精铝高纯铝生产方法及其应用[论文资料].doc

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1、精铝、高纯铝技术特点与用途运城市关铝设备材料有限公司2008年11月18日 目 录一、铝的纯度与分类 二、精铝的性能与应用 1 1、精铝的性能 1 2、精铝、高纯铝的应用 4三、精铝、高纯铝的精炼工艺 5 1、直接净化法 5 2、电化学精炼法（电解法）9 （1）三层液电解精练法 10 （2）有机熔液电解精练法 15 3、偏析熔炼法 17 （1）分步结晶法 17 （2）定向凝固提纯法 18 （3）区域熔炼法 21四、纯铝与高纯铝生产线在建设过程中要把握和注意的关键点 23 1、阳极（电解槽） 23 2、阴极组 24 3、阴极母线 25 4、阴极支撑架 25 5、阴极短路夹具 26 6、阴极罩盖板

2、 27 7、精铝、高纯铝的铝抬包 28 8、精铝、高纯铝建设项目的原材料控制 30 9、精铝、高纯铝生产线设备、部件的制作安装控制 31 10、精铝、高纯铝建设生产的工艺质量控制 31 五、精铝与高纯铝的应用实践 31 1、抚顺铝厂 33 2、内蒙古包头铝业股份公司 33 3、贵铝股份有限公司 34 4、新疆众和铝精股份有限公司 34 5、关铝股份有限公司 34 6、神火集团铝业公司 35 7、红鹭铝业股份有限公司 35 8、东阳光铝业 35 9、霍林格勒铝业 35 10、精铝高纯铝现有的国家专利、技术及投资状况 37六、相关的精铝、高纯铝生产熔炼国家专利号 49七、参考文献 50精铝、高纯铝

3、技术特点与用途一、铝的纯度与分类 1、工业原铝：纯度一般为 99.00 99.85 这类是铝电解工业的初级产品，只是在电解过程中经过简单的气体直接精炼而来。2、精铝：纯度一般为 99.95 99.995 (3N4N) 这类是由工业原铝经过一步电解精炼或者一到两步的火法精炼（通常采用三层电解法、偏析法生产)得到的产品。3、高纯铝：纯度一般为 99.999 99.9999 (5N6N) 这类是由工业原铝经过电解精炼、偏析联合工艺所获得的产品。4、超纯铝：纯度一般在 99.99999 （6N) 以上 这类是由精铝或高纯铝经过多次区域熔炼得到的产品。二、精铝的性能与应用1、精铝的性能（1）有抗外界反应

4、物的特征：高纯铝具有很强的抗外界反应物的特征，即表现出来的是具有很强的抗腐蚀能力，约为普通原铝的9倍以上。因铝的纯度越高，表面的氧化膜越致密，与内部铝原子的结合越牢靠，对某些酸、碱、海水、污水以及含硫空气等具有更好的抗腐蚀能力。 （2）熔点、沸点： 99.996纯度金属铝的熔点，最精确测定值为933.4K。而99.99以下纯度的铝，熔点一般低12K。铝的纯度越高，熔点相应升高。但是纯度越高，其沸点越低。 （3）导热系数：金属铝随纯度的增加将会使其热导率的恢复迅速增加。而大多数铝合金的热导率只有纯铝的40 50。 另外，金属铝的线膨胀系数随铝纯度的增加而减少，纯度越高，线膨胀系数越小。 99.5

5、 纯度铝的线膨胀系数 24.0106/k-1 (20) 99.99 纯度铝的线膨胀系数 23.86106/k-1 (20) 注：2008.11.5在关铝精铝铸造实心精铝园棒，从铸造实物测得99.996的收缩率为：1.088 1.289。（4）导电性：高纯度的铝具有优良的导电性。 对高纯度的金属铝，当杂质含量为10 -6数量级时，每增加一种新的杂质可使电阻率增加10 11 .m.包含杂质的金属铝和高纯铝之间的电阻率的差异，在室温以上时相对较小，但在零度以下温度时变的明显增大。99.965 纯度的金属铝在273K时的电阻率是4.2K时的200倍。而纯度为99.99998的金属铝在273K时的电阻率

