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CN106521559B - 一种低硅电解铝液及其制备方法 - Google Patents

一种低硅电解铝液及其制备方法 Download PDF

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CN106521559B CN201611090651.XA CN201611090651A CN106521559B CN 106521559 B CN106521559 B CN 106521559B CN 201611090651 A CN201611090651 A CN 201611090651A CN 106521559 B CN106521559 B CN 106521559B
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Abstract

一种低硅电解铝液及其制备方法，涉及一种电解铝液生产技术领域，该制备方法是使用低硅预焙阳极作为阳极组装电解槽，该低硅预焙阳极中的硅含量为100ppm～200ppm；再利用电解槽生产电解铝液，该制备方法工艺简单，可显著降低电解铝液硅含量，有效提高电解铝液品质；制得的低硅电解铝液中硅含量控制在0.03％以下，可满足高品质铝液的需求。

Description

一种低硅电解铝液及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种电解铝液生产技术领域，且特别涉及一种低硅电解铝液及其制备方法。
背景技术
电解铝液生产的一项重要指标是铝液质量，较高纯度的铝液可使形成的产品具有良好的物理化学性能，而铝液中杂质较多势必会影响产品的理化性能，如影响铝合金的断裂韧度，增加铸锭的缩孔和缩松等缺陷，降低铝合金耐蚀性能，导致铝合金导电性变差，白光反射率降低等，因此电解铝液纯度越高，其使用价值越高。
硅是电解铝液中最常见的杂质元素，也是影响铝液质量的主要元素，在实际电解铝液生产过程中，硅含量的高低是评价铝液品质的重要元素之一。为了提高铝液品质，提高电解铝液生产企业的经济效益，就需要降低铝液中硅含量，使原铝质量在受控范围内。
生产实践表明，电解铝液中杂质硅的主要来源有以下几方面：
(1)因各种原材料中都含有一定量的SiO2杂质，SiO2杂质随原材料带入电解槽内，其中Si被还原进入铝液。
(2)预焙阳极中含有硅，随预焙阳极带入电解铝液中。
(3)电解槽内衬材料中含有硅，电解槽内衬材料破损，硅进入铝液。
(4)预焙阳极覆盖料(回收料)含有硅，随预焙阳极带入。
电解铝液的生产过程中需要消耗大量的预焙阳极，预焙阳极的质量会对铝液质量造成有很大影响：一方面，阳极本体中的杂质含量随着阳极的电解消耗进入电解槽，污染铝液；另一方面，如果预焙阳极的理化指标不能满足生产要求，轻则造成阳极裂纹化爪，重则导致电解槽运行状况恶化，从而对电解槽中的原铝质量产生严重影响。
通过上述分析，预焙阳极中的杂质硅元素将直接积累到电解铝液中，还会影响电解槽运行状况，从而影响电解铝液品质。目前，降低电解铝液硅含量的办法大多通过加强电解槽的运行管理，如降低阳极覆盖料硅含量、降低电解槽过热度、加强电解槽炉底管理、减少槽破损等。但是，现在还没有一种通过控制预焙阳极中硅含量的方式，进而有效提高电解铝液品质的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低硅电解铝液的制备方法，通过控制预焙阳极中硅含量实现低硅电解铝液的制备，该方法工艺简单，可显著降低电解铝液硅含量，有效提高电解铝液品质。
