本发明涉及铝冶金、铝及铝合金熔铸领域，尤其涉及一种利用铝灰渣制备高纯铝的装置与方法。

  铝灰渣是铝及铝合金熔铸过程中的副产物，熔铸一吨铝铸锭约产生5kg/tal铝灰渣。2016年,我国铝及铝合金材产量约为5796万吨，按照65%的综合成材率测算，需要铝合金铸锭8917万吨，同时附产铝灰渣446万吨。铝灰渣的化学组分为：金属铝、氟盐、氯盐、氧化铝、氮化铝、碳化铝以及硅、铁、镁、锰、锌、铜等金属氧化物。主要组分为金属铝、氟盐、氯盐和氧化铝，约占铝灰渣质量的90%。目前，主要是采用以下几种方法回收利用铝灰渣。

  灰渣炒制法：炒制法回收利用铝灰渣的原理是利用外热装置将铝灰渣加热到一定温度，向铝灰渣中加入一定量的氧化剂，利用铝热氧化反应使灰渣升温至铝的熔点以上温度，灰渣中的颗粒铝因氧化、放热、熔化，熔化的液体铝珠在外力和机械作用下汇聚成较大的铝珠，最后汇聚成铝块，方便回收利用。炒制法回收铝灰渣存在的主体问题是：生产效率低、工人劳动强度大、生产环境恶劣。炒制过程中存在较多的铝的氧化损失。炒制后的残灰中仍然含有一定量的铝，残灰一般作为废渣弃用，造成环境污染。

  利用铝灰渣制作净水剂：该方法是利用酸液溶解铝灰渣，使灰渣中的金属铝、氧化铝与酸反应制备氯化铝、硫酸铝等净水剂。该方法利用铝灰渣存在以下几个方面的问题：在酸溶过程中，灰渣中的碳化铝、氮化铝易于与水反应，水解产物为甲烷、氨气，造成环境污染。灰渣中的氯盐、氟盐降低净水剂的品质和纯度。处理过程中产生的废水、弃渣造成环境污染。

  以铝灰渣为原料制备工业氧化铝：该方法利用工业烧碱水溶液溶解铝灰渣中的金属铝和氧化铝，采用拜耳法、烧结法或者拜耳-烧结联合法制备成工业氧化铝。工业纯铝是一种载能材料，生产一公斤工业纯铝的综合能耗（含水、电、气、汽、电、碳素等）约为20kwh/kgal，将灰渣中的工业纯铝转化为工业氧化铝造成了能源、资源的极大浪费。在碱液溶解铝灰渣时，灰渣中的碳化铝、氮化铝易于水解，水解产物对环境造成污染。特别是，铝灰渣中的氟盐、氯盐没有回收利用，作为弃渣处理时，既浪费了资源，又污染了环境。

  近年来，人们开始利用铝灰渣中的金属铝作为炼钢脱氧剂，受合金种类和后续处理手段的限制，铝灰渣中的残留铝含量往往波动很大，很难精确配制和充分的利用灰渣中的金属铝资源，灰渣中的氧化铝、氟盐、氯盐等等，最终作为废渣弃用，造成环境污染和资源浪费。

  综上所述，我国铝合金熔铸每年产生超过440万吨的铝灰渣，现有的铝灰渣处理方法存在生产效率低下、生产环境恶劣，铝灰渣中的金属铝无法完全回收利用。处理尾矿中的氟盐、氯盐等作为弃渣处理，既浪费了资源，又污染了环境。

  本发明的目的是针对上述已有技术存在的不足，提供一种利用铝灰渣制备高纯铝的装置与方法。

  一种利用铝灰渣制备高纯铝的装置与方法，其特征是，该装置包含以铝灰渣为原料的双层液铝电解槽（2）、以(2)装置出来的电解产物为原料的三层液铝电解槽（3）、双层液电解区-三层液电解区分隔墙（5）；所述以铝灰渣为原料的双层液铝电解槽（2）包括联体铝电解槽下部槽体（4）、双层液铝电解槽进电母线a、双层液铝电解槽阳极2b、双层液电解槽电解液区2c、双层液电解槽阴极铝液区2d；所述以(2)装置出来的电解产物为原料的三层液铝电解槽（3）包括联体铝电解槽下部槽体（4）、三层液铝电解槽阴极出电母线e）、三层液铝电解槽碳素阴极（3d）、三层液铝电解槽阴极铝液区（3c）、三层液铝电解槽电解液区（3b）、阳极区铝液（3a）。

