铝电解惰性阳极与可湿润性阴极的研究与开发进展

Ｅｎｅｒｇｙ，Ｊｕｌｙ。１９９９．
［６］Ｂ．Ｊ．ｗｅｌｃｈ．”Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｐａｔｈ
Ｊ．ｏｆ
ｉｎ
Ｔｈｅ Ｎｗｅ
Ｍｉｌｈｎｉｕｍ”，
Ｍｅｔａｌｓ（ＪＯＭ），Ｍａｙ，１９９９；２４～２８．
（７ＪＡｌｔｏｈ
Ｆｒｏｍ
Ｔ．Ｔａｈｎｅｒｅａｕｘ．“Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ—Ｗｈｅｒｅ
试验。
３．３评估的结论 新型槽的设计还会陆续提出，付之实施需要解
决以下问题。
（１）电解槽的数学模型。在理论上要综合研究
它的流体力学、电化学、多相界面反应、温度场和电
场等技术基础问题以及结构的综合优化。完成理论
上的探索，提出更科学的数学模型。
４．５经济效益和社会效益的估计 （１）采用惰性阳极，全国仅节约优质碳每年可达 ４８亿人民币（按年铝产量为３００万ｔ计，每吨铝节约 碳耗０．５ｔ，即每年可节省１５０万ｔ阳极，实价为３２００
的电解条件下，这种阳极的表面可以产生阳极钝化
层，从而获得很高的抗腐蚀性。 ２．１．４评估的结论
美铝公司的金属陶瓷阳极是目前表现最佳的惰 性阳极。美铝公司正从制造过程和电解槽的操作条 件两方面进一步改进，进而提高阳极的性能，估计在 今后１～２年中可望解决，也就是说达到阳极的腐蚀
率１．０～１．５ｃｍ／ａ，铝的纯度为９９．７％（即工业铝的
参考文献：
（１］Ａｌｃｏａ Ｌａｔｅｓｔ Ｎｅｗｓ，ＰＩＴＴＳＢＵＲＧＨ，Ｊｕｎｅ ２２，２０００。Ｊｕｎｅ ２８，２０００．
据乐观的估计，１０００Ａ电流的新型结构的电解
槽将于５年内出现。 ４
对我国对策的建议
４．１加快以企业（公司）为主的技术创新中心的组 建工作。及时成立惰性电极研究与开发中心，建议 以长城铝业公司为试验基地。组成政府一产业一院 校的密切伙伴关系，尽快开展惰性阳极和可湿润性 阴极的研究和开发工作。其中，政府要大力支持，企 业是主要经费投入者和受益者，学校和研究院所作
连接处发生开裂和掉块。另外，在操作中由于氧化
合金电极的构想方案是比较优越的。关键是生 成的膜如何达到动态平衡，即溶解、生成、扩散间的 平衡。这显然不是短期内能解决的问题。目前，在 美国Ａｒｇｏｎｎｅ等国家实验室的参与下，有可能３年 内完成实验室的工作，５年后能达到工业应用的水
平，显然，合金材料的惰性阳极成功后，它的优越性
ｍｉｎｕｍ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ，Ｊａｎ。１９９９．
ｉｎ
Ｅｎｅｒｇｙ—Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ａｌｕ—
Ｃｅｌｌｓ”，Ｐｒｏｊｅｃｔ Ｆａｃｔ Ｓｈｅｅｔ，０ＩＴ，Ｕ．Ｓ．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ
（责任编辑何允平）
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万方数据
１９９９．
（Ｉ）目标：建成惰性阳极和可湿润性阴极垂直配 置的６０００Ａ的新型电解槽，阳极寿命能连续工作３ 年，产品铝的纯度为９９．６％～９９．７％，节能２０％。能 耗达到１１０００ｋｗｈ／ｔ一舢，成本降低２０％，完成的时
（９］‘‘Ａｄｖｍｃｅｄ Ａｎｏｄｅｅｓ ａｎｄ Ｃａｔｈｏｄｅｓ Ｕｔｉｌｉｚｅｄ
铝沉淀多，金属铝的质量不合格。ｃｓＩＲＯ公司于 １９９３～１９９６年进行了Ｓｎ０２基阳极的试验，在低温、