本发明的另一目的在于提供一种低硅电解铝液，其中硅含量控制在0.03％以下，可满足高品质铝液的需求。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
本发明提出一种低硅电解铝液的制备方法，其包括以下步骤：使用低硅预焙阳极作为阳极组装电解槽，低硅预焙阳极中的硅含量为100ppm～200ppm；利用电解槽生产电解铝液。
进一步地，在本发明较佳实施例中，组装电解槽时，用熔融冰晶石作为溶剂，用氧化铝作为溶质，用铝液作为阴极，并在低硅预焙阳极和阴极之间通入直流电。
进一步地，在本发明较佳实施例中，生产电解铝液时，使电解槽内的温度保持在945℃～962℃。
进一步地，在本发明较佳实施例中，生产电解铝液时，电解槽工作电压为3.90v～3.95v。
进一步地，在本发明较佳实施例中，生产电解铝液时，电解槽分子比为2.35～2.60。
进一步地，在本发明较佳实施例中，生产电解铝液时，电解质水平控制在17cm～19cm；铝水平控制在26cm～32cm。
进一步地，在本发明较佳实施例中，低硅预焙阳极的制备方法包括以下步骤：
准备阳极原料和含氟无机盐，含氟无机盐的质量为阳极原料总量的0.2％～3％，阳极原料按质量百分数计包括82％～86％的炭质骨料和14％～18％的粘结剂；
在炭质骨料中加入含氟无机盐，经干混、预热，再加入粘结剂混捏，得到糊料；
将糊料成型，得到生坯，将生坯焙烧。
进一步地，在本发明较佳实施例中，预热的温度为160℃～170℃；干混的时间为20min～30min；混捏的温度为175℃～185℃，混捏的时间为25min～50min。
进一步地，在本发明较佳实施例中，成型的方法是：将糊料置于成型机中压制振动成型，成型机的振动时间为90s～120s，压力1.4～1.8kg/cm2；焙烧的方法为：将生坯置于焙烧炉中焙烧，焙烧炉的工艺参数为：升温速率14～16℃/h，焙烧曲线最高温度为1150℃～1250℃，保温60h～84h。
一种低硅电解铝液，其采用上述的低硅电解铝液的制备方法制得。
本发明实施例的低硅电解铝液及其制备方法的有益效果是：本发明实施例低硅电解铝液的制备方法是使用低硅预焙阳极作为阳极组装电解槽，该低硅预焙阳极中的硅含量为100ppm～200ppm；再利用电解槽生产电解铝液，该制备方法工艺简单，可显著降低电解铝液硅含量，有效提高电解铝液品质；制得的低硅电解铝液中硅含量控制在0.03％以下，可满足高品质铝液的需求。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例的低硅电解铝液及其制备方法进行具体说明。
本发明实施例提供一种低硅电解铝液的制备方法，其包括以下步骤：
S1组装电解槽：使用低硅预焙阳极作为阳极组装电解槽，低硅预焙阳极中的硅含量为100ppm～200ppm。由于本实施例是采用冰晶石-氧化铝融盐电解法生产电解铝液，因此，在组装电解槽时，除了使用低硅预焙阳极作为阳极外，还使用熔融冰晶石作为溶剂，用氧化铝作为溶质，用铝液作为阴极。
低硅预焙阳极的制备方法如下：
S101配料：准备阳极原料和含氟无机盐，含氟无机盐的质量为阳极原料总量的0.2％～3％，阳极原料按质量百分数计包括82％～86％的炭质骨料和14％～18％的粘结剂。
含氟无机盐优选包括氟铝酸钠Na3AlF6、氟硼酸钠NaBF4、氟化铝AlF3、氟化钠NaF、氟化钙CaF2、氟化镁MgF2、氟化锂LiF2中的至少一种。
炭质骨料按质量百分数计包括82％～86％的煅后石油焦，以及14％～18％的灰分含量小于0.5％的残极，煅后石油焦中各粒级物料的重量百分比为：粒径为8mm～5mm的粗焦含量为18％～23％，粒径为5mm～2mm的中焦含量为20％～25％，粒径为2mm～0.074mm的细焦含量为25％～30％，粒径在0.074mm以下的球磨粉含量为32％～37％。
