CN104388697B - 一种制备6n高纯铝的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于材料制备领域，具体为真空挥发法和区域熔炼法制备6N高纯铝的方法。该方法为：将原料铝在真空煅烧炉中融化后进行真空挥发，控制挥发温度为800-850℃；在氩气保护下进行水平区域熔炼提纯，控制熔区宽度30-50mm；然后对铝锭的表面进行处理；最后将清洗后的铝锭装入石英舟，在真空煅烧炉中加热到450-550℃。本方法操作简单，使用设备简便，工艺成本低廉，可制备出6N高纯铝，填补国内6N高纯铝的空白。

Description

一种制备6N高纯铝的方法

技术领域

本发明属于材料制备领域，具体为一种采用真空挥发法和区域熔炼法制备6N高纯铝的方法。

背景技术

6N高纯铝主要应用于半导体工业及超导体，其中半导体工业约占96%，用于超导体约占4%。主要应用包括：1、阴极溅镀靶。2、集成电路配线。3、光电子存储媒体。4、航空航天领域。高纯铝的最大应用领域是生产电子铝箔，用于制造铝电解电容器，其消耗的高纯铝量约为高纯铝总产量的80%。从高纯铝的应用方面以及市场需求情况考虑，开展6N高纯铝的研制迫在眉睫。

目前国内外生产高纯铝主要采用三层电解法以及偏析法。通过三层电解法可以达到4N产品，通过偏析法可以提纯5N以上的产品。本文是采用真空挥发法及区域熔炼法制备6N高纯铝。

发明内容

本发明的目的在于针对以上技术问题，提供一种操作简单、成本较低，环境污染小的制备6N高纯铝的方法。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种制备6N高纯铝的方法，该方法以5N原料铝作为原料，然后将原料铝在真空煅烧炉中融化后进行真空挥发，控制煅烧温度为800—850℃；在氩气保护下进行水平区域熔炼提纯，控制熔区宽度30—50mm；然后对铝锭的表面进行处理；最后将清洗后的铝锭装入石英舟，在真空煅烧炉中加热到450—550℃。

制备6N高纯铝的方法，该方法以5N原料铝作为原料，具体包括以下步骤：

（1）首先将原料铝在真空煅烧炉中融化后进行真空挥发

将圆柱状铝锭，铝锭的Ф可以为35mm，每锭约1.6kg，装入区熔石墨舟，石墨纯度大于4N，再将装有铝锭的石墨舟装入煅烧炉的石英管内，进行真空挥发，真空度达到1×10^-3Pa及以上，控制挥发温度800—850℃，挥发时间120—170h。这是由于镁、锌等杂质在铝中的分离系数K₀分别为0.5和0.4，均接近于1，仅通过区域熔炼法，杂质镁、锌的含量分别只能降低到1ppm、0.4ppm，均不满足6N高纯铝质量标准，因此，杂质镁、锌难以通过后续的区域熔炼分离出来，而它们在1×10^-3Pa真空状态下沸点较低，均低于500℃，因此，可以通过真空挥发与主体金属分离。

（2）在氩气保护下进行区域熔炼提纯。

a、将真空挥发后装有铝锭的石墨舟装入区熔车的石英管内，将料舟送入水平区熔管中部，套上石英管帽，用生胶带包扎密封，然后将区熔车加热器的主加热区与行车向反方向移至铝锭头端，并连接好氩气管道系统。

b、开启氩气阀，通氩气，调节氩气流量为300-400mL/min，1小时后开启加热器进行升温，主加热区温度控制850—870℃，两侧辅加热区温度控制560—580℃，待形成熔区后。调节三段加热区的温度，主加热区温度控制830—850℃，两侧辅加热区温度控制540—560℃，控制熔区宽度为30-50mm，行车速度8±1mm/h。

c、行车至舟尾，停止加热。熔区凝固后返车回首端，开始第二次区熔作业（参考b步骤），区熔进行10—15次。

d、区熔完成10—15次后进行第一次去头尾，关闭氩气阀，取下石英帽，取出铝锭，将铝锭装入去头石墨舟中部（去头石墨舟结构见附图图4），铝锭的头尾在去头石墨舟中处于悬空状态，再将装有铝锭的舟放入到区熔车石英管内，移动区熔车主加热区至铝锭端头，并连接好氩气管道系统，开启氩气阀，通氩气，调节氩气流量为300-400mL/min，1小时后开启加热器进行升温，主加热区温度控制850—870℃，两侧辅加热区温度控制560—580℃，由于铝锭端头悬空，待铝锭端头融化后，铝液掉入石墨舟底部，完成去头。移动区熔车主加热区至铝锭端尾，采用与去头同样的方法去除铝锭尾料。去头尾量：15-20（质量%）。

e、铝锭完成第一次去头尾后，冷却到室温，关闭氩气阀，取下石英帽，取出铝锭，将去完头尾料的铝锭再次进行区熔（参考b、c步骤），区熔进行8—10次，进行第二次去头尾，方法同d步骤。