低分子比下电解。试验阳极的腐蚀率为２ｃｍ／ａ，但
是，在扩大性试验方面遇到了困难。
（２）金属陶瓷 典型的材料为尖晶石型氧化物陶瓷＋合金，例
会远远超过金属陶瓷阳极。 我国中南大学，东北大学等自６０年代起陆续开 展了氧化物陶瓷电极的基本性能的研究，为我国惰 性阳极技术开发与工程化奠定了一定的基础。 ２．２可湿润性阴极
（１）这种材料要能很好的同熔融的铝相湿润； （２）能耐高温和氟化物熔盐与熔铝的腐蚀； （３）有良好的导电性； （４）有高的强韧性；
（５）容易加工成型；
年来取得了令人鼓舞的成绩。 （３）合金电极材料 一般成分比较保密，据推测为含Ｃｕ—Ａｇ一越
万方数据
万方数据
２００１年第５期
刘业翔：铝电解槽惰性阳极与可湿性阴极的研究与开发进展
（２）能耐受新生态氧的渗蚀作用；
（３）有良好的导电性（电阻率≤碳阳极）； （４）机械强度高，抗热震性强，不易脆裂；
这种氧化物陶瓷的代号为５３２４，此种金属陶瓷则称
为５３２４—１７Ｃｕ，它在６０００Ａ的电解槽上进行了工业 性试验，持续了２６５个小时，主要考核阳极的腐蚀率
（５）容易加工成型，易于与金属导体连接； （６）原料易于得到，而且价廉。
在７０～８０年代对这两种材料研究得比较多，完
成了基本的材料物理化学性质和工业化的考核试 验。１９９０年Ｒｅｙｎｏｌｄｓ金属公司曾经在６００Ａ的电 解槽上采用６个Ｎｉ。Ｆ４１一。０４电极进行了考核，考核 没有取得成功。其原因是阳极的设计方面存在问
标准）的目标，但是，全面工业化估计还要３～５年的
时间。
题；电流分布不均；热应力比较集中；阳极与导杆的
２．１．２三种惰性阳极材料
和产出的铝的纯度。结果表明阳极腐蚀率为
１．８ｃｍ／ａ，获得铝的纯度为９９．５３％，杂质成分：Ｆｅ （０．１９％）；Ｎｉ（０．１８％）；Ｃｕ（０．１０％）。据称在适宜
经过多年的研究筛选，有三种材料取得了不同
程度的进展： （１）氧化物陶瓷 典型的有两种：一种是尖晶石型惰性阳极材料， 如Ｎｉ。Ｆｅ卜。０４；另一种是Ｓｎ０２基惰性阳极。
应用。
［４］（Ｉｎｅｒｔ Ａｎｏｄｅ Ｒｏａｄｍａｐ），Ｔｈｅ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ａｓｓｏｃ．Ｉｎ Ｃｏｎｊｕｎｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ Ｔｈｅ Ｕ．Ｓ．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ．Ｔｈｅ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ａｓｓｏｃ，Ｉｎｃ．，Ｆｅｂ，
１９９８．
［５］（Ｒｅｐｏｒｔ ｏｆ Ｔｈｅ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｗｏｒｋｉｎｇ Ｇｒｏｕｐ ｏｎ Ｉｎｅｒｔ Ａｎｏｄｅ Ｔｅｅｈｎｏｌｏ－ ｇｉｅｓ）。Ｏｆｆｉｃｅ ｏｆ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｔｈｅ Ｕ．Ｓ．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ
ｔｏ
４．４惰性阳极的研究和开发工作要结合新型槽的
设计，作出超越性的探索。
Ｈｅｒｅ？”。ＪＯＭ，Ａｕｇ，２０００：３５～３９． ［８］‘‘Ｉｎｅｒｔ Ｍｅｅｒａｌ Ａｎｏｄｅ Ｌｉｆｅ ｉｎ Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓ”，Ｐｒｏｊｅｃｔ Ｆａｃｔ Ｓｈｅｅｔ，ＯＩＴ，Ｕ．Ｓ．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ。Ｊａｎ，
