側(cè)壁定向凝固偏析法一次提純工藝生產(chǎn)精鋁產(chǎn)品實(shí)踐

薛深壬 劉銘恩

(廣西百礦鋁業(yè)有限公司, 百色 田陽(yáng) 533000)

0 前言

目前國(guó)外可生產(chǎn)精鋁(不小于4N)的國(guó)家有日本、美國(guó)、俄羅斯、挪威、法國(guó)和德國(guó)等。日本是世界上最大的精鋁生產(chǎn)國(guó),工藝以偏析法為主;德國(guó)和俄羅斯多采用三層液電解法生產(chǎn)精鋁[1]。

我國(guó)是精鋁的主要產(chǎn)地,但高質(zhì)量產(chǎn)品不多,難以適應(yīng)國(guó)內(nèi)和國(guó)際市場(chǎng)需求。國(guó)內(nèi)每年精鋁的缺口在十幾萬(wàn)噸,產(chǎn)品供不應(yīng)求。中國(guó)精鋁產(chǎn)業(yè)較為集中,目前產(chǎn)能主要集中在新疆、內(nèi)蒙古等地區(qū),代表企業(yè)有新疆眾和、天山鋁業(yè)、包頭鋁業(yè)等[2]。

國(guó)內(nèi)某精鋁生產(chǎn)企業(yè)利用自供的電解鋁液通過(guò)偏析法工藝[3]提純精鋁,通過(guò)多次生產(chǎn)實(shí)踐,一次提純后的產(chǎn)品達(dá)到了3N5精鋁的總純度要求,但微量元素雜質(zhì)鋅、釩的含量未能達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)控制要求。為此,本文提出更改優(yōu)質(zhì)原料、采用硼砂和氯化鍶除釩的有效處理方案。

1 原鋁的偏析法精煉

偏析法將二元金屬組成的液體緩慢冷卻至略高于其最低熔點(diǎn)之上,使主體金屬以較純的固體晶體析出,而雜質(zhì)元素富集于液體中,然后將液體與固體分離,重復(fù)該過(guò)程就可得到一種較純的金屬。偏析法一次提純工藝流程如圖1所示。提純精鋁產(chǎn)品之前要先做好各項(xiàng)準(zhǔn)備工作,然后對(duì)預(yù)抽鋁水的電解槽進(jìn)行取樣分析,若原鋁雜質(zhì)含量符合控制要求再安排送精鋁車(chē)間。鋁水轉(zhuǎn)入保持爐后,溫度保持在850 ℃,然后進(jìn)行除渣扒渣,靜置1 h,過(guò)濾后轉(zhuǎn)入提純爐應(yīng)用偏析法提純得到3N5精鋁產(chǎn)品。

圖1 偏析法一次提純工藝流程

該方法的精煉效果與雜質(zhì)元素在含被精煉元素系統(tǒng)中的平衡分配系數(shù)有關(guān)[4]。鋁中雜質(zhì)元素的平衡分配系數(shù)K見(jiàn)表1。

表1 原鋁中某些雜質(zhì)元素的平衡分配系數(shù)

采用偏析法去除原鋁中的雜質(zhì)元素,在平衡分配系數(shù)K值小于1的情況下,K值越小,雜質(zhì)越容易分離出來(lái);K值越接近1,雜質(zhì)越難分離出來(lái);K值大于1,雜質(zhì)基本無(wú)法分離出來(lái)。因此采用偏析法提純?cè)X,存在某些雜質(zhì)元素較難分離或不能分離的局限性。

2 偏析法生產(chǎn)精鋁存在問(wèn)題

根據(jù)中國(guó)有色金屬行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《重熔用精鋁錠》(YS/T 665—2018),3N5等級(jí)的精鋁錠化學(xué)成分控制要求見(jiàn)表2。

表2 3N5等級(jí)的精鋁錠化學(xué)成分控制要求

國(guó)內(nèi)某精鋁生產(chǎn)企業(yè)利用自供的電解鋁液通過(guò)偏析法工藝提純精鋁,一次提純后的產(chǎn)品符合3N5精鋁的總純度要求,但微量元素雜質(zhì)鋅(約0.016 5%)、釩(約0.018 5%)的含量未能達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中鋅雜質(zhì)控制在0.005%以下、釩雜質(zhì)控制在0.008%以下的要求。

