精铝、高纯铝生产方法及其应用

精铝、高纯铝技术特点与用途运城市关铝设备材料有限公司2008年11月18日目录一、铝的纯度与分类……………………………………………………………１二、精铝的性能与应用……………………………………………………………11、精铝的性能……………………………………………………………12、精铝、高纯铝的应用………………………………………………………4三、精铝、高纯铝的精炼工艺……………………………………………………51、直接净化法………………………………………………………………52、电化学精炼法（电解法）……………………………………………………9（1）三层液电解精练法…………………………………………………10（2）有机熔液电解精练法…………………………………………………153、偏析熔炼法………………………………………………………………17（1）分步结晶法…………………………………………………………17（2）定向凝固提纯法……………………………………………………18（3）区域熔炼法…………………………………………………………21四、纯铝与高纯铝生产线在建设过程中要把握和注意的关键点……………231、阳极（电解槽）…………………………………………………………232、阴极组……………………………………………………………………243、阴极母线…………………………………………………………………254、阴极支撑架………………………………………………………………255、阴极短路夹具……………………………………………………………266、阴极罩盖板………………………………………………………………277、精铝、高纯铝的铝抬包………………………………………………288、精铝、高纯铝建设项目的原材料控制…………………………………309、精铝、高纯铝生产线设备、部件的制作安装控制……………………3110、精铝、高纯铝建设生产的工艺质量控制………………………………31五、精铝与高纯铝的应用实践…………………………………………………311、抚顺铝厂……………………………………………………………………332、内蒙古包头铝业股份公司………………………………………………333、贵铝股份有限公司………………………………………………………344、新疆众和铝精股份有限公司……………………………………………345、关铝股份有限公司……………………………………………………346、神火集团铝业公司……………………………………………………357、红鹭铝业股份有限公司………………………………………………358、东阳光铝业…………………………………………………………359、霍林格勒铝业…………………………………………………………3510、精铝高纯铝现有的国家专利、技术及投资状况……………………37六、相关的精铝、高纯铝生产熔炼国家专利号………………………………49七、参考文献……………………………………………………………50精铝、高纯铝技术特点与用途一、铝的纯度与分类1、工业原铝：纯度一般为99.00~99.85％这类是铝电解工业的初级产品，只是在电解过程中经过简单的气体直接精炼而来。2、精铝：纯度一般为99.95~99.995％(3N~4N)这类是由工业原铝经过一步电解精炼或者一到两步的火法精炼（通常采用三层电解法、偏析法生产)得到的产品。3、高纯铝：纯度一般为99.999~99.9999％(5N~6N)这类是由工业原铝经过电解精炼、偏析联合工艺所获得的产品。4、超纯铝：纯度一般在99.99999％（6N)以上这类是由精铝或高纯铝经过多次区域熔炼得到的产品。二、精铝的性能与应用1、精铝的性能（1）有抗外界反应物的特征：高纯铝具有很强的抗外界反应物的特征，即表现出来的是具有很强的抗腐蚀能力，约为普通原铝的9倍以上。因铝的纯度越高，表面的氧化膜越致密，与内部铝原子的结合越牢靠，对某些酸、碱、海水、污水以及含硫空气等具有更好的抗腐蚀能力。