專利名稱：一種生產(chǎn)超純鋁的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬材料領(lǐng)域，特別涉及一種生產(chǎn)超純鋁的方法。
背景技術(shù)：
含鋁重量百分比在99.9999％以上的鋁稱為超純鋁，含鋁重量百分比在99.999％～99.9999％之間的鋁稱為高純鋁，含鋁重量百分比在99.99％～99.999％之間的鋁稱為精鋁。已公開的技術(shù)是精鋁用三層液法和偏析法生產(chǎn)，三層液法產(chǎn)品質(zhì)量高、能耗高、成本大，偏析法產(chǎn)量大、能耗低、成本低。高純鋁的生產(chǎn)采用以石墨坩堝為容器的水平區(qū)域熔煉定向凝固提純技術(shù)，能耗高、產(chǎn)量低。超純鋁采用有機溶液電解和區(qū)域熔煉串聯(lián)的兩段精煉法生產(chǎn)。目前國內(nèi)采用三層液法、偏析法生產(chǎn)精鋁，采用區(qū)域熔煉法生產(chǎn)高純鋁，還沒有生產(chǎn)超純鋁。國外對超純鋁的生產(chǎn)技術(shù)報道也很少。Hannibal等人研究了三乙基鋁有機溶液電解。他們把NaF·2Al(C2H5)3絡(luò)合物溶解在甲苯(CH3C6H5)中，溶液中此絡(luò)合物的重量百分比含量為50％，在100℃時電導(dǎo)率的數(shù)量級為10-2Ω-1·cm-1，采用鋁電極，極距為2～3cm，槽電壓為1～1.5V，電流密度為0.003～0.005A/cm2(Hannibal H，Pfundt H，Reuter W et al.METALL，1973(3).)。有機溶液電解的缺點是生產(chǎn)率低、電解質(zhì)導(dǎo)電率低、電解質(zhì)揮發(fā)性大、污染環(huán)境。超純鋁生產(chǎn)方法是用精鋁(純度99.99％)做陽極，經(jīng)過有機溶液電解精煉，在多道區(qū)域熔煉之后制得超純鋁。該生產(chǎn)超純鋁方法缺點是生產(chǎn)率低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對目前超純鋁生產(chǎn)方法生產(chǎn)率低、有機溶液電解質(zhì)導(dǎo)電率低、電解質(zhì)揮發(fā)性大、污染環(huán)境的缺點，提出一種生產(chǎn)超純鋁的方法。
一種生產(chǎn)超純鋁的方法，其特征在于以原鋁為原料，采用三層液法、偏析法、室溫離子液體電解法和區(qū)域熔煉法串聯(lián)的四段精煉法制取超純鋁。
生產(chǎn)步驟如下(1)三層液法精煉。采用60kA～100kA三層液精鋁電解槽，使用氟氯化物電解質(zhì)體系，電解質(zhì)成分如下各組分比例為NaF16～20％，AlF316～22％，BaCl254～60％，NaCl6～8％。所述氟氯化物電解質(zhì)的初晶溫度在650～680℃，密度為2.72～2.92g/cm3，電導(dǎo)率為1.41～1.84Ω-1·cm-1，操作溫度740～760℃。使用固體精鋁陰極。生產(chǎn)所得精鋁純度為99.99～99.999％。
(2)偏析法精煉。采用容量為2～5噸定向結(jié)晶爐，三定向結(jié)晶爐串聯(lián)精煉。用三層液法精煉所得精鋁為原料，結(jié)晶速度為3～5cm/h，結(jié)晶溫度為650～660℃。生產(chǎn)的高純鋁純度為99.999～99.9999％，合格的進(jìn)入下一作業(yè)，不合格部分返回三層液法精煉作業(yè)。
(3)室溫離子液體法精煉。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-甲基咪唑四氟硼酸鹽)為離子液體，電流密度200～700A/m2，用偏析法精煉所得高純鋁為陽極，槽電壓2.8～3.2V，極距15～25mm，電解溫度100～150℃。在鋁陰極上得到純度更高的鋁。電流效率98～100％，直流電耗8.5～10kWh/tAl。
(4)區(qū)域熔煉法精煉。采用容量為30～100kg鋁條的區(qū)域熔煉設(shè)備，該設(shè)備由支架和石英管組成。石英管內(nèi)通入氬氣保護。感應(yīng)線圈為7000～9000Hz，40～80kW。感應(yīng)線圈的移動速度為0.01～10mm/min。把室溫離子液體法精煉得到的高純鋁在高純石墨坩鍋內(nèi)熔化，鑄成半圓鑄錠。經(jīng)3～6次區(qū)域熔煉后切除半圓鑄錠兩端不合格部分，合格的超純鋁純度在99.99995％以上。區(qū)域熔煉所得到的超純鋁，在高純石墨坩鍋內(nèi)再熔化鑄錠備用。
