上海交通大学精铝提纯技术与装备

一、概要

我国目前电解铝产能世界第一，精铝产能占全球40%，但是超高纯铝主要依赖进口。Hydro公司的高纯铝产能为世界第一。Pechiney公司发明了偏析法提纯技术，相比与原来的三层液法，更为环保与节能。日本住友及三井公司对Pechiney公司的偏析法技术进行了改进与升级。

从2N8普铝提纯至4N精铝，需要将大量的杂质原子陷落；从4N精铝提纯至4N6精铝，需要从100,000个铝原子中除去1个杂质原子；从4N6精铝提纯至5N2高纯铝，需要从200,000个铝原子中除去1个杂质原子。由此我们可以看到，纯度越高，提纯难度越大。

高纯铝的主要用途有两个，一是作为高纯氧化铝的原料，预计市场需求超过5000吨每年；另一个是作为靶材的原料。4N5精铝可以制作电子铝箔，年需求5-6万吨。3N5精铝，可以作为航空铝合金用的原材料，用量由铝合金市场决定。

随着铝的纯度等级的提高，铝的价格也越来越高。高效率的精铝提纯技术是发展高性能铝合金的基础，超高纯铝是铝工业中高技术含量、高附加值的高端产品。

二、提纯工艺

三层液电解法和偏析法是铝提纯的基本方法，其工艺如下图所示：

         2.1 三层液电解法

         铝三层液电解精炼(electrvrefining of alu-minium in three layers)是指一种采用电解提纯的铝精炼方法。所用阴极、电解质、阳极皆为液体，因彼此密度不同而分成上中下三层并由此而得名。该法由贝茨(A. G. Betts)于1905年提出，可使纯度约99.8%的原铝提纯到99. 996%的精铝，1922年第一次在工业上得到应用。

电位比铝更正的铜、铁、硅、锌、钛、铅、锰等杂质在电解精炼中不被电化学溶解，存留于阳极合金中。而电位比铝更负的钠、钙、镁等杂质则随同铝一起被电化学溶解，以离子形式进入电解质中。在电解精炼所控制的电压条件下只有Al3+优先在阴极表面放电，Na+、Ca2+、Mg2+离于存留于电解质中。铝因此被提纯。

         2.2 偏析法

         偏析法又称凝固提纯法，是利用熔体在凝固过程中产生的偏析现象进行提纯的工艺，其本质是利用不同元素在铝熔体中的平衡分配系数不相同的来实现铝提纯。平衡分配系数是指在固液两相体系达到平衡状态时，溶质在两相中的浓度的比值。分配系数反映了溶质在两相中的迁移能力及分离效能。

偏析法与三层液法比较起来，偏析法有着省电、低能耗、环保的优势，平均每吨能省电6000度。而且偏析法利用物理的方法，整个过程中不涉及其他的任何添加物质，不需要额外施加能源促进凝固和偏析过程，除了铝熔炼本身产生的气体和粉尘外，在生产过程中不产生任何有毒有害物质，符合环保生产的要求。

         2.3 两种提纯方法对比

铝提纯技术向着高效率、低能耗、低污染方向发展，三层液技术由于能耗高、污染高等问题，其发展越来越受到限制，而偏析法由于其能耗低、污染低的特点，越来越得到人们的青睐，提高其提纯效率也变得尤为重要。

三、上海交大新型偏析法工艺

上海交通大学凝固科学与技术研究所专注铝熔体研究多年，发明了高效率的偏析法高纯铝制备技术与设备，集成了一系列新发明、新技术，共授权10项国家发明专利，获授权1项实用新型和1项软件登记，形成了自主知识产权的技术群，在国内首次制备出了5N5和6N超高纯铝锭，实现了直径150mm、纯度超过5N5的超高纯铝锭的规模化生产，杂质元素平均提纯效率超过75%，产品气体元素含量及夹杂含量均低于国外同类产品。

3.1解决的关键问题

从头算分子动力学计算表面，铝熔体中杂质元素原子间的相互作用，会影响杂质原子的扩散与迁移。

3.2分配系数调控方法

发明了添加Si元素调节V元素分配系数的方法，解决了偏析法无法去除V的难题。

3.3 提高生产效率

发明了控制铝液中微量元素成分比例，提高偏析法提纯效率的方法，发明了大尺寸生长界面凝固控制技术，开发了基于冷却控制的低能耗精铝偏析法提纯装备。

3.4 形成新的工艺

四、上海交大新型偏析法装备

4.1 精铝提纯设备

4.2 精铝提纯坩埚与涂层

4.3 精铝提纯锭子

4.4 精铝提纯车间

4.5 超高纯铝提纯设备

4.5 超高纯铝提纯车间

4.5 超高纯铝锭

l  国内首套具有完全自主知识产权的超高纯铝提纯工艺及装备；

l  提纯效率达到75%，单台产能9-10吨/年，吨能耗0.97万KWh;

l  国内首块纯度达到5N5和6N的超高纯铝锭。

五、上海交通大学精铝提纯技术与装备总结

偏析提纯原理：利用杂质元素在凝固的固态铝中的含量远低于熔体中含量的偏析现象。通常将CS称为某种杂质在固态铝中的浓度，而CL代表某种杂质在铝熔体中的含量，将CS /CL的比值(K0)称为平衡分配系数。凡K0是小于1的杂质，如Si、Fe、Cu、Zn、U、Th等都可以通过偏析法除去到某种程度；而K0大于1的如Ti(K0=8.0)、V(K0=5.1)Cr(K0=2.3)等,K0接近1的Zn（k0=0.65），Mn（k0=0.77）等，则难于用偏析法除去。

上海交通大学的专利技术，通过对原铝液的成分调配和溶剂处理，可以选择性去除碱金属元素、Fe和Si元素、Ga、Zn元素以及Ti和V，从根本上摆脱了偏析法的限制，从而实现了比国外技术更高的提纯效率。

同时，上海交通大学精铝提纯技术与装备独有技术摆脱了高消耗的石墨坩埚，生产成本更低，从根本上杜绝了固体废弃物的产生。采用能耗更低的冷却方式和加热方式，提纯过程能耗相比国外技术平均降低15-20%。采用上海交通大学的偏析提纯法，全元素综合提纯效率超过75%。