（2）熔点、沸点：99.996％纯度金属铝的熔点，最精确测定值为933.4K。而99.99％以下纯度的铝，熔点一般低1~2K。铝的纯度越高，熔点相应升高。但是纯度越高，其沸点越低。（3）导热系数：金属铝随纯度的增加将会使其热导率的恢复迅速增加。而大多数铝合金的热导率只有纯铝的40~50％。另外，金属铝的线膨胀系数随铝纯度的增加而减少，纯度越高，线膨胀系数越小。99.5％纯度铝的线膨胀系数24.0×10－6/k-1(20℃)99.99％纯度铝的线膨胀系数23.86×10－6/k-1(20℃)注：2008.11.5在关铝精铝铸造实心精铝园棒，从铸造实物测得99.996％的收缩率为：1.088~1.289。（4）导电性：高纯度的铝具有优良的导电性。对高纯度的金属铝，当杂质含量为10-6数量级时，每增加一种新的杂质可使电阻率增加10~11Ω.m.包含杂质的金属铝和高纯铝之间的电阻率的差异，在室温以上时相对较小，但在零度以下温度时变的明显增大。99.965％纯度的金属铝在273K时的电阻率是4.2K时的200倍。而纯度为99.99998％的金属铝在273K时的电阻率是4.2K时的45000倍（因此，可以利用极低温度下的电阻率比值来确定金属铝的纯度）。所以，99.99％以上纯度的铝在极低温度（1.1~1.2K时）成为超导体，故铝的高纯度是获得铝优良导电性的重要保证。（5）导磁性：高纯度的铝具有极低的导磁性。而杂质元素在金属铝中的存在一般都要增加金属铝的导磁性，纯度越高导磁性越低。（6）光学性质：高纯度铝具有很高的光反射性。99.0~99.5％纯度的铝其反光率大约要比99.99％纯度铝的反光率小2~5％。其中铁对铝的反射率影响最大。当在金属铝中的含铁量超过0.008％时，金属铝的镜面反射率随含铁量成比例降低。而金属镁在金属铝中的存在对铝反射率的影响与其他元素不同，镁的存在会使铝的反射率提高。(7)加工性能：铝的纯度越高，其抗拉强度和屈服强度降低，延展性增大、柔软性增强、韧性增加。2、精铝、高纯铝的应用精铝和高纯铝由于具有很好的导电性、可塑性、光反射性、延展性和耐腐蚀性以及极低的导磁性，使其在以高科技为主导的当今社会里具有广泛的应用。尤其是在电子、能源、交通、汽车、计算机、航天、天文和化工等工业和科技领域中更受青睐。（1）电子工业目前是精铝和高纯铝的最大应用领域。主要用于制作高压电容器铝箔、高性能导线、集成电路用键合线、计算机外部记忆装置磁盘合金的基体。其消耗量已占世界精铝产量的70％以上。（2）航空航天工业高纯铝用来开发制作等离子帆（推动航天器的最新动力）。（3）交通领域主要用于高速轨道交通中。高速轨道交通车辆除了需要用高纯铝配制高性能合金外，还由于高纯铝具有磁导率低、密度小的特点，在磁悬浮体材料中得到大量的应用。（4）能源领域主要用于铝/空气电池的材料。由于铝的电化当量为0.3356g/(A.h)，约为金属锌的1/4，即同样质量的铝，其放电量为锌的4倍。而且铝的电机电位锌更负，因而可以提供更大的电化学功率。（5）光学应用方面在汽车工业中的车灯反射罩，天文望远镜等中大量使用铝反射器。国外也在研究用高纯铝作为大型天文望远镜的反光面。（6）化工、冶金工业精铝和高纯铝用于制造耐腐蚀反应设备及储存容器。此外，精铝和高纯铝还可用作真空蒸发材料（镀膜靶材）和喷镀材料等。注：高纯铝是将常规原铝再加工为纯度为99.93%~99.999%(5N)的铝。它具有比原铝更好的导电性、延展性、反射性和抗腐蚀性，原来主要应用于电子铝箔、电极箔等铝电解电容器原料上，近年来发现高纯铝在汽车、航空航天、化工、军工等领域应用广泛。主要用于制造铝反射镜、磁悬浮体材料，高性能导线、集成电路用键合线等。目前高纯铝在电子铝箔领域的使用量约占高纯铝消费量的70%，而其它用途约占30%左右。应其应用的领域很广阔，所以国内国际在研究的技术人员很多，发展也很快。