NaF-KF-LiF-AlF3系铝电解质熔盐电导率研究

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高能耗与高(温室气体)排放问题正严重制约着铝电解工业的可持续发展。低温铝电解是实现铝电解节能降耗的重要途径,低温、高Al2O3浓度、高电导电解质的开发是该技术成功的关键。论文在国家“863计划"和中国铝业公司的资助下,以发展低温铝电解技术、升级改造现行铝电解工业为目标,通过文献调研并结合前期研究工作,选择NaF-KF-LiF-AlF3铝电解质体系为研究对象,研究了单一碱金属氟化物及KF-AlF3二元熔体温度、组成的变化对熔盐电导率的影响规律,以及熔体过热度、分子比与添加剂等对铝电解质熔盐电导率的影响;在此基础上,进一步研究了NaF-KF-LiF-AlF3系多组分电解质熔盐的电导率与温度及组成的关系,获得了如下主要研究结果:(1)单一碱金属氟化物LiF、NaF及KF的电导活化能分别为93.11、104.57和140.45 kJ/mol,温度每升高10℃,对应熔盐电导率分别提高0.0532 S·cm-1、0.0267 S·cm-1和0.0314 S·cm-1。在相同温度下,受熔盐中阳离子半径的影响,LiF、NaF和KF电导率比值约为2.5:1.26:1。受离子键能强弱不同影响,相同熔体温度下K3AlF6熔盐电导率远小于Na3AlF6,比例大约在1.647:1。(2)对于低分子比(CR<2.3)铝电解质,分子比每升高0.1,电导率提高约0.1 S·cm-1;而分子比为2.3-2.8时,随着分子比变化,熔盐电导率波动差距仅为0.1-0.2S·cm-1;过热度每升高10℃,其熔体电导率可提高约0.05S·cm-1。在1-5wt.%范围内,电解质中LiF添加量每增加1wt.%,相同温度下电导率提高约0.024S·cm-1;当KF替代比例从0增加到26wt.%时,电解质电导率从2.02 S·cm-1下降到1.6S·cm-1,用KF全部替代NaF时,熔盐电导率为1.24S·cm-1。(3)获得了初晶温度介于890-920℃的多种NaF-KF-LiF-AlF3系多组分电解质组成,与工业铝电解质相比,其Al2O3在熔体中的溶解性能可比或有所提高,且电导率提高5-10%。还确定了初晶温度介于800-850℃的NaF-KF-LiF-AlF3系多组元电解质组成:KF含量为8.0wt.%,LiF含量<11wt.%,860℃时的电导率>1.6S·cm-1。通过对试验数据的非线性拟合,获得了相关系数为0.9551、平均误差为0.123S·cm-1的NaF-KF-LiF-AlF3电解质体系电导率计算经验公式:κ=7.167-2.457NaF-2.457KF-6.768LiF-2.104AlF3-3.923NaF2+3.795KF2+10.442LiF2-6.083AlF32-7.741(CaF2+MgF2+Al2O3)-7.469(T/1200)+8.756(T/1200)2式中:NaF为0-50wt.%,KF为0-50wt.%LiF为0-50wt.%,AlF3为30-40wt.%,CaF2为0-5 wt.%,MgF2为0-5wt.%,Al2O3为0-5wt.%,电解质温度T为750-1000℃。
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