高纯铝的提取方法和设备

摘要

一种高纯铝的提取方法，采用改进的分步结晶的方法，它是将熔融的铝液注入一级结晶器的中部，在搅拌状况下纯铝从结晶器的铝液出口斜管中，进入二级结晶器，继续进行二次结晶，一直进行三级、四级或多级结晶，得到99.9995以上的纯铝产品，送到后续的生产线制造高端铝制品，含杂质的铝液能够返回前一级结晶器，重新进行提纯；本方法纯铝分离效果好，不需要重新熔融加热铝棒，能耗低，容易操作。

权利要求

1. 高纯铝的提取方法，其特征在于：采用改进的分步结晶的方法，它是将熔融的铝液注入一级结晶器的中部，在结晶的温度下，纯铝密度变小，上升到结晶器的上部，而杂质的合金沉降到结晶器的中下部，在搅拌状况下纯铝结晶从结晶器的铝液出口斜管中，进入二级结晶器的中部，控制结晶器的温度，继续进行二次结晶，一直进行三级、四级或多级结晶，得到高纯铝，送到后续的生产线制造高端铝制品，在二级结晶器、三级结晶器或四级以上结晶器的搅拌过程中，除了纯铝能够前移外，部分含杂质的铝液返回前一级结晶器，重新进行提纯；有较多杂质的铝液送到杂质铝容器，通过控制阀定时送到杂质铝容器，作为生产普通铝材。

2.根据权利要求1所述的高纯铝的提取方法，其特征在于：第二个结晶器的温度需与第一个结晶器的温度相近，通过结晶器内部的加热器和温度传感器进行控制。

3.根据权利要求1所述的高纯铝的提取方法，其特征在于：每一级结晶器的上部、中部或下部设铝液分析取样口或自动金属成份分析传感器，随时控制每一级结晶器的熔融金属铝含量。

4.根据权利要求1所述的高纯铝的提取方法，其特征在于：含杂质的铝液返回前一级结晶器的操作是通过铝液出口斜管或者从结晶器底部汇集一起，通过控制阀返回加热炉，再次进入前级结晶器重结晶，或者接杂质铝容器接普通铝材生产线。

5.根据权利要求1所述的高纯铝的提取方法，其特征在于：提取方法采用真空操作，或者投入氮气或氩气进入结晶器操作。

6.如权利要求1所述的高纯铝的提取方法所采用的设备，其特征在于：它包括加热炉、铝液储槽、若干个结晶器、纯铝容器和杂质铝容器，加热炉将铝液加热送到一级结晶器，一级结晶器中部有铝液入口管，每级结晶器上部有铝液出口斜管，通到下一级结晶器的中部，结晶器下部有杂质铝出口管和控制阀，每个结晶器下部杂质铝汇集一起，通过控制阀接加热炉，进入一级结晶器，或者接杂质铝容器接普通铝材生产线。