粘结剂包括煤沥青和添加剂，添加剂包括环氧树脂、酚醛树脂、糠醛树脂、呋喃树脂中的至少一种。
S102混合：在炭质骨料中加入含氟无机盐，经干混、预热，再加入粘结剂混捏，得到糊料。其中，预热的温度优选为160℃～170℃，干混的时间优选为20min～30min；混捏的温度优选为175℃～185℃，混捏的时间优选为25min～50min。
其中，含氟无机盐的添加方式是：将含氟无机盐放在单独的料仓内，通过螺旋输送机加入到混捏锅内，与混捏锅内的炭质骨料进行干混。
S103成型焙烧：将糊料成型，得到生坯，将生坯焙烧，得到预焙阳极炭块，即低硅预焙阳极。
其中，成型的方法是：将糊料置于成型机中压制振动成型，成型机的振动时间为90s～120s，压力1.4～1.8kg/cm2。
焙烧的方法为：将生坯置于焙烧炉中焙烧，焙烧炉的工艺参数为：升温速率14～16℃/h，焙烧曲线最高温度为1150℃～1250℃，保温60h～84h。
S2电解：利用电解槽生产电解铝液，得到低硅电解铝液。具体是在低硅预焙阳极和阴极之间通入直流电。本实施例生产电解铝液时，使电解槽内的温度保持在945℃～962℃；电解槽工作电压为3.90v～3.95v；电解槽分子比为2.35～2.60；电解质水平控制在17cm～19cm；铝水平控制在26cm～32cm。
本发明实施例制备低硅预焙阳极的方法是在阳极原料中掺杂含氟无机盐，这种制备方法能降低制得的预焙阳极中Si含量，其机理为：生坯在高温焙烧过程中，阳极原料内掺杂的含氟无机盐会在高温下发生水解反应，产生氟化氢气体及相应的金属氧化物，反应通式如下：
F-+H2O＝HF+OH-；
产生的HF在任何条件下都会和阳极原料中的SiO2发生反应，产生SiF4气体跑掉，从而降低得到的低硅预焙阳极中的Si含量。
例如，在阳极原料中掺杂氟化铝得到的低硅预焙阳极中Si含量的降低机理为：
2/3AlF3+H2O(g)＝2HF(g)+1/3Al2O3(α) ①
4HF+SiO2＝SiF4+2H2O ②
当△G0(T)≤0时，反应①从左向右进行，AlF3开始水解，通过△G0(T)＝131151.5-125.3893(T)可求出反应进行的最低温度T≥1046K(773℃)，而预焙阳极的焙烧时温度在1000℃以上，可推断发生AlF3水解反应。反应①产生的HF在任何条件下都会和阳极原料中的SiO2发生反应，产生SiF4气体跑掉。因此，掺杂氟化铝得到的低硅预焙阳极中Si含量较低。
本发明实施例使用上述电解槽生产电解铝液时，直流电通过电解槽，阳极与溶液界面处发生氧化反应，阴极与溶液界面处发生还原反应，主要反应式如下：
阳极：
阴极：
总反应方程式为：
生产电解铝液消耗的主要原料是阳极(提供C)和Al2O3，在反应过程中，阳极中的微量元素会进入电解铝液中，影响电解铝液的质量。由于本实施例使用的阳极是低硅预焙阳极，其中的硅含量为100ppm～200ppm，而且该低硅预焙阳极的理化指标优异，可保证电解槽运行顺利，从而避免对电解槽中的原铝质量造成影响，因此最后制得的电解铝液中的硅含量很低，可控制在0.03％以下。
本发明实施例还提供一种低硅电解铝液，其采用上述低硅电解铝液的制备方法制得。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
实施例1提供一种低硅电解铝液，其采用以下方法制得：
组装电解槽：使用低硅预焙阳极作为阳极，使用熔融冰晶石作为溶剂，用氧化铝作为溶质，用铝液作为阴极组装电解槽，低硅预焙阳极中的硅含量为150ppm。
