(yàn)試樣成分帶入式（1），得到結(jié)果如表2所示。

從計(jì)算結(jié)果看式（1）的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相差較大，無法很好擬合試驗(yàn)結(jié)果。

表2 電解質(zhì)試樣成分及式（1）理論計(jì)算結(jié)果

陳建設(shè)[5]等在《鋁電解質(zhì)Na3AlF6-AlF3-LiF-MgF2-CaF2系初晶溫度上20℃的熔鹽性質(zhì)和等溶成分》一文中給出的初晶溫度計(jì)算式如（2）所示。

式（2）中沒有給出KF的添加量對初晶溫度的影響，劉芳玉[2]在《KF對鋁電解質(zhì)性質(zhì)的影響研究》中給出了KF含量每增加1%wt，初晶溫度降低3℃～4℃；Solheim等根據(jù)研究結(jié)果在Na3AlF6-CaF2-MgF2-KF-AlF3-LiF-Al2O3電解質(zhì)體系初晶溫度經(jīng)驗(yàn)式中給出了增加1%wt KF，初晶溫度降低3.95℃。

表3 式（2）理論計(jì)算結(jié)果與測試結(jié)果比較

呂曉軍等在《鋁電解質(zhì)初晶溫度和氧化鋁溶解度的理論計(jì)算》中指出電解質(zhì)中每增加1%wt的Al2O3，電解質(zhì)初晶溫度降低7℃。所以需要對是式（2）計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正。計(jì)算結(jié)果如表3所示。

式（2）同樣無法給出與測試結(jié)果相近的計(jì)算結(jié)果。王家偉等人研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)氟化鋁含量小于18%時(shí)，沒添加1%的氟化鋁初晶溫度降低1℃～4℃；當(dāng)大于18%時(shí)，每添加1%初晶溫度降低～10℃。通過該結(jié)論，造成本次測試結(jié)果的可能原因：在額外添加15%wtAlF3附近，總的氟化鋁含量到達(dá)臨界值，此時(shí)初晶溫度降幅加大。

2 結(jié)論

（1）分別測試了不同添加量的AlF3的鈉冰晶石電解質(zhì)體系初晶溫度，并對結(jié)果進(jìn)行理論計(jì)算。

（2）當(dāng)額外添加15%wt的AlF3時(shí)，可能達(dá)到了初晶溫度降幅的臨界值，具體原因還需進(jìn)一步研究分析。