高纯铝的研究进展

2015-08-20袁学敏

冶金与材料 2015年1期

袁学敏

(甘肃省科学技术情报研究所，甘肃兰州730000)

我国的纯铝分级最初采用苏联的方式，将纯度位于3N5＜Al%＜4N8的纯铝称为精铝，Al%大于5N(99.999%)称为高纯铝;此称谓自我国1958年用三层液电解法生产4N铝开始，一直沿用至今;美国等西方国家将纯度大于3N5的铝统称为高纯铝，而将纯度大于5N5的纯铝称为超高纯铝。超高纯铝比原铝具有更好的导电性、延展性、反射性和抗腐蚀性，在电子工业及航空航天等领域有着广泛用途。此前，国内只有极少数厂家能够生产纯度达99.999%(5N)的高纯铝，而能生产纯度达99.9993%(5N3)以上产品的企业一直是空白。在国际市场上，也仅有德、美、法、俄、日等国具备生产能力［1］。

1 高纯铝的生产工艺

1.1 冷凝法

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。

1.2 三层液电解法

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，但其能耗大，国内的能耗为1.8×104度/t，技术先进的日本能耗也高达1.2×104度/t。三层液电解法的提纯精度可以达到4～5N。

1.3 偏析法

主要有分步结晶法、定向凝固法和区域熔炼法。分步结晶法是将初晶进行分离、集中;定向凝固法是在冷却凝固面使初晶生长。偏析法的工业应用近20年是由法国彼施涅公司完成的。

(1)分步结晶法

分步结晶法可使原铝量的80%得到精炼，纯度可由3N5提高到4N5。采用此方法生产的代表性企业是alcoa(美国铝业)、法国彼施涅、日本轻金属等。

(2)定向凝固法

定向凝固法是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一种方法。

(3)区熔法

区熔法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入的研究，可以获得7N的纯铝。

上述几种工艺中，由于三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［2－4］。

2 国内外生产企业

全球高纯铝的生产厂商是俄罗斯铝业和海德鲁铝业公司，各占全球高纯铝消费市场20%的份额，两家公司都采用三层液法生产技术。日本的昭和铝业、住友化学、三井和日本轻金属公司是日本主要的高纯铝生产商，他们普遍采用4N偏析法生产工艺。在中国，采用三层液法生产工艺的厂商有新疆众和铝业公司和中铝贵州铝业分公司。

2.1 国外高纯铝生产企业

2.1.1 海德鲁铝业公司

德国海德鲁铝业公司是最早进行高纯铝开发的公司，是目前全球最大的采用三层液法生产高纯铝的专业厂之一，年产能超过8kt/a。基于IT行业的飞速发展(计算机主板的生产)，1987年开始生产IT行业需要用到的5N高纯铝。

2.1.2 日本高纯铝生产企业

九州三井铝公司从法国彼施涅公司引进了生产高纯铝的偏析法技术，2000年度产量达到12242t，比上一年度增加16.4%，居日本五大高纯铝生产者的第一位。第二位是昭和铝公司，产量为10677t。第三位是用偏析法并取得技术革新成功的住友化学公司，产量为10599t，比上一年度猛增26.2%。最引人注目的是从三菱化学公司购入设备的VAW公司，产量比上一年度猛增69.4%，达到6244t。居第五位的是日本轻金属公司，其产量为3079t。

2.1.3 美国高纯铝生产企业

通过专利查询了解到，美国铝业和普莱克斯生产高纯铝主要采用三层液电解法和分步结晶法生产高纯铝，三层液电解法生产的铝纯度为99.993%，分步结晶法生产的铝纯度可达到5N或以上。

2.2 国内高纯铝生产企业

2.2.1 包铝集团

包铝集团是全国唯一利用世界先进的偏析提纯法生产技术生产99.99%以上的重熔用高纯铝锭的企业，年产能可达20000t规模，是世界单体使用偏析提纯法最大的高纯铝生产基地，成为全球最大的使用偏析提纯法生产高纯铝的厂家。

包铝集团所产高纯铝的93%的纯度达到或大于4N6。比日本与挪威海德鲁(Hy d r o)铝业公司的产品还略胜一筹［5］。

2.2.2 新疆众和股份有限公司

新疆众和高纯铝制品公司是中国最早的与最大的高纯铝加工基地，占国内市场总量80%以上，可以稳定地制备4N～5N的高纯铝。新疆众和股份有限公司的特点是:形成了一条最优化的煤－电－铝－高纯铝－电子铝箔－电极箔的完整产业链;可以生产3N～5N的高纯铝;高纯铝提取技术及其装备全部自主研发的，拥有全部自主知识产权;高纯铝几乎是用三层液电解法生产的。

