浅谈偏析法制备高纯铝工艺

浅谈偏析法制备高纯铝工艺

张治成

中铝包头铝业有限责任公司，内蒙古自治区包头市，014010  

摘要：超高纯铝的导电性、延展性、反射性、抗腐蚀性能均优于原铝，广泛应用于电子、航天等领域。偏析技术去除杂质效果好，提纯时间短，可实现工业规模的工业化生产。本文介绍了偏析法制备高纯铝的方法。

关键词：偏析法；高纯铝；工艺

经纯化处理后，其抗腐蚀性、导电性、导热性、可塑性等特性得到了极大的改善，在电子、军工、航天、航空、轻工等领域得到了广泛的应用，而一般的纯铝（原铝）则需要进一步提纯后方能使用随着国内外电子工业迅速发展，铝加工技术水平不断提高，加之其他工业领域需求的增长，为此对原铝的提纯工艺提出了更高的要求。偏析技术由于能耗低、成本低，因而在我国得到了广泛的应用。本文将从高纯铝的概念出发，对高纯铝的性质和用途进行了详细的论述，并对其应用范围进行了展望[1]。

一、原铝，精铝，高纯铝，

原铝，也叫一次铝，它是一种由霍尔/埃鲁电解法生产的铝液，也就是在电解池中产生的铝。纯铝：铝的含量最低为99%，其他元素的含量必须在一定范围内。中国一些像云南铝业这样的铝厂，其纯度高达99.90%。精铝：通过特别的熔炼工艺得到的铝，其纯度在99.99%以上，可以是铝锭、铝条等。对于高纯铝，通常没有一个清晰的概念，各国对其定义也不尽相同。中国：把重熔型铝锭分成三个等级：纯铝：99%≤铝含量≤99.85%；精铝：99.85%≤铝含量≤99.999%；高纯铝：99.999%≤铝含量[2]。

二、高纯度铝材的特性与用途

高纯度的铝具有一系列的物理和化学特性：低密度、高导热率和高反射率；良好的耐腐蚀性，我们知道，铝材的表面有一层非常薄的高密度的氧化膜，而铝的纯度越高，它的保护作用就越大；在现代先进的工艺条件下，它可以被加工成任何形状。高纯度的铝材没有低温脆性，在温度降低时，它的强度和塑性都会增加，这是钢材所没有的优势。

高纯度铝以其众多独特的优良性能，目前已成为各行各业中的佼佼者。高纯铝的优良性能决定了其在高技术和新的应用领域中“大展身手”：5N纯铝和微量元素的高纯铝，由于具有良好的延展性和良好的导电性，可以被拉伸成15μm的线材，在微电子IC中得到了广泛的应用；NASA（美国航空和宇宙航行局）利用其超凡的低温传导能力，将5N直径8纳米的高纯度铝丝缠绕在一起，用于在太空中采集高能离子，例如磁场，从而驱动飞船的“太阳帆”；由于轨道交通的普及，高纯度的铝材以其磁导率和导电率高而成为了磁浮列车的主要生产原料；采用高纯铝质高反射率的超高纯铝天文望远镜，其反射率极高，其反射率极高，其反射率高，已成为天文科学的重要组成部分。

三、偏析法制备高纯铝

三层液电解工艺能耗高、利润低，吸引了很多公司投入到研究、开发、制造。法国、德国于70年代开始了工业化的偏析工艺，80年代由日本研发。日本是世界上以偏析工艺制取高纯铝最先进、产量最多的国家，占全球高纯铝消费总量的60%~70%[3]。

（一）纯铝偏析制备机理

偏析法也叫凝固提纯法，它是通过使合金在凝固时发生组分的偏析，从而得到高纯度的铝。即，含少量杂质的铝熔体在冷却固化时，其固体中的铝杂质成分比熔体中的要少得多。

（二）分步结晶法

在增涡中，铝熔体的温度维持在接近熔点，在熔体中插入一种水冷的结晶器能促进晶体的生长，在晶粒成长到一定程度时，利用刮除技术将晶粒中的结晶物质收集到旋涡的底部，并用保温挤压出含有少量杂质的低熔点的液态，从而获得高纯度的铝。该工艺可以提纯80%的原铝，纯度从3N5增加到4N5。使用这种工艺的典型企业有美国铝，法国彼施涅，日本的轻量金属[4]。

