一种电解铜铝合金和精炼铝的联合生产方法 【技术领域】
一种电解铜铝合金和精炼铝的联合生产方法，涉及一种电解法生产铝铜合金与精铝炼生产过程联合的工艺方法。
背景技术
目前电解法为工业铝锭生产的唯一方法，但是此方法的能耗高，其电耗高达13000kW·h/吨铝以上，槽电压在4.0V、电流效率在90％左右。由于能源价格的不断上涨，对原铝生产成本压力愈来愈大，如何降低电耗成为行业内一个共性问题。
为了降低电解铝厂的成本，拉长产业链条，增加产品种类，很多电解铝厂的原铝不再全部以铝锭形式出厂，而是直接将铝水进行熔配生产铝中间合金，这样去掉了重熔铝锭生产铝合金过程，降低了生产成本，提高了企业效益。
而在精铝生产中，一般使用Al-Cu合金共晶体Al-33％Cu(Cu的浓度为33％±3％)作为阳极，一般是用原铝与纯铜配制的，在电解时的密度为3000kg/m3(750℃)。阴极为提纯的精铝，在约750℃时密度为2400kg/m3。生产中阳极的铝(铝及电极电位比铝更负的元素如钠、钙、镁)电化学溶解至电解质中，而氟氧复合离子在阴极放电还原生成铝。生产中不断补充铝液至阳极中，而阴极的产品即为精铝。生产中因杂质累积需定期更换阳极，重新注入铝铜合金。精铝生产单位电耗11000～14000kWh，电流强度60kA左右，阴极电流效率达到97～99％，槽电压为4.5～4.6V。
Al-Cu类合金是工业上最早采用的铸造铝合金，在各类铸造铝合金中其重要性仅次于Al-Si类合金。Al-Cu类合金由于其密度小、比强度高等特点，在航空、航天、汽车、机械等各行业应用较广，主要用作承受较大载荷的结构件和耐热零件。Al-Cu类合金具有良好的综合力学性能：切削加工性能好，耐热性能优良。现已工业化生产的高韧性高强度铸造铝合金几乎全是Al-Cu系合金。
目前的生产流程以串联模式为主，即由氧化铝电解生产原铝、原铝重熔配制中间合金，中间合金供应给终端用户个性使用；原铝和铝铜中间合金以及电解铜为主要物料原料进行精铝生产。其工艺核心之间仅通过出厂产品进行衔接，类似于产业链上下游的关系，不存在联合的生产工艺方法。
【发明内容】
本发明的目的就是针对上述已有技术存在的不足，提供一种能有效集约几种铝产品生产的物料流程，节约了能源消耗，提高物料循环效率，降低成本，紧缩并延长产业链提高了企业盈利能力的联合生产原铝、铝合金和精铝的方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种电解铜铝合金和精炼铝的联合生产方法，其特征在于其联合生产方法的步骤包括
(1)在铝电解槽内添加铜或铝铜合金进行电解，电解得到铝铜合金；
(2)将电解得到的铝铜合金作为精炼剂进行原铝精炼过程，得到精炼铝；
(3)将原铝精炼过程产生的废铝铜合金返回步骤(1)，进行铜铝合金电解。
本发明的一种电解铜铝合金和精炼铝的联合生产方法，其特征在于所述的步骤(1)的在铝电解槽内添加铜或铝铜合金进行电解过程，铜或铜合金的加入量以铜计为阴极液总重量的2％--36％，电解过程控制的工艺参数为：电解平均电压3.7～4.2伏，阴极电流密度为0.65～0.85A/cm2，电流效率88～97％。
本发明的一种电解铜铝合金和精炼铝的联合生产方法，其特征在于其步骤还包括将步骤(1)电解得到铝铜合金二次重熔，进行铝铜合金成份调配。
本发明的方法，在铝电解槽内添加铜或生产精铝的废弃物铝铜中间合金或其它废弃的铝铜合金，使铝电解槽中阴极为液态铝和少量铜形成的铝铜液态合金，其密度值在2400～2800kg/m3，合金初晶温度在600～690℃之间。对于铝电解生产的优势在于：通过增加阴极的密度、提高阴极对于炭素材料的润湿性能，还减少了阴极中的铝在电解质中的溶解损失，能够有效提高生产的电流效率，试验证明生产工艺条件下，一般能够提高电流效率2.5％～4％。同时由于降低阴极中铝的活度，也相应降低了理论分解电压和阴极过电压，同时能够有效降低槽电压至少0.1～0.2V。
本发明的方法，将铝电解的终端产品变为或部分变为铝铜中间合金，其核心优势在于通过工厂个性化单槽生产，避免了产品单一化造成的生产风险，在不增加生产设备的情况下增加了产品种类，提高了产品附加值，增强了企业竞争力。在生产成本方面，充分利用了现代大型预焙槽散热型的特点，利用多余热量可以直接熔配铝中间合金，无需额外消耗电能，节约了能源，降低了铝铜中间合金的生产成本。而且添加地物料可能是其它生产的废料，原料成本可能有较大优势，同时可以利用电解槽内杂质浓度平衡，将过高杂质稀释或以炭渣形式排出流程之外。此外，利用电解槽内磁场强度高的特点，使合金混合均匀，偏析程度降低。
对于铝合金生产，铝电解槽的产品既可以作为中间产品再次进行调配，也可以作为低铜含量铝合金产品直接出厂，利用铝电解槽阴极的密闭环境，减少了熔配的氧化损失，提高了成品率。