利用电解槽生产低硅电解铝液，在低硅预焙阳极和阴极之间通入直流电，控制电解工艺参数：使电解槽内的温度保持在955℃，设定电解槽工作电压为3.93v，分子比为2.52，电解质水平为17.5cm，铝水平30.5cm。
通过分析低硅电解铝液中的硅含量，本实施例制得的低硅电解铝液中硅含量为0.024％。
实施例2
实施例2提供一种低硅电解铝液，其采用以下方法制得：
制备低硅预焙阳极：准备100kg炭质骨料(由83kg煅后石油焦和+17kg灰分含量小于0.5％的残极组成，其中煅后石油焦中各粒级物料所占重量百分比为：8mm～5mm为20％，5mm～2mm为22％，2mm～0.074mm为25％，0.074mm以下为35％)；19kg粘结剂(由煤沥青和酚醛树脂组成)；0.595kg氟化铝(占炭质骨料和粘接剂总量的0.5％)。将氟化铝加入到炭质骨料中，经过25min干混，预热至180℃，再加入粘结剂，在175℃下混捏50min，得到糊料。将糊料置于成型机中压制振动成型，振动时间为100s，压力1.6kg/cm2，得到生坯，将生坯放置于焙烧炉中进行焙烧，升温速率15℃/h，焙烧曲线最高温度为1150℃，保温72h，冷却后出炉，得到低硅预焙阳极，分析该低硅预焙阳极中的硅含量，表明其中的硅含量为141ppm。
组装400kA电解槽：将低硅预焙阳极作为阳极直接安装在400kA电解槽上，给电解槽使用熔融冰晶石作为溶剂，用氧化铝作为溶质，用铝液作为阴极。
利用400kA电解槽生产低硅电解铝液，在低硅预焙阳极和阴极之间通入直流电，控制电解工艺参数：使电解槽内的温度保持在962℃，设定电解槽工作电压为3.95v，分子比为2.60，电解质水平为19cm，铝水平32cm。
通过分析低硅电解铝液中的硅含量，本实施例制得的低硅电解铝液中硅含量为0.03％。
实施例3
实施例3提供一种低硅电解铝液，其采用以下方法制得：
制备低硅预焙阳极：准备100kg炭质骨料(由84kg煅后石油焦和+16kg灰分含量小于0.5％的残极组成，其中煅后石油焦中各粒级物料所占重量百分比为：8mm～5mm为20％，5mm～2mm为22％，2mm～0.074mm为25％，0.074mm以下为35％)；19kg粘结剂(由煤沥青和环氧树脂组成)；0.952kg氟铝酸钠(占炭质骨料和粘接剂总量的0.8％)。将氟铝酸钠加入到炭质骨料中，经过25min干混，预热至165℃，再加入粘结剂，在180℃下混捏50min，得到糊料。将糊料置于成型机中压制振动成型，振动时间为110s，压力1.6kg/cm2，得到生坯，将生坯放置于焙烧炉中进行焙烧，升温速率15℃/h，焙烧曲线最高温度为1200℃，保温72h，冷却后出炉，得到低硅预焙阳极。分析该低硅预焙阳极中的硅含量，表明其中的硅含量为118ppm。
组装400kA电解槽：将低硅预焙阳极作为阳极直接安装在400kA电解槽上，给电解槽使用熔融冰晶石作为溶剂，用氧化铝作为溶质，用铝液作为阴极。
利用400kA电解槽生产低硅电解铝液，在低硅预焙阳极和阴极之间通入直流电，控制电解工艺参数：使电解槽内的温度保持在945℃，设定电解槽工作电压为3.90v，分子比为2.35，电解质水平为17cm，铝水平26cm。
通过分析低硅电解铝液中的硅含量，本实施例制得的低硅电解铝液中硅含量为0.02％。
实施例4
实施例4提供一种低硅电解铝液，其采用以下方法制得：
