電解鋁液中氫和al

電解鋁液中氫和al

1.2氫的形成過程是鋁溶液1.2.1氧化鋁氟化鋁電解槽中的水分：原材料進(jìn)入電解槽的水分是由于阻礙鋁溶液吸收氫的根本原因。電解所用的原材料包括Al2O3、氟化鹽等,均有較強(qiáng)的吸濕現(xiàn)象。低溫焙燒的氧化鋁是一種多孔隙結(jié)構(gòu),表面上的活性質(zhì)點(diǎn)具有選擇性吸附水分子的能力。鋁工業(yè)上采用的砂狀A(yù)l2O3中,γ-Al2O3占90%左右,具有比表面積大,氣孔率高等特點(diǎn),對水分和HF具有很強(qiáng)的吸附性能。文獻(xiàn)介紹:山東鋁業(yè)公司自用氧化鋁含水量為0.2%～0.3%;南山鋁業(yè)公司氧化鋁平均含水量為0.3%～0.4%;河南神火鋁電集團(tuán)氧化鋁含水量為0.3%～0.5%。國內(nèi)Al2O3供應(yīng)缺口大,由海運(yùn)進(jìn)口的Al2O3實(shí)際含水量達(dá)到1%～2%左右,某鋁業(yè)公司對進(jìn)口Al2O3進(jìn)行檢測,曾經(jīng)檢出的最大含水量高達(dá)4.8%。電解鋁所用的γ-Al2O3約含有0.8%的水分。電解鋁所用的氟化鹽以氟化鋁為主,由氟氫酸和氟硅酸同氫氧化鋁反應(yīng)而制得的氟化鋁很難徹底脫除水分。進(jìn)入干燥系統(tǒng)中的AlF3濾餅有接近理論值的干基氟含量(67.86%),當(dāng)脫水到含水6.5%時,氟化鋁水解率達(dá)到11%～16%。繼續(xù)脫水顯然會導(dǎo)致氟含量進(jìn)一步降低。國標(biāo)GB/T4292-2002規(guī)定,允許氟化鋁成品中含水量不超過7.0%。載氟氧化鋁是利用Al2O3作為吸附劑,對電解所產(chǎn)生的煙氣進(jìn)行干法凈化后所獲得的氧化鋁。干法除氟的吸附反應(yīng)原理為:Al2O3+6HF→2AlF3+3H2O。載氟氧化鋁平均含水量達(dá)到2.80%。由上可知,氧化鋁、氟化鋁、載氟氧化鋁均含有大量的水分;熄效應(yīng)所用的壓縮空氣,飽和了水蒸汽;濕木條帶有大量的生物水。經(jīng)測算:生產(chǎn)一噸鋁,各種原材料攜帶水分分別為:Al2O3帶入34.40kg;AlF3帶入2.55kg;冰晶石帶入0.15kg。考慮效應(yīng)處理帶入的水量為0.80kg,每生成1t鋁,原材料帶入電解槽的水分總量為37.90kg。1.2.2確定電解過程的氟平衡在電解鋁生產(chǎn)過程中,載氟氧化鋁吸附的HF氣體來源于電解液中氟化鋁的水解反應(yīng),由于水解反應(yīng)決定電解液中水分的電解過程,與電解析氫過程密切相關(guān),因而間接反映了鋁液含氫量的高低。電解過程的氣氟排量,可根據(jù)預(yù)焙槽氟平衡計算確定。中國鋁業(yè)公司環(huán)境監(jiān)測中心站從2001年至2004年先后對鄭州鋁廠、山東鋁廠、貴陽鋁廠、青海鋁廠進(jìn)行了氣態(tài)氟濃度測定,獲取了測定期間鋁電解生產(chǎn)系列氟平衡數(shù)據(jù),通過多年來對各大鋁廠的實(shí)際監(jiān)測和評價,為氟平衡計算提供了可信的基礎(chǔ)。實(shí)測結(jié)果表明:采用干法凈化的160kA～300kA預(yù)焙槽,氣態(tài)氟排量從8.35kg～8.77kg不等,平均氣態(tài)氟化氫排量為:8.57kg。