铝纯化

铝纯化
1.本发明涉及从金属除去杂质的方法。特别地，本发明涉及从铝合金分离铁的方法。
2.对于由废弃的铝(al)产品或废料生产铝的能量需求为10至20mj/kg，而由铝土矿矿石生产原铝的能量需求为约186mj/kg。这为促进al合金再循环以及再循环的al合金的使用提供了巨大的吸引力。遗憾地，在再循环过程期间，杂质元素，尤其是铁(fe)和硅(si)在合金中积聚，从而限制了再循环的al产品在诸如航空器的优质应用中的使用。铁是对于al合金再循环来说最具挑战性的杂质元素之一。源于精炼过程的fe杂质在重复再循环中逐渐积聚。通常认为fe具有最有害的作用，在凝固期间形成脆性的金属间化合物并且降低合金的机械性能。因此，必须严格控制al合金中的fe的水平。更重要地，fe极难从al合金除去。
3.用于减轻fe的不利影响或用于从al合金除去fe的方法是有限的。之前已经报道了间接方法(例如用原al稀释、元素中和和强烈剪切)。一种具体的方法(通过淤渣粒子(α
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al
15
(femn)3si2)分离来除去铁)已经得到很好发展，但是该方法只能用于基于al
‑
si的铸造合金，并且需要额外的锰(mn)以在完全液态下形成含fe和mn的淤渣粒子。然后，可以通过重力分离和过滤、离心分离或电磁分离来除去那些粒子(kim&yoon,j.mater.sci.lett.19(2000)253
‑
255)。为了使电磁分离方法起作用，含铁粒子需要在液体中自由流动，并受电磁力驱动而移动到预定位置。这需要在熔化的铝合金中形成含铁粒子。然而，具有这样的特性的粒子难以鉴别，并且工艺难以控制，这限制了该电磁分离技术应用于其他al合金。
4.us 8,673,048 b2描述了一种从铝合金除去铁杂质方法，所述方法使用磁场梯度将不同的液态或固态含铁相限制在熔化合金的预定区中，然后从熔体物理地分离富铁区。由于含铁相仅具有弱的磁性，因此为了使粒子“流动”，需要磁场梯度。然而，这种方法依赖于在铝合金熔化的同时存在的单独的含铁相的存在。
5.考虑到这些问题，设计了本发明。
6.根据本发明的第一方面，提供了一种用于从铝合金分离铁的方法，所述方法包括：
7.提供处于第一温度的铝合金的第一区域，在该第一温度所述铝合金部分熔化并且其内的任何含铁粒子完全熔化，并且提供处于第二温度的所述合金的第二区域，在该第二温度所述铝合金完全熔化，使得在第一区域和第二区域之间存在温度梯度；
8.在所述温度梯度的存在下向所述合金施加静态均匀磁场；和
9.将所述温度梯度和磁场保持足以使第一区域和/或第二区域的铁含量降低的时间段。
10.因此，本发明的方法与us 8,673,048 b2的方法的不同之处在于，本发明的方法使用均匀磁场，而不是磁场梯度。另外，本发明涉及将合金在两个不同区域中加热至不同的温度，从而在这两个区域之间获得温度梯度，而不是如us 8,673,048 b2所教导的那样将整个合金加热至单一温度。本发明的方法允许形成可以通过物理方法分离的富铁区。这避免了对于在液态下的含fe相的需求。
11.不受理论束缚，认为由于热电效应，不同温度的两个区域对于在固/液界面周围循环的电流的形成是必要的。在施加磁场的情况下，产生洛伦兹力(lorentz force)，该力将液态区域和部分熔化区域二者中的铁驱动到样品的另一区域(例如，在两个区域之间的界
面)，从而产生明显的富铁区。
12.本发明的方法相对于现有技术方法的一个优点在于，合金中不需要存在明显的含铁相。这意味着本发明的方法将有效地从所有类型的铝合金分离铁，而不是仅仅其中明显的含铁相已经与熔化铝共存的那些类型。相反，在本发明的方法中，温度梯度和均匀磁场的使用导致形成富铁的液态层。