（1）铝锭完成区熔及去头后，对铝锭的表面进行处理。将铝锭放入事

先配好的清洗液中，水浴加热至90—100℃，3-5min后停止加热，待冷却后用去离子水清洗铝锭至中性。清洗液配制方法：磷酸（优级纯）、硝酸（优级纯）、硫酸（优级纯）分别按70—80%、10—15%、10—15%的（体积）比例配制。

（2）将清洗后的铝锭装入石英舟在真空煅烧炉中加热到450—

550℃，此时铝锭没有融化，恒温时间为6—8h后，待冷却到室温，取出铝锭，进行真空封装。

由于镁、锌等杂质在铝中的分离系数K₀接近于1，难以通过后续的区域熔炼分离出来，在1×10^-3Pa真空状态下沸点较低，均低于500℃，因此，可以通过真空挥发与主体金属分离。

铝的物理性质决定了高熔点、导热效果好，采用普通的区域熔炼的方式很难把铝熔化，或者熔化后很难快速凝固，无法达到区域熔炼提纯效果。所以需要对水平区域熔炼所采用的区熔车加热器进行改进，具体改进加热器的结构为：加热器部分分为未熔区、熔化区再凝固区，其中，在未熔区和再凝固区均设置辅助加热设备进行辅助加热，在熔化区设置主加热线圈进行主加热。通过辅加热抑制熔区范围内的热量向两侧进行扩散，以达到快速融化的效果，通过合理设定两侧辅加热区的温度保证再凝固区快速凝固。

本工艺中的区域熔炼法提纯，也是提纯至6N产品的难点所在，是由于铝的物理性质决定了高熔点、导热效果好，采用普通的区域熔炼的方式很难把铝熔化，或者熔化后很难快速凝固，无法达到提纯效果。该项目的创新点在于使用普通的区溶车对加热器进行改进的情况下进行水平区熔提纯，同时将真空挥发法与区熔提纯法交叉进行。加热器中分为三部分，中间为主加热，两侧为辅加热，通过辅加热抑制熔区范围内的热量向两侧进行扩散，以达到快速融化的效果，通过合理设定两侧辅加热区的温度保证再凝固区快速凝固，熔区能够稳定在30—50mm。另一个关键点在于去头石墨舟的设计以及去除头尾料的方法，由于铝的延展性能较好，如果通过机械的方法进行去除头尾料，既难以实现，又容易带入新的杂质。采用本专利设计的去头石墨舟去除头尾料，两段铝锭融化后，由于重力的作用，掉入石墨舟底部，完成头尾料的去除，且整个过程在区熔车上进行，加热器可以水平移动，头尾去除量也可以较好的控制。本专利采用的去除头尾料的方法，在氩气保护状态下进行，可以避免带入新的杂质。

本发明的积极效果体现在：

本方法操作简单，使用设备简便，工艺成本低廉，可制备出6N高纯铝，填补国内6N高纯铝的空白。

附图说明：

图1为区熔车加热器的结构示意图；

其中，1——未熔区、2——熔化区、3——再凝固区、4——辅助加热设备、5——主加热线圈。

图2为区熔石墨舟的结构示意图；

图3为去头石墨舟的结构示意图。

具体实施方式

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例1：

（1）将原料铝在真空煅烧炉中融化后进行真空挥发

将圆柱状铝锭，Ф35mm，每锭约1.6kg，装入区熔石墨舟，区熔石墨舟中石墨纯度大于4N，区熔石墨舟图纸见图2，再将装有铝锭的石墨舟装入煅烧炉的石英管内，进行真空挥发，真空度达到1×10^-3Pa及以上，控制挥发温度810℃，挥发时间140h。

