Na_3AlF_6-K_3AlF_6-AlF_3体系中金属陶瓷惰性阳极的低温电解腐蚀及新型电解质研究

【摘要】： 采用惰性阳极和可润湿性阴极的新型铝电解槽技术,是铝电解工业实现节能、减排与增效的重要途径。惰性阳极经长期研究已取得较大进展,但仍然无法满足现行铝电解质体系与电解工艺条件下的耐腐蚀要求。低温电解可改善惰性阳极服役环境,降低阳极腐蚀速率,促进惰性阳极铝电解技术的工业化实现。 论文在国家973计划课题(2005CB623703)及863计划课题(2008AA030503)的资助下,以开发NiFe2O4基金属陶瓷惰性阳极低温电解工艺为目标,以5Cu/(NiFe2O4-10NiO)金属陶瓷惰性阳极为代表,针对Na3AlF6-K3AlF6-AlF3低温电解质体系,系统研究了熔体组成与过热度对该种阳极电解腐蚀行为的影响,确定有利于改善惰性阳极服役环境的低温电解质组成与工艺；同时,系统研究了Na3AlF6-K3AlF6-AlF3熔体的导电性能,在此基础上研究了LiF添加剂对Na3AlF6-K3AlF6-AlF3熔体初晶温度、溶解A12O3能力(溶解度与溶解速度)及导电性能的影响规律,为开发具有“低温、高A1203溶解度和高电导”新型电解质提供理论依据。主要研究结果如下：(1)揭示了Na3AlF6-K3AlF6-AlF3低温电解质熔体组成及过热度对5Cu/(NiFe2O4-10NiO)金属陶瓷惰性阳极腐蚀速率的影响规律,确定最有利于降低阳极腐蚀速率的熔体组成为KR值(K3AlF6/(K3AlF6+Na3AlF6)质量百分比)为20%-40%、A1F3含量为23%-28%(初晶温度为830℃-850℃)。在此组成范围的电解质熔体中,过热度为20℃、阳极电流密度为0.95A／cm2(按阳极底部面积计算)条件下,5Cu/(NiFe2O4-10NiO)惰性阳极的腐蚀速率可降低到0.80cm／y,与传统Na3AlF6-AlF3电解质(CR=2.3,初晶温度为951℃,过热15℃)中的5.27cm／y相比,降低85%。(2)揭示了熔体温度、A1F3含量及KR值对Na3AlF6-K3AlF6-AlF3熔体电导率的影响规律,建立了熔体电导率与熔体组成及温度之间的回归关系式,绘制了Na3AlF6-K3AlF6-AlF3熔体在20℃过热度时的等电导率图。熔体电导率与熔体组成及温度之间回归关系式为该回归公式拟合相关系数为0.99,标准偏差为0.027Ω-1·cm-1。从电导率的经验公式及等电导率图可以获取不同成分电解质的电导率值及不同电导率值的电解质组成范围,为获得“低温、高Al2O3浓度、高电导”的电解质提供了应用基础。 (3)揭示了LiF添加对Na3AlF6-K3AlF6-AlF3熔体初晶温度、溶解Al2O3能力及电导率的影响规律,研究设计了“低温、高Al2O3浓度、高电导率”电解质。LiF的添加降低了熔体初晶温度,降低了熔体的Al2O3溶解度,提高了熔体的电导率。800℃、850℃和900℃电解温度下,具有“低温、高Al2O3浓度、高电导”特征的低温铝电解质的组成分别是：KR值为30%-40%,AlF3含量为25.1%-27.6%,LiF含量为2%,过热度为20℃-40℃；KR值为10%-30%,AlF3含量为24.5%-27.7%,LiF含量为2%,过热度为40℃；KR值为10%-20%,AlF3含量为16.7%-21.3%,LiF含量为2%,过热度为20℃-40℃。