2.2.3 中铝贵州分公司

年产电解铝40万t、氧化铝120万t、碳素制品27万t和多种高附加值产品的设计产能，现有氧化铝、铝及铝制品、碳素制品为主的五大产品系列40多个品种。其中，砂状氧化铝为国内首创，高纯铝为国内独家生产，“洁云”商标和“华光”商标经评审认定为贵州省著名商标。

表1 中铝股份精铝和高纯铝的化学成份

2.2.4 山西关铝

电解铝年产量11万t，高纯铝生产能力1万t/年，采用三层法，关键技术及装备从日本住友公司引进，于2004年下半年建成投产，电解高纯铝的电耗小于13 000kW/t铝。

2.2.5 内蒙古新长江矿业投资有限公司

内蒙古新长江高新铝产业基地由内蒙古新长江矿业投资有限公司投资建设，年产4.2万t高纯精铝。

2.2.6 南通泰德

南通泰德电子材料科技有限公司年生产能力960t，是亚洲第一，进入国际行业前列的超高纯铝的企业，TADE公司与上海交通大学联合检测中心购置美国Thermal－Fisher公司的Element－GD，成为中国版图上唯一一家可以定量检测痕量元素的机构。

另外，还有湖南希源新材料有限公司进行超高纯铝的提纯研究，选择精铝纯度至少为4N6，通过分步提纯的方法，重复提纯，直到获得符合纯度要求的铝锭。北京中金研科技新材料有限公司通过有机液体电解质电解提纯的方法制备5N单晶高纯铝。

3 偏析法制备纯铝的原理

作为利用合金凝固时的偏析现象提纯铝的方法来说，世界上已开发出很多技术，大体上可分为:分步结晶法和定向凝固法［9］。偏析法的提纯效果与杂质元素的平衡分配系数有关。所谓平衡分配系数K，指在一定温度下，杂质元素在固相中的浓度CS和在与其相平衡的液相中的浓度CL之比，即K=CS/CL。

当K＜1时，杂质元素在液相中富集。

当K＞1时，杂质元素在固相中富集。

当K=1时，说明杂质元素在固相和液相中的浓度相近，难于用此方法分离。

定向凝固是指在凝固过程中应用技术手段，在液－固界面处建立起特定方向的温度梯度，从而使熔体沿着与热流相反的方向凝固，最终得到定向组织、甚至单晶。根据公式CS=KCL，对于K值小于1的元素，起到提纯的效果。Fe、Si、Cu可以通过偏析法去除，Ti、V、Zr不能通过此方法去除，通常采用添加B以生产硼化物的方式来去除这些元素［10，11］。

4 结语

中国国标中对市场供应的5N和5N5铝锭的要求还停留在国际上上世纪70年代的水平，纯度检测采用原子吸收光谱法，检测的元素仅包括Si、Fe、Cu、Pb、Zn、Ca、Ti、Cd、Ag、In等10种元素，而国外提供的5N纯铝锭一般都采用GDMS检测，检测的元素都多达20～40种［12，13］。目前国内已经有很多企业有能力生产高纯及超高纯铝，与国际接轨，正在为打造高纯铝的生产强国而努力奋斗。随着世界科技水平的发展，随着电子工业及航空航天等领域的发展，今后将有越来越多的高纯度铝的新技术不断涌现。

［1］全球高纯铝生产及其应用市场概况，2003年中国国际铝业研讨会.

［2］PRODUCTION OF EXTREME PURITY ALUMINUM［P］US4273627 Jun.16，1981.

［3］杨光辉.精铝及铝精炼.山西冶金，2，60－62，2005.

［4］颜非亚，铝精炼法，重庆工学院学报，17(6)32－35，2003.

［5］包铝集团－中国最大的偏析法高纯铝企业，铸造技术，29(11)2008.

［6］purification of ultra－high purity aluminum，E.Hashimoto，JOURNAL DE PHYSIQUIV，5，1995.

［7］高纯铝真空提纯装置［P］，CN101748281A，2010，6，上海交通大学.

［8］8.基于偏析法的高纯铝提纯装置［P］，CN101748291A，2010，6，上海交通大学.

［9］定向凝固技术与新材料的进展［J］，李青春，辽宁工学院学报，23(4)，42－45.

［10］PROCESSFOR PRODUCING HIGH－PURITY ALUMINUM［P］US4469512 SEP.4，1984.

［11］侯增寿.金属学原理［M］.1999，北京工业出版社.

［12］王祝堂.高纯铝提取工艺［J］.中国通报，44，7－10.