铝电解用惰性阳极的应用与发展

铝电解用惰性阳极的应用与发展

摘要：基于惰性阳极和可湿润性阴极的炼铝新技术可大幅度降低原铝生产成本和能耗，且环境友好，它的成功将给传统铝电解工业带来新的技术革命。本文在简要介绍传统铝电解技术的基础上，着重对铝电解用惰性阳极的组成、性能特点及应用现状和发展前景做了较为系统的阐述。

关键词：惰性阳极铝电解金属陶瓷

众所周知，铝是地球上含量极丰富的金属元素，铝元素在地壳中的含量仅次于氧和硅，居第三位，是地壳中含量最丰富的金属元素。在金属品种中，仅次于钢铁，为第二大类金属。铝的用途极其广泛，有良好的导热性和延展性，并具有良好的耐腐蚀性，兼备了诸多其它金属的优良特性，所以是一种应用广泛，需求量大的金属，可谓是“金属之王”[1]。

由于铝的化学性质很活泼，因而在自然界里没有单质的金属铝存在，而是以铝的各种化合物形态存在。铝的化合物在自然界中分布极广，含铝的矿物有250种，但在工业上有开采价值的铝矿，只有为数不多的几种。世界上所有的铝都是用电解法生产出来的，称之为电解铝。电解铝就是通过电解得到的铝。现代电解铝工业生产采用冰晶石-氧化铝融盐电解法。1886年Hall和Heroult分别申请了电解氧化铝-冰晶石熔体生产金属铝的专利，至今一百多年来，随着工程科学、材料科学和化学工艺的发展，Hall-Heroult炼铝法取得了很大的改进，目前铝电解槽的电流效率可高达96%。铝电解工业生产采用霍尔-埃鲁冰晶石-氧化铝融盐电解法，即以冰晶石为主的氟化盐作为熔剂，氧化铝为溶质组成多相电解质体系。其中Na2AlF6-Al2O3二元系和Na3AlF6-AlF3-Al2O3三元系是工业电解质的基础。尽管人们做了很多关于改变Hall-Heroult铝电解法的尝试，但从工业应用角度看，此法仍然是铝电解的唯一方法[2]。就目前而言，工业铝电解槽还普遍采用消耗性的炭阳极，由此产生了许多问题：(1)优质碳消耗大，因此需要配备庞大的炭素已经生产工厂，投资和生产成本较高，阳极要经常更换，劳动强度大；

(2)由于炭阳极的不断消耗，极距不稳定，需要复杂的机械装置来调整极距，工艺复杂；(3)电解反应产生大量的温室气体以及大量的致癌物质等，给环境造成极大的污染。

惰性阳极及其电解新工艺因能解决上述问题，使生产成本降低近30％，而成为国际铝业界和材料界的关注焦点和研究热点。美国能源部和美国铝业协会起草的《铝工业技术发展指南》认为：“惰性阳极是今后20年最优先的研究课题”。目前具有较强应用前景的惰性阳极材料主要包括以下三类，即金属氧化物陶瓷、金属及其合金和金属陶瓷惰性阳极[3]。在这方面最近的研究主要集中在金属陶瓷材料上。镍铁基金属陶瓷已被视为一个充满前景的铝电解惰性阳极。LAI和XI等人研究了它们的电解腐蚀率和在高温下的电导率，认为其耐腐蚀性和导电性还须进一步改善和提高。随后，相关的研究人员采用一些氧化物如氧化钙，氧

化锌，TiO2和MnO2作为添加剂来提高和改善阳极的相对密度以及力学性能，文献研究结果表明，添加CaO可提高镍铁基金属陶瓷的力学性能。但是，对于熔体的抗腐蚀性能尚未研究。惰性阳极材料的研究工作表明，NiFe2O4尖晶石具有较高的熔点，较好的稳定性和优异的抗熔融冰晶石腐蚀等诸多优点，所以可作为惰性阳极的候选材料。尽管如此，它仍不能满足电解工艺的要求。许多研究工作者开展了大量的研究工作来改善和提高NiFe2O4基体的性能，以其能达到工业化生产的要求，通常是通过掺杂一定量的特殊功能材料作为添加剂。添加剂是在一定程度上可以改变基体的物理化学性质及工艺性能[4]。金属陶瓷惰性阳极材料结合了金属优异的导电性和陶瓷出色的耐蚀性，是最有前途的一类惰性阳极材料，也引起了国内外研究人员的广泛关注，取得了很大的成绩，目前制备的金属陶瓷的性能有了显著的提高，但其与电解铝生产的实际要求还有很大的距离，主要是金属相与陶瓷相的润湿性问题。综合国内外的研究成果可以看出，金属陶瓷惰性阳极中的金属相普遍存在与陶瓷相润湿不好的现象，金属陶瓷阳极材料在高温烧结过程中存在金属溢出、金属相分布不均匀、团聚的现象，而且呈孤立的不规则球状分布在陶瓷基体中，未形成良好的网状结构，从而影响了金属在陶瓷相中的分布，如金属Ni、Cu及Ag对陶瓷相润湿不好，使金属陶瓷的导电性和力学性能都显著降低[5]。

目前铝电解用惰性阳极的研究由于技术、成本等问题的阻碍进展较缓慢，而且现在对惰性阳极应用的可行性意见也并不统一，很多人对惰性阳极抱有怀疑态度。这就像刚刚发明火车时，由于其速度还没有马匹快，成本又高，并不方便快捷而被取笑一样。抱有怀疑态度的人只是从成本和技术这两方面进行考虑，而没有联系到社会的需求，对科学技术的发展也缺乏比较、剖析和全面的调查。可以断定惰性阳极取代碳素阳极是迟早的事。

参考文献

[1]王志刚,黄蔚,赖延清.铝电解惰性阳极研究新进展[J].轻金属属.2007(2):27-30.

[2]张刚,李劼,赖延清等.CaO掺杂对10NiO-NiFe2O4复合陶瓷致密化及导电性能的影响[J].材料与冶金学报.2007,6(3):214-219.

[3]张磊.氧化银对惰性阳极耐熔盐腐蚀性能的影响[J].轻金属.2007,(7):34-36.

[4]郭海生，郭喜平．Nb基超高温合金定向凝固组织及其共晶凝固机理研究进展．材料导报，2007,21(4):56

[5]Sadoway D R. Inert Anodes for the Hall-Heroult Cell:The Ultimate Materials Challenge [J].JOM, 2001, 53(5):34-35.