（2）在氩气保护下进行区域熔炼提纯。

a、将真空挥发后装有铝锭的石墨舟装入区熔车的石英管内，将料舟送入水平区熔管中部，套上石英管帽，用生胶带包扎密封，然后将区熔车加热器的主加热区与行车向反方向移至铝锭头端，并连接好氩气管道系统。

b、开启氩气阀，通氩气，调节氩气流量为350-380mL/min，1小时后开启加热器进行升温，主加热区温度控制850℃左右，两侧辅加热区温度控制560℃左右，待形成熔区后。调节三段加热区的温度，主加热区温度控制845℃，两侧辅加热区温度控制560℃，控制熔区宽度约为40mm，行车速度8±1mm/h。

c、行车至舟尾，停止加热。熔区凝固后返车回首端，开始第二次区熔作业（参考b步骤），区熔进行13次。

d、区熔完成13次后进行第一次去头尾，关闭氩气阀，取下石英帽，取出铝锭，将铝锭装入去头石墨舟中部（去头石墨舟结构见图3），铝锭的头尾在去头石墨舟中处于悬空状态，再将装有铝锭的舟放入到区熔车石英管内，移动区熔车主加热区至铝锭端头，并连接好氩气管道系统，开启氩气阀，通氩气，调节氩气流量为350mL/min，1小时后开启加热器进行升温，主加热区温度控制860℃，两侧辅加热区温度控制560℃，由于铝锭端头悬空，待铝锭端头融化后，铝液掉入石墨舟底部，完成去头。移动区熔车主加热区至铝锭端尾，采用与去头同样的方法去除铝锭尾料。头尾总共去掉15%—20%，重量比。

e、铝锭完成第一次去头尾后，冷却到室温，关闭氩气阀，取下石英帽，取出铝锭，将去完头尾料的铝锭再次进行区熔（参考b、c步骤），区熔进行8次，进行第二次去头尾，方法同d步骤。

（3）铝锭完成区熔及去头后，对铝锭的表面进行处理。将铝锭放入事

先配好的清洗液中，水浴加热至90℃，3min后停止加热，待冷却后用去离子水清洗铝锭至中性。清洗液配制方法：磷酸（优级纯）、硝酸（优级纯）、硫酸（优级纯）分别按7：1.5：1.5的体积比配制。

（4）将清洗后的铝锭装入石英舟在真空煅烧炉中加热到470℃，此时

铝锭没有融化，恒温时间为7h后，待冷却到室温，取出铝锭，进行真空封装，即制备出6N高纯铝。

实施例2：

（1）将原料铝在真空煅烧炉中融化后进行真空挥发。

将圆柱状铝锭，Ф35mm，每锭约1.6kg，装入区熔石墨舟，区熔石墨舟中石墨纯度大于4N，区熔石墨舟图纸见图2，再将装有铝锭的石墨舟装入煅烧炉的石英管内，进行真空挥发，真空度达到1×10^-3Pa及以上，控制挥发温度830℃，挥发时间170h。

（2）在氩气保护下进行区域熔炼提纯。

a、将真空挥发后装有铝锭的石墨舟装入区熔车的石英管内，将料舟送入水平区熔管中部，套上石英管帽，用生胶带包扎密封，然后将区熔车加热器的主加热区与行车向反方向移至铝锭头端，并连接好氩气管道系统。

b、开启氩气阀，通氩气，调节氩气流量为380mL/min，1小时后开启加热器进行升温，主加热区温度控制870℃，两侧辅加热区温度控制570℃，待形成熔区后。调节三段加热区的温度，主加热区温度控制845℃，两侧辅加热区温度控制560℃，控制熔区宽度约为50mm，行车速度8±1mm/h。

c、行车至舟尾，停止加热。熔区凝固后返车回首端，开始第二次区熔作业（参考b步骤），区熔进行15次。

d、区熔完成15次后进行第一次去头尾，关闭氩气阀，取下石英帽，取出铝锭，将铝锭装入去头石墨舟中部（去头石墨舟结构见图3），铝锭的头尾在去头石墨舟中处于悬空状态，再将装有铝锭的舟放入到区熔车石英管内，移动区熔车主加热区至铝锭端头，并连接好氩气管道系统，开启氩气阀，通氩气，调节氩气流量为380mL/min，1小时后开启加热器进行升温，主加热区温度控制870℃，两侧辅加热区温度控制570℃，由于铝锭端头悬空，待铝锭端头融化后，铝液掉入石墨舟底部，完成去头。移动区熔车主加热区至铝锭端尾，采用与去头同样的方法去除铝锭尾料。头尾总共去掉15%—20（重量）%。

e、铝锭完成第一次去头尾后，冷却到室温，关闭氩气阀，取下石英帽，取出铝锭，将去完头尾料的铝锭再次进行区熔（参考b、c步骤），区熔进行10次，进行第二次去头尾，方法同d步骤。

（3）铝锭完成区熔及去头后，对铝锭的表面进行处理。将铝锭放入事

先配好的清洗液中，水浴加热至100℃，3min后停止加热，待冷却后用去离子水清洗铝锭至中性。清洗液配制方法：磷酸（优级纯）、硝酸（优级纯）、硫酸（优级纯）分别按8：1：1的体积比配制。

