专利名称：一种连续偏析提纯精铝及高纯铝的方法及设备的制作方法
技术领域：
本发明涉是一种连续偏析提纯精铝及高纯铝的方法及设备，特别是一种能耗低、成品率高、生产效率高的偏析提纯方法，属于铸造冶金领域。
背景技术：
利用偏析法对金属尤其是铝进行提纯，是一种已经成熟的工业化工艺方法。经文献检索发现，有多种偏析法制备高纯铝的发明专利，其中中国专利申请号为02111339. 4，公开了发明名称为《高纯铝的真空连续体纯净化方法》，该申请人提出了一种连续进铝液、间歇吸除杂质元素富集层液体的方法。该方法以液态铝为原料，通过严格控制加热区和冷却区的温度，控制吸取铝液的量和时间间隔以及控制真空度的大小，提纯后晶体的纯度可达到5N5。 该发明虽然工艺先进，自动化程度高，但系统过于复杂，不易操控且该方法不是真正的连续化生产方法，补液过程不但影响生产的连续化，还破坏了提纯的稳定环境条件，不利于产品成分的稳定。此外，该方法存在杂质元素的富集层，对于提纯率受浓度影响较大的元素其提纯效果不明显。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术不足，发明一种精铝及高纯铝的结晶在流动的熔融铝中完成的方法，熔融铝由静置炉中流出的铝液提供，流动的铝液源源不断的提供了提纯原料，配合滚轮拉晶装置真正实现了连续化生产高纯铝或精铝的连续化偏析提纯方法及专用设备。它使其能在连续化生产高纯铝的基础上大大降低生产过程的能耗并提高生产效率。本发明连续偏析提纯精铝及高纯铝的方法目的步骤如下①将金属熔融铝或电解铝液直接置入静置炉(15)内，通过输送管和流量控制塞
(14)，让从静置炉(15)中流出的熔融金属铝液直接进入坩埚(I)内盛装熔融金属铝液的液面之下，液面下的金属铝液出口为一个或多个；②提纯炉(10)内放置安装有坩埚(1)，坩埚(I)中预设有热电偶(11)，以实时测得坩埚(I)中金属铝液温度，控制金属铝液出口流量，让坩埚(I)中熔融金属铝液的液面保持恒定；③熔融金属铝液从坩埚(I)侧部或者下部安装有一个或多个结晶器(17)，熔融金属铝液在结晶器(17)部位被冷却，完成定向凝固结晶，冷却过程中熔融金属铝液发生连续偏析结晶，获得棒状的招结晶体，即闻纯招或精招;④随着铝晶体的不断生长，通过一个引晶头(22)夹住或卡住已结晶的铝晶体
(18)—端端头，以引晶头(22)—端连接的引晶杆(21)将提纯后的铝晶体(18)引入由数对摩擦引导轮(19)构成的滚轮拉晶装置，引导提纯后的铝晶体(18)以2-200mm/h的拉晶速度向前移动，达到设定长度后切割机(20)自动将提纯后的铝晶体切断，完成连续化偏析提纯生产高纯铝过程。所述的坩埚(I)中铝液保温温度为660°C — 710°C;铝晶体向前运动的速度为10 —lOOmm/h ;所述的静置炉(15)中铝液温度为670°C _750°C。所述的滚轮拉晶装置由两对或两对以上摩擦引导轮(19)，提拉过程由引晶头
(22)、引晶杆(21)和摩擦引导轮(19)共同完成，无行程限制，完成连续化生产。生产连续偏析提纯精铝及高纯铝的设备是，提纯炉(10)为密封状箱体，提纯炉
(10)顶部开的观察孔(2)，提纯炉(10)四周炉壁呈空心状，提纯炉(10)底部开有冷却水入 口(8)，提纯炉(10)上部开有冷却水出口(3)，提纯炉(10)与坩埚(I)两者相互接触的底部装有保温层(4)。所述的坩埚(I)外壁圆周包裹有空心管状的线圈(5)，空心管状的线圈(5)通过控制器与电源连接并与冷水管联通，当空心管状的线圈(5)接通高频电流时，空心管状的线圈