13.可以将第一区域和/或第二区域中的铁含量降低到低于预定水平。将会理解，“预定水平”是所述方法的操作人员所需或认为可接受的铁含量的水平，并且再循环合金的某些应用将需要比其他应用更低的铁含量。因此，设想了技术人员将根据合金的后续用途来选择该预定水平。在一些实施方案中，第一区域和/或第二区域的预定水平可以小于0.8％、小于0.4％、小于0.2％、小于0.15％或小于0.1％(以重量计)。第一区域的预定水平可以与第二区域的预定水平相同，或者各个区域的预定水平可以不同。
14.在第一区域中，在铝合金部分熔化的第一温度提供铝合金。“部分熔化”将会被理解为合金处于其中固态晶粒和液态合金两者共存的半固态。同时，第一区域内的温度需要足够高，以将任何富铁粒子熔化为在固态晶粒周围的液体。
15.应当理解，第一温度将会取决于合金和其内的含铁粒子的组成。技术人员将能够确定适合于获得部分熔化状态的温度。例如，技术人员可以使用合金的公开相图或通过实验使用差示扫描量热法(dsc)确定该温度。
16.在一些实施方案中，在450℃至650℃、500℃至630℃、550℃至610℃、570℃至600℃或580至590℃的第一温度提供第一区域中的合金。
17.在第二区域中，在铝合金完全熔化的第二温度提供铝合金。将会理解，第二温度将会取决于合金的组成，并且技术人员将能够确定适合于获得完全熔化状态的温度。第二温度高于第一温度。
18.在一些实施方案中，第二温度为500℃至700℃、550℃至650℃、600℃至640℃或610℃至630℃(例如约620℃)。
19.考虑了使得能够在合金内形成完全液态区域和部分熔化区域的任何加热方法。在一些实施方案中，通过至少一个加热器形成温度梯度。在一些实施方案中，通过至少两个加热器形成温度梯度，一个加热器将合金的第一区域加热至第一温度，并且另一个加热器将合金的第二区域加热至第二温度。
20.在使合金达到第一温度和第二温度的同时可以施加磁场。备选地，可以在合金经受磁场之前，在第一温度和第二温度提供合金。
21.可以通过一个或多个永磁体或者一个或多个电磁体或超级磁体来诱导磁场。
22.将会理解，可以根据多种因素(包括所使用磁体的类型和可用于从合金分离铁的时间)来选择磁场的强度。在一些实施方案中，磁场的强度为0.1至25t、0.1至16t、0.5至12t、1至10t或2至8t。在一些实施方案中，磁场的强度为至少0.1、至少0.5或至少1t。
23.在一些实施方案中，将第一区域和第二区域加热至第一温度和第二温度，然后将加热和磁场一起保持足以使第一区域和/或第二区域的铁含量降低的时间段。
24.合金被加热并经受磁场的时间段将会取决于多种因素，包括合金的类型、磁场强度、合金的第一区域和第二区域的温度以及所需的合金铁含量降低。通过对第一区域和/或第二区域中的合金进行取样并测量其铁含量，技术人员将能够确定合适的时间段。如果铁
的量高于所需量，则可以继续将合金暴露于加热和磁场，直到铁含量降低到低于预定水平。
25.在一些实施方案中，将加热和磁场保持10分钟至10小时、15分钟至2小时或30分钟至1小时的时间段。在一些实施方案中，将加热和磁场保持至少10小时(例如多达24小时)。
26.在其他实施方案中，将第一区域和第二区域分别加热至高于第一温度和第二温度的温度，使得铝合金在第一区域和第二区域中都完全熔化。将第二区域加热至高于第一区域的温度的温度，使得在整个铝合金上存在温度梯度。然后在保持温度梯度的同时，将铝合金冷却，直至第一区域达到第一温度并且第二区域达到第二温度。在冷却铝合金的同时施加磁场。
27.通过完全熔化铝合金，然后冷却铝合金，同时保持其中第二区域处于比第一区域更高的温度的温度梯度，第一区域在第二区域之前开始凝固，从而提供其中铝合金部分熔化并且其内的任何含铁粒子完全熔化的第一区域以及其中铝合金完全熔化的第二区域。
28.通过将合金从更高的温度冷却来达到第一温度和第二温度，而不是加热至第一温度和第二温度，提供的额外优点在于，不需要保持对两个单独区域的加热以维持一个区域部分熔化并且另一个区域完全熔化(这可能是更难以控制的)。此外，需要更少的用于加热的能量以及更少的用于处理的时间，并且所述方法更灵活地进行设置。
