袁學敏

(甘肅省科學技術情報研究所，甘肅 蘭州730000)

我國的純鋁分級最初采用蘇聯的方式，將純度位于3N5＜Al%＜4N8的純鋁稱為精鋁，Al%大于5N(99.999%)稱為高純鋁;此稱謂自我國1958年用三層液電解法生產4N鋁開始，一直沿用至今;美國等西方國家將純度大于3N5的鋁統(tǒng)稱為高純鋁，而將純度大于5N5的純鋁稱為超高純鋁。超高純鋁比原鋁具有更好的導電性、延展性、反射性和抗 腐蝕性，在電子工業(yè)及航空航天等領域有著廣泛用途。此前，國內只有極少數廠家能夠生產純度達99.999%(5N)的高純鋁，而能生產純度達99.9993%(5N3)以上產品的企業(yè)一直是空白。在國際市場上，也僅有德、美、法、俄、日等國具備生產能力［1］。

1 高純鋁的生產工藝

1.1 冷凝法

鋁液保持在一定的溫度，把帶水冷的冷卻結晶器插入鋁液中，就會在結晶器周圍結晶出純度高的晶體。通過旋轉結晶體，增加固液界面的流動，提高溶質的擴散效果。這種工藝的提純效果一般，但生產效率較高。

1.2 三層液電解法

由Hoopes于1901年發(fā)明，至今已有一百多年的歷史。三層液電解法提純精度和生產效率較高，但其能耗大，國內的能耗為1.8×104度/t，技術先進的日本能耗也高達1.2×104度/t。三層液電解法的提純精度可以達到4～5N。

1.3 偏析法

主要有分步結晶法、定向凝固法和區(qū)域熔煉法。分步結晶法是將初晶進行分離、集中;定向凝固法是在冷卻凝固面使初晶生長。偏析法的工業(yè)應用近20年是由法國彼施涅公司完成的。

(1)分步結晶法

分步結晶法可使原鋁量的80%得到精煉，純度可由3N5提高到4N5。采用此方法生產的代表性企業(yè)是alcoa(美國鋁業(yè))、法國彼施涅、日本輕金屬等。

(2)定向凝固法

定向凝固法是通過強制冷卻或加熱來控制晶體的生長方向，使凝固方向背離熱流傳遞方向以連續(xù)單向結晶排除雜質元素的一種方法。

(3)區(qū)熔法

區(qū)熔法是提純高純鋁的主要方法，主要用來生產5N5～6N5的超高純鋁。日本的研究者對此工藝進行了深入的研究，可以獲得7N的純鋁。

上述幾種工藝中，由于三層液電解法生產高純鋁能耗大，美國、加拿大、德國、日本、法國以及俄羅斯等國，大部分的高純鋁產品越來越趨向于利用單向凝固或分步結晶等偏析法制備，以圓錠供應市場［2－4］。

2 國內外生產企業(yè)

全球高純鋁的生產廠商是俄羅斯鋁業(yè)和海德魯鋁業(yè)公司，各占全球高純鋁消費市場20%的份額，兩家公司都采用三層液法生產技術。日本的昭和鋁業(yè)、住友化學、三井和日本輕金屬公司是日本主要的高純鋁生產商，他們普遍采用4N偏析法生產工藝。在中國，采用三層液法生產工藝的廠商有新疆眾和鋁業(yè)公司和中鋁貴州鋁業(yè)分公司。

2.1 國外高純鋁生產企業(yè)

2.1.1 海德魯鋁業(yè)公司

德國海德魯鋁業(yè)公司是最早進行高純鋁開發(fā)的公司，是目前全球最大的采用三層液法生產高純鋁的專業(yè)廠之一，年產能超過8kt/a?；贗T行業(yè)的飛速發(fā)展(計算機主板的生產)，1987年開始生產IT行業(yè)需要用到的5N高純鋁。

2.1.2 日本高純鋁生產企業(yè)

九州三井鋁公司從法國彼施涅公司引進了生產高純鋁的偏析法技術，2000年度產量達到12242t，比上一年度增加16.4%，居日本五大高純鋁生產者的第一位。第二位是昭和鋁公司，產量為10677t。第三位是用偏析法并取得技術革新成功的住友化學公司，產量為10599t，比上一年度猛增26.2%。最引人注目的是從三菱化學公司購入設備的VAW公司，產量比上一年度猛增69.4%，達到6244t。居第五位的是日本輕金屬公司，其產量為3079t。

2.1.3 美國高純鋁生產企業(yè)

通過專利查詢了解到，美國鋁業(yè)和普萊克斯生產高純鋁主要采用三層液電解法和分步結晶法生產高純鋁，三層液電解法生產的鋁純度為99.993%，分步結晶法生產的鋁純度可達到5N或以上。

2.2 國內高純鋁生產企業(yè)

2.2.1 包鋁集團

包鋁集團是全國唯一利用世界先進的偏析提純法生產技術生產99.99%以上的重熔用高純鋁錠的企業(yè)，年產能可達20000t規(guī)模，是世界單體使用偏析提純法最大的高純鋁生產基地，成為全球最大的使用偏析提純法生產高純鋁的廠家。

