专利名称：一种生产超纯铝的方法
技术领域：
本发明属于金属材料领域，特别涉及一种生产超纯铝的方法。
背景技术：
含铝重量百分比在99.9999％以上的铝称为超纯铝，含铝重量百分比在99.999％～99.9999％之间的铝称为高纯铝，含铝重量百分比在99.99％～99.999％之间的铝称为精铝。已公开的技术是精铝用三层液法和偏析法生产，三层液法产品质量高、能耗高、成本大，偏析法产量大、能耗低、成本低。高纯铝的生产采用以石墨坩埚为容器的水平区域熔炼定向凝固提纯技术，能耗高、产量低。超纯铝采用有机溶液电解和区域熔炼串联的两段精炼法生产。目前国内采用三层液法、偏析法生产精铝，采用区域熔炼法生产高纯铝，还没有生产超纯铝。国外对超纯铝的生产技术报道也很少。Hannibal等人研究了三乙基铝有机溶液电解。他们把NaF·2Al(C2H5)3络合物溶解在甲苯(CH3C6H5)中，溶液中此络合物的重量百分比含量为50％，在100℃时电导率的数量级为10-2Ω-1·cm-1，采用铝电极，极距为2～3cm，槽电压为1～1.5V，电流密度为0.003～0.005A/cm2(Hannibal H，Pfundt H，Reuter W et al.METALL，1973(3).)。有机溶液电解的缺点是生产率低、电解质导电率低、电解质挥发性大、污染环境。超纯铝生产方法是用精铝(纯度99.99％)做阳极，经过有机溶液电解精炼，在多道区域熔炼之后制得超纯铝。该生产超纯铝方法缺点是生产率低。
发明内容
本发明的目的是针对目前超纯铝生产方法生产率低、有机溶液电解质导电率低、电解质挥发性大、污染环境的缺点，提出一种生产超纯铝的方法。
一种生产超纯铝的方法，其特征在于以原铝为原料，采用三层液法、偏析法、室温离子液体电解法和区域熔炼法串联的四段精炼法制取超纯铝。
生产步骤如下(1)三层液法精炼。采用60kA～100kA三层液精铝电解槽，使用氟氯化物电解质体系，电解质成分如下各组分比例为NaF16～20％，AlF316～22％，BaCl254～60％，NaCl6～8％。所述氟氯化物电解质的初晶温度在650～680℃，密度为2.72～2.92g/cm3，电导率为1.41～1.84Ω-1·cm-1，操作温度740～760℃。使用固体精铝阴极。生产所得精铝纯度为99.99～99.999％。
(2)偏析法精炼。采用容量为2～5吨定向结晶炉，三定向结晶炉串联精炼。用三层液法精炼所得精铝为原料，结晶速度为3～5cm/h，结晶温度为650～660℃。生产的高纯铝纯度为99.999～99.9999％，合格的进入下一作业，不合格部分返回三层液法精炼作业。
(3)室温离子液体法精炼。采用AlCl3-EMIC(氯代-1-乙基-3-甲基咪唑)、AlCl3-BPC(氯代-1-丁基咪啶)或AlCl3-[bmim]BF4(1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐)为离子液体，电流密度200～700A/m2，用偏析法精炼所得高纯铝为阳极，槽电压2.8～3.2V，极距15～25mm，电解温度100～150℃。在铝阴极上得到纯度更高的铝。电流效率98～100％，直流电耗8.5～10kWh/tAl。
(4)区域熔炼法精炼。采用容量为30～100kg铝条的区域熔炼设备，该设备由支架和石英管组成。石英管内通入氩气保护。感应线圈为7000～9000Hz，40～80kW。感应线圈的移动速度为0.01～10mm/min。把室温离子液体法精炼得到的高纯铝在高纯石墨坩锅内熔化，铸成半圆铸锭。经3～6次区域熔炼后切除半圆铸锭两端不合格部分，合格的超纯铝纯度在99.99995％以上。区域熔炼所得到的超纯铝，在高纯石墨坩锅内再熔化铸锭备用。
本发明的特点1、本发明工艺采用三层液法、偏析法和离子液体串联精炼，生产率高，产品质量高。