29.在一些实施方案中，以受控速率冷却铝合金，从而优化其中第一区域部分熔化并且第二区域完全熔化的时间段。可以通过冷却系统或者通过一个或多个加热器的受控关闭来冷却合金。
30.在第一区域部分熔化并且第二区域完全熔化的同时向合金施加静态均匀磁场达一段时间从第一区域和第二区域驱动铁，从而导致形成富铁区。因此，两个区域中的铁的水平将是贫乏的。
31.因此，本发明的方法导致形成富铁区。在一些实施方案中，所述方法还包括从铝合金的剩余部分分离富铁区。
32.在一些实施方案中，在富铁层仍然处于液态形式的同时从铝合金分离该富铁层。例如，可以通过倒出、舀出、抽出、虹吸或任何其他便利技术从合金分离富铁区。
33.在其他实施方案中，所述方法还包括使合金完全凝固。可以通过使合金冷却例如冷却至室温而使其凝固。作为结果，在冷却之后有效地存在两个区：富铁区和贫铁区。贫铁区可以基本上没有含铁粒子。然后，这两个区可以通过物理方法例如通过机加工进行分离。
34.因此，在一些实施方案中，所述方法还包括在从合金分离富铁区之前使合金完全凝固。
35.根据本发明的第二方面，提供了一种用于从铝合金分离铁的方法，所述方法包括：
36.将铝合金的第一区域加热至铝合金部分熔化并且其内的任何含铁粒子完全熔化的第一温度，并且将合金的第二区域加热至铝合金完全熔化的第二温度；
37.向合金施加静态均匀磁场；和
38.将加热和磁场保持足以使第一区域和/或第二区域的铁含量降低的时间段。
39.根据本发明的第三方面，提供了一种用于从铝合金分离铁的方法，所述方法包括：
40.将铝合金加热至完全熔化状态，其中将合金的第二区域加热至比合金的第一区域更高的温度，使得在整个合金上存在温度梯度；
41.向合金施加静态均匀磁场；和
42.在保持温度梯度和磁场的同时冷却熔化的铝合金，直至合金完全凝固。
43.本发明的第一方面、第二方面和第三方面的方法可以使用第四方面的设备实施。
44.根据本发明的第四方面，提供了一种用于从铝合金分离铁的设备，所述设备包括：
45.至少一个加热器，其被布置成将第一区域中的铝合金加热至合金部分熔化的第一温度或者加热至比第一温度更高的温度，并且被布置成将第二区域中的合金加热至铝合金完全熔化的第二温度或者加热至比第二温度更高的温度；和
46.磁场发生器，其用于在整个合金上产生均匀磁场。
47.在一些实施方案中，所述设备包括被布置成在温度梯度下加热第一区域和第二区域的至少一个加热器。在其他实施方案中，所述设备包括两个加热器，其包括第一加热器和第二加热器，其中第一加热器被布置成加热第一区域中的合金，并且第二加热器被布置成加热第二区域中的合金。在其他实施方案中，提供了多个第一加热器和/或多个第二加热器。优选地，第一加热器的数量等于第二加热器的数量。所述设备可以包括两个、三个、四个或更多个第一加热器，以及两个、三个、四个或更多个第二加热器。在一些实施方案中，提供了两个第一加热器和两个第二加热器。
48.一个或多个加热器被构造成在合金内提供温度梯度。考虑了加热器的任何布置，条件是其适合于在合金内产生温度梯度。例如，第一加热器和第二加热器可以并排布置，或者布置为一个位于另一个的上方。
49.在一些实施方案中，所述设备可以包括一对间隔开的相对的第一加热器。可以提供一对相对的第二加热器，所述一对第二加热器中的每一个被布置为与相应第一加热器相邻(例如在上方、下方或近旁)。因此，第二加热器以与所述一对第一加热器相同的距离间隔开。以这种布置，容纳合金的容器可以位于这些第一加热器对和第二加热器对之间。
50.在一些实施方案中，至少一个加热器为环、管或隧道的形式。在使用时，容纳合金的容器可以放置在环、管或隧道内，使得一个或多个加热器一直围绕该容器延伸。这使得合金能够被均匀地加热。
51.在一些实施方案中，所述设备还包括冷却系统，用于以受控速率冷却铝合金。