為解決該問(wèn)題,抽取4臺(tái)槽的原鋁,采用光譜分析法進(jìn)行元素分析,結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 4臺(tái)槽原鋁元素含量分析

從表3可知,雜質(zhì)硅、鐵、鎵、鋅、釩共5個(gè)元素含量均很高。

根據(jù)偏析法工藝生產(chǎn)實(shí)踐,鐵、硅、鋅、鎵四大雜質(zhì)一次提純效率見(jiàn)表4。

表4 四大雜質(zhì)偏析法一次提純效率

根據(jù)表4,如果原鋁中鐵元素含量小于0.14%,一次提純后鋁液中的鐵含量可降到0.02%以下;如果原鋁中的硅含量小于0.087%,一次提純后鋁液中的硅也可降到0.02%以下;如果原鋁中的鎵雜質(zhì)含量小于0.026 3%,一次提純后鋁液中的鎵也可降到0.01%以下。從表3可知,原鋁中鐵、硅、鎵元素的含量基本能滿(mǎn)足小于0.14%、0.087%、0.026 3%的要求,可見(jiàn)采用偏析法工藝提純?cè)X去除鐵、硅、鎵元素雜質(zhì),產(chǎn)品符合3N5精鋁行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不成問(wèn)題。

然而原鋁中的雜質(zhì)鋅元素含量較高,而且鋅在鋁中的平衡分配系數(shù)又相對(duì)偏大(0.65),提純效率較低,故在現(xiàn)有的原鋁中鋅雜質(zhì)含量較高(約0.027 5%)的情況下(低于0.008 4%才能滿(mǎn)足要求),無(wú)法通過(guò)偏析法一次提純得到合格的3N5精鋁產(chǎn)品。雜質(zhì)釩元素在鋁中的平衡分配系數(shù)為5.1,比1大較多,基本無(wú)法通過(guò)偏析法工藝提純?nèi)コ?/p>

由此可見(jiàn),只要解決了原鋁中鋅、釩雜質(zhì)元素偏高的問(wèn)題,則可以通過(guò)偏析法工藝生產(chǎn)出符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的合格3N5精鋁產(chǎn)品。

3 解決方案

通過(guò)上述分析原鋁雜質(zhì)元素含量可知,一次提純無(wú)法得到合格3N5產(chǎn)品的原因是原鋁中雜質(zhì)鋅、釩元素含量偏高。故原料如果改用低雜質(zhì)、高品位的氧化鋁就能達(dá)到一次提純雜質(zhì)控制要求。

3.1 控制氧化鋁原料

根據(jù)3N5精鋁錠化學(xué)成分要求,結(jié)合該企業(yè)偏析法一次提純雜質(zhì)元素的除雜效率,可以先推算出提純前使用的原鋁雜質(zhì)元素的控制要求范圍,然后根據(jù)氧化鋁帶入的雜質(zhì)情況及其他原料帶入的雜質(zhì)元素含量,按氧化鋁單耗及氧化鋁中金屬雜質(zhì)在其氧化物中的摩爾比,推算出氧化鋁中各氧化物雜質(zhì)的成分控制要求,結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 一次提純生產(chǎn)3N5精鋁用氧化鋁成分雜質(zhì)控制要求推算

從表5的推算結(jié)果看,一次提純生產(chǎn)3N5精鋁對(duì)使用的氧化鋁原料雜質(zhì)含量控制要求較高,要求雜質(zhì)含量均很低,氧化鋁含量至少在98.60%以上,影響偏析法提純的關(guān)鍵雜質(zhì)ZnO含量不大于0.005 4%,V2O5含量不大于0.007 4%。

根據(jù)上述分析,實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,采取外購(gòu)符合雜質(zhì)要求的高品質(zhì)氧化鋁來(lái)進(jìn)行鋁電解生產(chǎn)高品質(zhì)原鋁,使用的高品質(zhì)氧化鋁原料抽樣分析數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。

表6 高品質(zhì)氧化鋁原料抽樣分析數(shù)據(jù)表

從表6數(shù)據(jù)結(jié)果看,實(shí)際生產(chǎn)中使用的氧化鋁含量都在98.60%以上,關(guān)鍵雜質(zhì)ZnO和V2O5雜質(zhì)含量均達(dá)到品質(zhì)要求。