（三）定向凝固法

定向凝固法是一种利用强迫降温或加热的方式，对晶粒的生长方向进行控制，从而使其与热传导方向相反，从而实现连续的单向晶化。该工艺采用电磁搅拌技术，在固体和液体的临界状态下，强行搅动液相，从而减小溶液中的溶质浓度，从而促进溶液的扩散，从而提高纯度，从而使结晶继续长大，最终获得高纯度的铝。方向凝固和逐级结晶方法一样，都是采用了金属凝固过程中的分离现象，但由于其精制效率低下，往往要反复进行同样的工艺，以获得理想的成品[5]。

在凝固期间，固液界面前沿的液相存在着一种液层，这种液层是由于偏析所产生的杂质元素而产生的。因为该杂质富集层的存在，使每一种元素的实际有效分布因子Ke<均衡分布因子K0。在定向固化工艺中，采用电磁搅动技术，强行搅动处于固液临界状态的液相，从而减小了液相中的溶质浓度，从而促进了溶质的扩散，从而提高了纯度，从而使得结晶继续长大，从而获得高纯度的铝。与分步结晶工艺相比，定向凝固法的生产效率较低，为了获得理想的成品，必须反复进行[6]。

（四）区域熔炼法

区域熔炼，也叫局部精炼，是一种以5N5-6N5为原料的高纯度铝精制工艺。日本学者通过深入的研究，得到了7N以上的高纯铝[57]。

其中，区域熔炼和有机溶液电解都是超纯铝的主要工艺，目前用于超纯5N5-6N5。“区域溶解法”最早用于高纯锗的纯化，是50年代早期由凡普公司开发的，是迄今为止最好的物理净化技术[8]。本发明的方法是将高纯度铝棒放入一个特殊的加热炉中，使加热线圈（也就是改变熔化带的位置）以均匀的方向缓慢地运动，这是因为杂质在固、液相铝中的溶解性不同（也就是分离现象），从而用偏析（见图1）来去除铝中的杂质。从该图中可以看出，当熔融区以非常缓慢的速度（低于10毫米/小时）从左侧到右侧运动时，分布系数K。小于1的杂质将逐步富集到右侧；杂质超过1时，会在左侧聚集。一次纯化常常不能满足精制的要求，所以要进行多次的重复纯化。但是，该工艺的成本较高，且效率较低，不适合大规模的工业生产[9]。

图1区域熔炼提纯示意图

结语

随着科学技术的发展，各种行业对高纯度材料的要求越来越高，偏析技术在满足高纯铝的要求的情况下，是否能够满足其他金属材料的净化要求，是一个值得我们继续努力和探索的课题。精铝和高纯铝是一种具有独特特性和用途的重要工业原材料。偏析法是高纯铝的一种重要工艺，其能耗小、成本低，在国际上已得到了广泛的应用。由于采用偏析技术无法有效地去除铝材中的Ti、V、Cr、Zr等元素，所以必须对原材料组成进行严格的预处理，以确保产品的品质。目前，国内已有部分公司掌握了高纯铝的偏析工艺，能生产出4N以上的铝，并实现了一定的产量，但目前国内还没有任何一家公司能生产出5N或5N以上的高纯铝。5N以上的高纯铝的制备是一个亟待解决的问题。

参考文献

[1]尹士科.焊接材料手册[M].北京：中国标准出版社，2020.
　　[2]文申柳.金属材料焊接[M].北京：化学工业出版社，2018.
　　[3]关桥.刘方君.董春林.高能束流焊接技术的应用与发展趋势[C].第9次全国焊接会议论文集，2019.

[4]陆元三.铝及铝合金气焊工艺研究[J].热加工工艺，2011，40（13）：194-196.
       [5]邱葭菲，王瑞权.铝合金气焊修复工艺研究及应用实例[J].热加工工艺，2011，40（19）：203-205.
       [6]杨涛涛，杨勇，张翔宇，王玉玲.CJ401气焊熔剂对铝合金激光熔覆层质量的影响[J].激光杂志，2017，38（06）：4-7.
   [7] 马云飞,李承山.  铝电解多功能天车回转下支架有限元分析[J].有色矿冶. 2014(04)
   [8] 张生凯.  铝电解槽异常电压原因分析及处理措施探讨[J].金属世界. 2014(03)
   [9]国务院整合国内氧化铝资源 中国铝业有望破冰[J].   中国粉体工业. 2010(05)