52.在一些实施方案中，所述设备还包括用于容纳熔化合金的容器(如坩埚)。该容器可以由能够承受完全熔化合金所需的温度的任何材料(例如耐火材料)形成。
53.磁场发生器可以包括一对永磁体。磁体可以设置在铁轭内。
54.备选地，磁场发生器可以包括电磁体。
55.在一些实施方案中，所述设备还包括设置在加热器和磁场发生器之间的隔热层。这有助于在加热器产生足以熔化合金的大量热量的同时磁场发生器有效地运行。
56.在一些其他实施方案中，所述设备包括水冷板。水冷板可以插入在隔热层和磁场发生器之间。这进一步保护磁场发生器免受由加热器产生的热量的影响。
57.加热器和磁场发生器可以相对于(在使用时)容纳合金的容器是可移动的。例如，加热器和磁场发生器可以被构造成沿着容纳铝合金的细长容器(其可以保持固定)移动。在这样的实施方案中，加热器和磁场发生器(单独地或者作为一个单元一起地)可以放置在辊或轮上。在一些实施方案中，所述设备可以被构造成使容纳铝合金的细长容器在加热器之间和在一对磁体(其可以保持固定)之间通过。这些实施方案使得能够连续地分段处理大量的合金。
58.所述设备可以在线耦合到任何铸造技术中。铸造技术可以是挤压铸造、布里奇曼铸造(bridgman casting)、连续铸造、砂型铸造或高压压铸。
59.将会理解，在合适的情况下，以上做出的任何陈述可以等同地适用于本发明的第一方面至第四方面中的每一个。
60.现在将参照附图描述本发明的实施方案，其中：
61.图1是根据本发明一个实施方案的一种设备(在加热合金之前)的示意图；
62.图2示出了在加热合金之后的图1的设备；
63.图3示出了在将合金在温度梯度和磁场下保持一段时间之后的图1和2的设备；
64.图4是根据本发明实施方案的其中处理细长合金的一种设备的示意图；
65.图5a是根据本发明的方法的一个实施例，在已经将铝合金在温度梯度和磁场下保持一段时间之后的该铝合金的x射线断层分析图像的垂直剖面图；和
66.图5b是在冷却后的图5a的铝合金的显微镜图像。
67.图6是在再加工后的al
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4cu
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1fe铝合金的显微镜图像。
68.图1示出了一种用于从铝合金分离铁(fe)的设备10。设备10包括容纳铝合金14的坩埚12。铝合金14含有在该合金的晶界周围的富fe粒子或金属间化合物11的形式的fe污染物。
69.在坩埚12的每一侧，存在下加热元件16和上加热元件18。设备10还包括磁场发生器20，该磁场发生器20包括将在整个样品上产生横向磁场的相对的一对永磁体。在所示的实施方案中，磁场发生器20放置在加热元件16、18的外侧。为了将磁场发生器20保持低于在其工作温度，通过高性能的隔热层22将其与加热元件16、18分隔开。如果需要，也可以在隔热层22和磁场发生器20之间插入水冷板(未示出)。
70.现在将参照图2描述在使用时的设备。打开加热元件16、18以便加热在坩埚12内的铝合金14。下加热元件16将第一区域24中的合金加热至第一温度，该第一温度足以保持铝合金14处于其中固态晶粒和液态共存的半固体状态。上加热元件18将第二区域26中的合金14加热至使合金14完全熔化的第二温度。第一区域24中的温度也足够高以将富fe粒子11熔化成在合金14内的固态晶粒13周围的液体。因此，在整个合金上建立了温度梯度，从而形成液态区域26和半固态区域24，在其中fe粒子11完全重新熔化成液体。
71.参照图3，通过磁场发生器20提供静态均匀磁场，如箭头所指示的。将合金14在温度梯度和磁场下保持一段时间，从而使fe从熔化和半熔化区域24、26移动到区域24、26的界面。这导致在两个区域24、26之间形成富fe层28以及在这些区域中存在的fe的量的相应降低。然后可以例如通过倒出、舀出或抽出将富fe层28直接从液态合金除去。备选地，加热元件16、18可以以受控的方式断电或关闭，从而使合金冷却至室温并凝固。然后，可以从合金的其余部分分离所得到的富fe层，例如通过机加工分离。
