氧化铝微量元素及杂质对铝电解生产的影响

温铁军 谷万铎|文

随着我国电解铝工业的迅速发展，2014年产能达3000余万吨，巨大的市场需求，使氧化铝行业也得到快速发展，国内部分地区微量元素和杂质含量高的铝土矿生产的氧化铝，导致氧化铝物理化学指标品位的下降，对电解生产产生极大的影响。

现代电解铝厂的原料输送方式和干式吸氟生产工艺及环保要求，生产原料氧化铝要具有很好的物理性能，使氧化铝在电解质中的溶解速度快，减少槽底沉淀；流动性好，利于长距离风动输送和电解槽氧化铝的自动添加；在加料和输送过程中飞扬损失少，破碎率低，以降低氧化铝单耗，改善环境质量；较强的吸附氟化氢的能力，提高氧化铝做吸附剂的干法烟气净化的效果；良好的保温性能，易于在电解质表面形成良好的结壳——电解质熔体天然屏障，减少热损失；有效地防护阳极氧化，减少阳极消耗。氧化铝化学性能对电解生产影响则更为巨大，微量元素含量直接影响原铝品质和生产技术经济指标。

影响氧化铝品质的因素

1.物理性质对氧化铝的影响

不同物理性质的氧化铝，是由于铝酸钠溶液分解和氢氧化铝煅烧过程的工艺特点不同所产生。砂状氧化铝工艺要求较粉状或中间状氧化铝复杂和严格，生产成本较高，国内氧化铝生产厂家大多为后者氧化铝，国外生产的氧化铝产品以砂状氧化铝占主导地位。

砂状氧化铝较粉状氧化铝相比具有如下优点：由于砂状氧化铝粒度均匀且细粒氧化铝含量少，使砂状氧化铝流动性明显好于粉状氧化铝，在现代电解铝厂的风动输送系统中流动更快；高比表面积使其吸附能力强，因而最适用于气体干法净化系统。

氧化铝的粒度和强度在很大程度上取决于原始氢氧化铝的粒度和强度。生产砂状氧化铝时，必须制得粒度较粗和强度较大的氢氧化铝。这些氧化铝厂家可以通过改进生产工艺获得所需要的砂状氧化铝，氧化铝灼减含量（水分）亦可通过控制焙烧工艺得到控制，国内应用的烧结法碳分和烧结法种分等新技术生产的砂状氧化铝，性能指标已达到国外砂状氧化铝的技术水平。

2.化学性质（杂质）对氧化铝的影响

Na2O在氧化铝生产中的产生，主要是碱法生产工艺所致，砂状氧化铝Na2O含量也明显比粉状氧化铝低，因此为了降低氧化铝中的钠含量，需进一步对分解过程进行优化。

氧化铝中含有的Fe2O3、SiO2、TiO2等杂质，这些杂质主要来源于矿石和铝酸钠溶液，氧化铝厂能够通过改变工艺控制进一步降低这些元素的含量，满足电解铝生产的需要。

3.不同地区铝矾土品位情况

国内具有特殊代表性的河南省的铝土矿中SiO2主要以伊利石、叶腊石和高岭石形态赋存，随弃赤泥的化学碱损失相对较低。山西省的铝土矿中SiO2主要以高岭石形态赋存，随弃赤泥的化学碱损失很高，弃赤泥的Na2O/SiO2在0.5以上。

氧化铝物理性能及对电解生产的影响

铝电解厂要求氧化铝具有很好的物理性能，以便使氧化铝在电解质中的溶解速度快，槽底沉淀少；流动性好，便于风动输送和向电解槽自动添加；在加料和输送过程中飞扬损失少，以降低氧化铝单耗、改善环境；对氟化氢的吸附能力强，能提高氧化铝做吸附剂的干法烟气净化的效果；保温性能好，能在电解质上形成良好的结壳，屏蔽电解质熔体，减少热损失；有效地防护阳极氧化，减少阳极消耗；氧化铝物理性质的指标很多，常用的有粒度、磨损指数、比表面积、堆积密度、α-Al2O3含量、安息角等。氧化铝的流动性、粉尘量、保温能力，在冰晶石熔体中的溶解速度和吸附氟化氢的能力等都取决于上述各项物理性质。