三、精铝、高纯铝的精炼工艺高纯铝的优良性能使得人们从20世纪初就开始研究它的精炼提纯工艺技术，截止到目前的精炼工艺技术可以归结为三大类型：（一）直接净化法(实际是铝的初级精炼)主要的作用在于去除铝中的非金属固态夹杂物和气态夹杂物，并同时除掉部分金属杂质。通常是在铝电解过程中的出铝时或在铝的铸造前采用。常用的工艺技术方法按处理过程的连续性，可分为以下几种：1、溶剂净化法其基本原理：是在净化液中加入熔剂后，铝熔体和熔剂形成两个互不混溶的液相，由于接触角的差异，铝液中的非金属夹杂物将从铝液中向熔剂中迁移，然后静置分离，从而实现铝与这些杂质的分离。常用的熔剂：有钾、钠、铝的氟盐和氯盐组成。通常包括冰晶石、氯化钠、氯化钾等。也可以在固态时采用有机化合物六氯乙烷作熔剂。2、气体净化法其基本原理：是在精炼炉中通入惰性气体（指不与铝液发生反应的气体，如氮气、氩气等），可以使铝液中的固体夹杂物吸附在气泡上，并随气泡上升至铝液表面，最后在过滤层中分离；对于铝液中的气体夹杂物，由于其气体分压远大于进入铝液中的惰性气体气泡内的同类气体的分压（基本上等于零），则气体夹杂物很容易通过扩散进入铝液中的惰性气体气泡中，当惰性气体气泡浮出液面后，气泡中所携带铝液中的气体夹杂物也随之被排出。常用的净化气体：有氯气、氮气、氩气和这些气体的混合气体等。（1)美国铝业公司的Alcoa469法是美国铝业公司研究成功的铝液在线处理工艺可实现铝液连续净化。该装置有两个处理室（称两个单元）采用氩-氯混合气体精炼和氧化铝球过滤。该处理装置的结构如图所示：其基本工作原理：是熔体先经过粗过滤床过滤，再经过细过滤床过滤后流向铸造机。在两个过滤床的底部设有气体扩散器，气体的流向与熔体的流向相反并均匀分布到整个过滤床截面上。经Alcoa469法处理的铝液中氢的熔解度可控制在每100g0.15mm3以内。（2)我国的DDF（双级除气过滤）法：DDF法的装置也分为除气和过滤两大部分。除气部分有除气室和加热室，除气室有一个旋转喷头，其结构示意图如下图所示。其基本工作原理：是金属铝熔体在第一个除气室里嗓遇到湍流的细小气泡，铝熔体中的氢等气体不断扩散进入气泡并随气泡排出。之后金属铝熔体进入到第二个除气室里被再次处理，进一步降低铝熔体的气体含量。3、磁场净化法（也叫电磁净化法）其基本原理：是利用非金属夹杂物与金属的导电性差异，使它们在磁场中受到的电磁力产生差别，从而实现金属与非金属杂质的分离。如行波磁场净化法是将形成环路的陶瓷管放入到行波磁场发生器的气隙中，如结构示意图如下图所示：根据电磁感应的原理，行波磁场发生器中的交变磁场将在铝液回路中感生出交变电流，此交变电流在磁场作用下产生电磁力，则电流载体----铝液受到单向的电磁力（指时间平均值）的作用，被压向陶瓷管壁，虽然金属铝液中的非金属夹杂物由于不导电不受电磁力作用，但是它将受到金属铝液的挤压而迁移到陶瓷管的另一侧，最终附着在管壁上而与金属铝液分离。如果金属铝液从行波磁场发生器的一边流向另一边，则可实现金属铝液的连续净化。目前在我国尚处于研究阶段已有的电磁设计方案有：稳恒磁场、交变电磁场、交变复合电磁场、行波磁场、旋转磁场和高频磁场等。旋转磁场分离熔体中杂质的机理是：利用电磁力使金属液旋转，在离心力的作用下，密度与金属液有较大差异的夹杂物向不同方向聚集，密度小的向熔池中心聚集，碰撞加剧而长大上浮除去；密度大的则甩向熔池边部。（见国家专利技术文专利号：01113957.9。公开号：CN1322853A)4、真空净化法又分静态真空净化法和动态真空净化法（1）静态真空净化法是在真空处理的同时，在熔体表面撒上一层熔剂以便使氢气等通过氧化膜来除气。（2）动态真空净化法是先将真空炉抽成1333.224Pa(10mmHg)的真空，然后打开进料口密封盖，把从保温炉中来的铝熔体借真空抽力喷入真空室内，使喷入真空室内的熔体呈细小弥散的液滴，因而使溶解在铝液中的氢等气体能快速扩散出去，铝液中的钠被蒸发燃烧掉，从而达到铝液的净化作用。(二）电化学精炼法（电解法）是将需要精炼提纯的金属铝制成满足电解