（4）将清洗后的铝锭装入石英舟在真空煅烧炉中加热到550℃，此时

铝锭没有融化，恒温时间为8h后，待冷却到室温，取出铝锭，进行真空封装，即得6N高纯铝。

将实施例1和实施例2中制备的6N高纯铝进行检测，其结构如下表：

样品分析委托美国EAG公司进行，设备采用国内最先进的GDMS分析，方法可靠，数据准确，可证明本方法制备的6N高纯铝可行，且达到国际水平。

Claims (6)

1.一种制备6N高纯铝的方法，其特征在于包括以下步骤：

将原料铝在真空煅烧炉中融化后进行真空挥发，控制挥发温度为800—850℃；在氩气保护下进行水平区域熔炼提纯，控制熔区宽度30—50mm；然后对铝锭的表面进行处理；最后将清洗后的铝锭装入石英舟，在真空煅烧炉中加热到450—550℃。

2.根据权利要求1所述的制备6N高纯铝的方法，其特征在于该方法具体包括以下步骤：

（1）将原料铝在真空煅烧炉中融化后进行真空挥发

将圆柱状铝锭装入区熔石墨舟，再将装有铝锭的石墨舟装入煅烧炉的石英管内，进行真空挥发，真空度达到1×10^-3Pa以上，控制挥发温度800—850℃，挥发时间为120—170h；

（2）在氩气保护下进行水平区域熔炼提纯

a、将进行真空挥发后装有铝锭的石墨舟装入区熔车的石英管内，将装有铝锭的石墨舟送入水平区熔管中部，套上石英管帽后密封，然后将区熔车加热器的主加热区与行车向反方向移至铝锭头端，并连接好氩气管道系统；

b、开启氩气阀，通氩气，调节氩气流量为300-400mL/min，1小时后开启加热器进行升温，主加热区温度控制850—870℃，两侧辅加热区温度控制560—580℃，待形成熔区后，调节三段加热区的温度；

c、行车至舟尾，停止加热，熔区凝固后返车回首端，开始第二次区熔作业，与b步骤相同，区熔进行10—15次；

d、区熔完成10—15次后进行第一次去头尾，关闭氩气阀，取下石英帽，取出铝锭，将铝锭装入去头石墨舟中部，铝锭的头尾在去头石墨舟中处于悬空状态，再将装有铝锭的舟放入到区熔车石英管内，移动区熔车主加热区至铝锭端头，并连接好氩气管道系统，开启氩气阀，通氩气，调节氩气流量为300-400mL/min，1小时后开启加热器进行升温，主加热区温度控制850—870℃，两侧辅加热区温度控制560—580℃，由于铝锭端头悬空，待铝锭端头融化后，铝液掉入石墨舟底部，完成去头，移动区熔车主加热区至铝锭端尾，采用与去头同样的方法去除铝锭尾料；

e、铝锭完成第一次去头尾后，冷却到室温，关闭氩气阀，取下石英帽，取出铝锭，将去完头尾料的铝锭再次进行区熔，区熔步骤与b、c步骤相同，区熔进行8—10次，进行第二次去头尾，方法同d步骤；

（3）铝锭完成区熔及去头后，对铝锭的表面进行处理

将铝锭放入事先配好的清洗液中，水浴加热至90—100℃，3-5min后停止加热，待冷却后用去离子水清洗铝锭至中性；

（4）将清洗后的铝锭装入石英舟，在真空煅烧炉中加热到450—550℃，恒温时间为6—8h后，待冷却到室温，取出铝锭，进行真空封装。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的制备6N高纯铝的方法，其特征在于：所述的原料铝为5N原料铝。

4.根据权利要求2所述的制备6N高纯铝的方法，其特征在于：步骤（2）b中所述的调节三段加热区的温度，主加热区温度控制为830—850℃，两侧辅加热区温度控制540—560℃，控制熔区宽度为30-50mm，行车速度8±1mm/h。

5.根据权利要求2所述的制备6N高纯铝的方法，其特征在于：步骤（3）中所述清洗液的配制方法为：优级纯的磷酸、硝酸、硫酸分别按7-8：1-1.5：1.0-1.5的体积比配制。

6.根据权利要求1或权利要求2所述的制备6N高纯铝的方法，其特征在于所述的水平区域熔炼所采用的加热器的结构为：加热器部分分为未熔区（1）、熔化区（2）和再凝固区（3），其中，在未熔区（1）和再凝固区（3）均设置辅助加热设备（4）进行辅助加热，在熔化区（2）设置主加热线圈（5）进行主加热。