制备低硅预焙阳极：准备100kg炭质骨料(由84kg煅后石油焦和+16kg灰分含量小于0.5％的残极组成，其中煅后石油焦中各粒级物料所占重量百分比为：8mm～5mm为20％，5mm～2mm为22％，2mm～0.074mm为25％，0.074mm以下为35％)；20kg粘结剂(由煤沥青和呋喃树脂组成)；1.44kg氟化钠(占炭质骨料和粘接剂总量的1.2％)。将氟化锂加入到炭质骨料中，经过25min干混，预热至170℃，再加入粘结剂，在185℃下混捏50min，得到糊料。与不同配比及粒度的炭质骨料一起经干混、配料、预热、加入一定量的粘结剂混捏、成型、焙烧后制备成预焙阳极。将糊料置于成型机中压制振动成型，振动时间为105s，压力1.6kg/cm2，得到生坯，将生坯放置于焙烧炉中进行焙烧，升温速率15℃/h，焙烧曲线最高温度为1150℃，保温72h，冷却后出炉，得到低硅预焙阳极。分析该低硅预焙阳极中的硅含量，表明其中的硅含量为172ppm。
组装400kA电解槽：将低硅预焙阳极作为阳极直接安装在400kA电解槽上，给电解槽使用熔融冰晶石作为溶剂，用氧化铝作为溶质，用铝液作为阴极。
利用400kA电解槽生产低硅电解铝液，在低硅预焙阳极和阴极之间通入直流电，控制电解工艺参数：使电解槽内的温度保持在948℃，设定电解槽工作电压为3.93v，分子比为2.42，电解质水平为17.5cm，铝水平28.5cm。
通过分析低硅电解铝液中的硅含量，本实施例制得的低硅电解铝液中硅含量为0.026％。
实施例5
实施例5提供一种低硅电解铝液，其采用以下方法制得：
制备低硅预焙阳极：准备100kg炭质骨料(由83kg煅后石油焦和+17kg灰分含量小于0.5％的残极组成，其中煅后石油焦中各粒级物料所占重量百分比为：8mm～5mm为20％，5mm～2mm为23％，2mm～0.074mm为24％，0.074mm以下为33％)；19kg粘结剂(由煤沥青和酚醛树脂、呋喃树脂组成)；0.952kg氟化铝(占炭质骨料和粘接剂总量的0.8％)。将氟化铝加入到炭质骨料中，经过25min干混，预热至175℃，再加入粘结剂，在185℃下混捏50min，得到糊料。将糊料置于成型机中压制振动成型，振动时间为100s，压力1.65kg/cm2，得到生坯，将生坯放置于焙烧炉中进行焙烧，升温速率15℃/h，焙烧曲线最高温度为1200℃，保温72h，冷却后出炉，得到低硅预焙阳极。分析该低硅预焙阳极中的硅含量，表明其中的硅含量为135ppm。
组装400kA电解槽：将低硅预焙阳极作为阳极直接安装在400kA电解槽上，给电解槽使用熔融冰晶石作为溶剂，用氧化铝作为溶质，用铝液作为阴极。
利用400kA电解槽生产低硅电解铝液，在低硅预焙阳极和阴极之间通入直流电，控制电解工艺参数：使电解槽内的温度保持在955℃，设定电解槽工作电压为3.93v，分子比为2.54，电解质水平为17.5cm，铝水平28cm。
通过分析低硅电解铝液中的硅含量，本实施例制得的低硅电解铝液中硅含量为0.022％。
实施例6
实施例6提供一种低硅电解铝液，其采用以下方法制得：
制备低硅预焙阳极：准备100kg炭质骨料(由82kg煅后石油焦和+18kg灰分含量小于0.5％的残极组成，其中煅后石油焦中各粒级物料所占重量百分比为：8mm～5mm为21％、5mm～2mm为22％，2mm～0.074mm为23％，0.074mm以下为34％)；19.6kg粘结剂(由煤沥青和糠醛树脂组成)；1.794kg氟化铝(占炭质骨料和粘接剂总量的1.5％)和0.598kg氟铝酸钠(占炭质骨料和粘接剂总量的0.5％)。将氟化铝和氟化镁加入到炭质骨料中，经过20min干混，预热至170℃，再加入粘结剂，在180℃下混捏50min，得到糊料。将糊料置于成型机中压制振动成型，振动时间为100s，压力1.6kg/cm2，得到生坯，将生坯放置于焙烧炉中进行焙烧，升温速率15℃/h，焙烧曲线最高温度为1150℃，保温72h，冷却后出炉，得到低硅预焙阳极。分析该低硅预焙阳极中的硅含量，表明其中的硅含量为102ppm。