  根据上述装置，其特征是，联体铝电解槽下部槽体（4）包含槽体钢结构（4a），该电解槽内衬以碳素-刚玉质材料构成；联体铝电解槽钢结构（4a）作为电解槽整体支撑的骨架，碳素内衬（4b）、刚玉质耐火内衬(4c)、分隔墙(5)均为整体砌筑结构,其中：碳素内衬（4b）、刚玉质耐火内衬(4c)、分隔墙(5)、双层液铝电解槽阳极(2d)等围成的密闭区域(1a)为铝灰渣双层液铝电解区；碳素内衬(4b)、刚玉质耐火内衬(4c)、分隔墙(5)、三层液电解槽碳素阴极(3d)等围成的密闭区域(1b)为三层液高纯铝电解区；(1a)用于盛放双层液电解槽电解液（2f1）和铝液（2g1）,是进行铝灰渣电解的场所；(1b)用于盛放三层液电解槽阳极液（3a1）、电解液（3b1）和高纯铝液（3c1），是进行高纯铝电解的场所,刚玉质耐火内衬(4c)作为双层液电解槽、三层液电解槽铝液区内衬，起到耐火、耐蚀、绝缘的作用，电解液区内衬采用耐氟盐腐蚀的碳素内衬(4b)。

  根据上述装置，其特征是，双层液电解区-三层液电解区分隔墙(5)上开设有双层液-三层液电解槽电解液区联结通道(5a)、电解液通道闸板(5b)、双层液-三层液电解槽铝液区联结通道(5c)，在分隔墙(5)的基部靠近三层液电解槽阳极区一侧，安设有碳素材质的电流导板(5d)；所述双层液-三层液电解槽电解液区联结通道(5a)用于联通铝灰渣双层液电解槽与高纯铝三层液电解槽的电解液区，使铝灰渣双层液电解槽的电解液能够最终靠通道（5a）流入高纯铝三层液电解槽的电解液区，双层液电解槽的电解液与高纯铝三层液电解槽的电解液通过联通器的原理联成一个整体，由电解液通道闸板（5b）控制联结通道(5a)打开-闭合；所述双层液-三层液电解槽铝液区联结通道(5c)用于联通铝灰渣双层液电解槽与高纯铝三层液电解槽的电解铝液区，使铝灰渣双层液电解槽的电解铝液能够最终靠通道(5c)流入高纯铝三层液电解槽的阳极铝液区。双层液电解槽的电解铝液通过连通器的原理与高纯铝三层液电解槽的阳极铝液区联成一个整体。通道(5c)既是铝液联通通道，也是电流由双层液电解槽流入三层液电解槽的导电通道。铝灰渣双层液电解槽的电解产物作为三层液高纯铝电解槽的原料；所述三层液电解槽阳极区电流导板(5d)，用于调整、均布三层液电解区阳极区电流。

  一种利用铝灰渣制备高纯铝的方法，其特征是，所述的方法有：采用一台双层液铝电解槽与一台三层液铝电解槽的联体结构，进电侧为双层液铝电解槽，采用铝灰渣为原料，电解产物作为三层液铝电解槽的原料，出电侧为三层液铝电解槽；所述三层液铝电解槽（3）以铝灰渣的电解产物-铝液为原料，通过三层液电解工艺将普铝液电解为高纯铝，产品为高纯铝。