1.2.3鋁電解溫度及alf3水解反應(yīng)的關(guān)系(a)氟化鋁水解:電解原材料所攜帶的水分以吸附水和結(jié)合水兩種形式存在,在原料預(yù)熱過程中,吸附水被蒸發(fā),結(jié)合水隨原料一起進(jìn)入電解液中。進(jìn)入電解液中的水分,部分在直流電的作用下被電解,在陰極鋁液上析出氫氣;部分水與氟化鋁發(fā)生水解反應(yīng),由于其它氟化鹽不能水解,氟平衡測算中的HF幾乎完全來自于AlF3水解。氟化鋁水解反應(yīng)進(jìn)行的條件:在電解液中氟化鋁發(fā)生水解的反應(yīng)式如下:2/3[AlF3]+H2O(g)=2HF(g)+1/3[Al2O3](28)如果將AlF3和Al2O3的標(biāo)準(zhǔn)溶解自由焓忽略不計,生成的Al2O3為α-Al2O3,則反應(yīng)(28)可寫成:2/3AlF3+H2O(g)=2HF(g)+1/3Al2O3(29)從文獻(xiàn)中可查出反應(yīng)(29)中各物質(zhì)的熱力學(xué)數(shù)據(jù),如表2:參加反應(yīng)物質(zhì)有相變的捷姆金——許華茲曼方程式為:△G0Τ=(△Η0298±n∑j=1△Ηtr)-Τ(S0298±n∑j=1△Ηtr/Τtr)-Τ(-3∑j=1△AiΜi+-3∑j=0n∑j=1△AijΜij)(30)式中:I——△Cp溫度項(xiàng)T的冪次;n——相變次數(shù);Ai——與相變有關(guān)的系數(shù);Aij——相變期間與溫度有關(guān)的系數(shù);Mij——相臨兩相變溫度區(qū)間相變溫度Mi之差。鋁電解溫度在960℃左右,只需求出727K～1400K溫度范圍內(nèi)反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)自由焓△G0Τ即可。根據(jù)表2中的數(shù)據(jù),結(jié)合捷姆金—許華茲曼方程便可計算出反應(yīng)(29)的△G0Τ與溫度T的關(guān)系式,用回歸分析法將其化為二項(xiàng)式:G0Τ=131151.50-125.40T,(31)由于計算過程十分繁雜,特使用QBASIC語言編程計算,故省略了全部計算過程。當(dāng)△G0T≤0時,反應(yīng)從左向右進(jìn)行,即AlF3開始水解,由(31)式可求出水解反應(yīng)進(jìn)行的最低溫度T≥1046K(773℃),而電解溫度在960℃左右,故鋁電解過程中AlF3要發(fā)生水解反應(yīng)。溫度對AlF3水解反應(yīng)的影響:假定AlF3水解反應(yīng)的總壓為0.1MPa,反應(yīng)達(dá)到平衡時產(chǎn)生的2/3(1-x)[AlF3]+(1-x)H20(g)=2xHF(g)+1/3(1-x)[a-Al2O3](32)HF為2x(mol),取分子比為2.7,電解質(zhì)中Al2O3含量為5%(wt),從文獻(xiàn)中可查出aAlF3=10-3,aAl2O3=0.03,根據(jù)G0Τ=-RTlnKp可以求出反應(yīng)的平衡常數(shù)和x值,然后求出H2O的轉(zhuǎn)化率y和HF的產(chǎn)率w,H2O的轉(zhuǎn)化率=HF的產(chǎn)率=100x%,計算結(jié)果如表3:電解溫度為960℃,從表3中可以查出水的轉(zhuǎn)化率為27.10%,也就是說:電解液中1kg水有0.27kg轉(zhuǎn)化成了HF。