赵斌斌，零妙然，班米扁，赵茂密，李 睿

（吉利百矿集团有限公司，百色533000）

0 前言

据中国铝业协会统计，2018 年全球高纯铝消费总量382 kt，我国高纯铝总产量已达到135 kt[1]。精铝是高纯铝的提纯原材料，铝的纯度越高，其导电性、延展性、耐腐蚀性、可塑性和反光性等就越好，而导磁性、抗拉强度和屈服强度越低。精铝相对普通铝锭晶粒偏大使得其导电性、延展性、反射性、抗腐蚀性增强。当前，精铝（纯度99.90 %～99.995%）的主要用途是高技术领域和科学研究领域，如制作成高压电容器铝箔、电子铝箔、电子导针导线、阴极真空喷涂（靶材）、集成电路用键合线、存储硬盘等，同时也可应用于航天航空及特殊用途的高纯铝锂合金、铝钪合金等领域[2-3]。当前，研究偏析法精铝生产的影响因素文献较少。因此，本文主要探究影响偏析法精铝生产提纯效果的因素，为精铝生产提供参考与借鉴。

1 精铝生产方法及偏析法提纯原理

精铝的生产方法有偏析法、三层液电解法、区域熔炼法、分布结晶法和有机液提纯法等[4，5]。其中偏析法和三层液电解法是主要生产方法，前者具有环保、节能及不易产生有毒害物质等特点，后者提纯效率较高，但单位能耗大。

偏析法是利用凝固过程中杂质元素在液固两相间的分配比差异，对凝固界面上的铝液搅动使平衡分配系数k0（CS固体溶解度/CL液体溶解度）＜1 的杂质不断转移富集于液相，使精铝以较纯的晶体顺序凝固析出的一种方法。一次提纯锭作为二次提纯的原料，重复提纯得到高纯精铝或高纯铝。k0＜1的杂质如Fe、Si、Ga、Zn 等元素可提纯；而k0＞1的杂质如V、Ti、Cr、Zr 等则易在结晶面析出沉淀，不宜用偏析法提纯。偏析法提纯最重要的是控制好定向凝固过程中的结晶速度，结晶速度太快则杂质元素来不及扩散至液相就会凝固，提纯后纯度不高；结晶速度太慢则生产效率低，提纯纯度高但经济性差。图1是成分分析区与横截面示意图及提纯锭形貌。

2 提纯时间影响因素

2.1 电解铝液温度对提纯时间的影响

电解铝液温度与提纯时间关系如图2所示。由图可知，铝液温度越高，提纯总耗时越长。铝液温度越高，降至结晶温度耗时越长，因系统降温速率较稳定，故提纯时间越长。经转移、运输和转注后，电解铝液温度一般仍有800～900℃，其温降速度直接受到搁置时间长短及生产槽（单槽或多槽）影响。电解铝液温度过低时，加热系统来不及补温，导致快速降至结晶温度，造成杂质来不及析出而结晶，提纯时间短而纯度偏低。

图1 偏析法提纯后提纯锭形貌图

图2 铝液温度与提纯时间关系

2.2 提纯炉结晶过程对提纯时间的影响

图3示出了提纯炉结晶过程，而图3（a）为同浇包电解铝液的不同提纯炉提纯过程。各提纯炉的初始结晶速度大小依次为5#＞8#＞7#＞2#，5#炉结晶速度最快（曲线斜率最大）。经分析可知，5#炉冷却能力强于其它提纯炉，可见提纯炉对初始结晶速度有显著影响。提纯2 h后调整搅拌速度，结晶速率趋于一致。搅拌可降低凝固前沿的杂质浓度，保证杂质元素在偏析过程中扩散均匀。调整搅拌速度可调整结晶速率，所以搅拌速度对提纯也有显著影响。图3（b）是5#提纯炉不同炉次结晶过程。由图可知，电解铝液温度越高，初始结晶速率越小。原因是高温铝液能快速补充提纯系统能量，使系统达到热平衡状态，余热直接影响坩埚铝液降至结晶温度的时间，即影响初始结晶时间和速率。其中0820 炉次因合盖温度过低而导致结晶速率最高，0801 炉次因冷却系统异常造成结晶速率最低。因为达到一定提纯厚度后需停止提纯，所以提纯炉冷却能力越强则提纯总时间越短；对于相同提纯炉而言，电解铝液温度越低则提纯时间越短。