元／ｔ）。
（２）进一步解决惰性阳极和可湿润性阴极极间
的绝缘材料和相应的槽内衬材料。
ห้องสมุดไป่ตู้
（３）异形惰性阳极材料的成型、制造，连接等工
程化的问题。
（２）单独采用可湿润性阴极，槽的寿命按延长５ 年计（共１０年），则可节约槽大修费约２８亿人民币 （全国现有１４０００台电解槽，平均大修费为４０万元／ 台，尚未计入减少停槽损失的节约）。 （３）用惰性阳极和可湿润性阴极的新型电解槽， 所获得的经济效益比上述（１）、（２）单独估算的还要大， 而且，环保效益方面的受益更为突出。
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２００１年第５期
刘业翔：铝电解槽惰性阳极与可湿性阴极的研究与开发进展
・２７・
近３００条。借鉴当今材料科学与工程方面取得的重 大进步，适时提出创新的槽设计与新材料的生产方
法，可能为惰性阳极和可湿润性阴极的成功奠定基 础。
合金。这种合金电极的强度高、不脆裂、导电性好、 抗热震性强。它的抗腐蚀性主要是靠表面上生成的 抗腐蚀性强的氧化物膜。膜的生成有两种方案：一 种是电解质中某种添加物能沉积在阳极表面，例如 生成ＣｅＯ，Ｆｖ保护膜；另外一种是阳极本身的合金 成分在电解过程中，由于发生了阳极氧化而产生了 该种金属的氧化物膜，靠膜的不断更新而达到抗腐
间为２００５年。
・２９・
极的形状设计上能够用析出的气流驱动电解质和加
速电解质的流动，以保持悬浮状态和减少氧化铝的 浓度差。
（２）优先解决的问题： ａ．惰性阳极的选择（建议采用尖晶石基的金属 陶瓷阳极），在基本性能研究的基础上研究解决大型 化和加工制作等工程技术问题； ｂ．新型槽的模型、模拟、设计； Ｃ．进行１０００～６０００Ａ新型槽及相关的工业性
蚀的目的。 ２．１．３代表性的进展
２研究与开发的进展
２．１惰性阳极
２．１．１
对惰性阳极的要求
（１）在铝电解的环境中（温度为９６０～９７０℃，电
解质为腐蚀性极强的冰晶石——氧化铝熔盐）能耐
受电解质的腐蚀，溶解度小；
以美国铝业公司（Ａｌｃｏａ）的“氧电极”为例，其金
属陶瓷惰性阳极的组成为：Ｃｕ（１７％）＋氧化物陶瓷 ８３％。氧化物陶瓷中ＮｉＯ：５１．７％；Ｆｅ２０３：４８．３％。
为重要的研究力量。
［２］（铝电解技术的一次革命），瑞士信贷第一波斯顿银行。Ｔｈｏｍａｓ
Ｍ．ｖ∞Ｌｅｅｕｗｅｎ。ＣＦＡ。１９９９（内部交流）．
［３］（Ａｌｕｍｉｎｕｍ
ａｔｉｏｎ
Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｒｏａｄｍａｐ），Ｔｈｅ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ａｓｓｏｃｉ－
Ｉｎｃ。Ｍａｙ，１９９７．
４．２全面规划惰性阳极和可湿润性阴极的研究和 开发，新型电解槽方面要追赶和自创结合； ４．３优先研究开发可湿润性阴极，改进ＴｉＢ２涂层 和其他可湿润性阴极的技术，首先在提高电解槽的 寿命上作出贡献，逐步开展ＴｉＢ２板状材料的研制和
２．２．１对可湿润性阴极的要求
如氧化物陶瓷为Ｎｉ。Ｆｅ３一。０４和Ｎｉ，Ｆｅ卜，Ｏ，合金是 富含ｃｕ的Ｎｉ—Ｆｅ合金。其特点是陶瓷的抗腐蚀 性强、合金导电性好，并提高了抗热震性、易于与阳
极导杆连接。
美国铝业公司（Ａｌｃｏａ）从１９８０年起，在美国能 源部的支持下，就致力于这种阳极的开发，没有获得
对这种阳极稳定性和寿命符合要求的结果，但是近