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摘 要：自美国霍尔和法国埃鲁发明了炼铝的电解法之后，铝工业就一直采用这种方法，但是这种方法耗能高、单槽生产率低、污染严重，铝生产行业也一直在寻找新的、更加先进的技术。低温铝电解因为能够有效提高电流效率、节省电能，并能延长电解槽的使用寿命，一直是铝业界中备受关注的话题。本文对低温铝电解的工艺技术进行简要论述。
关键词：铝电解 低温铝电解 工艺技術
中图分类号：TN2 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）07（a）-0073-01
传统的霍尔-埃鲁法在电解生产铝时通常在940 ℃～960 ℃进行，低温铝电解是要实现温度在800 ℃～900 ℃的铝电解。低温铝电解的方法有很多，其中钠冰晶石体系，锂冰晶石体系低温电解、钾冰晶石体系低温电解以Al2O3为原料，属于传统低温铝电解。氯化铝融盐电解、硫化铝融盐电解、非水溶液溶剂中卤化铝和有机铝盐电解以非Al2O3的铝盐为原料，属于非传统低温铝电解。
1 传统低温铝电解工艺技术
对于传统的低温铝电解来讲，降低电解质体系的初晶点温度是实现低温铝电解的关键，因此对钠冰晶石体系、锂冰晶石、钾冰晶石等电解质的研究尤为重要。
1.1 钠冰晶石体系低温电解
钠冰晶石体系的基本成分是Na3AlF6，AlF3和Al2O3。此外，还添加一些添加剂如CaF2、MgF2、LiF和NaCl等。我国低温铝电解研究者邱竹贤针对添加不同的添加剂对初晶点温度的不同影响做了总结。实验结果表明在各添加剂中LiF、MgF2、BaCl2和AlF3对铝电解质初晶点的温度变化影响最大，电解质中每添加1%的添加剂，其温度下降5℃以上。
Al2O3在铝电解质中的溶解速度和溶解度对电解过程较为重要，如果电解质中的Al2O3溶解度太小或者溶解速度缓慢，在电解过程中则会造成Al2O3沉淀在槽底的情况，这样会增加能量的消耗。为了防止此情况发生，在低温电解质时可添加轻度焙烧Al2O3。电解质引起的电压降在铝电解槽电压中意味着会降低槽电压和减少电能的消耗。为保证各电解参数在低温电解时不发生变化，需降低极距，以补偿温度降低所引起的电解质导电率下降而带来的槽电压上升。
在铝电解生产过程中，可以向冰晶石熔体中添加Al2O3、LiF、AlF3、NaCl、CaF2、MgF2以及NaF来降低电解质的密度，以加快电解质与铝液的分离，有利于提高电流效率。熔融金属铝和电解质间的界面张力越大，越能有效地减少铝通过此界面向电解质中的传输。而低温电解时界面张力有利于电流效率提高。
1.2 锂冰晶石体系低温电解
在LiF，AlF3二元系中，由于锂冰晶石的熔点为785 ℃，并且锂冰晶石与AlF3的共晶点为710 ℃，因此，在该体系中存在着宽阔的低温区域，不过在纯锂冰晶石中Al2O3的溶解度也只有1%～2%（质量），Al2O3溶解度太小影响了该体系作为铝电解质低温体系。根据研究者实验结果表明，以Na3AlF6，LiF，AlF3，CaF2，Al2O3作为低温体系进行研究，电解质组成为Na3AlF654%（质量），LiF14%（质量），AlF326%（质量），CaF2%（质量），Al2O3%（质量），电解温度800 ℃，电流密度0.43 A/cm2，电流效率达92%，无阴极固体结壳现象发生。锂冰晶石体系的缺点是Al2O3溶解度太小，LiF价格昂贵。只有在LiF大量生产的情况下，LiF才能广泛使用。
1.3 钾冰晶石体系低温电解
Al2O3在纯K3AlF6中有较大的溶解度，可有效解决在在钠冰晶石体系中低温电解时Al2O3溶解度小的问题，但是实验结果表明，钾盐对碳素材料的渗透力太强，而铝电解的电极和槽衬是以碳素为材料的，因此钾冰晶石体系曾一度被铝工业禁用。后来，惰性电极和绝缘槽衬的双极性电解槽的实现使钾盐在低温铝电解中得以使用。Sterten等在组成为Na3AlF638.5%（质量），Li3AlF629.7%（质量），K3AlF623.8%（质量），CaF25%（质量）和Al2O33%（质量）的电解质中电解制取铝，当电解温度为850 ℃，电流密度为0.15 A/cm2时，电流效率稍低为82%。实验结果表明，钾冰晶石体系具有Al2O3溶解度大的优点，但是电导率有所下降。钾冰晶石体系最终能否作为铝电解低温体系，还须进一步考察其物化性质，电流效率及电化学性质后才能确定。