2、本发明工艺灵活，根据需要可以分别得到精铝、高纯铝和超纯铝。
3、使用离子液体电解精炼铝，离子液体电解质具有质量轻、无毒、无挥发性、无可燃性、导电性良好、热稳定性高、熔点低、沸点高、电化学窗口宽等特点，且易于循环利用。
具体实施例方式
实施例1三层液精炼在70kA电解槽中进行。使用氟氯化物体系作为电解质，按重量百分比计，NaF18％，AlF318％，BaCl258％，NaCl6％。所述氟氯化物电解质的初晶温度在680℃，密度为2.82g/cm3，电导率为1.79Ω-1·cm-1，操作温度740℃。使用固体精铝阴极。直流电耗13000kWh/t-精铝，生产出精铝纯度在99.996％。
采用容量为4吨定向结晶炉，三定向结晶炉串联精炼。用三层液法精炼所得纯度在99.996％的精铝为原料，结晶速度为4cm/h，结晶温度为656℃。生产出高纯铝纯度为99.9996％，不合格部分返回三层液法精炼作业。
采用AlCl3-EMIC(氯代-1-乙基-3-甲基咪唑)离子液体为电解质，电流密度500A/m2，槽电压3.0V，极距20mm，电解温度110℃，用偏析法精炼所得99.9996％高纯铝为阳极，在铝阴极上得到纯度更高的铝。电流效率99％，直流电耗9kWh/t Al。
采用容量为50kg铝条的区域熔炼设备，该设备由支架和石英管组成。石英管内通入氩气保护。感应线圈为8000Hz，50kW。感应线圈的移动速度为5mm/min。把室温离子液体法精炼得到的高纯铝在高纯石墨坩锅内熔化，铸成半圆铸锭。经5次区域熔炼后切除半圆铸锭两端不合格部分，合格的超纯铝纯度在99.99996％。区域熔炼后得到的超纯铝，在高纯石墨坩锅内再熔化铸锭备用。
实施例2三层液精炼在60kA电解槽中进行。使用氟氯化物体系作为电解质，按重量百分比计，NaF16％，AlF316％，BaCl260％，NaCl8％。所述氟氯化物电解质的初晶温度在670℃，密度为2.80g/cm3，电导率为1.76Ω-1·cm-1，操作温度740℃。使用固体精铝阴极。直流电耗13300kWh/t精铝，生产出精铝纯度在99.996％。
采用容量为3吨定向结晶炉，三定向结晶炉串联精炼。用三层液法精炼所得99.996％精铝为原料，结晶速度为5cm/h，结晶温度为656℃。生产出高纯铝纯度为99.9996％，不合格部分返回三层液法精炼作业。
采用AlCl3-[bmim]BF4(1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐)离子液体为电解质，电流密度300A/m2，槽电压3.1V，极距20mm，电解温度120℃，用偏析法精炼所得纯度为99.9996％高纯铝为阳极，在铝阴极上得到纯度更高的铝。电流效率99％，直流电耗9.3kWh/tAl。
采用容量为40kg铝条的区域熔炼设备，该设备由支架和石英管组成。石英管内通入氩气保护。感应线圈为8500Hz，60kW。感应线圈的移动速度为3mm/min。把室温离子液体法精炼得到的高纯铝在高纯石墨坩锅内熔化，铸成半-1圆铸锭。经4次区域熔炼后切除半圆铸锭两端不合格部分，合格的超纯铝纯度在99.99998％。区域熔炼后得到的超纯铝，在高纯石墨坩锅内再熔化铸锭备用。
实施例3三层液精炼在80kA电解槽中进行。使用氟氯化物体系作为电解质，按重量百分比计，NaF17％，AlF320％，BaCl257％，NaCl6％。所述氟氯化物电解质的初晶温度在678℃，密度为2.81g/cm3，电导率为1.80Ω-1·cm-1，操作温度740℃。使用固体精铝阴极。直流电耗13200kWh/t精铝，生产出精铝纯度在99.998％。