铝电解要求氧化铝的粒度要均匀。氧化铝的粒度主要用粒级参数控制，要求所用氧化铝大于150μm的含量要小于2%，小于45μm的含量要小于10%。

磨损指数是氧化铝强度和控制氧化铝粒度的一个重要指标。要求在保证其他物理性质的情况下，磨损指数越小越好，减少氧化铝破损产生的细粒。氧化铝的比表面积，要求控制在60～80m2/g，保证大比表面积氧化铝对氟化氢的吸附能力。氧化铝中的α-Al2O3含量降到5%～10%，利于提高电流效率。氧化铝的松散密度要求基本稳定，利于电解槽下料量精确控制。

氧化铝微量元素及杂质对电解生产影响

1.电解质微量元素的影响

LiF、CaF：锂盐含量占电解质总量的2%左右时，可以降低电解质的初晶温度，提高电解质电导率，提高电流效率，进而降低电压并降低电耗，高含量氟化铝电解质的缺点是降低氧化铝溶解度。

锂盐含量过高，会导致槽温过低（LiF含量每升高1%，将降低电解质初晶温度约8℃），严重影响氧化铝的溶解性能，容易引起炉底沉淀，影响电解槽热平衡，但为低温电解创造基础条件。电解质中氟化钙标准为3%～5%，每增加1%，将降低电解质初晶温度3℃。

氟化钾：钾盐在电解质中主要以K2NaAlF6形式存在。随着KF含量的增加，初晶温度基本上呈现线性变化。钾盐可以降低铝液与电解质的界面张力，增加铝液在电解质中的溶解度和溶解速度，但高钾电解质存在电导率较低，低温电解过程中k+在阴极附近富集，易产生阴极结壳现象。一般情况下，电解质中微量元素LiF、KF、MgF含量总和不超过5.6%， KF含量每增加1%，将降低电解质初晶温度3～4℃（见表1）。

在添加剂中，钾盐是极少可增加氧化铝溶解度的添加剂之一。氟化铝和氟化锂都会明显降低氧化铝的溶解度。KF可以减小电解质的密度，有利电解质与铝液分层。可以降低初晶温度，但幅度较小。KF对电解质导电率的影响较小。在所有的添加剂中唯LiF有提高导电率的作用，其他都会降低导电率，包括氟化铝。高熔点的钾钠冰晶石有利于炉帮形成。多项文献证实，10%以下的KF浓度对槽寿命影响细微。

2.氧化铝的其他杂质对铝电解的影响

氧化铝的其他微量元素（杂质）是影响原铝质量的主要因素，同时也影响铝电解过程的技术经济指标，如电流效率及氟化盐消耗等，因此必须控制和减少氧化铝中的杂质含量。

氧化钠是氧化铝产品中的主要杂质，氧化铝中氧化钠含量的升高对电解生产有很大的影响，当电解质中的钠含量增加时，必须多加入氧化铝以维持正常的NaF/AlF3比值，使氟化盐的消耗量增加，增加了电解质的体积。同时氧化钠在电解质化学变化和对工艺控制方面影响较大。氧化钠在电解质中反应为 ：3NaO+2AlF3→Al2O3+6NaF

氧化铝中Na2O含量保持0.2%～0.3%，低钠氧化铝对电解生产比较有益。

氧化铝中其他氧化物杂质Fe2O3、SiO2、TiO2、V2O5等，这些含有比铝更正电性的氧化物杂质首先在阴极上析出而使原铝的质量降低，同时影响电流效率。

氧化铝中的灼减表示氧化铝进入电解槽之后所要释放的总水量，氧化铝的水分和比表面积与焙烧程度密切相关，比表面积大，细料少，含水分或挥发份多。根据中国氧化铝质量标准，目前氧化铝灼减基本能达到小于1%的要求。

结语

氧化铝物理和化学性质对铝电解生产技术经济指标影响极大。粒度均匀适中，磨损指数、比表面积、松散密度、α-Al2O3含量、安息角等物理性能优良的砂状氧化铝流动性好，飞扬损失少，溶解速度快，对氟化氢的吸附能力强对电解生产非常有利，氧化铝的化学杂质如Fe2O3、SiO2、TiO2等会使原铝的质量降低，同时影响电流效率；灼减高将增加电解质中氟化物的水解而产生氟化氢，影响铝电解过程的技术经济指标，氧化铝生产厂家可通过工艺升级改良满足铝电解生产的需要，尽可能地降低氧化铝中的杂质含量。