图3 提纯炉结晶过程

2.3 其他工艺温度对提纯时间的影响

表1为工艺温度与提纯时间的关系。从表中可知电解铝液温度与合盖温度（提纯炉炉盖关闭时铝液温度）差异较小时，总提纯时间接近，表明结晶速度近似；电解铝液经扒渣后温降约50～70℃，扒渣后铝液温度由坩埚温度决定，坩埚温度越高，铝液温降越小；坩埚保温时间越长，铝液温降越小。合盖温度的波动直接影响到初始结晶速度，也直接影响结晶时间和结晶成分。合盖温度主要取决于电解铝液初始温度和坩埚温度差异，这两者的结合过程直接影响到体系热量的平衡程度，决定初始结晶速度的快慢。

表1 工艺温度与提纯时间

3 提纯纯度影响因素

3.1 原始纯度对提纯纯度的影响

图4（a）是部分电解铝液杂质元素含量，其含量越高则原始铝液纯度越低，成分波动较大的是杂质Fe 元素。图4（b）显示对杂质元素的平均去除率大小为Fe＞Si＞Ga＞Zn，对杂质Fe （k0=0.03）元素提纯效果好，对杂质Zn（k0=0.4）元素的提纯效果差，杂质元素去除率均在一定范围内波动，可见偏析法提纯存在一定的局限性。电解铝液中杂质Fe 元素越高，去除率也提高。但提纯纯度降低，是因为受提纯能力限制而难以进一步提纯。为降低杂质元素含量，通过添加铝硼合金对铝包内电解铝液进行处理，降低V、Ti等杂质元素，且可部分去除Ga、Zn、Fe、Si 等元素。因为硼与杂质元素Ti、V、Cr、Zr 形成TiB2、VB2、CrB2、ZrB2等析出物，沉降到铝液底部而被去除[6]。

图4 不同提纯炉次的杂质元素去除情况

3.2 样品对提纯纯度的影响

实际取样分析结果显示取样位置对提纯纯度无明显影响。图5 为图1（c）序号2 中取样位置厚度方向的外、中、内成分检测结果，可知提纯锭外部杂质含量最低、中部杂质元素含量稍高，内部杂质元素含量最高。提纯锭外、中部杂质元素波动相对较小，内部杂质元素波动极为显著，究其原因主要是停炉时尾铝液附着在提纯锭内部而影响到成分分析结果，其次是提纯后期受到设备功能限制，铝液内部杂质元素含量较高而较难提纯。图中杂质V元素含量的突兀波动是因为添加铝硼合金的量不足而造成的。提纯锭外部V元素含量提升符合其分配系数k0＞1的特性。

图5 取样部位杂质元素含量

3.3 铝液重量对提纯纯度的影响

图6为不同提纯锭重量与外层Al含量关系。从图中可知提纯锭最外层纯度与提纯锭的关系是：提纯重量越大，其对应提纯锭最外层铝百分含量越小即纯度越低。根据生产实际，提纯锭的提纯时间越短，纯度相对越低。提纯重量近似时，若提纯用时较少，则平均提纯速率越快，相应的提纯纯度越低。

图6 提纯锭重量与外层Al含量关系

4 结论

介绍了偏析法精铝提纯原理，并分析了影响偏析法精铝提纯效果的因素，结论如下：

（1）偏析法精铝提纯利用元素在结晶温度下不同的溶解能力而提纯，该提纯方法具有一定局限性，对杂质元素的平均去除率大小排序为Fe＞Si＞Ga＞Zn。

（2）原始铝液纯度越高，提纯纯度越高；铝液重量越重，提纯纯度越高。

（3）电解铝液温度越低，提纯时间越短；铝液温度一定时，坩埚温度越高越均匀，提纯时间越短；提纯炉冷却能力越强，提纯时间越短；搅拌速度越快，提纯时间越短，其对提纯进程具有显著影响；影响提纯时间的实质是影响结晶初始速度的快慢。