高纯铝制备方法对比分析

曹 鹏

（中国铝业集团有限公司，北京 100082）

一般而言，纯度达到99.95%以上的纯铝才能被称为高纯铝。相比于工业原铝，高纯铝晶粒度较大，其延展性、反射性、抗腐蚀性、导电性都比较高。就现阶段而言，Hall-Heroult熔盐电解法是冶炼铝的主要方法，用该方法所得的原铝纯度约为99.5%到99.85%，还不能满足工业与市场对高纯铝的需求。

1 高纯铝制备工艺流程

在实践中，偏析法、三层电解液法、联合法是制备高纯铝的三种重要方法。国内外主要的高纯铝生产工艺如图1所示。

图1 高纯铝生产工艺

如图1所示，高纯铝的制备是在氧化铝、原铝与超高纯铝母材选择的基础上进行的。高纯铝制备工艺是最后保障铝纯度的关键。

2 高纯铝制备方法

（1）三层液电解精炼。在三层液电解精炼过程中，电解精炼体系包括三层熔体：待精炼原铝处于下层；电解产物即高纯铝处于上层；电解质处于中间层。在制备过程中，使铝液处于电解精炼体系最上层的目的是为了尽可能地减少电解质的挥发[1]。三层液电解精炼法如图2所示。

图2 三层液电解精炼

现阶段，三层液铝电解精炼电解质的体系主要有以下两种：由氟化铝、氯化钡、氟化钠、氯化钠等氯氟化物组成的氯氟体系；由氟化钠、氟化钡、氟化铝、氟化钙等氟化物组成的纯氟化体系。如图2所示，在三层液电解精炼过程中，首先，下层阳极合金中的铝失去电子变成正三价铝离子。然后，在电解质中靠近上层阴极端正三价铝离子得到电子，被还原成铝原子。最后，铝原子进入电解体系最上层。在整个电解过程中，电性比铝大的杂质。

中孚实业利用原有的供电系统与厂房设备，对传统铝电解槽车间的铝电解槽进行了改革与创新，完成了在68kA超大型电解系列中串联三层液精炼槽的工艺。68kA电解系列将阳极合金层水平控制在22到26厘米、精铝水平控制在17到21厘米、电解质水平控制在8.5到10.5厘米；电解质成份为15%到16%的氟化铝；59%到60%的氯化钡；验证了将铝电解槽直接改造成三层液精炼槽的可行性。

（2）偏析法。在偏析法制备过程中，利用不同元素在铝液中的平衡分配系数存在比较大的差异性，达到提纯的目的。偏析法高纯铝制备工艺包括：单向凝固法、分步结晶法、冷凝法、区域熔炼法等几种。为了尽量保证锅晶粒的正常生长，北京中自科技生产的线性红外测温仪采取措施联通中频加热系统，将提纯度由3N5提高到5N5。

①单向凝固法。单向凝固法是基于凝固方向和热流传递方向相反，通过控制温度，实现强制加热或冷却，进而控制晶体生长方向，来实现制取精铝的目的。在凝固过程中，由偏析排出的杂质元素在液相与固相界面前沿富集形成液层。为了增强固/液界面前沿液相的流动性，我国研究部门利用电磁搅拌技术对其进行强制搅拌，带走富集在界面前沿液相内的溶质。②分步结晶法。在实践中，分步结晶法可使原铝纯度由4N5提高到5N5。分步结晶法的原理是使铝熔体温度处于熔点上下，然后把水冷结晶器放于铝熔体内，使之在结晶器上生长，经过一段时间后，利用刮除法使晶体在坩埚底部汇聚，再利用压榨法排出晶体间夹杂的低熔点杂质。③区域熔炼法。区域熔炼法是使原料的一部分在一定时间内熔化，熔化区在一定的前进速率下移动，产生凝固与熔化作用的两个界面，杂质在固液相中产生分凝效应而起提纯作用。在国际上，有日本学者在深入研究了区域熔炼法后，获得了7N的纯铝。

（3）有机溶液电解法。由于铝的电位比氢更负，所以只能用熔盐电解的方法制取或精炼铝。熔盐电解过程一般在高温电解条件下进行，过程中杂质会进入阴极铝，难于获得纯度较高的高纯铝。有机溶液电解法的优势在于能够避免杂质进入阴极铝中，在低的电解温度下获得高纯铝。

3 高纯铝制备方法优缺点比较

在实践中，几类高纯铝制备方法各有利弊，其优缺点比较如表1所示。

表1 几类高纯铝制备方法优缺点比较

4 结语

在实践中，偏析法比三层电解液法具有更高的环境保护效益与提纯效率。有机溶液电解法的优势在于能够生产超高纯铝。总之，每种高纯铝制备方法都有其特性。在实践中，我国高纯铝提纯行业应该采取措施来提高高纯铝制备的现代化水平和综合效益。