采用容量为5吨定向结晶炉，三定向结晶炉串联精炼。用三层液法精炼所得纯度为99.998％精铝为原料，结晶速度为3cm/h，结晶温度为658℃。生产出高纯铝纯度为99.9998％，不合格部分返回三层液法精炼作业。
采用AlCl3-BPC(氯代-1-丁基咪啶)离子液体为电解质，电流密度300A/m2，槽电压3.1V，极距22mm，电解温度115℃，用偏析法精炼所得纯度为99.9998％高纯铝为阳极，在铝阴极上得到纯度更高的铝。电流效率99％，直流电耗9.3kWh/tAl。
采用容量为30kg铝条的区域熔炼设备，该设备由支架和石英管组成。石英管内通入氩气保护。感应线圈为7000Hz，40kW。感应线圈的移动速度为2mm/min。把室温离子液体法精炼得到的高纯铝在高纯石墨坩锅内熔化，铸成半圆铸锭。经6次区域熔炼后切除半圆铸锭两端不合格部分，合格的超纯铝纯度在99.99997％。区域熔炼后得到的超纯铝，在高纯石墨坩锅内再熔化铸锭备用。
权利要求
1.本发明的一种生产超纯铝的方法，其特征在于以原铝为原料，采用三层液法、偏析法、室温离子液体电解法和区域熔炼法串联的四段精炼法制取超纯铝。
2.如权利1所述的一种生产超纯铝的方法，三层液法精炼部分其特征在于采用60kA～100kA三层液精铝电解槽，使用氟氯化物电解质体系，电解质成分如下各组分比例为NaF16～20％，AlF316～22％，BaCl254～60％，NaCl6～8％；所述氟氯化物电解质的初晶温度在650～680℃，密度为2.72～2.92g/cm3，电导率为1.41～1.84Ω-1·cm-1，操作温度740～760℃，使用固体精铝阴极。
3.如权利1所述的一种生产超纯铝的方法，偏析法精炼部分其特征在于采用容量为2～5吨定向结晶炉，三定向结晶炉串联精炼，用三层液法精炼所得精铝为原料，，结晶速度为3～5cm/h，结晶温度为650～660℃，生产的高纯铝进入下一作业，不合格部分返回三层液法精炼作业。
4.如权利1所述的一种生产超纯铝的方法，室温离子液体法精炼部分其特征在于采用AlCl3-EMIC、BPC或AlCl3-[bmim]BF4离子液体为电解质，电流密度200～700A/m2，槽电压2.8～3.2V，极距15～25mm，电解温度100～150℃，用偏析法精炼所得高纯铝为阳极，在铝阴极上得到纯度更高的铝；EMIC称作氯代-1-乙基-3-甲基咪唑，BPC称作氯代-1-丁基咪啶，[bmim]BF4称作1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐。
5.如权利1所述的一种生产超纯铝的方法，区域熔炼法精炼部分其特征在于采用容量为30～100kg铝条的区域熔炼设备，该设备由支架和石英管组成，石英管内通入氩气保护，感应线圈为7000～9000Hz，40～80kW，感应线圈的移动速度为0.01～10mm/min；把室温离子液体法精炼得到的高纯铝在高纯石墨坩锅内熔化，铸成半圆铸锭，经3～6次区域熔炼后切除半圆铸锭两端不合格部分，合格的超纯铝纯度在99.99995％以上。
全文摘要
一种生产超纯铝的方法，属于金属材料领域。其特征在于以原铝为原料，采用三层液法、偏析法、室温离子液体电解法和区域熔炼法串联的四段精炼法制取超纯铝。偏析法、室温离子液体电解法和区域熔炼法分别以上一段生产产品为原料，生产出合格的超纯铝纯度在99.99995％以上。本发明生产率高，产品质量高；工艺灵活，根据需要可以分别得到精铝、高纯铝和超纯铝；使用离子液体电解精炼铝，离子液体电解质具有质量轻、无毒、无挥发性、无可燃性、导电性良好、热稳定性高、熔点低、沸点高、电化学窗口宽等特点，且易于循环利用。
文档编号C22B3/00GK1644721SQ20041009892
公开日2005年7月27日 申请日期2004年12月16日 优先权日2004年12月16日
发明者卢惠民 申请人:北京科技大学