實(shí)際生產(chǎn)過程中電解槽產(chǎn)生HF按8.57kg計。生產(chǎn)1噸鋁,原材料帶入電解液中的水量為:14.23kg,參加水解反應(yīng)的水量4kg。參加電解反應(yīng)的水量為:10.23kg。(b)水分的電解與鋁液中的氫:每生產(chǎn)1t鋁原材料帶入電解槽的水分總量為37.90kg,其中:14.23kg水分進(jìn)入電解液中,效應(yīng)操作時考慮0.8kg水分直接進(jìn)入鋁液,余下的22.87kg水分,則全部受熱蒸發(fā)。進(jìn)入電解液中的水分,有4kg參與水解反應(yīng),有10.23kg參加電解反應(yīng)。進(jìn)入鋁液中的水分和參加電解反應(yīng)的水分,是電解鋁液中氫的來源。效應(yīng)操作時0.80kg水與鋁反應(yīng)生成氫氣為0.16kg,同時產(chǎn)生的氧化夾雜物的量為:1.36kg。參與電解過程的水分,在陽極析出CO2,在陰極析出氫氣,由C+2H2O=2H2+CO2,得陰極析出的氫氣為2.05kg。電解鋁生產(chǎn)過程中每生產(chǎn)1t鋁產(chǎn)生的氫氣總量為:2.21kg,所產(chǎn)生的氫氣,如果全部被鋁液吸收,相當(dāng)于在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的溶解度為:1235.30ml/100g金屬。電解鋁液中的實(shí)際含氫量為每100g金屬中0.25ml～0.30ml。生成的氫的總量相當(dāng)于鋁液中實(shí)際含氫量的3.294×106倍?？梢?電解過程析出的氫,大部分隨陽極氣體循環(huán)排出,只有極少量的氫溶于鋁液中。鋁液與電解液之間的界面上所形成的動態(tài)Al2O3膜,對鋁液仍有保護(hù)作用,能有效減少鋁液的吸氫量。1.3鋁液中氫的擴(kuò)散過程電解鋁液與CO2作用所生成的α-Al2O3,只有和鋁液接觸的一面是致密的,和氣體接觸的一面是多孔、疏松、粗糙的,表面存在著大量的直徑為5×104nm的小孔,Al2O3的空間結(jié)構(gòu)見圖6,由圖可知:Al2O3分子在鋁晶格上鋪出一個單元氧化物晶胞,形成六角形的棱柱體。其內(nèi)部棱邊的鋁原子,由于周圍存在著很近的氧原子(是強(qiáng)烈的電子受體,具有剩余的負(fù)電荷),與基體中的鋁原子相比將帶有更多的正電荷;在Al—Al2O3界面上出現(xiàn)了附加的空心體積AA′A″,呈三角棱形,分布在三個鋁的面心立方之間(簡稱“窗”),因棱柱頂上的鋁原子比A—A多一個連結(jié)點(diǎn),據(jù)化學(xué)鍵學(xué)說,形成“窗”的鋁原子因發(fā)生電子云的浮散帶有正電荷,是電子的受體,在其上面會出現(xiàn)氫電子密度的重新分配,成為吸附氫的活性中心。氧化鋁吸附氫反應(yīng)過程的活化能為:142.12kJ/mol,吸附能為:50.62kJ/mol。通常情況下,氫的物理吸附熱為:12.54kJ/mol～16.72kJ/mol,而化學(xué)吸附熱是:83.6kJ/mol～104.5kJ/mol。由此可見,氧化鋁吸附氫時,化學(xué)結(jié)合力起作用。