利用电解槽生产高纯度铝的可行性分析及措施

刘 应

（贵阳铝镁设计研究院有限公司，贵阳 550081）

1 国内电解铝产品质量现状

国内电解所用的原料为氧化铝，电解质为冰晶石，采用碳素阳极[1]，产出的原铝质量通常按铝中杂质含量来评定，一般有二十多种，最主要的是Si、Fe、Cu[2]。由于各铝企使用原料产地不尽相同，相应的铝锭产品质量也有不同的差异，呈现出原料质量优良、管理水平先进、槽龄较短的铝企质量较好，反之较差。通过对多家铝企产品质量的对比发现，原铝质量差异主要表现在Fe、Si两种元素的含量上，特别是铁元素的含量。以贵州投产不到半年、槽况稳定、工艺技术指标优良的某厂和西北生产10年以上内衬有破损，槽结构腐蚀严重且稳定性较差的某铝企作比较，其原铝中Fe、Si的含量情况如下：

通过图1、图2和表1中的数据可以看出，其原铝均符合市场对2N7的质量要求，但槽龄较短的原铝品质较稳定，Fe含量较长时间维持在800ppm以内，硅含量则低至300ppm，属于优质原铝，说明对槽龄短，槽况及原材料良好的电解系列，无需采用特殊措施，原铝便可达到A199.85b牌号标准，而以西北铝企为代表的槽型，则只能达到2N7产品标准，根据目前国内市场情况，Al99.80在普铝的基础上将增加80元/t的附加值,Al99.85则为200元/t，这对企业来说将是一笔可观的经济效益，且较好的产品更能得到下游铝合金市场的青睐，对企业建立稳定的销售渠道大有益处。针对这一现象，本文将从微量元素的来源进行分析，并就两个铝企的原材料及产品质量数据进行计算论证，结合部分铝企尝试生产更高纯度的原铝方法及措施进行分析，提出切实可行的措施，供广大铝企生产管理者借鉴参考。

图1 原铝铁含量图

图2 原铝硅含量图

表1 重熔用铝锭质量标准(GB/T1196-2017)

2 原铝中的铁、硅来源及各部分贡献情况

2.1 铁、硅元素的来源

电解过程铁、硅的来源大致相似，均包含以下几个方面：原料带入、内衬材料渗入、钢结构腐蚀、其中工艺操作带入，包括几个方面：

（1）铁质工具带入；

（2）槽况异常带入；

（3）阳极钢爪腐蚀混入；

（4）覆盖料循环使用带入。

2.2 电解过程Fe、Si元素的分布规律

电解过程带入的微量元素进入电解槽后，转化为氟化物，随着电解反应的进行，电位正于铝的元素的氧化物杂质将被还原为单质进入铝内，因此，SiO2和Fe2O3将被还原成为铝液产品中的杂质，通过对实际生产数据的统计分析，Fe、Si元素的分布规律完全符合上述机理，绝大部分均随铝液带出，最终在铝锭中以单质的形式存在。

2.2 原铝中Fe、Si元素来源计算

以图1和图2中的原铝成分指标为基准，对应同时期使用的氧化铝品质及原辅材料消耗情况如下表：

表2 同时期使用的氧化铝品质（平均）

表3 吨铝原辅材料消耗量（平均）

表4 原铝中Fe、Si元素各部分贡献数值

其中冰晶石、氟化铝、氟化钙的化学成分分别参照GB/T4292-2017、 GB/T4291-2017和 GB/T27804-2001标准计算，阳极炭块按一级品执行，原铝中的Fe、Si含量按稳定状态下一个月的数值取平均，计算得出如下结果：

从上述四个图的数值来看，氟化钙、氟化铝、冰晶石带入的Fe、Si元素非常有限，在总的体量中的影响可以忽略，氧化铝和炭块带入的量相当，占据很大一部分，其它（含内衬材料渗入、钢结构腐蚀、工艺操作等）带入的量则占据较大部分，尤其是Fe的含量，即使是新投产的电解槽，也达到了50%以上；槽龄较大的原铝质量中来自其它部分的Fe、Si含量则更高，Fe相差12%以上，Si的含量相差17%，这与槽龄老化、槽结构腐蚀严重等因素有关。

3 生产高纯度铝的可行性分析及具体措施

众所周知，电解槽主要用于生产普铝，其工艺装备及粗放式的管理模式制约了原铝的纯度，想稳定生产3N及以上的精铝，国内外目前大规模生产的工艺主要是三层液和偏析法[3]。如前所述，贵州铝企的原铝质量能一定时间内维持在Al99.85以上，如采取特殊工艺措施，进一步降低其原铝中的Fe、Si含量，力求达到3N级产品标准，便可获得800元/t的经济效益。

通过与表5对比，其原铝品质仅有Fe含量高于3N铝180ppm，其它微量元素均低于上述标准，电解生产普铝时一般采用的阳极为一级品，如需降低原铝中的Fe含量，可采用高级阳极生产，其Fe含量约为300ppm，相比于一级阳极的450ppm减少了150ppm，换算成吨铝中的Fe含量，可降低约60ppm ，氧化铝方面，目前国内氧化铝中的Fe2O3含量可做到60ppm以下，与本次计算的120ppm相比，换算成吨铝中的Fe含量，可降低约80ppm。因此，原料部分采用优质氧化铝及高级阳极，理论上可使原铝中的Fe含量降低140ppm左右。

表5 重熔用精铝锭质量标准(YST 665-2018)

工艺操作带入的Fe含量占到了总数的50%以上，其中又以钢爪腐蚀混入及覆盖料循环使用带入量为最大，据不完全统计，该部分占到所有因数中的60%，因此可采用对阳极钢爪进行防氧化喷涂措施，用新鲜氧化铝代替渣壳粉，不再循环使用覆盖料；针对打捞炭渣环节，亦可通过对阳极进行增加涂层，减少打捞量；使用不锈钢工具等。通过采用以上措施，将原铝中的Fe含量进一步降低50ppm以上是完全能实现的。近年来，广西平果铝业、湖南创元铝业等都采用类似的生产工艺，短时间内在部分电解槽上生产出3N原铝，证明无论是从理论还是实际都是可行的。

图3 贵州铝企原铝中铁元素各部分贡献图

图4 西北铝企原铝铁元素各部分贡献图

图5 贵州铝企原铝中硅元素各部分贡献图

图6 西北铝企原铝中硅元素各部分贡献图

4 结论

本文通过介绍目前国内原铝的品质情况，分析Fe、Si元素的来源及含量，对生产数据进行计算论证在电解槽上生产高纯度原铝的可行性，主要结论如下：

（1）原铝中的Fe、Si含量因原材料的差异、槽龄的变化以及生产管理水平的差异而不同。

（2）Fe、Si的来源主要包括原辅材料、内衬材料、钢结构腐蚀及工艺操作，其中钢结构腐蚀及工艺操作占据50%以上，通过使用优质原料及采用特殊措施进行科学生产管理，是电解槽生产出高纯度铝的重要保障！

（3）利用槽龄短，槽况稳定的电解槽生产3N铝理论上是完全可行的，但长期稳定生产则对原材料品质、工艺操作要求极高，需要精细化管理方能实现，只能针对少数铝水槽（新投产或大修槽）进行尝试探索。建议电解槽工艺指标先进且具有丰富生产经验的企业，从生产操作和原料把控环节上予以精准管理，力争实现稳定生产Al99.90、Al99.85、Al99.80的产能目标。