组装400kA电解槽：将低硅预焙阳极作为阳极直接安装在400kA电解槽上，给电解槽使用熔融冰晶石作为溶剂，用氧化铝作为溶质，用铝液作为阴极。
利用400kA电解槽生产低硅电解铝液，在低硅预焙阳极和阴极之间通入直流电，控制电解工艺参数：使电解槽内的温度保持在948℃，设定电解槽工作电压为3.92v，分子比为2.38，电解质水平为18cm，铝水平27cm。
通过分析低硅电解铝液中的硅含量，本实施例制得的低硅电解铝液中硅含量为0.025％。
对比例1
对比例1提供一种电解铝液，其采用以下方法制得：
使用400kA电解槽电解生产电解铝液，该电解槽的阳极为普通预焙阳极，其中硅含量351ppm。
通过分析电解铝液中的硅含量，对比例1制得的电解铝液中硅含量为0.053％。
通过将比实施例1-实施例6的低硅电解铝液与对比例1的电解铝液进行对比，可发现，按照本发明实施例制得的低硅电解铝液中的硅含量为0.02％～0.03％，明显低于按照常规制备方法制得电解铝液中的硅含量。
综上所述，本发明实施例的低硅电解铝液的制备方法，工艺简单，可显著降低电解铝液硅含量，有效提高电解铝液品质；制得的低硅电解铝液中硅含量控制在0.03％以下，可满足高品质铝液的需求。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种低硅电解铝液的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：使用低硅预焙阳极作为阳极组装电解槽，所述低硅预焙阳极中的硅含量为100ppm～200ppm；利用所述电解槽生产电解铝液，
所述低硅预焙阳极的制备方法包括以下步骤：
准备阳极原料和含氟无机盐，所述含氟无机盐的质量为所述阳极原料总量的0.8％～3％，所述阳极原料按质量百分数计包括82％～86％的炭质骨料和14％～18％的粘结剂；
在所述炭质骨料中加入所述含氟无机盐，经干混、预热，再加入所述粘结剂混捏，得到糊料；
将所述糊料成型，得到生坯，将所述生坯焙烧。
2.根据权利要求1所述的低硅电解铝液的制备方法，其特征在于，组装所述电解槽时，用熔融冰晶石作为溶剂，用氧化铝作为溶质，用铝液作为阴极，并在所述低硅预焙阳极和所述阴极之间通入直流电。
3.根据权利要求2所述的低硅电解铝液的制备方法，其特征在于，生产电解铝液时，使电解槽内的温度保持在945℃～962℃。
4.根据权利要求2所述的低硅电解铝液的制备方法，其特征在于，生产电解铝液时，电解槽工作电压为3.90V ～3.95V 。
5.根据权利要求2所述的低硅电解铝液的制备方法，其特征在于，生产电解铝液时，电解槽分子比为2.35～2.60。
6.根据权利要求2所述的低硅电解铝液的制备方法，其特征在于，生产电解铝液时，电解质水平控制在17cm～19cm；铝水平控制在26cm～32cm。
7.根据权利要求1所述的低硅电解铝液的制备方法，其特征在于，所述预热的温度为160℃～170℃；所述干混的时间为20min～30min；所述混捏的温度为175℃～185℃，所述混捏的时间为25min～50min。
8.根据权利要求1所述的低硅电解铝液的制备方法，其特征在于，所述成型的方法是：将所述糊料置于成型机中压制振动成型，所述成型机的振动时间为90s～120s，压力1.4～1.8kg/cm2；所述焙烧的方法为：将所述生坯置于焙烧炉中焙烧，所述焙烧炉的工艺参数为：升温速率14～16℃/h，焙烧曲线最高温度为1150℃～1250℃，保温60h～84h。
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