72.图4示出了其中分阶段地处理合金114的细长样品的设备100。该设备包括在其中容纳细长合金样品114的坩埚112。在坩埚112的每一侧，存在下加热元件116和上加热元件118。一对相对的永磁体(未示出)设置在加热元件116、118的外侧。其内具有样品114的坩埚112相对于设备100是可移动的，如箭头所指示的。将会理解，容纳样品114的坩埚112可以在加热元件116、118和磁体固定的同时移动，或者加热元件116、118和磁体可以沿着坩埚112的长度移动。
73.在使用时，加热元件116、118加热样品114的设置在它们之间的部分，从而如之前所述在合金中形成第一区域和第二区域。施加静态均匀磁场，从而导致在这些区域之间形成富fe层。然后，使坩埚112相对于加热器116、118和磁体移动，使得样品114的经处理部分不再经受加热或磁场并且使其冷却，同时将样品114的下一部分容纳在加热元件116、118以及磁体之间，并且以相同的方式处理。重复该过程直到样品的整个长度都被处理。这导致在样品的整个长度上形成富fe带，然后可以如之前所述将其与凝固样品的其余部分分离。
74.实施例1
75.使用合金al
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7si
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3.5cu
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0.8fe(重量百分比)来测试本发明的方法。该合金在晶界周围形成板状β(al5sife)金属间化合物。将样品(1.8mm直径)在两个加热器下部分地熔化。样品上部区(完全熔化区域)中的温度为约620℃，而样品下部区(部分熔化区域)中的温度为约580至590℃。在保持这些区域的温度的同时，将样品在0.5t的稳定且均匀的横向磁场中保持25min。
76.如图5a中所示，观察到三个不同的层：(i)顶层
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完全熔化的合金；(ii)中间层
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富含铁；(iii)底层
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半固态合金(其中液体和固体共存的区域)。
77.在保持一段时间后，将样品在相同磁场下冷却至室温。如图5b中所示，在凝固之后，样品的底部部分(对应于图5a的部分熔化区域(iii))几乎没有板状β(al5sife)金属间化合物(体积分率为0.002)。在样品的顶部区(对应于图5a的顶部液态区域(i)和富铁层(ii))内形成显著更多的β金属间化合物，如箭头所指示的(体积分率为0.024)。这证实了在基于al
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cu
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si的合金中顺利分离了含铁的β相。
78.实施例2
79.使用合金al
‑
4cu
‑
1fe(重量百分比)来测试本发明的方法。将样品(1.8mm直径)以20℃/mm的温度梯度完全熔化，并为了温度均匀保持5分钟。之后，施加1t的横向磁场，并将样品在1t的磁场内以6℃/min冷却。结果表明，含fe金属间化合物(al3fe和al7cu2fe)聚集在样品的一侧(图6)。这证实了可以顺利地从基于al
‑
cu的合金分离fe。