7.根据权利要求6所述的高纯铝的提取方法所采用的设备，其特征在于：每一个结晶器都安装搅拌器，所述的搅拌器采用机械搅拌器和电磁搅拌器。

8.根据权利要求6所述的高纯铝的提取方法所采用的设备，其特征在于：在结晶器下部设有加热装置、温度传感器和化学成分检测传感器。

9.根据权利要求6所述的高纯铝的提取方法所采用的设备，其特征在于：结晶器与真空系统连接，或者与提供氮气或氩气的设备连接。

说明书

高纯铝的提取方法和设备

技术领域

[0001] 本发明属于铝冶炼提纯技术，特别是一种生产纯度在3N以上的精铝产品的方法。

背景技术

[0002] 我国是一个铝业大国，电解铝的产量位居世界前列，但是高纯铝 (纯度在3N以上的铝产品)大部分依赖进口，虽然在2O世纪8O年代，国内开始进行这方面的研究，但生产工艺的改进仅适用纯度低于3N的铝产品生产，对3N高纯铝生产工艺的研究则比较缓慢。众所周知，高纯铝在低温电工技术、电子工业及电子计算机、天文望远镜、石油化工、原子能、雷达、航空航天、电动汽车和半导体等工业得到广泛地应用，其用量逐年增加。但现在国内能生产出满足用户需求的3N超高纯铝的企业甚少，研发单位也屈指可数，据报道，到2010年只有极少数厂家能够生产纯度达99.9%的高纯铝。在国际市场上，也仅有德、美、法、俄、日等国具备生产能力，因此国内所需高纯铝大部分需进口，尽管国内有企业已在试生产超高纯铝，但与国外同类企业及国内对超高纯铝要求来比有较大差距，存在多方不足。首先是设备，工艺相对复杂，其利用多学科领域技术，使投资成本过大，且不便掌握操控；其次是排出杂质效率上，并不理想，生产不出合格产品；其三是能耗偏高，达15000KWH／吨以上，与国家节能减排政策相违，尽管目前有所降低，但也有万度左右；其四，尽管生产出产品，但质量尚不稳定，使国内用户无法使用。具体地讲，现有常规超高纯铝生产加热皆为电磁感应加热搅拌同步，采用低电压大电流，电器设备功率因数小于O．3左右，且无法用超大电容器补偿，大量耗电，由于铝的熔化潜热大于比热400多倍，使80％以上的耗电用于熔化铝。如何解决上述难题，是国内需求当务之急。

[0003] 关于高纯铝的报道和专利也有一些，以下就我们检索到一些进行评述：

[0004] 1、《机械工程学报》2006年4 月第四期，“新型5N高纯铝提纯装置原理及控制”，摘要：通过对比分析已有提纯工艺及设备，结合纯金属的凝固特性， 自主开发出了一套适用于工业化生产5N高纯铝的设备和相应的工艺。设备采用双线圈双区中频感应加热，获得了较高且可调节的温度梯度，通过计算机自动控制晶体的生长速度，控制定向凝固中的晶粒形态，获得了生长均匀的胞状晶和单晶。成分检测显示，制备的铝锭纯度达到99.9993％以上，杂质元素轴向分布合理。通过切去头部和末端，则可获得质量分数合格的成品锭。该文献报道的方法在于采用双线圈双区中频感应加热，属于高能耗的提纯方法和装置。

[0005] 2、《铸造技术》2008第三期，南通泰尔德服装有限公司投资100万元与上海交通大学材料学院开展铝纯净净化技术攻关。经过4年多的研究试验，通过控制铝晶料的生长形态，提高垂直定向凝固过程中的杂质元素偏析效率，从而提高铝质的洁净度，成功研制出纯度达5N5的超高纯铝。经中科院上海硅酸盐研究所检测．产品完全达到国际标准。据了解，该方法是采用偏析法提纯，存在时间长等缺点。

[0006] 3、中国专利名称：一种超高纯铝提纯方法，专利号： 200910309668专利权人：公开日：2010年04月21日授权公告日：2011年05月11日，发明设计人：湖南省长沙市高新技术产业开发区长海基地北四楼，摘要，一种超高纯铝提纯方法，其包括：选择精铝纯度至少为4Ｎ6，且其中Mg＜6ppm，Ti＜0.2ppm，Zr＜0.2ppm的原料精铝，并清洁烘干；将选择的原料精铝装入提纯炉中，并将该提纯炉密闭，抽真空，并用燃气炉加热到680℃－750℃，使原料精铝由固体熔化为液体；再将加热到680℃－750℃的提纯炉移入结晶炉中，该结晶炉加热器加热使结晶炉内恒温保持660℃，提纯炉中铝液在结晶炉加热器内旋转运动，通过控制结晶炉的散热量，使提纯炉内的铝液自维持结晶速度5－10cm／h，经4－6小时后结晶结束；将结晶后的提纯炉冷却，取出结晶锭，从结晶锭的尾部去除结晶锭重量的25％－35％，得到第一次提纯的铝锭；将第一次提纯的铝锭再放入提纯炉中，重复提纯，直到获得符合纯度要求的铝锭。