  直流电由直流电源经由双层液铝电解槽进电母线a)、双层液铝电解槽阳极(2b)，进入双层液电解槽电解液区(2c)，铝灰渣下料装置(2h)将待加工的铝灰渣定量输送到电解液(2f1)中，溶入电解液中的铝灰渣参与电解过程，氯盐、氟盐熔化并汇入电解液(2f1)，氧化铝溶解入电解液(2f1)中，在直流电的作用下电解成铝和氧或者二氧化碳，铝灰渣中的微细铝粒熔化并汇入槽底的阴极铝液(2g1)中。

  双层液电解槽的电解铝液通过连通器的原理与高纯铝三层液电解槽的阳极铝液区联成一个整体。铝液由双层液电解槽流入三层液电解槽，直流电流经由通道(5c)流入三层液电解槽，高纯铝电解槽阳极铝液(3a1)在电流作用下溶解、铝离子溶入三层液电解液3b1，并在三层液电解槽阴极铝液区(3c1)析出，得到高纯电解铝液。直流电流由三层液铝电解槽阴极出电母线h)流出联体铝电解槽。通过双层液电解铝灰渣，三层液电解铝灰渣的电解产物，回收铝灰渣中的铝、氧化铝。

  在联体铝电解槽工作过程中，待双层液铝电解槽(2)中电解液高度达到工艺设定值的上限，停止对双层液铝电解槽加料，并继续通电直至双层液铝电解槽发生缺料效应。待效应熄灭，提升电解液通道闸板(5b)，使通道(5a)打开，双层液电解槽的电解液通过连通器的原理与高纯铝三层液电解槽的电解液联成一个整体。当三层液电解槽电解液高度达到工艺设定高度，闭合通道(5a)。在直流电的作用下，三层液电解槽电解液(3b1)中残留的氧离子参与电解过程，利用直流电解原理进一步电解、净化电解液中的氧化铝，当电解液(3b1)中氧离子消耗到一定限度，从三层液电解槽中抽出净化的电解液，抽出的电解液经过冷却、磨碎、筛分处理，可当作铝合金精炼用覆盖剂、精炼剂、打渣剂再次使用，达到回收-净化-循环利用铝灰渣中盐类原料的目的。

  在进行三层液电解过程中，继续给双层液电解槽加料-电解，并按照停止加料-缺料效应的方法初步消耗双层液电解槽中的氧化铝。在三层电解槽抽出电解液后，再次通过通道(5a)向三层液电解槽补充待净化的电解液，利用直流电解原理进一步电解、净化电解液中的氧化铝，当电解液中氧离子消耗到一定限度，从三层液电解槽中抽出净化的电解液，电解液经过冷却、磨碎、筛分、包装处理，作为铝熔铸精炼剂、覆盖剂、打渣剂外销。如此反复循环，通过双层液电解回收铝灰渣中的铝、氧化铝，并初步净化电解液；通过三层液电解将普铝电解成高纯铝，并进一步净化三层液电解液中的氧化铝，最终利用净化的电解液制备铝合金熔炼用精炼剂、覆盖剂、打渣剂。

  采用本发明提出的联体电解槽装置与方法回收利用铝灰渣的好处是：可以100%回收、利用铝灰渣中的铝、氧化铝，并将铝、氧化铝制备成高的附加价值的高纯铝。该装置采用双层液-三层液电解槽的联体结构，双层液电解槽的阴极与三层液电解槽的阳极采用一体结构，双层液电解槽的电解产品直接作为三层液电解槽的原料，与传统三层液电解方法相比，极大地降低了高纯铝的生产能耗和生产所带来的成本。具有设备投资少、生产的基本工艺简单、铝灰渣处理效率高、产品附加值高的等优点。

  通过电解净化的方法实现铝灰渣中盐类资源的再生利用，经过冷却、磨碎、筛分处理，可当作铝合金精炼用覆盖剂、精炼剂、打渣剂再次使用，达到回收-净化-循环利用铝灰渣中盐类资源的目的，实现了铝灰渣废渣资源的完全再生、循环、利用，本发明真正的完成铝灰渣资源利用的零排放。