包鋁集團所產高純鋁的93%的純度達到或大于4N6。比日本與挪威海德魯(Hy d r o)鋁業(yè)公司的產品還略勝一籌［5］。

2.2.2 新疆眾和股份有限公司

新疆眾和高純鋁制品公司是中國最早的與最大的高純鋁加工基地，占國內市場總量80%以上，可以穩(wěn)定地制備4N～5N的高純鋁。新疆眾和股份有限公司的特點是:形成了一條最優(yōu)化的煤－電－鋁－高純鋁－電子鋁箔－電極箔的完整產業(yè)鏈;可以生產3N～5N的高純鋁;高純鋁提取技術及其裝備全部自主研發(fā)的，擁有全部自主知識產權;高純鋁幾乎是用三層液電解法生產的。

2.2.3 中鋁貴州分公司

年產電解鋁40萬t、氧化鋁120萬t、碳素制品27萬t和多種高附加值產品的設計產能，現有氧化鋁、鋁及鋁制品、碳素制品為主的五大產品系列40多個品種。其中，砂狀氧化鋁為國內首創(chuàng)，高純鋁為國內獨家生產，“潔云”商標和“華光”商標經評審認定為貴州省著名商標。

表1 中鋁股份精鋁和高純鋁的化學成份

2.2.4 山西關鋁

電解鋁年產量11萬t，高純鋁生產能力1萬t/年，采用三層法，關鍵技術及裝備從日本住友公司引進，于2004年下半年建成投產，電解高純鋁的電耗小于13 000kW/t鋁。

2.2.5 內蒙古新長江礦業(yè)投資有限公司

內蒙古新長江高新鋁產業(yè)基地由內蒙古新長江礦業(yè)投資有限公司投資建設，年產4.2萬t高純精鋁。

2.2.6 南通泰德

南通泰德電子材料科技有限公司年生產能力960t，是亞洲第一，進入國際行業(yè)前列的超高純鋁的企業(yè)，TADE公司與上海交通大學聯合檢測中心購置美國Thermal－Fisher公司的Element－GD，成為中國版圖上唯一一家可以定量檢測痕量元素的機構。

另外，還有湖南希源新材料有限公司進行超高純鋁的提純研究，選擇精鋁純度至少為4N6，通過分步提純的方法，重復提純，直到獲得符合純度要求的鋁錠。北京中金研科技新材料有限公司通過有機液體電解質電解提純的方法制備5N單晶高純鋁。

3 偏析法制備純鋁的原理

作為利用合金凝固時的偏析現象提純鋁的方法來說，世界上已開發(fā)出很多技術，大體上可分為:分步結晶法和定向凝固法［9］。偏析法的提純效果與雜質元素的平衡分配系數有關。所謂平衡分配系數K，指在一定溫度下，雜質元素在固相中的濃度CS和在與其相平衡的液相中的濃度CL之比，即K=CS/CL。

當K＜1時，雜質元素在液相中富集。

當K＞1時，雜質元素在固相中富集。

當K=1時，說明雜質元素在固相和液相中的濃度相近，難于用此方法分離。

定向凝固是指在凝固過程中應用技術手段，在液－固界面處建立起特定方向的溫度梯度，從而使熔體沿著與熱流相反的方向凝固，最終得到定向組織、甚至單晶。根據公式CS=KCL，對于K值小于1的元素，起到提純的效果。Fe、Si、Cu可以通過偏析法去除，Ti、V、Zr不能通過此方法去除，通常采用添加B以生產硼化物的方式來去除這些元素［10，11］。

4 結語

中國國標中對市場供應的5N和5N5鋁錠的要求還停留在國際上上世紀70年代的水平，純度檢測采用原子吸收光譜法，檢測的元素僅包括Si、Fe、Cu、Pb、Zn、Ca、Ti、Cd、Ag、In等10種元素，而國外提供的5N純鋁錠一般都采用GDMS檢測，檢測的元素都多達20～40種［12，13］。目前國內已經有很多企業(yè)有能力生產高純及超高純鋁，與國際接軌，正在為打造高純鋁的生產強國而努力奮斗。隨著世界科技水平的發(fā)展，隨著電子工業(yè)及航空航天等領域的發(fā)展，今后將有越來越多的高純度鋁的新技術不斷涌現。

［1］全球高純鋁生產及其應用市場概況，2003年中國國際鋁業(yè)研討會.

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

［3］楊光輝.精鋁及鋁精煉.山西冶金，2，60－62，2005.

［4］顏非亞，鋁精煉法，重慶工學院學報，17(6)32－35，2003.

［5］包鋁集團－中國最大的偏析法高純鋁企業(yè)，鑄造技術，29(11)2008.

［6］purification of ultra－h(huán)igh purity aluminum，E.Hashimoto，JOURNAL DE PHYSIQUIV，5，1995.

［7］高純鋁真空提純裝置［P］，CN101748281A，2010，6，上海交通大學.

［8］8.基于偏析法的高純鋁提純裝置［P］，CN101748291A，2010，6，上海交通大學.

［9］定向凝固技術與新材料的進展［J］，李青春，遼寧工學院學報，23(4)，42－45.

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

［11］侯增壽.金屬學原理［M］.1999，北京工業(yè)出版社.

［12］王祝堂.高純鋁提取工藝［J］.中國通報，44，7－10.

［13］符巖.偏析法凈化原鋁的研究［J］.東北大學學報，22(2):137－140，2001.