【doc】磁场对铝电解高温熔盐电解质相变温度的影响

【doc】磁场对铝电解高温熔盐电解质相变温度的影响 磁场对铝电解高温熔盐电解质相变温度的 影响 ? 24?轻金属2007年第l1期 磁场对铝电解高温熔盐电解质相变温度的影响? 王红强,李庆余,赖延清,王家伟,高宏权 (1.广西师范大学化学化工学院,广西桂林541000; 2.中南大学冶金科学与工程学院,河南长沙410083) 摘要:采用"动态法"测温技术及特制的热电偶探头,对铝电解现场有磁场影响下的 铝电解熔盐电解质的相变过程进 行了直接测定.并与在实验室中测定的没有磁场影响下的铝电解熔'盐电解质相变 过程的测定结果进行了对比.结果 表明:300kA预焙铝电解槽中,烟道端与出铝端的电解质在磁场强度为l339高斯和 l4.75高斯下的初晶点温度分别 为955.412和950.712,而没有磁场的初晶点941.59?和943.41?.磁场确实会对铝 电解熔盐电解质的初晶点温度 产生影响. 关键词:铝电解;熔盐电解质;初晶点温度;磁场 中圉分类号:TF801,3文献标识码:B文章编号:1002—1752(2007)11—24—3 TheEffectOfmagneticfieldonphasetransformationOfhigh temperaturemoltenelectrolyteforaluminumelectrolysis qing, WANGHong—qiang,LIQing—yu',LAIYan— WANGJia—wei.GAOHong—quan (1.SchoolofChemistryandChemicalEngineering,GuangxiNormalUniversity, Guilin540041;2.SchoolofMetallurgicalScienceandEngineering, CentralSouthL,iversity.Cangsha410083 Abstract:Thephasetransformationofmoltenelectrolytesamplehasbeendirectlymensurate din300kApre—bakedanodealuminumelectrolysiscell withdynamicmethodandspecialthermocoupleprobe,whichwasunderthemagneticfield,T henitwascomparedwiththephasetransformationmea— surementresultsofthesamesampleatlaboratorywheremagneticfieldwasabsented,Theresu ltsindicatethatHquidustemperatureofelectrolyteinflue portandaluminumtappingholeis955.412and950.712respectively,whenthemagneticdens ityis13.39gaussand14.75gauss.But,whenmagnet— icfieldwasabsented.theliquidustemperatureofelectrolyteis94159"(3and943.41? respectively.Theliquidustemperatureofmoltenelectrolyte couldbeinfluencedbymagneticfield. Keywords:aluminumelectrolysis;moltenelectrolyte;liquidustemperature;magneticfield. 在强大的直流电作用下,铝电解槽内溶解在温 度高达950?左右的熔融电解质中的氧化铝发生电 解反应生成金属铝的生产过程,是至今为止工业生 产所采用的唯一冶炼铝(称为Hall—Heroult 法).这一生产过程耗能巨大(吨铝直流电耗高达 13000,14o00kwh),因此人们不断地追求铝电解工 艺,设备的改进与优化达到提高技术经济指标,实现 节能降耗的目的,其中最见成效的途径是,在保持电 解质温度高于初晶温度一定的值(称为过热度),而 且电解质其他理化性质能满足要求的前提下,尽可 能地降低电解质温度.因此,无论是科学研究还是 生产实践,均十分关注对铝电解温度具有决定作用 的电解质相图及相变过程. 由于铝电解熔盐电解质是高温,强腐蚀介质,给 温度测量带来很大困难,导致对铝电解现行温度的 蕉垒旦;亡西科学基金项目(桂科基04480033) 04—09 收稿日期:2007— 控制具有重要参考价值的电解质相变温度至今仍然 说法不一.液相线温度的计算是使用一种理论上的 液相线方程式[1-4).除了离线式过早地取样存在 的潜在错误外,液相线数据的确定也是不准确的,因 为并非熔池中所有的成分能分析出或被考虑到液相 线方程式中.因此长期以来困扰铝电解界的"液相 线之谜【5JI'一直未能得到合理解释.根据统计物理 学关于相变的理论【6],外场(特别是电场,磁场和流 场)对相变过程存在很大的影响.例如,一些铸造工 艺上的研究表明【7],磁场确实对凝固过程存在很大 的影响,并认为这是由于在磁场的作用下液相凝固 时产生偏析从而影响相变,但未对其相变点作研究; 金蔚青等发现磁场会对熔体的温度分布梯度产生影 响【8J.本文利用热电偶"动态法【]"测温原理,及稳 定性强和重现性好的特制热电偶探头及计算机数据 2007年第ll期王红强,李庆余,赖延清,王家伟,高宏权: 磁场对铝电解高温熔盐电解质相变温度的影响.25' 处理系统,研究磁场对铝电解熔盐电解质初晶点的 影响,为揭示铝电解熔盐电解质"液相线之谜",深度 优化生产工艺技术条件提供可靠的实验基础. 