[0007] 4、中国专利名称：定向凝固提纯高纯铝的方法及其熔炼炉，申请（专利）号: 　 CN201110224938.8，公开（公告）号: CN102277505A，申请（专利权）人:新疆众和股份有限公司，地址：新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市喀什东路18号新疆众和股份有限公司科技管理部，发明（设计）人: 洪涛;努力古·依明，摘要: 一种定向凝固提纯高纯铝的方法及其熔炼炉，该定向凝固提纯高纯铝的方法按以第一步选料、第二步熔炼、第三步凝固提纯、第四步获得成品进行，该熔炼炉包括炉壳、加热装置、容器、搅拌装置和冷却装置；在炉壳内固定安装有容器，在炉壳与容器之间自上而下间隔固定安装有不少一个的加热装置；在容器下方的炉底处安装有冷却装置，在冷却装置和炉壳之间安装有炉底测温装置。本发明方法具有能耗低、处理量大、效率高、产品纯度高的优点，可用于大批量生产5N至6N的高纯铝。本发明熔炼炉结构合理而紧凑，使用方便，其通过加热装置、炉底冷却装置、炉底测温装置的配合使用，能极大地提高工作效率，从而提高了提纯出来的高纯铝的质量。主权项: 一种定向凝固提纯高纯铝的方法，其特征在于按以下步骤进行：第一步，选料，选用纯度4N至5N的铝原料，并对上述铝原料的表面进行物理清洁；第二步，熔炼，将第一步中准备好的铝原料放入熔炼炉提纯容器内，将铝原料加热到670℃至730℃，使铝原料取全部熔化，得到铝液体；第三步，凝固提纯，将第二步所得的铝液体在670℃至730℃下静置7分钟至80分钟；然后对熔炼炉炉底实施冷却，对铝液体实施加热，使铝液体的温度从结晶面向上由低到高控制在660℃至700℃范围内，从炉底向上结晶，1小时至8小时得到结晶锭，结晶过程中将搅拌桨预热烘干后置于铝液体中实施旋转搅拌或/和实施电磁搅拌；第四步，获得成品，根据纯度需求的不同，从结晶锭的尾部去除厚度的15%至70%部分，得到所需纯度的高纯铝。
该方法存在每次只能得到一个结晶锭，能耗高。

[0008] 5、中国 专利 名称: 一种高 效高纯 铝提 取装置，申请（专利）号 : CN201110264876.3，公开（公告）号: CN102321811A ，申请（专利权）人：衣庆波，地址:辽宁省抚顺市新抚区武功街9-2号楼8单元301号，发明（设计）人：衣庆波;刘鹏;衣娜;孙羽飞;衣庆军;姜杰;原建昌;王劲松;赵志浩;王述雷;张颖，摘要：一种高效高纯铝提取装置，包括支撑于支架上的炉壳、炉壳内的电磁电阻炉套及被电磁电阻炉套围绕的圆柱形锅体；电磁电阻炉套为立式、12叶片圆筒形结构，其上部向外翻折的叶片端为接电端；所述的圆柱形锅体由叠落在一起的上部提纯复合锅和下部提纯铸锭复合锅构成；提纯复合锅的进出料口由法兰盖密封，其上部外侧设有支撑圈；提纯铸锭复合锅的下端支撑在托升机构上。该发明的两个锅体上、下交替反复加热提纯，工作效率得到了极大的提升。锅体提升或下降过程中，始终对其中的另一个锅体进行预热，不仅避免了电能的浪费，空耗电能得到了极大的降低，而且还大幅度提高了高纯铝产品的质量和产量，降低了运行成本。主权项:一种高效高纯铝提取装置，包括支撑于支架（6）上的炉壳（20）、炉壳（20）内的电磁电阻炉套（1）及被电磁电阻炉套（1）围绕的圆柱形锅体；电磁电阻炉套（1）为立式叶片圆筒形结构，其上部向外翻折的叶片端为接电端（15）；其特征是：所述的圆柱形锅体由叠落在一起的上部提纯复合锅（2）和下部提纯铸锭复合锅（3）构成；提纯复合锅的进出料口由法兰盖密封，其上部外侧设有支撑圈；提纯铸锭复合锅的下端支撑在托升机构上。该文献的高纯铝提取装置属于高能耗的提纯装置。

