冶金工程论文
3氟化盐中的杂质元素
在Al电解条件下，阴极主反应是析出Al,当条件变化使Na+和Al3+析出电位的差值减小时，Na和Al可以在阴极共同放电析出。阴极析出的金属Na大部分被炭素阴极和内衬所吸收，剩余的则进入Al液。在Al电 解 过 程 中，金 属Na还 可 以 化 学 反 应 方 式 生成[23,28],电解Al液中含有一定量的Na元素是不可避免的。
电解Al液中的Na含量主要受电解质的摩尔比和电解槽温度等因素影响，酸性较强时，电解Al液中的Na含量较低[29],见图1.目前，国内各电解铝厂为了降低电解温度和能耗，电解质摩尔比通常控制在2.1~2.5范围内，槽温控制在940~970 ℃范围内，此时电解Al液中的Na含量通常为0.004%~0.008%.
电解Al液中Ca含量随电解质中CaF2含量增多而增加，两者之间存在如下反应平衡[30].此反应的平衡常数K值较小，因此Al置换Ca的可能性并不大。当电解质中的CaF2含量为4%时，原Al中Ca含量约为0.000 5%.
Al电解过程中氟化盐主要存在两个方面的消耗：原材料中H2O、Na2O和SiO2等杂质会与电解质中的AlF3和冰晶石生成Al2O3和氟化物反应见下式；AlF3在电解温度下饱和蒸气压较高，会有一部分挥发损耗[31].
因此，除电解槽启动所需的氟化盐外，在生产过程中还需要定期补充氟化盐以保持电解质组成的稳定，其中的杂质（主要是Si元素）不可避免地会给电解Al液带来污染。
在电解生产过程中更换下来的残阳级和极上料通常会被运送至专门的车间进行清理和破碎处理，重新返回流程。由于极上料直接接触阳极钢爪，其中不可避免地含有一定量的磷生铁渣和氧化皮。通常情况下，从残阳极表面清理下来的极上料在破碎磨粉过程中Fe含量还会进一步增加（见图2），当这些破碎粉料返回电解槽用作阳极覆盖料时，将给电解质熔体和电解Al液带来污染。
4 Fe质工具对Al中Fe含量的影响
高温条件下，Fe、Al原子可以相互扩散，在Fe质基体与铝液之间形成以Fe2Al5、FeAl3为主的腐蚀产物层，该产物层与基体之间结合强度低、脆性大，并且层间常伴有裂纹出现[32~35].Fe质工具在Al及铝合金生产过程中经常处于一个动态腐蚀条件下，表面生成的腐蚀产物在热应力和Al液的冲刷作用下很容易剥落，进而污染Al液。
电解过程中因电解槽破损使阴极钢棒受到侵蚀，或过程控制不当使阳极钢爪或磷生铁环接触到电解质熔体、或不慎将Fe质工具掉入电解槽或在其中浸泡时间过长等原因均可导致电解Al液中Fe含量增加。特别是当电解槽处于热行程时，槽底沉积物发生熔化，会加剧槽底裂缝的扩展，浸入裂缝的Al液可将其中的Fe、Si杂质元素带出，影响Al液品质。当电解槽出现扎固缝渗Al、阴极炭块断裂和阴极化棒等情况时，电解Al液中的杂质含量将有明显上升，严重时将不得不停槽大修，见图3.
浇注过程中取样勺、喷粉精炼管和搅拌车扒板等工具通常是Fe质材料，也容易增加熔体中Fe含量。表3为某电解厂铸造车间重熔用Al锭生产过程中Al液中Fe含量的变化情况。
5耐火材料对Al中Si含量的影响
当电解质温度较高、过热度较大时，沉积在电解槽帮结壳中的杂质就会不断地溶入电解质和Al液中，导致侧部槽帮过空。在没有槽帮保护的情况下，铝电解槽的SiC-Si3N4侧壁砖容易遭受熔体的侵蚀，尤其是在电解液/空气两相交界面区域。当电解槽SiC-Si3N4砖侧壁遭到冲刷侵蚀，特别当有硅砖脱落时，Al液中Si含量将有明显增加（达到0.15%以上），而且回归比较缓慢，见图4.
熔铝炉砌筑时通常使用Al2O3-SiO2系耐火材料，在熔池渣线部位的耐火材料由于Al液、Al渣及炉气的长时间作用，容易发生侵蚀和损毁。耐材损毁的主要原因是：①Al液容易渗入耐火材料；②铝合金中的某些合金元素（如镁）对耐火材料氧化物有很强的还原能力；③铝合金中的某些合金元素有较高的蒸气压，其蒸气比Al液更容易渗入耐火材料，随之又被氧化[36].生产过程中的热冲击和机械冲击加速炉材的变质、脱落和损毁，进而使铝液中Si含量有一定程度的增加。表4为某电解厂铸造车间重熔用铝锭生产过程中铝液Si含量的变化情况。
6结语
影响铝及铝合金中杂质含量的因素是多方面的，包括生产过程中使用的原辅材料和工具、生产运行状况和操作质量等。在生产过程中应注意上述因素的影响，以利于进行杂质元素的控制。
参考文献
[1] 高建卫。硼化物对铝熔体中杂质铁的净化作用及机理[D].上海：上海交通大学，2009.
[2] 刘宏亮。杂质元素Si对超高强铝合金组织和性能的影响[D].上海：上海交通大学，2011.
[3] 张春波，郭淑兰，徐忠艳。Fe、Si杂质对7A04铝合金组织和性能的影响[J].轻合金加工技术，2003,31（1）：38-40.
[4] 林金平，王俊，赵洪生。微量镓对精铝电化学腐蚀性能的影响[J].腐蚀与防护，2011,32（6）：455-457.
[5] 林金平。杂质元素镓对工业纯铝及铝合金组织性能的影响研究[D].上海：上海交通大学，2009.