提高偏析法提純效率的研究及應(yīng)用

（新疆天展新材料科技有限公司，新疆石河子市，832000）谷 洋

在用偏析法對電解鋁提純、生產(chǎn)高精鋁的過程中，由于石墨棒和石墨坩堝與鋁液直接接觸，對鋁液帶來一定污染的隱患，同時，石墨棒、石墨坩堝的使用壽命對提純效率也存在著很大程度地影響，此外，帶動坩堝旋轉(zhuǎn)、使坩堝受熱的旋轉(zhuǎn)裝置執(zhí)行機構(gòu)的穩(wěn)定性也影響著提純效率，如執(zhí)行機構(gòu)不穩(wěn)定可導(dǎo)致坩堝受熱不均，對提純的效率就會造成不良的影響。

為了解決上述的技術(shù)壁壘，進一步提高高精鋁的純度，全面提高高精鋁提純技術(shù)與裝備水平，力爭做出在國際上更有競爭力的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，我們做了研究及實踐嘗試，已達到提高效率并且節(jié)約資源的目的。

1 石墨棒、石墨坩堝的致污機理對高精鋁提純的影響

1.1 石墨棒、石墨坩堝與鋁液接觸致污機理

在高精鋁生產(chǎn)過程中，通過加熱裝置將熔體維持在熔融狀態(tài)，向冷卻管內(nèi)通入冷卻氣體，在石墨坩堝內(nèi)表面將會結(jié)晶出鋁晶體，上下移動柱塞（石墨桿）使坩堝內(nèi)表面的鋁晶體通過金屬流通孔聚集于坩堝底部。初晶前沿聚集了較多的雜質(zhì)，通過坩堝外部的電加熱裝置使一部分初晶再熔解，通過石墨棒的運動可及時除去這種雜質(zhì)富集層，從而使鋁的純度得到進一步提高。這就不可避免石墨棒、石墨坩堝與鋁液長期接觸，石墨雖具有化學穩(wěn)定性、高強度性、高熱導(dǎo)率以及低膨脹系數(shù)等特性，但普通的石墨棒和石墨坩堝含有硅化合物，在提純的過程中，會滲入鋁液，從而造成對鋁液的污染，在高精鋁制備過程中，為了保證純度，需盡可能地減少外來雜質(zhì)對純度的影響。

1.2 石墨棒、石墨坩堝的使用壽命以及物理性能分析

石墨棒、石墨坩堝是提純過程中的關(guān)鍵構(gòu)件，因而頻繁使用，普通的石墨棒與石墨坩堝，隨著使用頻率會逐漸消耗，傳統(tǒng)使用的石墨棒每根平均壽命為90～180d，石墨坩堝平均壽命為150～210d，石墨棒與石墨坩堝消耗不僅使其變細變薄，而且會導(dǎo)致磨耗的雜質(zhì)滲入鋁液、加重污染，同時石墨棒、石墨坩堝形態(tài)變化會導(dǎo)致對鋁液的冷卻變慢、提純效率下降。

通過研究傳統(tǒng)石墨棒、石墨坩堝的最大顆粒直徑、散比重、彎曲強度、拉伸強度、固有抵抗、邵爾氏硬度、熱膨脹系數(shù)和熱傳導(dǎo)率等工藝參數(shù)，研究石墨棒、石墨坩堝與鋁液接觸雜質(zhì)和灰質(zhì)百分比含量，根據(jù)規(guī)律調(diào)整工藝參數(shù)，對比分析接觸鋁液后雜質(zhì)和灰質(zhì)百分比含量，得出最佳工藝參數(shù)，按照最佳工藝參數(shù)定制石墨棒、石墨坩堝。可以使石墨棒平均使用壽命提升到120～240d，石墨坩堝平均使用壽命提升到180～240d。最終成功達成了穩(wěn)定精制效率，并且降低成本的效果。

2 提純執(zhí)行機構(gòu)運行狀態(tài)分析監(jiān)測及新型穩(wěn)定執(zhí)行機構(gòu)的研制

由于鋁在提純過程中容易受到外界因素的干擾，石墨坩堝溫度的不均勻或者溫度異常都會對提純造成一定的影響，傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)臺執(zhí)行機構(gòu)為傳統(tǒng)的鏈條傳動、三點均布的托輥支承方式，旋轉(zhuǎn)過程中托輥磨損大、需周期性停爐更換，根據(jù)實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)得出，短暫停爐會造成提純效率下降、導(dǎo)致產(chǎn)品整體純度下降，同時由于執(zhí)行機理缺陷，造成旋轉(zhuǎn)臺不穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致石墨坩堝受溫不均等工藝短板。

通過建立傳統(tǒng)機構(gòu)運動模型，監(jiān)測傳統(tǒng)執(zhí)）行機構(gòu)的運動機理，分析執(zhí)行機構(gòu)運動機理與鋁液受熱作用聯(lián)系，并進行模型表征；判斷傳統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)關(guān)鍵部件疲勞損傷與影響壽命因素，研究執(zhí)行機構(gòu)生命周期變化與鋁液受熱趨勢；建立鋁液受熱狀態(tài)與鋁液純度二維曲線模型，監(jiān)測執(zhí)行機構(gòu)生命周期；建立分析傳統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)全生命周期內(nèi)鋁液溫度變化曲線，鋁液純度變化曲線。

圍繞執(zhí)行機構(gòu)穩(wěn)定運行需求，開展執(zhí)行機構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)、機構(gòu)運行等技術(shù)研究，研制新型穩(wěn)定執(zhí)行機構(gòu)；開展新型穩(wěn)定執(zhí)行機構(gòu)結(jié)構(gòu)疲勞損傷模型預(yù)測方法、運行狀態(tài)診斷和事故預(yù)測技術(shù)、制動狀態(tài)診斷和性能預(yù)測技術(shù)以及執(zhí)行機構(gòu)安全性評價方法研究，開展新型穩(wěn)定執(zhí)行機構(gòu)預(yù)知維修決策技術(shù)研究，開展機構(gòu)全生命周期安全管理，并進行示范應(yīng)用。

3 提純產(chǎn)品檢測技術(shù)應(yīng)用

由于經(jīng)過提純后所得到的高精鋁雜質(zhì)含量較低，一般的檢測方法難以測量出其中的具體含量。因此項目購置了輝光放電質(zhì)譜儀（德國Element-GD）進行痕量元素的檢測。輝光放電質(zhì)譜法是公認的對固體導(dǎo)電材料直接進行痕量分析的最有效的手段，可以直接固體進樣，樣品準備過程簡單、分析速度快、基體效應(yīng)小、線性范圍寬，是痕量分析的一種重要分析手段，在國外已經(jīng)成為高純金屬和半導(dǎo)體分析的行業(yè)標準方法。在項目過程中采用的輝光放電質(zhì)譜儀（德國Element-GD）設(shè)備進行成分分析，可以使產(chǎn)品的各成分含量得出更準確的結(jié)果，提高產(chǎn)品的可靠性。

4 結(jié)語

通過提高石墨棒及石墨盤的使用壽命，建立旋轉(zhuǎn)裝置新型穩(wěn)定執(zhí)行機構(gòu)，以及使用輝光放電質(zhì)譜儀在檢測技術(shù)上的應(yīng)用，達到了提高高精鋁的精制提純率以及節(jié)約資源的目的。