(5)发生电感应加热，作为坩埚(I)保温之用；当空心管状的线圈(5)内部通入冷水时，空心管状的线圈(5 )整体变冷，起到降低坩埚(I)温度之用。所述的提纯炉中的坩埚(I)与静置炉(15)之间通过输料管道接通，从静置炉(15)引出的输料管道至少为一根，输料管道(7)上装有流量控制塞(6、14)和挡板(13)。所述结晶器(17)外壁空心管中通入冷却水或冷却气体，让结晶器(17)内形成特定温度场。本发明之所以能获得通过偏析法连续获得精铝及高纯铝，原因之一是主要通过保证坩埚(I)内的金属铝液总量，让从静置炉(15)流入的熔融金属铝液，使坩埚(I)偏析结晶排出的杂质，能迅速扩散到坩埚(I)内的熔融金属铝液中，坩埚(I)内铝液成分不会发生变化，保证坩埚内铝液成份的相对稳定性，避免偏析法杂质聚集层的存在，大大提高了提纯率。同时，直接从坩埚(I)流入到金属铝液面下的熔融金属铝液对坩埚(I)金属铝液也起到很好的搅拌作用，让偏析提纯过程中排出的杂质能被及时带走或带离偏析结晶区域，保证偏析结晶提纯区域金属铝成分的均匀稳定，整个偏析结晶提纯过程无需配备搅拌系统，极大降低了坩埚(I)保温过程的能量消耗，提纯后的铝液对后续的生产活动无影响。原因之二是本发明可将坩埚(I)放置在一个相对密封的提纯炉壳(10)内，保持提纯炉(9)内的相对环境气氛恒定，从而让拉制的偏析提纯铝质量不受影响。在坩埚(I)四周外壁包裹有空心管状铜线圈(5)，空心管状铜线圈(5)即做冷凝管又做保温线圈，让整个提纯过程中坩埚(I)内所需熔融金属铝液保持在一定温度范围内，以保证熔融金属铝液自身的流动性，源源不断的提供熔融金属铝液为偏析结晶提纯稳定的原料，配合滚轮提拉装置真正实现了连续化生产高纯铝，并极大的提高了生产效率。本发明随着铝晶体的不断生长，通过一个引晶头(22)夹住/卡住已结晶的铝晶体一端端头，将铝晶体引入到由摩擦引导轮(19)构成的滚轮拉晶装置，高纯铝的生产实现了真正的连续化，省了常规偏析提纯铝后切尾工序，提高了成品率。本发明生产高纯铝或精铝的过程由于生产速度相对于普通铝的生产来说非常缓慢，故其对后续生产的影响可以忽略不计。本发明方法整个提纯过程所需保温能量很少，且无需搅拌系统，提纯后的铝液对后续生产活动无影响，熔融铝液的流动保证了提纯原料成分的稳定性，在工艺条件一定的情况下很好的保证了产品成分的均匀性，该方法在极大的提高了生产效率的同时也提高成品率，且下拉或侧拉定向凝固提纯工艺不受提纯炉内气氛环境的影响。本发明生产工艺节省了庞大复杂的电磁搅拌装置，同时节省了大量电能，是真正的连续化提纯过程，整个提纯过程能耗低，产品成分稳定，成品率高。
图I本发明各部份连总体接关系的俯视方向示意图。图2本发明连续化生产高纯铝的结构示意图(以侧向定向凝固为例)。图3为图2结晶部分A-A方向剖面图。·
图中1坩埚、2观察孔、3冷却水出口、4保温层、5线圈、6流量控制塞、7连续铸轧或需连续供应铝液系统、8漏斗、9冷却水入口、10提纯炉炉壳、11热电偶、12过滤板、13挡板、14流量控制塞、15静置炉、16铝液流通主通道、17结晶器、18提纯后的铝晶体、19摩擦引导轮、20在线切割机、21引晶杆、22引晶头。