關(guān)于氫和Al2O3反應(yīng)的機(jī)理,部分學(xué)者提出了氫和氧化鋁的靜電相互作用的假說,認(rèn)為金屬氧化物是極性物質(zhì),氧離子帶有過量的負(fù)電荷。在金屬中溶解原子氫時發(fā)生氫的電離。H→H++e。氧化鋁質(zhì)點(diǎn)表面上的負(fù)電荷使反應(yīng)的平衡向右移動,從而促使氧化質(zhì)點(diǎn)上的氫濃度增加。沙洛夫認(rèn)為:氧化鋁和氫是根據(jù)固體吸附氣體的多分子理論結(jié)合的。在吸附體周圍存在分子間作用力場,該力場是由分散作用、定向作用和感應(yīng)作用而形成的,在液體金屬中固相顆粒產(chǎn)生分裂作用,在固相顆粒表面形成厚度約為104nm的液體金屬層,其中富含有大量的氫。電解鋁液吸氫的動力學(xué)過程:鋁液吸氫可分解為下列幾步:①氫分子撞擊到鋁液表面;②氫分子在鋁液表面離解為氫原子,H2→2H;③氫原子吸附于鋁液表面,2H→2H(ad);④氫原子通過擴(kuò)散溶入鋁液中,2Had→2[H]。第四步擴(kuò)散過程是整個吸氫過程的限制環(huán)節(jié)。氫在鋁中的擴(kuò)散系數(shù)與經(jīng)典的Arrhenious特性現(xiàn)象不一致。就Al—H系而言,甚至在高溫時,氫原子也是通過單純的空位俘獲作用擴(kuò)散的。鋁在900K時的空位密度為4×104,遠(yuǎn)大于溶解的氫原子濃度,此時,氫原子擴(kuò)散激活能與純空位遷移激活能相同。氫在鋁中擴(kuò)散的速率取決于兩個因素:擴(kuò)散系數(shù)和滲透率,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,擴(kuò)散系數(shù)可表達(dá)如下:D=Κ√ΡΗ2exp(-△Η2RΤ)(33)式中:△H——擴(kuò)散熱,J/mol;PH2——?dú)浞謮?Pa;R——理想氣體常數(shù);T——鋁液溫度,K;K——常數(shù)。由式(33)可見,氫分壓和鋁液溫度越高,擴(kuò)散熱越小,擴(kuò)散系數(shù)越大,即氫的溶解速度越大。實(shí)驗(yàn)測定,在氫分壓為0.1MPa,溫度為943K～1173K的范圍內(nèi),氫在鋁液中的原子擴(kuò)散系數(shù)D可用下式表示:D=2.23exp{-14350/(RT)}(34)在鋁液對流時的有效擴(kuò)散系數(shù)Def為:Def=0.549exp{-7230/(RT)}(35)電解鋁液中常含有一定數(shù)量的Si、Fe、Na、Ca以及少量的稀土元素和氧化夾雜物,對氫的擴(kuò)散過程有很大的影響,通常降低氫的擴(kuò)散系數(shù)。擴(kuò)散系數(shù)與電解液-鋁液之間形成的氧化膜狀況有密切的關(guān)系,數(shù)值相差很大,此時,金屬滲氫速度取決于吸附速度和氫的離解作用。在電解鋁液中,對流擴(kuò)散同樣扮有重要角色。對流包括金屬內(nèi)部各部溫差所引起的自然對流,以及多場耦合作用引起的鋁液強(qiáng)制對流。對流作用越強(qiáng)烈,對流擴(kuò)散越起主導(dǎo)作用。水分電解所析出的氫通過界面擴(kuò)散和雜-氣寄生機(jī)制污染鋁液,見圖7。圖8為直接利用電解鋁液配制的Al-Zn-Mg-Cu合金鑄態(tài)SEM觀察結(jié)果,圖8(a)為合金中的氧化鋁夾雜被枝晶組織推向晶界。