  本发明提供的一种利用铝灰渣制备高纯铝的装置与方法，其特征是，该装置是由以铝灰渣为原料的双层液铝电解槽2、三层液铝电解槽3、联体铝电解槽下部槽体4、双层液电解区-三层液电解区分隔墙5等部分所组成。利用铝灰渣制备高纯铝的联体铝电解槽结构示意图见图1。

  根据上述装置，在联体铝电解槽下部槽体4的中部设置双层液电解区-三层液电解区分隔墙5，该分隔墙将联体铝电解槽分隔成双层液电解区、三层液电解区两个区域。

  根据上述装置，以铝灰渣为原料的双层液铝电解槽2的结构包括：双层液铝电解槽进电母线a、双层液铝电解槽阳极2b、双层液电解槽电解液区2c、双层液电解槽阴极铝液区2d等部分组成。

  根据上述装置，三层液铝电解槽3由阳极区铝液3a、三层液铝电解槽电解液区3b、三层液铝电解槽阴极铝液区3c、三层液电解槽碳素阴极3d、三层液铝电解槽阴极出电母线e等部分组成。

  根据上述装置，联体铝电解槽下部槽体4包含槽体钢结构4a、碳素内衬4b、联体铝电解槽刚玉质耐火内衬4c三部分。联体铝电解槽钢结构4a作为电解槽整体支撑的骨架，碳素内衬4b、刚玉质耐火内衬4c、分隔墙5均为整体砌筑结构，作为铝液、电解液盛放的容器和电解工作区域。

  本发明提出的利用铝灰渣制备高纯铝的装置与方法，其特征是，该装置主体采用一台双层液铝电解槽与一台三层液铝电解槽的联体结构。进电侧为双层液铝电解槽，采用铝灰渣为原料，电解产物作为三层液铝电解槽的原料。出电侧为三层液铝电解槽，三层液铝电解槽以铝灰渣的电解产物-铝液为原料，通过三层液电解工艺将普铝液电解为高纯铝，产品为高纯铝。

  根据上述装置，联体铝电解槽钢结4a、碳素内衬4b、刚玉质耐火内衬4c、分隔墙5等将联体铝电解槽槽体分隔成两个区域，其中：碳素内衬4b、刚玉质耐火内衬4c、分隔墙5、双层液铝电解槽阳极2d等围成的密闭区域1a为铝灰渣双层液铝电解区；碳素内衬4b、刚玉质耐火内衬4c、分隔墙5、三层液电解槽碳素阴极3d等围成的密闭区域1b为三层液高纯铝电解区。1a用于盛放双层液电解槽电解液（2f1）和铝液（2g1）,是进行铝灰渣电解的场所；1b用于盛放三层液电解槽阳极液（3a1）、电解液（3b1）和高纯铝液（3c1），是进行高纯铝电解的场所。见图1、图2、图3。刚玉质耐火内衬4c作为双层液电解槽、三层液电解槽铝液区内衬，起到耐火、耐蚀、绝缘的作用，电解液区内衬采用耐氟盐腐蚀的碳素内衬4b。

  根据上述装置，双层液电解区-三层液电解区分隔墙5上开设有双层液-三层液电解槽电解液区联结通道5a、电解液通道闸板5b、双层液-三层液电解槽铝液区联结通道5c，在分隔墙5的基部靠近三层液电解槽阳极区一侧，安设有碳素材质的电流导板5d。联体铝电解槽槽体结构示意图见图2。

  根据上述装置，双层液-三层液电解槽电解液区联结通道5a用于联通铝灰渣双层液电解槽与高纯铝三层液电解槽的电解液区，使铝灰渣双层液电解槽的电解液能够最终靠通道5a流入高纯铝三层液电解槽的电解液区。双层液电解槽的电解液与高纯铝三层液电解槽的电解液通过联通器的原理联成一个整体，由电解液通道闸板5b控制联结通道5a打开-闭合。