本發(fā)明的特點1、本發(fā)明工藝采用三層液法、偏析法和離子液體串聯(lián)精煉，生產(chǎn)率高，產(chǎn)品質(zhì)量高。
2、本發(fā)明工藝靈活，根據(jù)需要可以分別得到精鋁、高純鋁和超純鋁。
3、使用離子液體電解精煉鋁，離子液體電解質(zhì)具有質(zhì)量輕、無毒、無揮發(fā)性、無可燃性、導(dǎo)電性良好、熱穩(wěn)定性高、熔點低、沸點高、電化學(xué)窗口寬等特點，且易于循環(huán)利用。
具體實施例方式
實施例1三層液精煉在70kA電解槽中進(jìn)行。使用氟氯化物體系作為電解質(zhì)，按重量百分比計，NaF18％，AlF318％，BaCl258％，NaCl6％。所述氟氯化物電解質(zhì)的初晶溫度在680℃，密度為2.82g/cm3，電導(dǎo)率為1.79Ω-1·cm-1，操作溫度740℃。使用固體精鋁陰極。直流電耗13000kWh/t-精鋁，生產(chǎn)出精鋁純度在99.996％。
采用容量為4噸定向結(jié)晶爐，三定向結(jié)晶爐串聯(lián)精煉。用三層液法精煉所得純度在99.996％的精鋁為原料，結(jié)晶速度為4cm/h，結(jié)晶溫度為656℃。生產(chǎn)出高純鋁純度為99.9996％，不合格部分返回三層液法精煉作業(yè)。
采用AlCl3-EMIC(氯代-1-乙基-3-甲基咪唑)離子液體為電解質(zhì)，電流密度500A/m2，槽電壓3.0V，極距20mm，電解溫度110℃，用偏析法精煉所得99.9996％高純鋁為陽極，在鋁陰極上得到純度更高的鋁。電流效率99％，直流電耗9kWh/t Al。
采用容量為50kg鋁條的區(qū)域熔煉設(shè)備，該設(shè)備由支架和石英管組成。石英管內(nèi)通入氬氣保護。感應(yīng)線圈為8000Hz，50kW。感應(yīng)線圈的移動速度為5mm/min。把室溫離子液體法精煉得到的高純鋁在高純石墨坩鍋內(nèi)熔化，鑄成半圓鑄錠。經(jīng)5次區(qū)域熔煉后切除半圓鑄錠兩端不合格部分，合格的超純鋁純度在99.99996％。區(qū)域熔煉后得到的超純鋁，在高純石墨坩鍋內(nèi)再熔化鑄錠備用。
實施例2三層液精煉在60kA電解槽中進(jìn)行。使用氟氯化物體系作為電解質(zhì)，按重量百分比計，NaF16％，AlF316％，BaCl260％，NaCl8％。所述氟氯化物電解質(zhì)的初晶溫度在670℃，密度為2.80g/cm3，電導(dǎo)率為1.76Ω-1·cm-1，操作溫度740℃。使用固體精鋁陰極。直流電耗13300kWh/t精鋁，生產(chǎn)出精鋁純度在99.996％。
采用容量為3噸定向結(jié)晶爐，三定向結(jié)晶爐串聯(lián)精煉。用三層液法精煉所得99.996％精鋁為原料，結(jié)晶速度為5cm/h，結(jié)晶溫度為656℃。生產(chǎn)出高純鋁純度為99.9996％，不合格部分返回三層液法精煉作業(yè)。
采用AlCl3-[bmim]BF4(1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽)離子液體為電解質(zhì)，電流密度300A/m2，槽電壓3.1V，極距20mm，電解溫度120℃，用偏析法精煉所得純度為99.9996％高純鋁為陽極，在鋁陰極上得到純度更高的鋁。電流效率99％，直流電耗9.3kWh/tAl。
采用容量為40kg鋁條的區(qū)域熔煉設(shè)備，該設(shè)備由支架和石英管組成。石英管內(nèi)通入氬氣保護。感應(yīng)線圈為8500Hz，60kW。感應(yīng)線圈的移動速度為3mm/min。把室溫離子液體法精煉得到的高純鋁在高純石墨坩鍋內(nèi)熔化，鑄成半-1圓鑄錠。經(jīng)4次區(qū)域熔煉后切除半圓鑄錠兩端不合格部分，合格的超純鋁純度在99.99998％。區(qū)域熔煉后得到的超純鋁，在高純石墨坩鍋內(nèi)再熔化鑄錠備用。
實施例3三層液精煉在80kA電解槽中進(jìn)行。使用氟氯化物體系作為電解質(zhì)，按重量百分比計，NaF17％，AlF320％，BaCl257％，NaCl6％。所述氟氯化物電解質(zhì)的初晶溫度在678℃，密度為2.81g/cm3，電導(dǎo)率為1.80Ω-1·cm-1，操作溫度740℃。使用固體精鋁陰極。直流電耗13200kWh/t精鋁，生產(chǎn)出精鋁純度在99.998％。
采用容量為5噸定向結(jié)晶爐，三定向結(jié)晶爐串聯(lián)精煉。用三層液法精煉所得純度為99.998％精鋁為原料，結(jié)晶速度為3cm/h，結(jié)晶溫度為658℃。生產(chǎn)出高純鋁純度為99.9998％，不合格部分返回三層液法精煉作業(yè)。