6、是4.2K时的45000倍（因此，可以利用极低温度下的电阻率比值来确定金属铝的纯度）。所以，99.99以上纯度的铝在极低温度（1.11.2K时）成为超导体，故铝的高纯度是获得铝优良导电性的重要保证。 （5）导磁性：高纯度的铝具有极低的导磁性。而杂质元素在金属铝中的存在一般都要增加金属铝的导磁性，纯度越高导磁性越低。 （6）光学性质：高纯度铝具有很高的光反射性。99.0 99.5纯度的铝其反光率大约要比99.99 纯度铝的反光率小2 5 。其中铁对铝的反射率影响最大。当在金属铝中的含铁量超过0.008时，金属铝的镜面反射率随含铁量成比例降低。而金属镁在金属铝中的存在对铝反射率的影响与其他元素不同

7、，镁的存在会使铝的反射率提高。 (7)加工性能： 铝的纯度越高，其抗拉强度和屈服强度降低，延展性增大、柔软性增强、韧性增加。 2、精铝、高纯铝的应用 精铝和高纯铝由于具有很好的导电性、可塑性、光反射性、延展性和耐腐蚀性以及极低的导磁性，使其在以高科技为主导的当今社会里具有广泛的应用。尤其是在电子、能源、交通、汽车、计算机、航天、天文和化工等工业和科技领域中更受青睐。（1）电子工业 目前是精铝和高纯铝的最大应用领域。主要用于制作高压电容器铝箔、高性能导线、集成电路用键合线、计算机外部记忆装置磁盘合金的基体。其消耗量已占世界精铝产量的70以上。（2）航空航天工业 高纯铝用来开发制作等离子帆（推动航

8、天器的最新动力）。（3）交通领域 主要用于高速轨道交通中。高速轨道交通车辆除了需要用高纯铝配制高性能合金外，还由于高纯铝具有磁导率低、密度小的特点，在磁悬浮体材料中得到大量的应用。（4）能源领域 主要用于铝/空气电池的材料。由于铝的电化当量为0.3356g/(A.h)，约为金属锌的1/4，即同样质量的铝，其放电量为锌的4倍。而且铝的电机电位锌更负，因而可以提供更大的电化学功率。（5）光学应用方面 在汽车工业中的车灯反射罩，天文望远镜等中大量使用铝反射器。国外也在研究用高纯铝作为大型天文望远镜的反光面。（6）化工、冶金工业 精铝和高纯铝用于制造耐腐蚀反应设备及储存容器。此外，精铝和高纯铝还可用作

9、真空蒸发材料（镀膜靶材）和喷镀材料等。注：高纯铝是将常规原铝再加工为纯度为99.93% 99.999% (5N) 的铝。它具有比原铝更好的导电性、延展性、反射性和抗腐蚀性，原来主要应用于电子铝箔、电极箔等铝电解电容器原料上，近年来发现高纯铝在汽车、航空航天、化工、军工等领域应用广泛。主要用于制造铝反射镜、磁悬浮体材料，高性能导线、集成电路用键合线等。目前高纯铝在电子铝箔领域的使用量约占高纯铝消费量的70%，而其它用途约占30%左右。应其应用的领域很广阔，所以国内国际在研究的技术人员很多，发展也很快。三、精铝、高纯铝的精炼工艺 高纯铝的优良性能使得人们从20世纪初就开始研究它的精炼提纯工艺技术，

10、截止到目前的精炼工艺技术可以归结为三大类型：（一）直接净化法 (实际是铝的初级精炼) 主要的作用在于去除铝中的非金属固态夹杂物和气态夹杂物，并同时除掉部分金属杂质。 通常是在铝电解过程中的出铝时或在铝的铸造前采用。 常用的工艺技术方法按处理过程的连续性，可分为以下几种：1、溶剂净化法 其基本原理：是在净化液中加入熔剂后，铝熔体和熔剂形成两个互不混溶的液相，由于接触角的差异，铝液中的非金属夹杂物将从铝液中向熔剂中迁移，然后静置分离，从而实现铝与这些杂质的分离。常用的熔剂：有钾、钠、铝的氟盐和氯盐组成。通常包括冰晶石、氯化钠、氯化钾等。也可以在固态时采用有机化合物六氯乙烷作熔剂。2、气体净化法 其