圖8(b)為合金中形成的氣孔形貌,圖8(c)為合金中形成的氣泡形貌,圖8(d)表明氣泡表面攜帶氧化物夾雜。圖9為Al-H平衡相圖,由圖可知,H在鋁熔點(diǎn)660.452℃附近區(qū)域,平衡溶解度發(fā)生急劇變化,液相溶解度遠(yuǎn)大于H在固相中的溶解度。在共晶點(diǎn)附近,固相中氫為0.036ml/100g,液相中氫含量為0.69ml/100g,合金凝固過程中,收縮現(xiàn)象促使氫從固相和液相中析出。鋁液中的氫主要是以原子狀態(tài)存在的。從熱力學(xué)的角度看,氫氣泡形成前還必須先形成氣核。氧化夾雜表面上含有大量微孔和裂紋,對氣孔形核非常有利,成為氣孔形核的有效基底。微片狀氧化夾雜物的表面或周圍,借助于雜-氫之間形成的綜合聚集力場(諸如接觸電勢場、靜電力場、吸附力場、化學(xué)能和物理能等)的作用,使鋁—雜—?dú)湎到y(tǒng)的自由能降低,促使寄生于雜上的氣核不斷長大,當(dāng)超過臨界形核尺寸時便形成氣泡,得到沿晶界有氣孔的鋁的一次晶體。1.4自然消滅效應(yīng)陽極效應(yīng)是一種有害的負(fù)反應(yīng),本質(zhì)是電解液中Al2O3濃度降低,電解液與陽極之間的潤濕性變壞,在炭陽極界面上析出的CO2氣體不能及時排出并形成一層不導(dǎo)電的氣體薄膜,從而導(dǎo)致電流阻塞的過程。向電解液中添加適量的Al2O3,使電解液對陽極的潤濕性改善,陽極效應(yīng)即可熄滅。效應(yīng)過程本身不導(dǎo)致鋁液增氫含雜,隨后的加料和效應(yīng)處理過程均能在一定程度上弄臟電解鋁液。受電解液對Al2O3溶解和擴(kuò)散能力限制,自然熄滅效應(yīng),將會持續(xù)相當(dāng)長的時間。在實(shí)際生產(chǎn)過程中,常依靠人工輔助熄滅效應(yīng)。往電解液中加入足量的Al2O3后,將濕木條插入電解槽中,濕木條是碳水化合物,插入960℃鋁液、電解液層將發(fā)生強(qiáng)烈的脫水反應(yīng),生成大量的H2O和CO2,H2O和CO2都能與高溫的鋁液發(fā)生化學(xué)反應(yīng):4Al+6H2O=2(α-Al2O3)+6H2-395.7kJ/mol(36)2Al+3CO2=(α-Al2O3)+3CO-550.38kJ/mol(37)生成的氫和Al2O3污染鋁液,產(chǎn)生的CO、H2能在鋁液層中產(chǎn)生強(qiáng)烈的沸騰作用,造成鋁液短路,熄滅效應(yīng)。效應(yīng)處理期間,鋁液中產(chǎn)生的H2、CO、CO2等氣體并不與鋁液直接接觸,而是與氧化膜接觸。氣泡表面的氧化膜內(nèi)壁呈疏松、多孔狀分布,氧化膜上吸附著大量的氫。電解溫度下形成的氧化膜是非均勻、非連續(xù)的,高溫鋁液易于通過氧化膜表面的縫隙流入氣泡內(nèi),導(dǎo)致氣泡破裂,氣泡上吸附的氫同氧化膜一起進(jìn)入鋁液中。由此可見,效應(yīng)期間產(chǎn)生的氫通過Al2O3的吸附作用與Al2O3一起進(jìn)入到金屬鋁液中。熄滅效應(yīng)的過程實(shí)際上是在鋁液中造渣、造氣的過程,是導(dǎo)致電解鋁液中產(chǎn)生氫污染的一個重要原因。2在電解作用過程中對電解鋁溶液進(jìn)行凈化2.1鋁液-鋁液法溶解al2o3在工業(yè)電解槽上,CO2與鋁液反應(yīng)所生成的Al2O3能夠吸附水分電解過程所析出的氫,載氫的Al2O3懸浮在鋁液-電解液界面上。