有色金属冶金学3-铝电解

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1、1.2.3酸法生产氧化铝的方法分为碱法(如拜耳法、拜耳烧结联合法）、酸法和电热法。工业应用的只有碱法。用各种无机酸（硫酸、盐酸、硝酸）处理含铝原料时，原料中的氧化硅基本上不与酸起反应而残留在渣中。得到的含铁铝盐酸性水溶液经除铁净化后，可通过不同的方法得到铝盐水合物结晶或氢氧化铝结晶，煅烧这些结晶得到氧化铝。酸法分为硫酸法和盐酸法。设备腐蚀、能耗高，尚未工业应用。电热法也尚未工业应用。1.2.4炼铝用氧化铝的质量要求：纯度高、-氧化铝含量低、小于40m的粒度比例小，并且比表面积大于50m2/g。主要杂质：氧化钠、氧化钙、氧化硅、氧化钛、铁、

2、磷、钒、硅等。粒度要求：限制大于200m和小于44m的比例。1.3铝电解1.3.1熔融电解质体系的导电机理及铝电解原理熔融电解质体系的构成：电极、电解质、盛置电解质的容器。电极：分为阴极(C)和阳极(A)两种，它们分别与直流电源的负极(-)和正极(+)连接。电极表面附近双电层是电化学反应发生的场所，一、二类导体的界面电极可由惰性材料或活性材料构成，属于第一类导体（电子导电）。电解质：熔融盐电解质直接同电极接触，构成双电层。熔融电解质属于第二类导体（离子导电）由离子构成，除双电层区域外，整体呈电中性铝电解原理：熔融铝电解质温度高达950-9

3、70℃。在铝电解中，含氧阴离子在阳极上失去电子后，生成气体O2或CO2和CO，视电极材料而异：如果阳极并不参与电化学反应，则属于惰性阳极，生成氧气；如果阳极参与了电化学反应，则属于活性阳极，例如炭阳极，生成气体CO2和CO。铝离子在阴极上获得电子之后生成铝。冰晶石是一种天然的矿物，由于储量少，现代铝工业只能用人工合成冰晶石。高温的冰晶石熔液具有很大的腐蚀性，所以盛置电解质的容器用内部铺砌炭素材料的钢壳构成。1.3.2NaF-AlF3二元系工业铝电解质中冰晶石和氟化铝是熔剂，氧化铝是炼铝原料，另外有的还添加氟化钙、氟化镁和氟化锂。因为冰晶石是由

4、NaF和AlF3合成的，故NaF-AlF3二元系、Na3AlF6-Al2O3二元系和Na3AlF6-AlF3-Al2O3三元系是铝电解质的基本体系。在NaF-AlF3二元系中，有两种化合物：冰晶石（Na3AlF6）、亚冰晶石（Na5Al3F14），还可能有单冰晶石（NaAlF4）。冰晶石熔点1009℃，相图上它占显峰位置，但峰的陡度不太尖锐，表示它在熔化时发生一定程度的热分解。根据计算，其热分解率约30%。冰晶石在固态下有三种变体：单斜晶系、立方晶系、六方晶系。其相变温度分别为565℃和880℃即单斜晶系立方晶系六方晶系依冰晶石线为基准，

5、划分两个分系：（1）NaF-AlF3分系。简单共晶系，共晶点在23%AlF3+77%NaF处，888℃。（2）Na3AlF6-AlF3分系。对该系意见不一致：※是在狭小的温度范围内存在单冰晶石（680-710℃）；※另一种是根本不存在单冰晶石。NaF-AlF3二元系相图相变：（1）包晶反应，包晶点737℃Na3AlF6+L→Na5Al3F14亚冰晶石（2）分解反应，温度737℃以下3[Na5Al3F14]→5Na3AlF6+4AlF3（3）包晶反应，包晶点710℃AlF3+L→NaAlF4单冰晶石（4）分解反应，温度680℃以下5NaAlF4

6、→Na5Al3F14+2AlF31.3.3Na3AlF6-Al2O3二元系★简单共晶系；★共晶点在摩尔分数为10～11.5%或8.6～21.1%处；★962-960℃。1.3.4工业铝电解质冰晶石Na3AlF6可写作3NaF·AlF3，为中性。在现代铝工业上，普遍采用酸性电解质，此种电解质内含过量氟化铝。电解质体系为Na3AlF6-AlF3-Al2O3三元系。在该系中有一个三元共晶点（E）（684℃），其熔点最低。E点的位置在质量分数Na3AlF6595%+AlF337.3%+Al2O33.2%处。电解质酸度有三种表示方式：（1）K1，即Na

7、F/AlF3摩尔比（量比）；（中国采用，称分子比）（2）K2，即NaF/AlF3质量比（北美洲采用）；（3）f,即过量AlF3%（西欧采用）这三种方式之间的关系，推算如下：（1）K1与K2之间的关系K1=2K2（2）K1与f之间的关系K1=3–7.5f/[100+1.5f]f=100–500K1/[3K1+6]如果电解质里除了NaF和AlF3之外还有Al2O3和CaF2等，则K1=3–7.5f/[100-+1.5f]式中为Al2O3和CaF2的百分含量已知电解质的质量为6吨，其中CaF23%，Al2O35%，摩尔比为3.0，今欲调整到

8、摩尔比为2.6，求所需的氟化铝量。设K为冰晶石摩尔比；W为冰晶石质量；X为NaF质量；Y为AlF3质量。X=WK/[K+2]Y=2W/[K+2]由已知条件，CaF2