具体实施例方式本发明精铝及高纯铝连续偏析提纯的方法，其特征是将电解铝液或溶化后的金属铝液置入静置炉15内，从静置炉15中流出的熔融金属铝液经过安装在输料管道中的过滤板12后流向提纯炉中的坩埚I内，预设安装在提纯炉内的坩埚I中的热电偶11，实时测得提纯炉内的坩埚I中金属铝液温度，以确定金属铝液的保温温度、冷却功率及拉晶速度等工艺参数，控制铝液出口流量，让提纯炉内的坩埚I中熔融金属铝液的液面保持恒定，熔融金属铝液在坩埚I侧部或者下部的结晶器17完成定向凝固法并被冷却，冷却过程的熔融金属铝液发生连续偏析结晶，获得棒状的铝结晶体(即高纯铝或精铝)，随着铝晶体的不断生长，通过一个引晶头22夹住/卡住已结晶的铝晶体一端端头，将铝晶体引入到摩擦引导轮19构成的滚轮拉晶装置，牵引铝晶体以2-200mm/h的拉晶速度向前运动，达到设定长度后切割机20自动将铝晶体切断或下料，完成连续化偏析提纯生产高纯铝过程；所述精铝及高纯铝的连续偏析提纯结晶过程是在不断供给的流动的金属铝液中完成，流动铝液源源不断的提供连续偏析提纯原料；所述的拉晶方式根据场地情况可采用下拉或测拉的拉晶方式；所述的拉晶方式根据场地情况采用一个部位或者两个及两个以上部位同时拉晶的方式。所述的结晶器可以部分通入冷却水或冷却气体，让结晶器内铝进行结晶，并保持特定的温度梯度使铝在结晶温度点附近结晶；所述的提纯炉坩埚I中铝液保温温度为660°C -710 °C ;所述的拉晶速度为10-100mm/h ;所述的静置炉15中铝液温度为6700C -750O。以下是本发明具体操作步骤(I)引晶杆21及引晶头(22)归位到待拉晶位置。(2)打开挡板13在过滤挡板12的作用下使过滤过的铝液流入坩埚I中，调节流量控制塞14铝液流出坩埚的流量，使坩埚内的铝液保持固定量。(3)通过流量控制塞14的大小来调节坩埚内流量的大小，以增强或减弱搅拌效
果O(4)由热电偶11测量铝溶液的温度来确定启用线圈(5)的冷却或加热功能，最终使铝液温度保持在合适的温度范围内。(5)控制好铝液温度后，结晶器部分通入冷却水或冷却气体，使结晶器内铝进行结晶，并保持特定的温度梯度使铝在结晶温度点附近结晶，同时使摩擦引导轮19以某一速度均匀的拉晶。(6)高纯铝锭拉至一定长度后由在线切割机20进行在线下料。实施例I :静置炉内为熔融99. 85A1，静置炉流出的铝液温度为700°C，控制坩埚内铝液温度，使铝液在结晶器处的温度控制在710°C范围内，控制结晶器的冷却速度，确保铝液凝固界面处于结晶器入口处， 后以200mm/h的速率拉制晶体，铝晶体生长至一定长度后下料检测，铝的纯度可达到99. 95A1。实施例2 :静置炉内为熔融99. 85A1，静置炉流出的铝液温度为695°C，控制坩埚内铝液温度，使铝液在结晶器处的温度控制在678 °C范围内，控制结晶器的冷却速度，确保铝液凝固界面处于结晶器入口处，后以100mm/h的速率拉制晶体，铝晶体生长至一定长度后下料检测，铝的纯度可达到99. 98A1。实施例3 :静置炉内为熔融99. 85A1，静置炉流出的铝液温度为695°C，控制坩埚内铝液温度，使铝液在结晶器处的温度控制在670°C范围内，控制结晶器的冷却速度，确保铝液凝固界面处于结晶器入口处，后以10mm/h的速率拉制晶体，铝晶体生长至一定长度后下料检测，铝的纯度可达到99. 995A1。实施例4 :静置炉内为熔融99. 98A1，静置炉流出的铝液温度为695°C，控制坩埚内铝液温度，使铝液在结晶器处的温度控制在660°C范围内，控制结晶器的冷却速度，确保铝液凝固界面处于结晶器入口处，后以2mm/h的速率拉制晶体，铝晶体生长至一定长度后下料检测，铝的纯度可达到99. 9995A1。
权利要求
