偏析法生产重熔用精铝锭

偏析法生产重熔用精铝锭

李城

新疆众和股份有限公司 新疆省乌鲁木齐 830013

摘要：由于偏析法具有产量大、能耗低、成本低等特点,已在发达国家得到了广泛应用。基于此，本文对偏析法生产重熔用精铝锭进行了详细的分析。

关键词：偏析法；重熔；精铝锭

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，使其导电性、延展性、反射性、抗腐蚀性增强。目前，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、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。因此，研究偏析法生产重熔用精铝锭具有重要意义。

一、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。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/C_L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。

二、提纯纯度影响因素

1、原始纯度对提纯纯度的影响。图1(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1(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元素提纯效果好，对杂质Zn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。

图1 不同提纯炉次的杂质元素去除情况

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。对取样位置厚度方向的外、中、内成分检测，其结果可知，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，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，另外提纯后期受设备功能限制，铝液内部杂质元素含量较高而较难提纯。其中，杂质V元素含量的突兀波动是因添加铝硼合金的量不足造成的。提纯锭外部V元素含量提升符合其分配系数k₀＞1的特性。

3、铝液重量对提纯纯度的影响。图2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2 提纯锭重量与外层Al含量关系

三、技术要求

1、产品分类。精铝锭按化学成分分为AL99.99、AL99.98、AL99.97、AL99.95、AL99.92、AL99.90共六个牌号。

2、外观质量。精铝锭表面应整洁，无严重飞边，允许有轻微夹渣。

3、锭重和锭型。①每批或每块精铝锭质量由供需双方协商确定。②锭型应适合于包装、运输和储存的需要。

4、其他要求。需要对产品质量有特殊要求时，由供需双方协商确定，并在订货单中注明。

四、检验规则

1、检查和验收。①产品应由供方检验，保证产品质量符合标准及订货单规定，并填写质量说明书。②需方应对收到的产品按标准规定检验，如检验结果与标准及订货单规定不符时，应以书面形式向供方提出，由供需双方协商解决。属于化学成分及其他异议，应在收到产品之日起一个月内提出；属于其他性能的异议，应在收到产品之日起三个月内提出。如需仲裁，可委托供需双方认可的单位进行，并在需方共同取样。

2、组批。产品应成批提交验收，每批应由同一熔炼号的产品组成。

3、计重。产品应检斤计重。

4、检验项目。每批精铝锭均应进行化学成分和外观质量的检验。

5、取样和制样。①化学成分。a.熔体取样和制样。熔体取样应在浇铸溜槽内进行，用石墨勺舀取熔体，用预热过的模具浇铸成型，在每一个熔炼开铸时和浇铸结束前各取一个试样；试样应无气孔和加渣，样品也可从铸锭上切取，每铸次不少于三个试样。试样应无气孔。无夹渣、无疏松和裂纹。b.仲裁取样。从该批次产品任一捆上、中、下部各取一块(当铝锭散开，分不清上、中、下时，则随机取样不少于三块)精铝锭。采用钻孔法取样，钻孔时用直径12mm～20mm的钻头(不允许使用任何润滑油，可用分析纯乙醇做润滑剂)沿样锭两条对角线，距顶角100mm钻孔4个，中心位置钻一孔。另外，钻孔前必须清除钻孔点表面层，其厚度不应小于2mm。钻孔深度不小于样锭厚度的2/3，试样铝屑厚度不大于1mm。钻取的铝屑应混匀，以磁铁处理后，应四分法缩分，质量不少于100g，作为分析化学成分的试样。②外观质量。外观质量应逐块检验。

6、检验结果的判定。①任一试样的化学成分不合格时，判该批不合格。②任一块精铝锭的外观质量不合格时，判该块精铝锭不合格。

五、标志、包装、运输、贮存及质量证明书

1、标志。①产品标志。每块精铝锭上应浇铸或打印生产厂标志、熔炼号。②包装标志。在检验合格的每捆精铝锭上应贴颜色鲜明、防水、不易脱落的标签(或合格证)，标签(或合格证)数量不少于两个，其上应注明：产品名称；牌号；熔炼号；净重；块数；生产日期；供方质监部门的检印。

2、包装。①精铝锭打捆形式采用“﹟”字形或其他形式。②精铝锭打捆可采用钢带、高强度塑料包装带或其他材料，但应保证精铝锭不散捆。③精铝锭打捆用的钢带应具有防锈性能，并符合GB/T25820规定，打捆用的塑料打包带应符合QB/T3811规定，或供需双方协商。

3、运输和贮运。精铝锭的运输、贮运场所应清洁，符合GB/T3199规定或供需双方协商。

4、质量证明书。每批产品应附有产品质量证明书，其上注明：供方名称；产品名称；牌号；批号；净重和件数；分析检验结果和供方质监部门的检印；标准编号；包装日期(或出厂日期)。

总之，随着铝在国民经济发展中的广泛应用，企业对重熔铝锭质量提出了更高的要求。除国家标准和企业标准外，企业还制定内部控制产品质量的标准，以此来提高重熔铝锭产品的质量。因此，研究偏析法生产重熔用精铝锭显得尤为重要。

参考文献：

[1]赵伟.偏析法制备高纯铝设备研发及其工艺探究[D].昆明：昆明理工大学，2015.

[2]赵斌斌.偏析法精铝提纯影响因素的探究[J].铝加工，2020(05).