加料過程中,來不及溶解的Al2O3物料也是沉降在鋁液-電解液界面上。Al2O3是溶氫的載體,Al2O3膜破裂或隨電解液-鋁液循環(huán)進(jìn)入鋁液,會對鋁熔體造成污染,導(dǎo)致鋁液增氫增雜。在冰晶石-氧化鋁熔體制備電解鋁過程中,電解液的主要成分為:NaF-(2.5～2.7)wt%AlF3-(5～6)wt%CaF2-(2～4)wt%MgF2,對氧化鋁有較強(qiáng)的溶解能力。當(dāng)Al2O3溶入冰晶石溶液中時,在溶劑和溶質(zhì)之間發(fā)生了強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)。在稀溶液中,O2-離子的濃度較低,Al2O3中氧首先同冰晶石中的氟交換,生成AlOF4-5絡(luò)合離子團(tuán)。當(dāng)溶液中Al2O3濃度增大到5%以上時,溶液的結(jié)構(gòu)要重新排列,主要生成AlOF2-3。氧化鋁溶解的動力學(xué)研究認(rèn)為,Al2O3的溶解過程分兩步進(jìn)行:首先是氧化鋁晶體受氟離子侵蝕而生成氧化鋁溶質(zhì),接著溶解的Al2O3與電解液作用生成鋁氧氟絡(luò)合物,產(chǎn)生放熱效應(yīng)。O2-(液)+AlF3=AlOF2-3(液)(38)或O2-(液)+AlF3+2F-=AlOF4-5(液)(39)在電解溫度下,α-Al2O3溶解速度可用下式表示:C=Kt+C0(40)式中:C——t時刻的氧化鋁濃度,%;C0——原始氧化鋁濃度,%;t——溶解時間,min;k——與溫度有關(guān)的溶解速度常數(shù),隨溫度升高而增大Al2O3的溶解速度主要受擴(kuò)散過程的影響,與電解液的成分有關(guān),隨CaF、MgF2、LiF添加量增高而減小。電解液中Al2O3含量為3%～4%時,α-Al2O3的偏摩爾溶解熱焓為155kJ/mol～163kJ/mol。添加劑CaF2對Al2O3溶解熱焓無影響;在Al2O3濃度為0%～5%時,AlF3使Al2O3的偏摩爾溶解熱焓減小,NaF和LiF使α-Al2O3的偏摩爾溶解熱焓增大;電解液中有鋁存在時,產(chǎn)生放熱效應(yīng)(-250kJ/mol),氧化鋁溶解熱焓減小,加鋁能改善Al2O3在冰晶石中的溶解狀況。在電解液-鋁液界面上,存在著鋁液向電解液中的溶解過程,溶解于電解液中的鋁加大了兩液界面上的氧化鋁的溶解速度,有利于電解鋁液降氫排雜。鋁液-電解液界面上的氧化鋁被冰晶石溶液溶解,釋放出所吸附的氫,并排出電解槽外,可以看做是由一系列連續(xù)的過程組成:(1)溶解的氧化鋁釋放氫。(2)分子氫分解為原子氫并進(jìn)入電解液中。(3)電解液中的氫原子向電解液——CO2氣泡分界面遷移。(4)在間界上原子氫復(fù)合為分子氫。2[H]溶解?2H吸附(41)2H吸附?H2(42)(5)氫分子由分界面進(jìn)入CO2氣泡中。(6)當(dāng)氣泡通過自由界面排出電解槽時,氫被脫除。上述過程的前兩個階段與界面上的氧化鋁的溶解過程同時發(fā)生。后四個階段與CO2氣泡上升、并排出槽外過程同時進(jìn)行?？刂七^程的限制環(huán)節(jié)是氧化鋁溶解與氫在電解液中的遷移。過程的總和決定著電解液中氫氣脫除動力學(xué)過程。