[0009] 除了上述文献公开的高纯铝电磁电阻炉冶炼方法以外，现在国内外通用的高纯铝制备工艺还有冷凝法、三层液电解法、偏析法、单向凝固法、区熔法和分步结晶法。为了比较几种方法，我们列出以下的工艺对比：

[0010] 1、冷凝法

[0011] 铝液保持在一定的温度，把带水冷的冷却结晶器插入铝液中，就会在结晶器周围结晶出纯度高的晶体，通过旋转结晶体，增加固液界面的流动，提高溶质的扩散效果。这种工艺的提纯效果一般，但生产效率较高 。

[0012] 2、三层液电解法

[0013] 由Hoopes于1901年发明，至今已有一百多年的历史，三层液电解法提纯精度和生产效率较高，三层液电解法的提纯精度可以达到4 ～5N，但其能耗大，同时，在电解过程中产生氟化氢、一氧化碳、二氧化硫等有害气体及废电解液严重污染环境；

[0014] 3、偏析法

[0015] 偏析法是利用合金凝固时偏析现象进行提纯的方法，主要方法有(1)分别结晶精制法, (2)定向凝固精制法。这种方法不能连续进行生产，生产效率低，并残留铝液对已提纯的铝存在二次污染。包头铝业集团公司法国普基公司(Pechiney) 现属诺威力(Novelis) 铝业公司引进的生产能力10 k t／a的高纯铝项目，已于2007年12月投产。

[0016] 4、单向凝固法

[0017] 通过强制冷却或加热来控制晶体的生长方向，使凝固方向背离热流传递方向以连续单向结晶排除杂质元素的1种方法，利用电磁搅拌的技术，对固/液界面前沿的液相进行强制性的搅拌，可以降低界面前沿液相中溶质富集层的厚度，有利于溶质的扩散，提高提纯的效率。

[0018] 5、区熔法

[0019] 是提纯高纯铝的主要方法，主要用来生产 5N5～6N5的超高纯铝。日本的研究者对此工艺进行了深人的研究，最终获得了7N的纯铝。

[0020] 上述几种工艺中，由于3层液电解法生产高纯铝能耗大，美国、加拿大、德 国、日本 、法国以及俄罗斯等国，大部分的高纯铝产品越来越趋向于利用单向凝固或分步结晶等偏析法制备，以圆锭供应市场。

[0021] 所述的分步结晶法是一直纯铝冶炼的一种新方法，它是将坩埚内铝熔体温度保持在熔点 附近，在熔体中插入水冷的结晶器，促使晶体在结晶器上生长，当晶体生长到一定程度，采用刮除法将结晶的固体聚集到坩埚底部，再通过保温压榨把晶体间包裹的低熔点富含杂质的液体挤出，此种方法可使原铝量的80得到精炼，纯度可由3 N5提高到4 N5。《轻金属》1990年第8期详细介绍分步结晶法操作方法如下。把作为原料的电解原铝液装入石墨坩埚，石墨冷却管中的气体冷却铝液，在冷却管周围结晶出初晶。然后，使环状柱塞上下往复运动，将冷却管周围的初晶刮落到下方，并用柱塞向刮落到下方的结晶周期地施加不大的压缩力。在此工艺过程中，小的结晶烧结变成大的结晶。部分大结晶再熔解，并被柱塞压缩，晶格问的含杂质液体被挤到上方的母渍部分。由于反复进行这种操作，使高纯度的固体层和含有杂质的液体层分离。投入的原铝约有80％可被精炼，精炼过程结束届可采用倾动精炼装置排出含质杂决的液体层，或者待全部金属凝固后，切除精炼铸锭上部的含杂质部分，就得到高纯铝。

[0022] 但是上述介绍的分步结晶法由于需要使用环状柱塞，操作过程比较复杂，而且不容易控制纯铝的结晶。

发明内容

[0023] 本发明的目的是提供一种将改进的分步结晶法进行铝纯化的方法和装置，通过本方法和装置能够得到99.9% (3N)以上的纯铝产品，本方法能耗低，容易操作。

