高杂质含量铝的结晶精炼

《Next Materials》：Crystallization refining of aluminum with a high content of impurities

铝粗料中高含量铁硅杂质的分数结晶化提纯方法研究。通过快速冷却和特制结晶器浸入工艺，优化温度（740-770℃）、时间（30-65s）、深度（0.3cm）参数，建立数学模型实现高效纯化，铁含量降低80%（至0.3wt%），硅降低70%（至0.07wt%），纯度达99.5%。揭示了非平衡凝固下FeAl3相优先析出及硅反偏析机制，经显微组织和XRD分析验证。方法具有能耗低、设备简单、工业化潜力大等特点，填补了传统电解精炼与实验室技术之间的空白。

　　铝工业在生产过程中会产生大量含有高杂质的粗铝，这些杂质主要来自电解槽在大修前和启动初期的积累。铁和硅是粗铝中常见的杂质，其含量可分别达到3%和0.5%。目前，工业界主要通过稀释法来提纯这种粗铝，即用大量高纯度铝进行混合，但这种方法不仅成本高昂，而且效率低下。因此，开发一种高效、经济的提纯方法对于铝工业的可持续发展至关重要。

传统的提纯技术，如三层电解精炼、区域熔炼和化学方法（如添加锰或硼以促进杂质析出），虽然在一定程度上能够实现铝的高纯度，但往往伴随着高能耗和复杂的设备需求。例如，三层电解精炼虽然可以生产出99.99%纯度的铝，但其能耗高达每公斤金属20千瓦时，且需要使用具有腐蚀性的氟化物电解质，增加了操作难度和环境负担。区域熔炼虽然能进一步提高纯度至99.999%，但其主要应用于实验室规模，难以在工业生产中推广。相比之下，分数结晶法作为一种替代方案，因其相对较低的能耗和良好的工业可扩展性，受到越来越多的关注。

分数结晶法的核心原理是利用铝与其杂质（如铁和硅）之间的熔点差异，通过控制熔体冷却速率，使杂质在固相或液相中富集，从而实现铝的提纯。该方法的关键在于如何优化冷却条件和结晶器的设计，以提高杂质的分离效率。在本研究中，提出了一种新的分数结晶技术，结合了快速冷却、特定设计的结晶器以及数学模型用于参数优化，从而确保了高效的提纯过程。

实验中使用了来自伊尔库茨克铝厂的铝材料，其初始铁和硅含量分别为1.502%和0.253%。铝的熔炼过程在75毫升的刚玉坩埚中进行，使用柱式炉进行加热，温度范围为670–810°C。在达到目标温度后，将熔体保持在恒温条件下10分钟。随后，将一个直径为13毫米、高度为90毫米的圆柱形结晶器浸入熔体中，浸入深度为0.3厘米，时间控制在30–65秒之间。结晶器固定在一根9毫米直径、440毫米长的钢棒上，该钢棒通过实验室搅拌器进行旋转，以促进熔体的均匀冷却和杂质的分离。

为了评估提纯效果，研究团队对提纯前后的铝样品进行了定量分析，使用火花光谱仪进行元素检测。结果表明，铁含量降低了80%，从1.5%降至0.3%，硅含量减少了70%，从0.25%降至0.07%。这一显著的杂质去除效果证明了该方法的有效性。同时，通过显微镜和扫描电子显微镜观察铝的微观结构变化，进一步确认了杂质在结晶器表面的富集情况。X射线衍射分析也显示，提纯后的铝样品中FeAl?和Si的特征峰强度明显降低，表明杂质已被有效去除。

分数结晶法的提纯效率受到多种工艺参数的影响，包括熔体温度、结晶器浸入时间和浸入深度。研究通过实验设计方法对这些参数进行了系统优化。结果显示，当熔体温度控制在740–770°C、结晶器浸入时间为30–65秒、浸入深度为0.3厘米时，提纯效果最佳。这些参数的选择不仅考虑了杂质的分离效率，还兼顾了能耗和操作可行性。

铁和硅的去除机制各不相同。铁在结晶器表面的结晶受到快速冷却的影响，形成了非平衡固相，导致铁在固相中富集。而硅则由于铝硅合金的宽两相区，表现出逆向分离的特性，即在冷却过程中，硅会从液相转移到固相，从而在结晶器表面形成富硅层。这种逆向分离现象在文献中已有报道，但在此研究中得到了更具体的验证。

此外，研究还探讨了杂质迁移和富集的热力学与动力学机制。温度梯度和冷却速率对杂质的分布有重要影响，尤其是在结晶器表面形成的边界层中，杂质的浓度梯度显著。通过Fick扩散定律估算，硅的扩散系数较高，表明其在熔体中的迁移速度较快。同时，研究团队通过数学模型对整个提纯过程进行了描述，为未来工艺的优化提供了理论依据。

在实际应用方面，该方法展现出良好的工业可行性。研究提出了一种适用于铝冶炼厂的工艺流程，包括粗铝的运输、结晶器的浸入、提纯后的再熔炼以及成品铝的铸造。这一流程不仅简化了传统提纯方法的复杂性，还降低了能耗，为铝工业的绿色生产提供了新的思路。

总之，这项研究提出了一种基于分数结晶的新型铝提纯方法，通过优化冷却条件和结晶器设计，显著提高了铁和硅的去除效率。实验结果表明，该方法在能耗和操作复杂性方面具有明显优势，同时在提纯效果上也表现出色。未来的研究可以进一步探索该方法在更大规模生产中的应用，并评估其他合金元素对杂质分离行为的影响。