氧化铝在电解质中的溶解及其行为

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1、氧化铝在电解质中的溶解及其行为概述铝电解的主要原料是氧化铝，它能否顺畅地溶解进入电解质关系到铝电解槽的生产能否顺利进行，生产过程是否平稳，是否产生沉淀，以及是否产生病槽等问题，相应地影响到电流效率、电能消耗和物料消耗。氧化铝的溶解同氧化铝的品种和性质、电解质的性质及状况以及加料方式密切相关。加入电解质的氧化铝主要有三个去向，即：(1)溶解；(2)结成面壳和炉帮；(3)沉落到槽底，生成沉淀。向电解质加入冷的氧化铝时，氧化铝进入熔体后，细散颗粒的外层会生成一薄层凝固电解质，如果氧化铝经过预热达到足够的温度则不出现凝固的外壳，这些氧化铝在

2、缓慢降落的过程中，一面吸热，使本身的温度达到电解质的温度，一面逐渐溶解。氧化铝的溶解过程是一个强烈的吸热过程，根据计算，为了溶解1％氧化铝，电解质的温度将会下降14℃(如果所需的热全部由电解质提供)，大约有一半这样的热量提供给加热用，另一半则提供给溶解所需的热量。氧化铝的物理性质工业上采用的氧化铝其粒度一般在40～50μm，还有一部分更细的颗粒，这部分应该低于10％，以减少加料时的飞扬损失。除粒度外，纯度、α一Al2O3的含量、体积质量、流动性、吸附HF的能力、面壳生成的能力等性质也十分重要。工业用氧化铝一般有面粉状和砂状。现代预焙

3、电解槽要求采用砂状氧化铝，因为它的溶解性质和其他的性质更符合现代铝电解生产的要求。氧化铝溶解的实验室研究细分散氧化铝的溶解多年来，已有众多的学者’进行了这方面的工作。细分散氧化铝的溶解是指成颗粒状的氧化铝，当加入熔体中并强烈搅拌时，这些分散的颗粒很快就溶解了，例如每批加入l％的氧化铝，用目测观察到氧化铝的溶解少于10s。一些研究者指出，氧化铝在溶解时，溶解过程由传质所控制。当颗粒外生成电解质薄壳，而后再融化时，这个加热过程是溶解过程为传热控制的依据，并且提出了传热和传质的系数，借此估计了氧化铝颗粒外层结壳完全融化所需的时间为2．3s

4、；对于更大些的颗粒(3mm左右的聚集体)所需的时间为13．4s，Thonstad等根据文献上传热和传质系数估算了溶解时的传热效果，在氧化铝达到电解质温度后，溶解过程受传质控制，而不是受传热控制，而且还算出了界面的温度T，仅为0．5～2℃，个别氧化铝颗粒的溶解时间估算为4．1 s(粒径50μm)和16．4s(粒径100μm)。这个结果同试验数据很一致，表明氧化铝一旦分散在熔体中，它就能很快溶解。一般认为，氧化铝是很难溶解在冰晶石熔体中的，这是由于多数是形成了较大的块体，而不是形成细分散的颗粒。若干因素对氧化铝在冰晶石熔体中溶解的影响(

5、1)氧化铝在电解质中的沉降速度。在给定时问内，氧化铝溶解在电解质中的数量不仅与温度有关，而且与其在电解质中存留的时间有关，也就是说同氧化铝在电解质中的沉降速度有关。由于α一Al203的密度大于γ一Al203，因而α一Al203在电解质中的沉降速度要比γ一Al203快。氧化铝在电解质中的沉降速度不仅取决于氧化铝(及其结块)的密度、电解质黏度和温度，而且也取决于氧化铝被湿润的情况(在铝电解的实践中，有一些氧化铝被熔融电解质湿润不好，这种氧化铝就会被电解质所“排斥”，难于较快地溶解到电解质中去）。(2)搅拌。试验采用了两种氧化铝，一种是实

6、验室制备的100%的α一Al203，另一种是工业氧化铝(面粉状)。试验温度1035℃，采用了空气搅拌和机械搅拌。采用空气搅拌熔体时，氧化铝的颗粒由0．85mm减少到0．063mm，这时溶解速度加快了14．5倍。用机械搅拌，氧化铝的颗粒为0．075mm时，其溶解速度也加快了。(3)电解质温度。提高熔体的温度能加快氧化铝的溶解，例如，熔体温度提高70℃，即从1010℃提高到1080℃，氧化铝的溶解速度提高了7倍。因此，在工业条件下，氧化铝经过预热更有利于溶解。(4)氧化铝的物相组成。研究指出，α一Al203要比γ一Al203溶解情况要差

7、，约比后者慢1／3，工业氧化铝含有20％～75％的α一Al203，这种氧化铝的溶解速度居中。在不同的烧结温度下得到的氧化铝，它的溶解速度也不同，主要受Al203的相态所支配。别里亚耶夫的研究指出，许多添加剂都会延长氧化铝的溶解时间   冰晶石熔体分别含有不同的添加剂时，随着这些添加剂的增多，氧化铝的溶解时间增加，特别是摩尔比降低时，氧化铝溶解时间延长。例如摩尔比由3降至2．5，溶解时间增加1．5倍。部分聚集状氧化铝的溶解由于加入电解槽的氧化铝，在接触电解质后本身在加热过程中经常会形成块体，所以很多研究者就以部分聚集状态的氧化铝作为对

8、象，研究其溶解行为及影响氧化铝溶解速率的若干因素。分散的与聚集状的Al203溶解行为与规律基本一样。(1)氧化铝的沉降情况。用目测法观察了点式下料器加入氧化铝的情况。点式下料器加人氧化铝时，氧化铝首先在电解液表面铺展开，它们在加热过程