3.2 電解槽原鋁除釩

金屬釩元素在原鋁中的平衡分配系數(shù)為5.1,在鋁液偏析凝固時(shí),金屬釩往固相富集偏析,無(wú)法去除。但經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐研究,硼化合物對(duì)Fe、Ti、V和Cr雜質(zhì)元素有一定的去除效果,Ca和Sr與Zn有較強(qiáng)的相互作用。如果在原料雜質(zhì)含量控制的條件下原鋁中釩含量仍偏高,可以往電解槽原鋁中加入適當(dāng)?shù)臒o(wú)水硼砂固體料去除金屬釩雜質(zhì)。

為研究加硼砂除釩效果,選取4臺(tái)工況相同的電解槽進(jìn)行金屬除釩試驗(yàn),每臺(tái)槽采取的除釩方案見(jiàn)表7。方案一加入硼砂和氧化鈣,方案二加入硼砂和氯化鍶,方案三和方案四加入的硼砂量不同。第1天添加量按盤(pán)存鋁總量加當(dāng)日產(chǎn)量進(jìn)行計(jì)算,后4天按實(shí)際產(chǎn)鋁量進(jìn)行添加,4個(gè)方案同時(shí)進(jìn)行,共持續(xù)5 d,槽中在產(chǎn)鋁按34 t,出鋁量按3.1 t/d計(jì)算。除釩結(jié)果如圖2、圖3所示。

表7 各種物料添加方法與實(shí)際用量 kg

圖2 四種除釩方案原鋁釩含量變化

圖3 四種方案除釩效果對(duì)比

從圖2和圖3可以看出:

1)4種方案均能達(dá)到除釩效果,釩含量可以達(dá)到0.000 4%左右。

2)對(duì)原鋁液中起主要除釩作用的是無(wú)水硼砂,氧化鈣、氯化鍶有提高除釩效率及速率的作用,其中氯化鍶除釩效果較氧化鈣要好;方案三加入更少的硼砂除釩效果較方案四更好些。

4 改進(jìn)后生產(chǎn)效果

通過(guò)采用低雜質(zhì)、高品位的氧化鋁生產(chǎn),并采用硼砂加氯化鍶除釩,原鋁的元素分析結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 采用高品位低雜質(zhì)氧化鋁電解產(chǎn)生的原鋁雜質(zhì)元素含量

由表8可知,電解生產(chǎn)的原鋁雜質(zhì)含量較低,符合采用偏析法一次提純生產(chǎn)3N5精鋁產(chǎn)品的原鋁要求。

提純相關(guān)的工藝操作控制參數(shù)見(jiàn)表9。

精鋁產(chǎn)品的化學(xué)成分分析見(jiàn)表10。

表10 精鋁成品化學(xué)成分分析結(jié)果 %

由表10可知,通過(guò)采用低雜質(zhì)、高品位的氧化鋁生產(chǎn),并采用硼砂和氯化鍶除釩得到的原鋁作為偏析法一次提純的原料,生產(chǎn)出來(lái)的精鋁產(chǎn)品符合有色金屬行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《重熔用精鋁錠》(YS/T 665—2018)3N5等級(jí)的精鋁錠化學(xué)成分控制要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)用定向凝固偏析法工藝提純?cè)X生產(chǎn)精鋁產(chǎn)品成功的關(guān)鍵與原鋁雜質(zhì)元素種類(lèi)及其含量、提純過(guò)程工藝控制均有密切的關(guān)系。在實(shí)際的生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中要以客觀實(shí)際存在的問(wèn)題為導(dǎo)向,分析研究探索解決問(wèn)題的方案才能迎刃而解生產(chǎn)出合格的精鋁錠產(chǎn)品。

本次精鋁生產(chǎn)實(shí)踐過(guò)程中通過(guò)分析得出客觀存在的原料雜質(zhì)度達(dá)不到工藝要求的問(wèn)題,通過(guò)更換高品位低雜質(zhì)原料及輔助除雜質(zhì)工藝克服原料問(wèn)題,最終生產(chǎn)出合格的3N5等級(jí)的精鋁錠產(chǎn)品。