11、基本原理：是在精炼炉中通入惰性气体（指不与铝液发生反应的气体，如氮气、氩气等），可以使铝液中的固体夹杂物吸附在气泡上，并随气泡上升至铝液表面，最后在过滤层中分离；对于铝液中的气体夹杂物，由于其气体分压远大于进入铝液中的惰性气体气泡内的同类气体的分压（基本上等于零），则气体夹杂物很容易通过扩散进入铝液中的惰性气体气泡中，当惰性气体气泡浮出液面后，气泡中所携带铝液中的气体夹杂物也随之被排出。常用的净化气体：有氯气、氮气、氩气和这些气体的混合气体等。（1)美国铝业公司的Alcoa469法是美国铝业公司研究成功的铝液在线处理工艺可实现铝液连续净化。该装置有两个处理室（称两个单元）采用氩-氯混合气体精炼

12、和氧化铝球过滤。 该处理装置的结构如图所示： 其基本工作原理：是熔体先经过粗过滤床过滤，再经过细过滤床过滤后流向铸造机。在两个过滤床的底部设有气体扩散器，气体的流向与熔体的流向相反并均匀分布到整个过滤床截面上。经Alcoa469法处理的铝液中氢的熔解度可控制在每100g 0.15mm3以内。（2)我国的DDF（双级除气过滤）法：DDF法的装置也分为除气和过滤两大部分。除气部分有除气室和加热室，除气室有一个旋转喷头，其结构示意图如下图所示。其基本工作原理：是金属铝熔体在第一个除气室里嗓遇到湍流的细小气泡，铝熔体中的氢等气体不断扩散进入气泡并随气泡排出。之后金属铝熔体进入到第二个除气室里被再次处理

13、，进一步降低铝熔体的气体含量。3、磁场净化法（也叫电磁净化法） 其基本原理：是利用非金属夹杂物与金属的导电性差异，使它们在磁场中受到的电磁力产生差别，从而实现金属与非金属杂质的分离。如行波磁场净化法是将形成环路的陶瓷管放入到行波磁场发生器的气隙中，如结构示意图如下图所示：根据电磁感应的原理，行波磁场发生器中的交变磁场将在铝液回路中感生出交变电流，此交变电流在磁场作用下产生电磁力，则电流载体-铝液受到单向的电磁力（指时间平均值）的作用，被压向陶瓷管壁，虽然金属铝液中的非金属夹杂物由于不导电不受电磁力作用，但是它将受到金属铝液的挤压而迁移到陶瓷管的另一侧，最终附着在管壁上而与金属铝液分离。如果金属

14、铝液从行波磁场发生器的一边流向另一边，则可实现金属铝液的连续净化。目前在我国尚处于研究阶段 已有的电磁设计方案有：稳恒磁场、交变电磁场、交变复合电磁场、行波磁场、旋转磁场和高频磁场等。旋转磁场分离熔体中杂质的机理是：利用电磁力使金属液旋转，在离心力的作用下，密度与金属液有较大差异的夹杂物向不同方向聚集，密度小的向熔池中心聚集，碰撞加剧而长大上浮除去；密度大的则甩向熔池边部。（见国家专利技术文专利号：01113957.9。公开号：CN 1322853A )4、真空净化法 又分静态真空净化法和动态真空净化法 （1）静态真空净化法 是在真空处理的同时，在熔体表面撒上一层熔剂以便使氢气等通过氧化膜来除

15、气。 （2）动态真空净化法 是先将真空炉抽成1333.224 Pa (10mmHg)的真空，然后打开进料口密封盖，把从保温炉中来的铝熔体借真空抽力喷入真空室内，使喷入真空室内的熔体呈细小弥散的液滴，因而使溶解在铝液中的氢等气体能快速扩散出去，铝液中的钠被蒸发燃烧掉，从而达到铝液的净化作用。 (二）电化学精炼法（电解法） 是将需要精炼提纯的金属铝制成满足电解技术要求的阳极，然后在阴极得到较高纯度的金属铝，而杂质则滞留在阳极或电解质中的电化学精炼法，也称电解法。 电化学精炼法包括：三层液电解精炼和有机液电解精炼。 二者的区别是：虽然采用的是不同的电解质体系，但都是将需要精炼提纯的金属铝制成满足电解