  根据上述装置，双层液-三层液电解槽铝液区联结通道5c用于联通铝灰渣双层液电解槽与高纯铝三层液电解槽的电解铝液区，使铝灰渣双层液电解槽的电解铝液能够最终靠通道5c流入高纯铝三层液电解槽的阳极铝液区。双层液电解槽的电解铝液通过连通器的原理与高纯铝三层液电解槽的阳极铝液区联成一个整体。通道5c既是铝液联通通道，也是电流由双层液电解槽流入三层液电解槽的导电通道。铝灰渣双层液电解槽的电解产物作为三层液高纯铝电解槽的原料。

  根据上述装置，在双层液电解区与三层液电解区分隔墙5的基座区域，双层液-三层液电解槽铝液区联结通道5c的上口，位于三层液高纯铝电解区，设置三层液电解槽阳极区电流导板5d，用于调整、均布三层液电解区阳极区电流。

  （1）烘炉：采用传统燃料、传统方法，包括粉煤、燃气、燃油或者阳极气体等烘烤联体铝电解槽下部槽体炉衬，烘炉采用还原气氛。烘炉温度为250-1100℃，保温时间72h。

  （2）灌铝：待槽膛温度达到250-1100℃，待刚玉质炉衬4c温度达到700-880℃，向联体炉槽膛内灌入铝液，灌入的铝液量超过铝液联通通道5c以上50mm。随炉冷却铝液，待铝液凝固，上表面温度降低到550-650℃即进行高温装炉作业。

  （3）装炉：按工艺位置要求在双层液阴极铝2g1上部安放阳极2b，在阳极四周均匀铺设氯化钠、冰晶石电解质块、槽达（碳酸钠）、氟化钙、氟化镁、氟化钠、铝灰渣等物料。在三层液阳极铝3a1上部安放碳素阴极3d，四周铺设冰晶石，上部安设人造炉帮。在双层液电解槽阳极2b与下一台联体铝电解槽阳极之间安装分流片和分流钢带。

  （4）通电焙烧：根据双层液阳极2b、三层液阴极3d温度上升情况，分阶段拆除分流片和分流钢带，待阳极2b、阴极3d温度上升至400-960℃，阳极2b、阴极3d周围冰晶石、电解质块熔化，电解液联通，电解槽具备启动条件。

  （5）双层液电解槽启动：分别向双层液电解槽、三层液电解槽中灌入液体电解质，电解槽中液体电解质高度超过电解液联通通道上口50mm，向双层液电解槽2四周、阳极中缝添加铝灰渣物料，向三层液电解槽3添加洁净的冰晶石。随后，开始提升阳极2b，进行效应启动，效应电压8-45v，每次效应时间控制在2-30minutes之间；效应期间，视双层液电解槽2四周物料熔化情况，及时补充电解质块、铝灰渣物料。利用高温效应、提升双层液电解槽2电解液水平、构建槽四周炉帮。随后，双层液电解槽2转入启动后期管理，逐步转入正常电解维护工艺条件。

  （6）双层液电解槽2电解、加料：电解采用氯盐-氟盐复合电解质体系，电解质组分包括：氯化钠、氯化钾、氟化钠、氟化铝、冰晶石，氯盐占电解质质量百分比10%-85%之间，电解质中氟盐分子比控制在1.3-2.2之间。以铝灰渣为原料，采用点式下料方法，下料量严控不得产生炉底沉淀，根据电解槽电流效率、依据法拉第定理计算电解槽产铝量，反推计算铝灰渣的下料量。待双层液电解槽2电解工艺正常，开始启动三层液电解槽作业。

  （7）三层液电解槽启动、管理：提升三层液电解槽阴极3d，同时向三层液电解槽中补充液体电解质，维持双层液电解槽、三层液电解槽两边液位稳定，待三层液电解槽碳素阴极3d达到工艺设定位置，停止灌入液体电解质，保持三层液电解槽电压稳定在2.5-20v之间，开始建立三层液电解槽热平衡和人造炉帮工作。待三层液电解槽达到热平衡和电压稳定，三层液电解槽转入正常管理。