采用AlCl3-BPC(氯代-1-丁基咪啶)離子液體為電解質(zhì)，電流密度300A/m2，槽電壓3.1V，極距22mm，電解溫度115℃，用偏析法精煉所得純度為99.9998％高純鋁為陽極，在鋁陰極上得到純度更高的鋁。電流效率99％，直流電耗9.3kWh/tAl。
采用容量為30kg鋁條的區(qū)域熔煉設(shè)備，該設(shè)備由支架和石英管組成。石英管內(nèi)通入氬氣保護。感應(yīng)線圈為7000Hz，40kW。感應(yīng)線圈的移動速度為2mm/min。把室溫離子液體法精煉得到的高純鋁在高純石墨坩鍋內(nèi)熔化，鑄成半圓鑄錠。經(jīng)6次區(qū)域熔煉后切除半圓鑄錠兩端不合格部分，合格的超純鋁純度在99.99997％。區(qū)域熔煉后得到的超純鋁，在高純石墨坩鍋內(nèi)再熔化鑄錠備用。
權(quán)利要求
1.本發(fā)明的一種生產(chǎn)超純鋁的方法，其特征在于以原鋁為原料，采用三層液法、偏析法、室溫離子液體電解法和區(qū)域熔煉法串聯(lián)的四段精煉法制取超純鋁。
2.如權(quán)利1所述的一種生產(chǎn)超純鋁的方法，三層液法精煉部分其特征在于采用60kA～100kA三層液精鋁電解槽，使用氟氯化物電解質(zhì)體系，電解質(zhì)成分如下各組分比例為NaF16～20％，AlF316～22％，BaCl254～60％，NaCl6～8％；所述氟氯化物電解質(zhì)的初晶溫度在650～680℃，密度為2.72～2.92g/cm3，電導(dǎo)率為1.41～1.84Ω-1·cm-1，操作溫度740～760℃，使用固體精鋁陰極。
3.如權(quán)利1所述的一種生產(chǎn)超純鋁的方法，偏析法精煉部分其特征在于采用容量為2～5噸定向結(jié)晶爐，三定向結(jié)晶爐串聯(lián)精煉，用三層液法精煉所得精鋁為原料，，結(jié)晶速度為3～5cm/h，結(jié)晶溫度為650～660℃，生產(chǎn)的高純鋁進(jìn)入下一作業(yè)，不合格部分返回三層液法精煉作業(yè)。
4.如權(quán)利1所述的一種生產(chǎn)超純鋁的方法，室溫離子液體法精煉部分其特征在于采用AlCl3-EMIC、BPC或AlCl3-[bmim]BF4離子液體為電解質(zhì)，電流密度200～700A/m2，槽電壓2.8～3.2V，極距15～25mm，電解溫度100～150℃，用偏析法精煉所得高純鋁為陽極，在鋁陰極上得到純度更高的鋁；EMIC稱作氯代-1-乙基-3-甲基咪唑，BPC稱作氯代-1-丁基咪啶，[bmim]BF4稱作1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽。
5.如權(quán)利1所述的一種生產(chǎn)超純鋁的方法，區(qū)域熔煉法精煉部分其特征在于采用容量為30～100kg鋁條的區(qū)域熔煉設(shè)備，該設(shè)備由支架和石英管組成，石英管內(nèi)通入氬氣保護，感應(yīng)線圈為7000～9000Hz，40～80kW，感應(yīng)線圈的移動速度為0.01～10mm/min；把室溫離子液體法精煉得到的高純鋁在高純石墨坩鍋內(nèi)熔化，鑄成半圓鑄錠，經(jīng)3～6次區(qū)域熔煉后切除半圓鑄錠兩端不合格部分，合格的超純鋁純度在99.99995％以上。
全文摘要
一種生產(chǎn)超純鋁的方法，屬于金屬材料領(lǐng)域。其特征在于以原鋁為原料，采用三層液法、偏析法、室溫離子液體電解法和區(qū)域熔煉法串聯(lián)的四段精煉法制取超純鋁。偏析法、室溫離子液體電解法和區(qū)域熔煉法分別以上一段生產(chǎn)產(chǎn)品為原料，生產(chǎn)出合格的超純鋁純度在99.99995％以上。本發(fā)明生產(chǎn)率高，產(chǎn)品質(zhì)量高；工藝靈活，根據(jù)需要可以分別得到精鋁、高純鋁和超純鋁；使用離子液體電解精煉鋁，離子液體電解質(zhì)具有質(zhì)量輕、無毒、無揮發(fā)性、無可燃性、導(dǎo)電性良好、熱穩(wěn)定性高、熔點低、沸點高、電化學(xué)窗口寬等特點，且易于循環(huán)利用。
文檔編號C22B3/00GK1644721SQ20041009892
公開日2005年7月27日 申請日期2004年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月16日
發(fā)明者盧惠民 申請人:北京科技大學(xué)