16、技术要求的阳极，然后在阴极得到较高纯度的金属铝。 在采用化学提纯法时，由于容器与药剂中所含杂质的污染，将会使得到的金属的纯度受到一定的限制。只有用化学方法将金属提纯到一定纯度之后，再用物理方法如区熔提纯法提纯，才能将金属的纯度提高到一个新的高度。可以用半导体材料锗及超纯金属铝为例说明典型的超纯金属制备及检测的原理（见区域熔炼）。 1、三层液电解精练法 其基本原理：是在三层液电解法的电解槽内有三层溶体，而溶体按密度的不同自下而上分别为：阳极合金熔体层、电解质层和精铝层。其中最下层的阳极熔体层由待精炼的原铝和加重剂（一般为铜）组成，通常原铝在其中占70，铜占30，该层的密度为3.23.7g/Cm3

17、，最重；中间层的电解质层一般为纯氟化物体系或氟氯化物体系组成，其密度为.；最上层精铝层是精练出来的铝液，密度为.cm3，最轻，其与石墨阴极或固体铝阴极相接触成为实际的阴极。因此,三层液电解精炼法是因精炼体系中依密度的差别而分上中下三层熔体组成而得名。 三层液电解精练槽示意图如下图所示：三层液精练铝电解槽结构如下图所示： 三层液电解精练法精铝，是一个电化学过程，同某些重金属（如铜等）在水溶液中的精炼原理类似，即待精炼的金属在阳极发生电化学溶解，然后在阴极被电化学还原成精制金属。因此，必须选用纯的电解质或者通过电解质的预电解来除去电解质中比铝更显正电性的杂质来确保电解质的纯度。同时为避免阳极中铝浓

18、度降低后其他比铝更显正电性的元素如Cu、Fe等的放电进入电解质，必须定时补充原铝到阳极合金中。注：三层液电解精练法系Hoopes于1901年发明，1932年法国人Gadeau 对此法加以改进，并成功制得99.99纯度的精铝。1942年，日本住友化学工业公司对此法作了发展，采用全氟化物体系并成功制备出99.99的精铝。（1）三层液电解的电解过程同原铝生产过程一样也会有极化现象的发生，并产生过电位。极化主要包括阴极极化、阳极极化、和汞齐型电池极化。阴极极化 是由于Al3+在阴极附近扩散缓慢而致使阴极表面上的Al3+浓度和电解液本体中Al3+浓度的差异，从而引起阴极极化电势的产生，阴极极化电势大约0

19、.185V。阳极极化 是由两方面的原因引起，一是阳极表面上的Al3+浓度和电解液本体中Al3+浓度的存在差异，二是阳极合金表面的铝浓度与合金本体中铝浓度存在差异，这两方面的原因引起阳极极化电势的产生，阳极极化电势一般为0.135V。汞齐型电池极化 是由于铝在阴阳极活度的差异而引起的，一般为0.040V。阴阳极上的极化从本质上来说都是浓差极化。三层液电解的总的极化电势约为0.36V。（2）三层液电解的电流效率很高，阴极电流效率一般在96以上，阳极电流效率则达100。提高电流效率的方法有以下几个途经： A、电解温度低，只有750800。只高出铝的熔点100，铝的溶解量少。 B、电解过程没有气体析出

20、，没有阳极效应，电解质不“沸腾”，对流循环很弱，电解过程平稳，铝的损失量很小。 C、极距高达80120mm。 D、电解质与阴极铝液的密度差别较大，分层清除，铝的溶解损失少。 （3）三层液电解精练槽的技术参数： 电流/kA 18100 工作电压/V 5.06.0 电解质温度/ 760810 电解质电流密度/A.cm-3 0.570.70 电解质高度/cm 1015 阴极铝高度（出铝后）/cm 1216 阳极合金高度（加原铝前）/cm 2035 阳极合金中Cu浓度/cm 3040 阴极电流效率/ 96 电能消耗（交流）/kw.h.kg-1(Al) 1819 精铝纯度/ 99.99注：（1）GL采用