  直流电由直流电源经由双层液铝电解槽进电母线a、双层液铝电解槽阳极2b，进入双层液电解槽电解液区2c，铝灰渣下料装置2h将待加工的铝灰渣定量输送到电解液2f1中，溶入电解液中的铝灰渣参与电解过程，氯盐、氟盐熔化并汇入电解液2f1，氧化铝溶解入电解液2f1中，在直流电的作用下电解成铝和氧或者二氧化碳，铝灰渣中的微细铝粒熔化并汇入槽底的阴极铝液2g1中。

  双层液电解槽的电解铝液通过连通器的原理与高纯铝三层液电解槽的阳极铝液区联成一个整体。铝液由双层液电解槽流入三层液电解槽，直流电流经由通道5c流入三层液电解槽，高纯铝电解槽阳极铝液3a1在电流作用下溶解、铝离子溶入三层液电解液3b1，并在三层液电解槽阴极铝液区3c1析出，得到高纯电解铝液。直流电流由三层液铝电解槽阴极出电母线h流出联体铝电解槽。通过双层液电解铝灰渣，三层液电解铝灰渣的电解产物，回收铝灰渣中的铝、氧化铝。

  在联体铝电解槽工作过程中，待双层液铝电解槽2中电解液高度达到工艺设定值的上限，停止对双层液铝电解槽加料，并继续通电直至双层液铝电解槽发生缺料效应。待效应熄灭，提升电解液通道闸板5b，使通道5a打开，双层液电解槽的电解液通过连通器的原理与高纯铝三层液电解槽的电解液联成一个整体。当三层液电解槽电解液高度达到工艺设定高度，闭合通道5a。在直流电的作用下，三层液电解槽电解液3b1中残留的氧离子参与电解过程，利用直流电解原理进一步电解、净化电解液中的氧化铝，当电解液3b1中氧离子消耗到一定限度，从三层液电解槽中抽出净化的电解液，抽出的电解液经过冷却、磨碎、筛分处理，可当作铝合金精炼用覆盖剂、精炼剂、打渣剂再次使用，达到回收-净化-循环利用铝灰渣中盐类原料的目的。

  在进行三层液电解过程中，继续给双层液电解槽加料-电解，并按照停止加料-缺料效应的方法初步消耗双层液电解槽中的氧化铝。在三层电解槽抽出电解液后，再次通过通道5a向三层液电解槽补充待净化的电解液，利用直流电解原理进一步电解、净化电解液中的氧化铝，当电解液中氧离子消耗到一定限度，从三层液电解槽中抽出净化的电解液，电解液经过冷却、磨碎、筛分、包装处理，作为铝熔铸精炼剂、覆盖剂、打渣剂外销。如此反复循环，通过双层液电解回收铝灰渣中的铝、氧化铝，并初步净化电解液；通过三层液电解将普铝电解成高纯铝，并进一步净化三层液电解液中的氧化铝，最终利用净化的电解液制备铝合金熔炼用精炼剂、覆盖剂、打渣剂。

  采用本发明提出的联体电解槽装置与方法回收利用铝灰渣的好处是：可以100%回收、利用铝灰渣中的铝、氧化铝，并将铝、氧化铝制备成高的附加价值的高纯铝。该装置采用双层液-三层液电解槽的联体结构，双层液电解槽的阴极与三层液电解槽的阳极采用一体结构，双层液电解槽的电解产品直接作为三层液电解槽的原料，与传统三层液电解方法相比，极大地降低了高纯铝的生产能耗和生产所带来的成本。具有设备投资少、生产的基本工艺简单、铝灰渣处理效率高、产品附加值高的等优点。

  通过电解净化的方法实现铝灰渣中盐类资源的再生利用，经过冷却、磨碎、筛分处理，可当作铝合金精炼用覆盖剂、精炼剂、打渣剂再次使用，达到回收-净化-循环利用铝灰渣中盐类资源的目的，实现了铝灰渣废渣资源的完全再生、循环、利用，本发明真正的完成铝灰渣资源利用的零排放。