[0024] 为了实现上述目的，本发明采用了改进的分步结晶的方法，它是将熔融的铝液（铝水）注入一级结晶器的中部，在适当的温度下，纯铝开始结晶（未到凝固点），密度变小，上升（上浮）到结晶器的上部，而杂质的金属未到结晶温度，则沉降到结晶器的中下部，在搅拌状况下从结晶器的铝液出口斜管中，在重力的作用下进入二级结晶器的中部，控制结晶器的温度，继续进行二次结晶，一直进行三级、四级或多级结晶，就可以得到99.9%-99.99%以上的高纯铝，送到后续的生产线制造高端铝制品，例如做电解电容器用的阳极箔、电容器引线、集成电路导线、真空蒸发材料、超导体的稳定导体、磁盘合金和高断裂韧性铝合金的基体金属等；在二级结晶器、三级结晶器或四级以上结晶器的搅拌过程中，除了纯铝能够前移外，部分含杂质的铝液能够从铝液出口斜管返回前一级结晶器，重新进行提纯；部分含杂质的铝液也可以从后一级结晶器下部的杂质铝出口管排出，通过控制阀返回前一级结晶器继续操作，经过多级结晶器，最后一级的杂质在前移过程中浓度增加，使得纯铝可以连续的提纯；有较多杂质的铝液送到杂质铝容器，可以通过控制阀定时送到杂质铝容器，作为生产普通铝材，例如门窗铝型材、铝锅、自行车铝型材或普通工业铝制品的原料；

[0025] 为了能更好的保存纯铝晶体，第二个结晶器的温度需与第一个结晶器的温度相近，通过结晶器内部的加热器和温度传感器进行控制。

[0026] 在连续的提纯纯铝过程中，每一级结晶器的上部、中部或下部可以设铝液分析取样口或自动金属成份分析传感器，随时控制每一级结晶器的熔融金属铝含量。

[0027] 本发明高纯铝的提取方法可以采用真空操作，或者投入氮气或氩气进入结晶器操作。

[0028] 理论上纯铝的熔点为660℃，所以注入一级结晶器的铝液可以在加热器加热到690－700℃，在670℃－680℃的温度下产生结晶，纯铝结晶后密度变小，在搅拌状况下从铝液出口斜管中，在重力的作用下进入二级结晶器的中部，结晶器下方有杂质的铝液温度还在熔点以上，二级结晶器的纯铝含量可能比一级结晶器的低，可以通过控制阀A返回加热炉，再次进入一级结晶器重结晶。

[0029] 本发明的高纯铝的提取方法所采用的设备包括加热炉、铝液储槽、2个或2个以上的结晶器，纯铝容器和杂质铝容器，加热炉将铝液加热送到一级结晶器，一级结晶器中部有铝液入口管，每级结晶器上部有铝液出口斜管，通到下一级结晶器的中部，结晶器下部有杂质铝出口管和控制阀，每个结晶器下部杂质铝可以汇集一起，通过控制阀返回加热炉，再次进入一级结晶器重结晶，或者接杂质铝容器接普通铝材生产线。

[0030] 本发明高纯铝的提取设备中，每一个结晶器都安装搅拌器，所述的搅拌器可以采用机械搅拌器和电磁搅拌器。

[0031] 为了使得结晶器纯铝结晶出口能够流动，可以在结晶器下部设加热装置、温度传感器和化学成分检测传感器，对结晶铝液加热，使其顺利控制结晶器的温度和成分，和掌握结晶的时间。

[0032] 本发明高纯铝的提取设备可以采用真空操作，或者投入氮气或氩气操作，具体设备与其它金属冶炼采用的非氧冶炼结构原理相同，此处不再详细描述。

[0033] 本发明高纯铝的提取设备的工作原理：

[0034] 物料从中间进入结晶器后，在结晶段产生晶体，在搅拌状况下，一部分结晶的纯铝从出口斜管，流到下一级结晶器，杂质铝可以通过出口斜管随着上升回流到前一级的结晶器，或者从后一级结晶器下部的杂质铝出口管排出，通过控制阀返回前一级结晶器继续操作。