21、的净化原铝方法是：三层液电解法与偏析法相结合的提纯净化模式。 其三层液电解法的各层厚度为： 阳极铝铜合金层 200 300 mm 电 解 液 80 150 mm 精 铝 层 150 200 mm 上 层 预 留 层 100 150 mm （2）ZH采用的净化原铝方法是：三层液电解法和偏析法两种提纯净化模式。 （3）QD采用的净化原铝方法是：三层液电解法的提纯净化模式。 其三层液电解法的各层厚度为： 阳极铝铜合金层 180 200 mm 电 解 液 100 120 mm 精 铝 层 150 200 mm 上 层 预 留 层 100 mm （4）GL采用的净化原铝方法是：三层液电解法和偏析法两种提

22、纯净化模式。 其三层液电解法的各层厚度为： 阳极铝铜合金层 180 200 mm 电 解 液 100 120 mm 精 铝 层 150 200 mm 上 层 预 留 层 100 mm （5）BL采用的净化原铝方法是：偏析法提纯净化模式. (6) FS采用的净化原铝方法是：三层液电解法的提纯净化模式。（4）三层液电解精练槽的原材料消耗量 氯化钡/kg.t-1(Al) 3540 氟盐（按氟计算）/kg.t-1(Al) 1621 石墨/kg.t-1(Al) 1213 原铝/kg.t-1(Al) 10201030 铜/kg.t-1(Al) 1014 目前在工业上采用的电解质分两大类：氟氯化物和纯氟化物

23、。其两类电解质的组成如下： 氟氯化物体系 纯氟化物体系 AlF3 2527 AlF3 3548 NaF 1315 NaF 1827 BACl2 5060 CaF2 16 NaCl 58 BaF2 1835注：为提高电解质的导电性和降低电解质的初晶点，可以在两种体系中添加适量的氟化锂，当加入5左右的氟化锂时，电解质的导电率可以提高1520,初晶点可以降低大约50。(5)三层液电解精练铝的电能消耗很高，是原铝生产的130（本方法的最大缺点）。这是由于为了获得高纯度的铝而不得不提高极距，以免阴极产物与阳极合金相混淆。(6)三层液电解精练法目前几乎在所有的铝精炼厂都有应用。正常的操作程序包括：出铝、补

24、充原铝、添加电解质、清理与更换阴极、捞渣等。目前，世界上运转的铝精炼电解槽的电流一般为18100 kA。2、有机熔液电解精练法 Hannibal 等人在Ziegler研制的有机液电解铝的基础上，将原电解工艺的电化学精炼技术改进成原铝的电解精练技术。采用含50NaF.2Al(C2H3)3络合物的甲苯（CH3C6H5)为电解质，以原铝作阳机，精炼所得到的铝成为阴极，在100时进行电解，铝从阳极上溶解，在阴极上析出，可得到99.999的高纯铝. 并且在铅阳极上还可得到可用作防爆剂的汽油精。有机熔液电解精练槽结构如下图所示：其电解的电流效率达98以上，电能消耗仅为2 3KW.h/Kg(AL)。根据半工

25、业试验的结果来看，在100的电解温度下,槽电压为11.5V，电流密度为0.003 0.005 A/cm2，电流效率接近100，单位面积上的铝产量为10g/(m2 .h) 由于铝的有机化合物获取成本较高，生产的电流密度很小（电流密度大易引起有机电解质起火燃烧），产能较低并且毒性较大，需要较高的劳动防护措施。在目前还难于工业化生产，因此，还没有发展成为制备精铝的工业化技术。但由于该法有极高的电流效率和极好的精炼效果必将促使人们对此工艺进行更多深入的研究。 (三)偏析熔炼法 基本原理：就是利用各种元素在液相和固相中的分配差异，从而达到提纯的目的。 也是将二元金属组成的液体缓慢冷却至略高于其最低熔点之