2 非传统低温铝电解工艺技术
因为非传统低温铝电解的各种特点，目前对与非传统低温铝电解的研究已非常少了。
2.1 氯化铝融盐电解
氯化铝融盐电解法以AlCl3取代了传统的原料Al2O3，并且电解温度较低只有700℃。关于氯化铝融盐电解法的研究自1854年以来一直没有停止过。根据国外研制经验和结果总结AlCl3融盐电解法包括两个主要步骤：一是从铝土矿中制取Al2O3；二是Al2O3电解制取Al。铝电解采用密闭的多室电解槽，用石墨作电极。所用电解质体系有氯化物体系和氟氯化物体系两类。与铝业一直沿用的霍尔埃鲁法相比具有电解温度低，碳阳极不消耗，电耗相对较小，能够采用较大电流密度的优势，但是在实验中也表明该法具有一定的缺陷，氯化物对设备的腐蚀性较强，需要一个额外的氯化工序，能耗量增大，因AlCl3吸水性较强，易在槽内产生沉淀。此方法目前已停止工业试验。
2.2 硫化铝融盐电解
Bucherer于1892年提出硫化铝融盐电解法，把Al2S3·3Na2S化合物溶解在碱金属和碱土金属氟化物（或氯化物）中进行融盐电解制取纯铝。德国和前苏联、美国科学家都曾对此法进行了研究，1982年美国Minh等把Al2S3溶解在MgCl2，NaCl，KCl溶液中进行电解制得金属铝。硫化铝融盐电解具有电解温度低，碳阳极不消耗的优点，但是Al2S3需要合成方法制取，Al2S3极易水解发生反应，而且在电解过程中会产生大量有毒的硫化物挥发。目前对该法的研究已很少。
2.3 非水溶液溶剂中卤化铝和有机铝盐电解法
非水溶液溶剂中卤化铝和有机铝盐电解法具有能耗低、得到的铝纯度高、电解质无腐蚀性，不用碳素材料的优势，但是该种方法成本高，原料不宜储备，电解质导电率低，电流密度和单位阴极面积上铝的产出率低的缺陷，不适合大规模生产。
总之，低温铝电解的方法虽然有很多，但是从各研究结果看，钠冰晶石体系低温电解具有较高的使用价值。我国对于低温铝电解的研究水平在世界上处于领先地位，但是在工业应用方面还不够，我们应当将研究成果积极的应用到工业生产中，为工业生产创造出更多的效益。
参考文献
[1] 田忠良，赖延清，银瑰，等.低温铝电解研究进展[J].有色金属：冶炼部分，2004（5）.
[2] 邱竹贤，王兆文，高炳亮.铝电解添加氯化钠的研究[J].轻金属，2002（3）：32.
关键词：铝电解 低温铝电解 工艺技術
中图分类号：TN2 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）07（a）-0073-01
传统的霍尔-埃鲁法在电解生产铝时通常在940 ℃～960 ℃进行，低温铝电解是要实现温度在800 ℃～900 ℃的铝电解。低温铝电解的方法有很多，其中钠冰晶石体系，锂冰晶石体系低温电解、钾冰晶石体系低温电解以Al2O3为原料，属于传统低温铝电解。氯化铝融盐电解、硫化铝融盐电解、非水溶液溶剂中卤化铝和有机铝盐电解以非Al2O3的铝盐为原料，属于非传统低温铝电解。
1 传统低温铝电解工艺技术
对于传统的低温铝电解来讲，降低电解质体系的初晶点温度是实现低温铝电解的关键，因此对钠冰晶石体系、锂冰晶石、钾冰晶石等电解质的研究尤为重要。
1.1 钠冰晶石体系低温电解
钠冰晶石体系的基本成分是Na3AlF6，AlF3和Al2O3。此外，还添加一些添加剂如CaF2、MgF2、LiF和NaCl等。我国低温铝电解研究者邱竹贤针对添加不同的添加剂对初晶点温度的不同影响做了总结。实验结果表明在各添加剂中LiF、MgF2、BaCl2和AlF3对铝电解质初晶点的温度变化影响最大，电解质中每添加1%的添加剂，其温度下降5℃以上。
Al2O3在铝电解质中的溶解速度和溶解度对电解过程较为重要，如果电解质中的Al2O3溶解度太小或者溶解速度缓慢，在电解过程中则会造成Al2O3沉淀在槽底的情况，这样会增加能量的消耗。为了防止此情况发生，在低温电解质时可添加轻度焙烧Al2O3。电解质引起的电压降在铝电解槽电压中意味着会降低槽电压和减少电能的消耗。为保证各电解参数在低温电解时不发生变化，需降低极距，以补偿温度降低所引起的电解质导电率下降而带来的槽电压上升。