1实验 1.1实验设备 冰晶石多功能测温分析仪(Multi—Iab2Crv— O—Therm,德国HeraeusElectro—Nite公司生产) 三维高斯计(美国F.W.Bell公司生产),实验室热 电偶温度测试系统(自制). 1.2实验过程 冰晶石多功能测温分析仪测量系统中的传感器 由一支经精确校验的外部用u型石英管保护的 Ptl0%Rh—Pt(S型)热电偶组成.热电偶安装在陶 瓷体中,外面再套以纸管保护.偶丝在黄金熔点 (1064?)处校准到精度为?0.5~C.传感器的结构 如图1所示.将这种传感器插入冰晶石熔池中直到 得到一个稳定的温度平台.大约25秒后传感器从 熔池中取出,同时在探头附带的金属样杯中取到一 个冰晶石试样.熔池试样在冷却过程中不断被搅 动.当达到液相线温度(初结晶点)时,熔解热被释 放,冷却速度降低.从时间一温度曲线上可以确定 出对应液相线温度的拐点,这样就能确定熔盐初结 晶点的温度. 利用上述冰晶石多功能测温分析仪在伊川铝厂 电解车间的300kA预焙铝电解槽上,分别测定烟道 端和出铝端位置的电解质的初晶点.同时在同样位 置分别取出电解质试样.将电解质试样置于实验室 的坩锅炉中升温到1000?以上,然后冷却,利用实 验室热电偶温度测试系统,测定时间一温度曲线,确 定在没有磁场作用下的电解质初晶点的温度值. 塑辩连接器 陶瓷壳 取样杯 电偶 图1多功能测温分析仪的传感器结构图 利用高斯计分别测定烟道端和出铝端的磁场强 度. 2结果与讨论 簧 时问,S (8) 图2铝电解现场电解质相变过程的温度曲线 图2中的anb两图分别是300kA预焙铝电解槽 生产现场,磁场存在情况下,电解槽烟道端和出铝端 电解质相变过程的温度曲线.从曲线上可以看出, 烟道端与出铝端的电解温度有所不同,电解温度分 时问,8 (b) 别为960.6~C和952.8?.随着样品的取出,在温度 的下降过程中,温度一时间曲线上都存在一个明显 的拐点.烟道端和出铝端的电解质的液一固相变温 度拐点分别为955.4~C和950.7~C,即烟道端和出铝 ? 26?轻金属2007年第ll期 端的电解质初晶温度分别为955.4C和950.7?. 图3中的A,B两图分别是300kA铝电解槽烟道端 和出铝端所取电解质在没有磁场的情况下的相变过 篝 程温度曲线.没有磁场影响下的烟道端和出铝端电 解质初晶点温度分别为941.9C和943.4C. 对间,B (a) 图3实验窒电解质相变过程的温度曲线 表1300kA预焙铝电解槽的磁场强度 及磁场对电解质初晶点的影响 图3中的A,B图与图2中a,b图中所显示的数 据可以看出,在有磁场与没有磁场的的情况下,电解 质的初晶点明显不同.烟道端与出铝端的磁场强度 (如表1)分别为13.39高斯和14.75高斯时,磁场 强度是相当大的.在磁场的作用下,电解质初晶点 温度发生明显的变化,表1列出具体的变化,显然, 磁场确实会对铝电解电解质?初晶点温度产生影 响. 文献【l0】认为,液态分子的热运动,其微观结构 处于一种无序的状态,外加磁场作用后,分子从无序 变为有序的新排列,这种排列使得液态物质微观结 构发生了变化,并认为这种变化带来热容的突变. 也许,这就是磁场影响电解质初晶点温度的原因. 3结论 在磁场作用下,300kA预焙铝电解槽的烟道端 时间,s (b) 与出铝端的电解质的初晶点分别升高了13.5?和 6.3?.磁场确实会对铝电解用电解质的初晶点温 度产生影响. 参考文献: [1]E.WDewing.Liquiduscurvesforaluminlumcellelectrolyte[J]. J.Electrochem.Soc.,1970,117(6):781—786. [2]G.L.BullardandD.D.Przybycien.DTAdeterminationsofbath liquidustemperatures:effectofLiF[J]LightMetals,1986,437— 444. [3]R.D.PetersonandA.TTabereaux.Liquiduscu~esforthecryo— lite—AIF3一AI2O3s~teminaluminiumcellelectrolytes[J].Light Metals,1987.383—388. [4]ASolheim,S.Rolseth,E.Skybakmoen,eta1.Liquidustempera— tureforprimarycrystallizationofcryoliteinmoltensaltsystemsof interestforaluminiumelectrolysis[J].Met.andMater.Trans.B, 27B,1996,737—744 [5]Haupin,W.Theliquidusenigma[J].LightMetals,1992,477— 480. [6]王诚泰.统计物理学[M].北京:清华大学出版社,1991. [7]王艳.直流磁场作用下AI一18Si合金的凝固行为[J].金属学 报,2000.36(2):159—161. [8]金蔚青.磁场对KNbO,熔体中温度分布影响的实验研究[J].无 机l材料,2000,15(1):159—162. [9]徐福仓,李劫.用于铝电解质动态测温的一种新算法[J].自动化 仪表.1999,20(8):13—15. [10]汪仲清,周开学,耿宏章.磁处理过程的热力学相变分析[J].油 气田地面工程,1997,16(5):25—26. f责任编辑郝文儒)