26、上，使主体金属以较纯的固体晶体析出，而杂质元素富集于液体中，然后将液体与固体分离。重复该过程就可得到一种较纯的金属。偏析净化分离原铝中杂质的机理类似于区熔法，都是利用原铝凝固过程中杂质在液固两相间的分配比的差异来实现熔体净化。杂质富集于液相之中，固相为精铝。从另一个角度讲偏析法又可以分为三种: A.晶内偏析 该情况取决于浇铸时的冷却速度,偏析元素扩散能力和固相线倾斜度等.可以通过退火将偏析消除;B.区域性偏析 在较大范围内化学成分不均匀的现象,退火无法将该情况消除,这种偏析与浇温、浇速等有关；C.比重偏析 合金凝固时析出的初晶与余下的液体存在较大的比重差，最终导致材料出现分层、化学成分不均匀的

27、情况。可采用降低浇温加大冷却速度，加入微量元素形成比重适当等.合金中各组成元素在结晶时分布不均匀的现象称为偏析。如焊接熔池在一次结晶过程中，由于冷却速度快，已凝固的焊缝金属中化学成分来不及扩散，造成分布不均，产生偏析。 偏析熔炼法根据采用的具体工艺不同，又分为： 1、分步结晶法 其基体原理：是把经过净化的原铝在石墨槽（石墨坩埚）中均匀熔化;然后往槽中石墨制冷却管道内通入冷却气体，则纯度很高的铝便在石墨制冷管外壁上结晶出来，上下抽动冷却管外面的石墨制活塞套管（又称石墨环），可把冷却管壁上的结晶铝粉刮下来，使之沉到槽底;同时石墨环还对堆积于槽底的结晶铝粉进往加工，挤出晶体之间富集了杂质元素的铝熔体

28、;石墨槽周围的加热器对铝粉层加热并使之部分再熔化。如此反复，原铝被分成精铝固体层和杂质元素富集的液体层，再把铝液层抽上来，排出槽外，然后再注入新的原铝液，使纯度很高的铝结晶出来，反复操作，从而进行铝的提纯精炼。分步结晶法包括三个主要环节：一是在冷却面产生初晶; 二是初晶重新熔解把固液分离同时进行;三是边加热边再结晶。 分步结晶法的特点：是所得产品的杂质浓度小于理论值，其原因是上述（1）和（3）环节的再熔解、再结晶产生的巨大作用所致。这一点与Flemings等的分步熔融精炼法是相同的。另外与普基法不同的是，ALcoa法在使初晶结晶时通入Ar气体;而日轻法是充分利用熔体的石墨坩埚本身，其他基本构造

29、、功能都大同小异。 2、定向凝固提纯法 主要通过使冷却面轨连续凝固来制取高纯铝。接不同的冷却、凝固方式分：冷却管凝固法、底部凝固法、侧壁凝固法、上部凝固拉晶法、横向拉晶法等。普基法精炼炉的构造如下图所示：底部凝固法装置如下图所示：上部凝固拉晶装置如下图所示： 定向凝固提纯法的最大特点是可以连续生产，而且可以通过增加重复次数来提高铝的纯度。定向凝固提纯法的操作过程是：在凝固过程中，在逐渐凝固的界面上（2 3 cm)将铝液进行搅拌使杂质元素不断地扩散转移到液相，凝固结晶的铝即为高纯铝，然后将杂质元素（K1)富集的液铝层同本体分离。重复上述操作，凝固下来的铝可进一步提纯精炼，进一步分离杂质元素，并且

30、重复的次数越多，铝的纯度就越高。偏析法精炼技术具有建设项目的投资低、能量消耗低的特点。因此，近几年来我国一些铝企业也在这方面开展了大量的研究工作。新疆众和股份公司自主研制的定向结晶炉其操作过程是：一级精铝液（普铝液）在出铝包中进行除渣，倒入定向结晶炉后静置，使铝液冷却降温进行提纯，第二次偏析尾部的铝液（杂质）从炉眼放出，第二次偏析产物晶体再加热熔化从炉眼放出，最后得到的铝液纯度远远高于原铝液。其铝精炼的定向结晶炉结构示意图为：在进行偏析过程中，最重要的是控制结晶速度。因为结晶速度太快，杂质还没有来得及扩散就凝固，无法得到提纯纯;结晶速度太慢，效率太低，所以在结晶过程中控制结晶速度是关键。 3、