[0035] 连续多级分步结晶与单级结晶的关系，类似于化学物质精馏与单级蒸馏的关系。

[0036] 利用本发明的方法，可以将含有Si、Fe、Cu、Pb、Zn、Ca、Ti、Cd、Ag、In等多种元素的铝锭经过分步结晶后分离出99.9%-99.999% (5N)以上的纯铝产品，分离效果好，不需要重新熔融加热铝棒，过程节省了大量能源。

[0037] 本发明的有益效果：

[0038] 1、本发明的高纯铝的提取方法实际上是改进的分步结晶法，现有的分步结晶法是纯铝在结晶器结晶后立刻冷却取出，得到铝棒，通过分析取得铝棒各部的化学含量数据，然后用机械切除杂质铝，这样既浪费了能源，得到的铝棒也不规则，有的短，有的长，生产精铝产品成分不一致，有的时候还要重新熔融加热。

[0039] 2、 本发明的高纯铝的提取设备可以利用现有的铝熔炼设备改进，只要结晶器保温良好，操作很方便，控制阀门可以采用计算机控制方式，完成自动化控制。

附图说明

[0040] 图1是本发明的高纯铝的提取方法的工艺流程以及设备的连接关系图；

[0041] 图2是含3.0%硅的铝硅合金提纯铝的相图。

[0042] 图中序号和部件名称：1、加热炉，2、铝液储槽，3、铝液入口管，4、一级结晶器，5、铝液出口斜管，6、二级结晶器，7、三级结晶器，8、四级结晶器，9、精铝产品生产线，10、控制阀，11、加热器，12、温度传感器，13、搅拌器；14、杂质铝出口管；15、杂质铝容器；16、普通铝材生产线；17、杂质铝回流控制阀。

[0043] 如图1所示，提取设备包括加热炉1、铝液储槽2、四个结晶器分别是，一级结晶器4，二级结晶器6，三级结晶器7，四级结晶器8，铝液入口管3设在结晶器中部，前一级结晶器与后级有铝液出口斜管5连接；结晶器下部有杂质铝出口管14，杂质铝出口管14安装有杂质铝回流控制阀17，四级结晶器8后接精铝产品生产线9，每级结晶器下部都有杂质铝出口管；可以通过杂质铝回流控制阀17和控制阀10接回加热炉1，或者接杂质铝容器15然后接普通铝材生产线16；也可以将杂质铝从结晶器的铝液出口斜管5中返回前级结晶器。

[0044] 结晶器内部安装有加热器11、温度传感器12和搅拌器13。

具体实施方式

[0045] 实施例1

[0046] 将熔融的含有Si、Fe、Cu、Pb、Zn、Ca、Ti、Cd、Ag、In等多种元素的铝锭放到真空加热器加热到690－700℃，得到铝液，含有注入一级结晶器的中部，在670℃－680℃的温度下产生结晶，结晶后纯铝由于密度较大，沉降在一级结晶器的下部，结晶器上方有杂质的铝液温度还在熔点以上，浮在一级结晶器的上方，并送到二级结晶器，继续进行结晶，同样结晶后的纯铝沉降在二级结晶器的下部，含有杂质的铝液浮在二级结晶器的上方，并送到三级结晶器，通过三级或四级结晶器，将含有较多杂质的铝液送到杂质铝容器，即作为生产普通工业铝制品的原料；沉降在各级结晶器下部的纯铝，可以进一步通过控制阀A返回加热炉，再次进入结晶器重结晶，经过几次重结晶，最后得到99.99%以上的纯铝产品，通过控制阀B送到精铝产品生产线，制造高端铝制品。可以用GDMS方法对一级结晶器下部不同高度的各个元素进行分析。

[0047] 图2所示，含3.0%硅的铝硅合金的相图中，垂直箭头显示组成。随着合金凝固它分解成两个部分：固体成分移动至相图靠铝方向，不纯的组成部分移动至右方。这个过程是物理上总所周知的在634℃一切都达到温度的平衡。然后在图纯的一边有大约30%的材料，其Si含量是0.5%；在另一边有70%的材料，其Si含量是4.0%。这是发生在一个批次过程中的典型，不纯的远远比纯的分数要高，净化程度相对较小。经过四次结晶，可以得到99.99%以上的纯铝产品。