高純鋁制備方法對比分析

曹 鵬

（中國鋁業(yè)集團(tuán)有限公司，北京 100082）

一般而言，純度達(dá)到99.95%以上的純鋁才能被稱為高純鋁。相比于工業(yè)原鋁，高純鋁晶粒度較大，其延展性、反射性、抗腐蝕性、導(dǎo)電性都比較高。就現(xiàn)階段而言，Hall-Heroult熔鹽電解法是冶煉鋁的主要方法，用該方法所得的原鋁純度約為99.5%到99.85%，還不能滿足工業(yè)與市場對高純鋁的需求。

1 高純鋁制備工藝流程

在實(shí)踐中，偏析法、三層電解液法、聯(lián)合法是制備高純鋁的三種重要方法。國內(nèi)外主要的高純鋁生產(chǎn)工藝如圖1所示。

圖1 高純鋁生產(chǎn)工藝

如圖1所示，高純鋁的制備是在氧化鋁、原鋁與超高純鋁母材選擇的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。高純鋁制備工藝是最后保障鋁純度的關(guān)鍵。

2 高純鋁制備方法

（1）三層液電解精煉。在三層液電解精煉過程中，電解精煉體系包括三層熔體：待精煉原鋁處于下層；電解產(chǎn)物即高純鋁處于上層；電解質(zhì)處于中間層。在制備過程中，使鋁液處于電解精煉體系最上層的目的是為了盡可能地減少電解質(zhì)的揮發(fā)[1]。三層液電解精煉法如圖2所示。

圖2 三層液電解精煉

現(xiàn)階段，三層液鋁電解精煉電解質(zhì)的體系主要有以下兩種：由氟化鋁、氯化鋇、氟化鈉、氯化鈉等氯氟化物組成的氯氟體系；由氟化鈉、氟化鋇、氟化鋁、氟化鈣等氟化物組成的純氟化體系。如圖2所示，在三層液電解精煉過程中，首先，下層陽極合金中的鋁失去電子變成正三價(jià)鋁離子。然后，在電解質(zhì)中靠近上層陰極端正三價(jià)鋁離子得到電子，被還原成鋁原子。最后，鋁原子進(jìn)入電解體系最上層。在整個(gè)電解過程中，電性比鋁大的雜質(zhì)。

中孚實(shí)業(yè)利用原有的供電系統(tǒng)與廠房設(shè)備，對傳統(tǒng)鋁電解槽車間的鋁電解槽進(jìn)行了改革與創(chuàng)新，完成了在68kA超大型電解系列中串聯(lián)三層液精煉槽的工藝。68kA電解系列將陽極合金層水平控制在22到26厘米、精鋁水平控制在17到21厘米、電解質(zhì)水平控制在8.5到10.5厘米；電解質(zhì)成份為15%到16%的氟化鋁；59%到60%的氯化鋇；驗(yàn)證了將鋁電解槽直接改造成三層液精煉槽的可行性。

（2）偏析法。在偏析法制備過程中，利用不同元素在鋁液中的平衡分配系數(shù)存在比較大的差異性，達(dá)到提純的目的。偏析法高純鋁制備工藝包括：單向凝固法、分步結(jié)晶法、冷凝法、區(qū)域熔煉法等幾種。為了盡量保證鍋晶粒的正常生長，北京中自科技生產(chǎn)的線性紅外測溫儀采取措施聯(lián)通中頻加熱系統(tǒng)，將提純度由3N5提高到5N5。

①單向凝固法。單向凝固法是基于凝固方向和熱流傳遞方向相反，通過控制溫度，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制加熱或冷卻，進(jìn)而控制晶體生長方向，來實(shí)現(xiàn)制取精鋁的目的。在凝固過程中，由偏析排出的雜質(zhì)元素在液相與固相界面前沿富集形成液層。為了增強(qiáng)固/液界面前沿液相的流動性，我國研究部門利用電磁攪拌技術(shù)對其進(jìn)行強(qiáng)制攪拌，帶走富集在界面前沿液相內(nèi)的溶質(zhì)。②分步結(jié)晶法。在實(shí)踐中，分步結(jié)晶法可使原鋁純度由4N5提高到5N5。分步結(jié)晶法的原理是使鋁熔體溫度處于熔點(diǎn)上下，然后把水冷結(jié)晶器放于鋁熔體內(nèi)，使之在結(jié)晶器上生長，經(jīng)過一段時(shí)間后，利用刮除法使晶體在坩堝底部匯聚，再利用壓榨法排出晶體間夾雜的低熔點(diǎn)雜質(zhì)。③區(qū)域熔煉法。區(qū)域熔煉法是使原料的一部分在一定時(shí)間內(nèi)熔化，熔化區(qū)在一定的前進(jìn)速率下移動，產(chǎn)生凝固與熔化作用的兩個(gè)界面，雜質(zhì)在固液相中產(chǎn)生分凝效應(yīng)而起提純作用。在國際上，有日本學(xué)者在深入研究了區(qū)域熔煉法后，獲得了7N的純鋁。

（3）有機(jī)溶液電解法。由于鋁的電位比氫更負(fù)，所以只能用熔鹽電解的方法制取或精煉鋁。熔鹽電解過程一般在高溫電解條件下進(jìn)行，過程中雜質(zhì)會進(jìn)入陰極鋁，難于獲得純度較高的高純鋁。有機(jī)溶液電解法的優(yōu)勢在于能夠避免雜質(zhì)進(jìn)入陰極鋁中，在低的電解溫度下獲得高純鋁。

3 高純鋁制備方法優(yōu)缺點(diǎn)比較

在實(shí)踐中，幾類高純鋁制備方法各有利弊，其優(yōu)缺點(diǎn)比較如表1所示。

表1 幾類高純鋁制備方法優(yōu)缺點(diǎn)比較

4 結(jié)語

在實(shí)踐中，偏析法比三層電解液法具有更高的環(huán)境保護(hù)效益與提純效率。有機(jī)溶液電解法的優(yōu)勢在于能夠生產(chǎn)超高純鋁?？傊糠N高純鋁制備方法都有其特性。在實(shí)踐中，我國高純鋁提純行業(yè)應(yīng)該采取措施來提高高純鋁制備的現(xiàn)代化水平和綜合效益。