31、区域熔炼法 其基本原理：是利用杂质元素在液态金属铝和固态金属铝中的分配差异来分离杂质。属于加热熔析熔炼方式，可以获得超高纯度的铝。采用区域熔炼法来进行熔炼，首先要把待精炼的铝做成棒状或开口环状等长径比很大的细长形状，其精炼提纯的最主要特征是“熔区”在不断移动，杂质随着“熔区”的移动，将根据其K值（大于1或者小于1）分别富集于固相素的去除，该方法仍然无能为力，对于这部分杂质可以采用预先化学处理除去，然后再做成条状或棒状进行区域熔炼。区域熔炼法的基本操作过程：加热器（高频感应线圈）沿着被处理的固体长条铝锭缓慢移动;在加热器所在位置造成一个熔融区，金属铝中K小于1的杂质大部分富集在熔融金属液中;随着

32、熔区的移动，杂质也随着移动，当达到端头时，K小于1的杂质就凝固下来，切去端头后所得金属铝就是提纯了的金属铝;当杂质的K大于1时，情况把此述相反，即杂质集中在始端;将杂质富集的两端切去，中间部分就是精炼所得的金属铝。对所获得的精铝多次重复上述过程，即可得到纯度很高的铝。重复次数越多所获得的铝的纯度就越高。需要特别指出的是：由于金属铝的化学性质非常活泼，整个过程都需要在保护气氛中进行。区域熔炼法的特点：区域熔炼法的熔炼技术主要用于获得超高纯铝，可以将铝的纯度提高到99.9999以上。但其生产的产能低，由于采用该工艺进行生产所获得的铝晶粒很大，不适宜直接加工使用，必须在高纯石墨坩埚内，在带保护性的气

33、氛下进行重熔后，再铸锭备用。由于对原铝的提纯度高达99.9999以上，所以对用于做超大规模集成电路的导线是非常必要和有用的，否则由于杂质的存在将引起计算机在工作过程中频繁出现差错。 注：用区熔提纯方法提纯金属时，杂质的分配系数对提纯金属有重大的关系，由于锗中大部分杂质的分配系数都小于1,所以锗的区熔提纯是十分有效的。半导体材料的纯度,也可用电阻率来表征。区域提纯后的金属锗,其锭底表面上的电阻率为3050欧姆厘米时，纯度相当于89,可以满足电子器件的要求。但对于杂质浓度小于10原子/厘米的探测器级超纯锗，则尚须经过特殊处理。由于锗中有少数杂质如磷、砷、铝、镓、硅、硼的分配系数接近于1或大于1，要

34、加强化学提纯方法除去这些杂质，然后再进行区熔提纯。电子级纯的区熔锗锭用霍尔效应测量杂质(载流子)浓度，一般可达1010原子厘米。经切头去尾,再利用多次拉晶和切割头尾，一直达到所要求的纯度（10原子厘米），这样纯度的锗（相当于13）所作的探测器,其分辨率已接近于理论数值。 精铝经过区熔提纯，只能达到5N的高纯铝,但如使用在有机物电解液中进行电解,可将铝提纯到99.9995，并可除去有不利分配系数的杂质，然后进行区熔提纯数次，就能达到接近于 7N 的纯度，杂质总含量0.5 ppm。这种超纯铝除用于制备化合物半导体材料外，还在低温下有高的导电性能，可用于低温电磁设备。制备化合物半导体的金属如镓、铟、

35、砷、磷，可利用氯化物精馏氢还原、电解精炼、区熔及拉晶提纯等方法制备超纯金属，总金属杂质含量为 0.1 1 ppm。其他金属如银、金、镉、汞、铂等也能达到6 N 的水平。四、纯铝与高纯铝生产线在建设过程中要把握和注意的关键点是：1、阳极（电解槽） 外壳由型钢与钢板焊接而成，内衬由石棉板、填料、保温绝热层、黏土耐火砖砌筑而成。再槽膛侧砌镁砖可防止阳极和阴极的短路。槽膛深一般为700 900mm内衬的一端设加料室，为防止电解质等的渗入，加料室由石墨管构成，在其底部有沟槽与槽膛相通。其作用是加纯铝和捞渣用。在其顶部要有带绝热层保温的耐火材料制成的罩盖覆盖，可减少热损失，降低单位耗电量。 为保证精炼铝液