在铝电解生产过程中，可以向冰晶石熔体中添加Al2O3、LiF、AlF3、NaCl、CaF2、MgF2以及NaF来降低电解质的密度，以加快电解质与铝液的分离，有利于提高电流效率。熔融金属铝和电解质间的界面张力越大，越能有效地减少铝通过此界面向电解质中的传输。而低温电解时界面张力有利于电流效率提高。
1.2 锂冰晶石体系低温电解
在LiF，AlF3二元系中，由于锂冰晶石的熔点为785 ℃，并且锂冰晶石与AlF3的共晶点为710 ℃，因此，在该体系中存在着宽阔的低温区域，不过在纯锂冰晶石中Al2O3的溶解度也只有1%～2%（质量），Al2O3溶解度太小影响了该体系作为铝电解质低温体系。根据研究者实验结果表明，以Na3AlF6，LiF，AlF3，CaF2，Al2O3作为低温体系进行研究，电解质组成为Na3AlF654%（质量），LiF14%（质量），AlF326%（质量），CaF2%（质量），Al2O3%（质量），电解温度800 ℃，电流密度0.43 A/cm2，电流效率达92%，无阴极固体结壳现象发生。锂冰晶石体系的缺点是Al2O3溶解度太小，LiF价格昂贵。只有在LiF大量生产的情况下，LiF才能广泛使用。
1.3 钾冰晶石体系低温电解
Al2O3在纯K3AlF6中有较大的溶解度，可有效解决在在钠冰晶石体系中低温电解时Al2O3溶解度小的问题，但是实验结果表明，钾盐对碳素材料的渗透力太强，而铝电解的电极和槽衬是以碳素为材料的，因此钾冰晶石体系曾一度被铝工业禁用。后来，惰性电极和绝缘槽衬的双极性电解槽的实现使钾盐在低温铝电解中得以使用。Sterten等在组成为Na3AlF638.5%（质量），Li3AlF629.7%（质量），K3AlF623.8%（质量），CaF25%（质量）和Al2O33%（质量）的电解质中电解制取铝，当电解温度为850 ℃，电流密度为0.15 A/cm2时，电流效率稍低为82%。实验结果表明，钾冰晶石体系具有Al2O3溶解度大的优点，但是电导率有所下降。钾冰晶石体系最终能否作为铝电解低温体系，还须进一步考察其物化性质，电流效率及电化学性质后才能确定。
2 非传统低温铝电解工艺技术
因为非传统低温铝电解的各种特点，目前对与非传统低温铝电解的研究已非常少了。
2.1 氯化铝融盐电解
氯化铝融盐电解法以AlCl3取代了传统的原料Al2O3，并且电解温度较低只有700℃。关于氯化铝融盐电解法的研究自1854年以来一直没有停止过。根据国外研制经验和结果总结AlCl3融盐电解法包括两个主要步骤：一是从铝土矿中制取Al2O3；二是Al2O3电解制取Al。铝电解采用密闭的多室电解槽，用石墨作电极。所用电解质体系有氯化物体系和氟氯化物体系两类。与铝业一直沿用的霍尔埃鲁法相比具有电解温度低，碳阳极不消耗，电耗相对较小，能够采用较大电流密度的优势，但是在实验中也表明该法具有一定的缺陷，氯化物对设备的腐蚀性较强，需要一个额外的氯化工序，能耗量增大，因AlCl3吸水性较强，易在槽内产生沉淀。此方法目前已停止工业试验。
2.2 硫化铝融盐电解
Bucherer于1892年提出硫化铝融盐电解法，把Al2S3·3Na2S化合物溶解在碱金属和碱土金属氟化物（或氯化物）中进行融盐电解制取纯铝。德国和前苏联、美国科学家都曾对此法进行了研究，1982年美国Minh等把Al2S3溶解在MgCl2，NaCl，KCl溶液中进行电解制得金属铝。硫化铝融盐电解具有电解温度低，碳阳极不消耗的优点，但是Al2S3需要合成方法制取，Al2S3极易水解发生反应，而且在电解过程中会产生大量有毒的硫化物挥发。目前对该法的研究已很少。
2.3 非水溶液溶剂中卤化铝和有机铝盐电解法
非水溶液溶剂中卤化铝和有机铝盐电解法具有能耗低、得到的铝纯度高、电解质无腐蚀性，不用碳素材料的优势，但是该种方法成本高，原料不宜储备，电解质导电率低，电流密度和单位阴极面积上铝的产出率低的缺陷，不适合大规模生产。
总之，低温铝电解的方法虽然有很多，但是从各研究结果看，钠冰晶石体系低温电解具有较高的使用价值。我国对于低温铝电解的研究水平在世界上处于领先地位，但是在工业应用方面还不够，我们应当将研究成果积极的应用到工业生产中，为工业生产创造出更多的效益。
参考文献
[1] 田忠良，赖延清，银瑰，等.低温铝电解研究进展[J].有色金属：冶炼部分，2004（5）.
[2] 邱竹贤，王兆文，高炳亮.铝电解添加氯化钠的研究[J].轻金属，2002（3）：32.