AlF3的添加量对钠冰晶石电解质体系初晶温度的影响

杨运川

（贵阳铝镁设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550003）

电解质初晶温度是铝电解质非常重要的物理化学参数之一，初晶温度影响电解质的挥发性、流动性、金属与电解质的分离和金属的熔解损失等[1]。工业能耗大，环保要求高，惰性阳极、导流槽、低温电解等技术成为近年来的热门研究。霍氏电解铝法的电解温度一般在960℃左右，但铝的熔点只有660℃，为了制造液态铝，电解温度实际上还有很大程度的降低。所以低温电解质一直是铝电解工业研究的热点，而寻找新型的低温铝电解质必然要从降低电解质体系初晶温度着手，人们通常通过选择合适的添加剂如：AlF3、CaF2、MgF2和LiF等来进一步降低电解质的初晶温度[2]。初晶温度的高低直接影响着铝电解的电流效率，研究表明：当其他条件相同时，电解温度每降低1℃，电流效率就提高约0.18%[3]。本文使用某电解铝企业的生产槽样品，在其中添加AlF3，通过试验研究AlF3添加量对该电解质体系的初晶温度影响。

1 实验

本次试验原料有电解质试样和AlF3，其中电解质试样为某电解铝企业生产槽所取样品，该电解质为钠冰晶石体系，成分检测结果如表1。AlF3为高纯AlF3（纯度≥99.9%），试验前将电解质试样按《GB/T33908-2017铝电解质初晶温度测定技术规范》要求破碎、研磨至全部通过75μm的标准筛网贮存备用。

表1 某生产槽电解质样品成分

将电解质试样用电子天平称取10g，共称取3份试样，装入专用的测试容器中，采用北京核心动力科技生产的初晶温度测试仪对电解质试样进行初晶温度测试。

在制备好的电解质试样中按比例额外添加不同含量的AlF3粉体，分别制得添加量为5%wt、10%wt、15%wt、20%wt、25%wt、30%wtAlF3的电解质试样，并对每种试样用电动拌桶搅拌混匀，每种添加量的试样取3个，每个10g，装入专用的测试容器中待测。

结合电解质试样初晶温度测试结果和不同添加量AlF3的电解质试样初晶温度测试结果的测试结果，将不同AlF3添加量的电解质试样初晶温度平均值绘制曲线如图1。

图1 不同AlF3添加量的电解质试样初晶温度变化曲线

从图1可看出，对于本电解质试样，通过添加AlF3可以降低电解质体系初晶温度，这是因为降低了电解质体系的分子比，其中添加15%wtAlF3得到了该区间内初晶温度相对最低的电解质体系，为了进一步证实这一试验结果，对该含量的电解质做初晶温度验证试验，再取3组添加量15%wtAlF3的电解质试样，验证试验初晶温度平均值911.4℃，明显低于添加量0%wt、5%wt、10%wt、15%wt、20%wt、25%wt、30%wtAlF3的电解质试样，说明在添加量15%wtAlF3或其左右，初晶温度有明显下降。为了解释这一现象，查阅文献，尝试着寻找理论计算模型来解释。

张廷利[4]在《NaF-AlF3-Al2O3-CaF2-LiF-MgF2-KF系工业铝电解质初晶温度的研究》一文中通过试验给出了电解质初晶温度计算式如式（1）所示。

将本次试验试样成分带入式（1），得到结果如表2所示。

从计算结果看式（1）的计算结果与试验结果相差较大，无法很好拟合试验结果。

表2 电解质试样成分及式（1）理论计算结果

陈建设[5]等在《铝电解质Na3AlF6-AlF3-LiF-MgF2-CaF2系初晶温度上20℃的熔盐性质和等溶成分》一文中给出的初晶温度计算式如（2）所示。

式（2）中没有给出KF的添加量对初晶温度的影响，刘芳玉[2]在《KF对铝电解质性质的影响研究》中给出了KF含量每增加1%wt，初晶温度降低3℃～4℃；Solheim等根据研究结果在Na3AlF6-CaF2-MgF2-KF-AlF3-LiF-Al2O3电解质体系初晶温度经验式中给出了增加1%wt KF，初晶温度降低3.95℃。

表3 式（2）理论计算结果与测试结果比较

吕晓军等在《铝电解质初晶温度和氧化铝溶解度的理论计算》中指出电解质中每增加1%wt的Al2O3，电解质初晶温度降低7℃。所以需要对是式（2）计算结果进行修正。计算结果如表3所示。

式（2）同样无法给出与测试结果相近的计算结果。王家伟等人研究发现当氟化铝含量小于18%时，没添加1%的氟化铝初晶温度降低1℃～4℃；当大于18%时，每添加1%初晶温度降低～10℃。通过该结论，造成本次测试结果的可能原因：在额外添加15%wtAlF3附近，总的氟化铝含量到达临界值，此时初晶温度降幅加大。

2 结论

（1）分别测试了不同添加量的AlF3的钠冰晶石电解质体系初晶温度，并对结果进行理论计算。

（2）当额外添加15%wt的AlF3时，可能达到了初晶温度降幅的临界值，具体原因还需进一步研究分析。