36、的纯度和最大可能降低铝液的污染度，最好采用莫来石结合含AL203 92 98的高铝砖做耐火层。所有槽膛内与铝接触的耐火材料必须全部选用90以上的高铝耐火材料来进行制作。也可用AL2O3-Cr2O3结合的高铝砖，可使碱金属蒸气对优质高铝砖的破坏作用降低到最低程度，使抗渣冲刷和抗腐蚀性能进一步提高。 注： 用莫来石结合的高铝砖的使用效果很好，用Cr2O3结合的高铝砖，其使用效果尚待生产实践中进一步考验。2、阴极组 阴极组呈双排排列在槽膛上方由阴极导杆、阴极头组成。阴极导杆和阴极头采用精铝一次浇铸成带增大接触面和散热翅的铝阴极导杆与阴极头的组合件。主要目的是：防止电极极化、二是尽量降低生产运行时其压

37、降。阴极导杆与阴极头的技术要求与参数（1）阴极导杆及阴极头材质:AL 99.99% ； （2）阴极导杆规格：130130 mm； （3）阴极头规格：根据工艺技术要求确定（有梅花形、长方形、园形等）。 （4）阴极导杆与阴极头要一次浇铸成型。 （5）成品阴极电极组不得有气孔、夹渣、裂纹等铸造缺陷。 注：（1）GL成品阴极电极组采用的是：130130 mm、2300 mm；导杆不带起吊孔；阴极头采用的是梅花头，阴极头高480 mm；其使用周期在：7085天左右；阴极电极组所用铝液的纯度99.99、浇注温度700720、收缩率采用的是1.2。 （2）QD成品阴极电极组采用的是：130130 mm、24

38、00 mm；导杆带52.5 mm的起吊孔；阴极头采用的是长方形400500500 mm；阴极电极组所用铝液的纯度99.99、浇注温度720、收缩率采用的是1.2。 (3)GL成品阴极电极组采用的是：130130 mm、2400 mm；导杆带52.5的起吊孔；阴极头采用的是梅花头，阴极头高500 mm。3、阴极母线 由阴极平衡母线、阴极框架、阴极夹具（快开卡具）三部分组成。保证阴极导杆与槽膛中水平液面的垂直度与位置的精准度、阴极平衡母线导杆在生产运行操作过程中操作精准度与快捷性，并且尽量降低接触压降。 快开卡具技术要求与参数： （1）压紧方式：快开式螺旋压紧； （2）压紧力4 T； （3）保证支

39、座底板与立侧板的垂直度，旋转定位孔与底板的平行度，夹臂体孔中轴线与底板的垂直度； （4）定位销轴装配后，保证运转自如； （5）立柱母线与平衡母线连接部位两侧的快开卡具安装必须将夹紧支座安装在靠接合部侧，保证安全操作条件。4、阴极支撑架 由型钢焊接而成的支撑架和阴极平衡母线提升机构组成。其阴极平衡母线提升机构设置，必须保证对阴极平衡母线提升的精准度，一要达到提升的精准度在0.5 1 mm以内；二要保证同槽的两平衡母从而保证导杆与槽膛内水平液面的垂直精确度。在结构中必须设多道电绝缘层，保证机构的绝缘度降低压降损失。 阴极平衡母线提升机构技术要求与参数 （1）设计起重量/t 12 (2)阴极升降速度/ mm.min-1 58 (3)阴极母线行程/mm 450（最大500） (4)电动机功率/KW 0.75（ 2.2 ） (5)转数/r.min-1 930 (6)减速机减速比 64 (7)起重器起重量/t 6 (8)齿轮副速比 2 (9)丝杠直径/mm 48 (10)螺距/mm 8 注：设计院在阴极支撑桁架的设计中，在GL、QD的建设项目中对主桁架B-3的型钢设计选用的是22#工字钢，都小了。造成阴极支撑桁架主粱的刚度，宽度为300 450mm钢板