2.2電解鋁液中稀土元素和氫化物的降解我國的鋁土礦資源以一水硬鋁石型為主,具有硅含量高、鐵含量高、并含有一定量的稀土等特點(diǎn),在制備氧化鋁的過程中,稀土以氧化物的形式進(jìn)入工業(yè)Al2O3中,并隨氧化鋁一起進(jìn)入工業(yè)電解液中。在氧化鋁電解過程中,稀土氧化物參與電解過程,析出原子稀土[RE]并溶入高溫電解鋁液中。陽極:2O2-(絡(luò)合)-4e+C=CO2(43)陰極:RE3++3e=RE(44)稀土具有固氫作用,與氫有較強(qiáng)的親和力。存在于電解鋁液中的原子態(tài)的稀土[RE]活度較大,具有較好的脫氣除氫效果。在電解溫度范圍內(nèi)(935℃～955℃),稀土元素與氫形成氫化物。[RE]+3[H]=[REH3](45)從稀土元素與氫的電負(fù)性較大的差值和熱力學(xué)角度上講,在電解鋁液中所形成的稀土氫化物是穩(wěn)定的,具有較好的固氫作用,保證有效地去除鋁液中的氫。稀土對氧的親和力大于鋁對氧的親和力,電解鋁液中的原子稀土能從氧化鋁夾雜中還原出鋁,從而使氧化夾雜減少。2[RE]+Al2O3=2Al+RE2O3(46)在電解溫度下,式(46)的?G0RE<0,表明反應(yīng)能夠自動進(jìn)行。稀土還原Al2O3的產(chǎn)物為Ce2O3和La2O3,二者的密度分別為6.87g/cm3和6.51g/cm3,熔點(diǎn)分別達(dá)到2210℃和2256℃。而電解槽中鋁液的密度為2.30g/cm3,溫度約為940℃,故生成的Ce2O3和La2O3在鋁液中大部分沉入槽底,使鋁液中氧化鋁夾雜含量降低,達(dá)到了降氫除雜的效果。2.3氧化鋁夾層物的分離電磁分離是一種高效、穩(wěn)定、潔凈的去除鋁熔體中非金屬夾雜物的新型方法。但迄今為止,電磁凈化技術(shù)還很少在工業(yè)中得到應(yīng)用,這主要是因?yàn)樵诖篌w積熔體內(nèi)很難產(chǎn)生較大的、均勻的電磁力,因而微小夾雜物的分離效率不高?，F(xiàn)代大型工業(yè)鋁電解槽,供電電流高達(dá)300kA-350kA,在鋁液層中存在著極強(qiáng)的電磁場和水平電流。水平電流的方向垂直于磁場方向,從而在鋁液層中產(chǎn)生電磁力(Lorenz力)。電解鋁液中的氧化鋁為固態(tài)不帶電的雜質(zhì),從理論上講氧化鋁雜質(zhì)是不受電磁力作用的,通過鋁液與氧化鋁夾雜所受電磁力的不同,可以將不導(dǎo)電的氧化鋁夾雜物排斥出去。根據(jù)梅枳等人模擬解析結(jié)果,電解槽內(nèi)鋁液流場見圖11。氧化鋁夾雜所受到的電磁分離力為:F=∫J×Bdv(47)用x、y、z方向的分量表示為:Fx=∫■(JyBz-JzBy)dv(48)Fy=∫■(JzBx-JxBz)dv(49)Fz=∫■(JxBy-JyBx)dv(50)式中:Jx、Jy、Jz——鋁液層中沿x、y、z方向的電流密度分量;Bx、By、Bz——鋁液層中沿x、y、z方向的磁場強(qiáng)度分量;dv——氧化鋁雜質(zhì)的體積。由圖11可知,電解槽的水平截面相當(dāng)于一個長方形的管狀分離器,分離器內(nèi)電磁力的分布是不均勻的,存在鋁液的二次流動。二次流動對夾雜物的運(yùn)動軌跡有很大的影響。鋁液中α-Al2O3的密度為3.97g/cm3,鋁液的密度為2.30g/cm3,氧化鋁不被鋁液潤濕,處在外部區(qū)域的氧化鋁夾雜,當(dāng)密度差大于二者之間的界面作用力時,沉降于電解槽的邊