对于精铝生产来说，新工艺中铝电解槽既提高了精铝生产所需的铝铜中间合金和原铝，也将杂质含量过高(主要是硅、铁)的铝铜废合金，回头到铝电解槽中作为原料。既能保证产品的最终质量，也能最大程度提高原料利用率，节约了生产现金流。
综合来说，这种创新的联合生产工艺方法，集约了几种铝产品生产的物料流程，从全局上节约了能源消耗，提高了物料循环效率，降低了财务成本，紧缩并延长了产业链，大大提高了企业盈利能力。
【附图说明】
图1为本发明的方法的工艺流程图。
【具体实施方式】
一种电解铜铝合金和精炼铝的联合生产方法，其联合生产方法的步骤包括
(1)在铝电解槽内添加铜或铝铜合金进行电解，电解得到铝铜合金；，铜或铜合金的加入量以铜计为阴极液总重量的2％--36％，电解过程控制的工艺参数为：电解平均电压3.7～4.2伏，阴极电流密度为0.65～0.85A/cm2，电流效率88％～97％。
(2)将电解得到的铝铜合金作为精炼原料进行原铝精炼过程，得到精炼铝；或电解得到铝铜合金二次重熔，进行铝铜合金成份调配；
(3)将原铝精炼过程产生的废铝铜合金返回步骤(1)，进行铜铝合金电解。
实施例1
原生产采用160KA电解槽，电压波动范围3.95～4.2V，平均槽电压4.05V；阴极电流密度控制在0.65～0.75A/cm2，阴极电流效率波动范围86％～92％，平均电流效率90.2％，吨铝直流电耗达13240kW·h，产品为原铝。
在阴极铝液加入总重2％的铜或废铝铜合金(以铜重量计)。在生产稳定后，阴极电流密度维持在0.65～0.75A/cm2，单槽电压降到为3.9～4.1V之间，平均槽电压为4.02V，瞬时电流效率提高到95％，波动范围在88～93％，平均电流效率在90.8％，吨铝直流电耗下降为13200kW·h，产品为2％的铝铜母合金。将电解槽产品2％铝铜合金作为铝合金中间产品外售。
实施例2
原生产采用160KA电解槽，电压波动范围3.95～4.3V，平均槽电压4.10V；阴极电流密度控制在0.65～0.75A/cm2，阴极电流效率波动范围88％～94％，平均电流效率91.2％，吨铝直流电耗达13400kW·h，产品为原铝。
实施方案为：在阴极铝液加入总重5％左右的铜或废铝铜合金(以铜重量计)。在生产稳定后，阴极电流密度维持在0.65～0.75A/cm2，单槽电压降到为3.7～4.1V之间，平均槽电压为3.90V，瞬时电流效率提高到95％，波动范围在90～95％，平均电流效率在92.8％，吨铝直流电耗下降为12700kW·h，产品为5％的铝铜母合金。将电解槽产品5％铝铜合金作为铝合金中间产品外售。
实施例3
原生产采用160KA电解槽，电压波动范围4.05～4.5V，平均槽电压4.15V；阴极电流密度控制在0.65～0.75A/cm2，阴极电流效率波动范围90％～95％，平均电流效率91.8％，吨铝直流电耗达13560kW·h，产品为原铝。
实施方案为：在阴极铝液加入总重10％左右的铜或废铝铜合金(以铜重量计)。在生产稳定后，阴极电流密度维持在0.65～0.75A/cm2，单槽电压降到为3.7～4.2V之间，平均槽电压为3.95V，瞬时电流效率提高到96.7％，波动范围在91～97％，平均电流效率在93.7％，吨铝直流电耗下降为12550kW·h，产品为10％的铝铜母合金。将电解槽产品5％铝铜合金作为铝合金中间产品外售。
实施例4
原生产采用200KA电解槽，电压波动范围4.00～4.16V，平均槽电压4.11V；阴极电流密度控制在0.65～0.80A/cm2，阴极电流效率波动范围90％～93％，平均电流效率90.9％，吨铝直流电耗达13480kW·h，产品为原铝。
实施方案为：在阴极铝液加入总重20％左右的铜或废铝铜合金(以铜重量计)。在生产稳定后，阴极电流密度维持在0.70～0.80A/cm2，单槽电压降到为3.75～4.05V之间，平均槽电压为3.90V，瞬时电流效率提高到96％，波动范围在92～96％，平均电流效率在94％，吨铝直流电耗下降为12370kW·h，产品为20％的铝铜母合金。将电解槽产品20％铝铜合金加入铝精炼电解槽作为部分精炼原料，通过预电解和电解精炼后作为99.9％的精铝产品出售。
实施例5
原生产采用300KA电解槽，电压波动范围4.20～4.46V，平均槽电压4.30V；阴极电流密度控制在0.75～0.85A/cm2，阴极电流效率波动范围89％～92％，平均电流效率90.5％，吨铝直流电耗达14160kW·h，产品为原铝。
实施方案为：在阴极铝液加入总重36％左右的铜或废铝铜合金(以铜重量计)。在生产稳定后，阴极电流密度维持在0.75～0.85A/cm2，单槽电压降到为3.85～4.00V之间，平均槽电压为3.95V，瞬时电流效率提高到94％，波动范围在91～95％，平均电流效率在93.1％，吨铝直流电耗下降为12650kW·h，产品为36％的铝铜母合金。将电解槽产品36％铝铜合金直接作为精炼原料加入铝精炼槽，通过预电解和电解精炼后作为99.9％的精铝产品出售。