1.一种连续偏析提纯精铝及高纯铝的方法，其特征是包括以下步骤 ①将金属熔融铝或电解铝液直接置入静置炉(15)内，通过输送管和流量控制塞(14)，让从静置炉(15)中流出的熔融金属铝液直接进入坩埚(I)内盛装熔融金属铝液的液面之下，液面下的金属铝液出口为一个或多个； ②提纯炉(10)内放置安装有坩埚(1)，坩埚(I)中预设有热电偶(11)，以实时测得坩埚(I)中金属铝液温度，控制金属铝液出口流量，让坩埚(I)中熔融金属铝液的液面保持恒定; ③熔融金属铝液从坩埚(I)侧部或者下部安装有一个或多个结晶器(17)，熔融金属铝液在结晶器(17)部位被冷却，完成定向凝固结晶，冷却过程中熔融金属铝液发生连续偏析结晶，获得棒状的招结晶体，即闻纯招或精招； ④随着铝晶体的不断生长，通过一个引晶头(22)夹住或卡住已结晶的铝晶体(18)—端端头，以引晶头(22)—端连接的引晶杆(21)将提纯后的铝晶体(18)引入由数对摩擦引导轮(19)构成的滚轮拉晶装置，引导提纯后的铝晶体(18)以2-200mm/h的拉晶速度向前移动，达到设定长度后切割机(20)自动将提纯后的铝晶体切断，完成连续化偏析提纯生产高纯铝过程。
2.根据权利要求I所述的连续偏析提纯精铝及高纯铝的方法，其特征在于坩埚(I)中铝液保温温度为660°C — 710V ;铝晶体向前运动的速度为10 - lOOmm/h ;所述的静置炉(15)中铝液温度为670°C-750°C。
3.根据权利要求I或2所述的连续偏析提纯精铝及高纯铝的方法，其特征在于滚轮拉晶装置由两对或两对以上摩擦引导轮(19)，提拉过程由引晶头(22)、引晶杆(21)和摩擦引导轮(19 )共同完成，无行程限制，完成连续化生产。
4.一种生产连续偏析提纯精铝及高纯铝的设备，其特征在于提纯炉(10)为密封状箱体，提纯炉(10)顶部开的观察孔(2)，提纯炉(10)四周炉壁呈空心状，提纯炉(10)底部开有冷却水入口(8)，提纯炉(10)上部开有冷却水出口(3)，提纯炉(10)与坩埚(I)两者相互接触的底部装有保温层(4)。
5.根据权利要求3或4所述的连续偏析提纯精铝及高纯铝的设备，其特征在于坩埚(I)外壁圆周包裹有空心管状的线圈(5)，空心管状的线圈(5)通过控制器与电源连接并与冷水管联通，当空心管状的线圈(5)接通高频电流时，空心管状的线圈(5)发生电感应加热，作为坩埚(I)保温之用；当空心管状的线圈(5)内部通入冷水时，空心管状的线圈(5)整体变冷，起到降低坩埚(I)温度之用。
6.如权利要求3或4所述的连续偏析提纯精铝及高纯铝的设备，其特征在于提纯炉中的坩埚(I)与静置炉(15)之间通过输料管道接通，从静置炉(15)引出的输料管道至少为一根，输料管道(7 )上装有流量控制塞(6、14 )和挡板(13 )。
7.根据权利要求3或4所述的连续偏析提纯精铝及高纯铝的设备，其特征是所述结晶器(17)外壁空心管中通入冷却水或冷却气体，让结晶器(17)内形成特定温度场。
全文摘要
本发明涉及一种连续化偏析提纯精铝及高纯铝的方法及设备,属于铸造冶金领域。本发明主要特征是精铝及高纯铝的结晶在流动的熔融铝中完成，依托需连续供液的连续铸造、连铸连轧等生产线的供液系统，熔融铝由静置炉中流出的铝液提供，流动的铝液源源不断的提供了提纯原料，配合滚轮拉晶装置真正实现了连续化生产高纯铝。该方法整个提纯过程无需搅拌系统，极大降低了保温过程的能量消耗，提纯后的铝液对后续生产活动无影响，熔融铝液的流动保证了提纯原料成分的稳定性，在工艺条件一定的情况下很好的保证了产品成分的均匀性，该方法在极大的提高了生产效率的同时也降低了能耗，定向凝固提纯工艺不受提纯炉内气氛环境的影响。
文档编号C22B21/06GK102864314SQ20121040198
公开日2013年1月9日 申请日期2012年10月21日 优先权日2012年10月21日
发明者杨钢, 李玉章, 谭国寅, 赵伟, 方树铭, 汤皓元, 陈越, 闫洪, 岳有成 申请人:昆明冶金研究院