高纯铝定向凝固短流程提纯设备以及提纯方法
【专利说明】
[0001]技术领域:
本发明涉及一种高纯铝定向凝固短流程提纯设备，特别是涉及一种采用该高纯铝定向凝固短流程提纯设备进行高纯铝提纯的提纯方法，属于铝冶金提纯技术领域。
[0002]【背景技术】:
利用偏析法对铝进行提纯净化是工业化应用的工艺方法，偏析法提纯技术目前主要有分布结晶法、区域熔炼法和定向凝固法。定向凝固法又可分为冷却管凝固法、底部冷却法、侧壁冷却法、上部提升凝固法、横向凝固法等；定向凝固法具有能耗低、设备和工艺相对简单和实收率较高的优点，适用于大批量生产4N至6N的高纯铝，是高纯铝提纯技术的主要研宄发展方向。
[0003]经对现有技术检索发现，中国专利申请号:CN 201110224938.8中记载了一种“定向凝固提纯高纯铝的方法及其熔炼炉”，该定向凝固高纯铝的方法按以第一步选料、第二步熔炼、第三步凝固提纯、第四步获得成品进行，该熔炼炉包括炉壳、加热装置、容器、搅拌装置和冷却装置；在炉壳内固定安装有容器，在炉壳与容器之间自上而下间隔固定安装有不少于一个的加热装置；在容器下方的炉底安装有冷却装置；在冷却装置与炉壳之间安装有炉底测温装置。该发明方法具有能耗低、处理量大、效率高、产品纯度高的优点，可用于大批量生产5N至6N的高纯铝。但该发明在使用过程中存在一些不足:1、由于所有操作在单一炉体内完成，其加热、冷却效率比较低，生产周期延长，造成产能较低；2、由于提纯结晶体的生长方式由底部向上堆积，不利于杂质元素在末端的聚集，造成其提纯效率不高；3、提纯后结晶锭为了满足纯度的要求，需从尾部去除厚度的15%?70%，造成成品率不高。
[0004]
【发明内容】
:
本发明所要解决的技术问题是:针对现有技术存在的不足，提供一种高纯铝定向凝固短流程提纯设备以及提纯方法，具有流程短、能耗低、提纯效率和生产效率高的优点，可用于产业化生产4N至6N的高纯铝。
[0005]本发明为解决技术问题所采取的技术方案是:
一种高纯铝定向凝固短流程提纯设备，包括提纯装置和加热装置，所述提纯装置和加热装置各自独立，共同设置在一个大熔炼炉壳内部，所述提纯装置由外而内依次包括冷却装置、提纯导热层、提纯保温坩祸和搅拌装置，在所述提纯保温坩祸正上方设置有提纯炉盖，在所述提纯炉盖两侧分别设置有抽真空装置和测温装置，在所述提纯炉盖的下方对称设置有第一加热机构，所述搅拌装置位于所述提纯炉盖的轴心处可进行水平转动，所述提纯保温坩祸和提纯导热层的底部设置有冷却介质出口，所述冷却介质出口与外部循环水池相连接；所述加热装置位于所述提纯装置的一侧，所述加热装置由外而内依次包括绝热层、加热导热层和加热坩祸，在所述加热坩祸正上方设置有加热炉盖，在所述加热炉盖两侧分别设置有第二抽真空装置和第二测温装置，在所述加热炉盖下方设置有第二加热机构，所述加热坩祸底部设置有旋转平台，在所述旋转平台下面设置有旋转机构，所述旋转机构由传动机构带动旋转，进而带动加热坩祸及其内部物料进行转动。
[0006]所述旋转机构的转动连杆通过螺纹与所述旋转平台相连接；所述提纯导热层和加热导热层由高导热性石墨纤维编织而成，厚度为10?20mm ;所述冷却装置等距离环绕于所述提纯导热层四周。
[0007]采用上面所述的高纯铝定向凝固短流程提纯设备进行提纯的提纯方法，其具体步骤如下:
①将精炼后的原铝液熔体倒入提纯装置中的提纯保温坩祸内，闭合提纯炉盖，开启搅拌装置搅拌熔体，同时启动抽真空装置使提纯保温坩祸内形成真空；
②当原铝液熔体开始凝固后给第一加热机构通电，并缓慢提高功率，通过测温装置控制熔体温度在660°C?680°C之间，通过冷却装置对提纯导热层进行强制冷却，控制提纯保温坩祸内熔体固液界面的温度梯度在5°C?20°C之间，结晶2?4小时；
③当结晶结束后，关闭搅拌装置、第一加热机构和冷却装置，开启提纯炉盖，将提纯保温坩祸移出提纯装置后，倒出提纯保温坩祸内品位低的尾铝液，此时提纯保温坩祸内的固体即为已提纯的提纯铝固体；
④将上述温度在500°C?550°C的提纯保温坩祸移入带有绝热层的加热装置中的转动平台上，闭合加热炉盖，此时的提纯保温坩祸即为加热装置中的加热坩祸，提纯铝固体即为加热装置中的凝固铝固体；
⑤启动第二抽真空装置使加热坩祸内形成真空，开启第二加热机构来熔化所述的凝固铝固体，通过第二测温装置控制加热温度在750°C?800°C之间，使其保持在铝熔点之上；同时开启传动机构，传动机构通过旋转机构带动转动平台进行转动，使加热樹祸中的凝固铝固体在加热装置内旋转运动，加速凝固铝固体的熔化速度，有效降低熔化过程的氧化损失;
⑥将熔化后的高纯铝液连同加热坩祸再次放入提纯装置中，此时的加热坩祸即为提纯保温坩祸，重复步骤①?⑤，直至获得符合纯度要求的高纯铝固体。
[0008]所述提纯保温坩祸内铝液保温温度为660°C?680°C，凝固温度为650°C?660°C，凝固界面的结晶速率为4?8cm/h。
[0009]本发明的原理是在偏析法定向凝固提纯技术的基础上，在提纯装置中实施侧部强制冷却定向凝固提纯新工艺，合理控制固液界面流动速度，精确调整结晶温度和结晶速度；提纯完成后用倾动装置将尾铝液体排出体外，再将提纯铝固体和坩祸快速放入加热装置中，将高温凝固的提纯铝固体短时间内再次熔化，熔化后铝液在提纯装置中再次进行提纯；重复操作，直到获得符合纯度要求的高纯铝。
[0010]本发明在凝固提纯过程中，采用了恒温加热机构和冷却装置，精确控制凝固界面处熔体温度在660°C?680°C之间，保证固液界面具有稳定合适的5°C?20°C温度梯度，有效减少凝固界面处杂质富集层的厚度，使凝固层的纯度得以稳定提高。为了获得更高纯度的铝固体，将第一次提纯后温度在500?550°C的铝固体连同坩祸一起放入带有绝热层的加热装置中，坩祸置于旋转平台之上进行螺旋式自转，第二加热机构位于坩祸的上部，随着加热功率的提高，加热温度保持在750°C?800°C之间，带有温度的铝固体得到快速熔化，同时熔化的铝液随螺旋式自转运动不断涮刷着凝固铝固体，加快了铝固体的熔化速度。
[0011]本发明的定向凝固提纯过程是将坩祸放置在密闭的提纯装置内，抽真空装置使炉内环境保持真空状态，从而让整个提纯过程没有氧化和污染。
[0012]本发明优化了现有工艺中将提纯铝进行头部或尾部部分切除含杂质部分后获得高纯铝的工序，达到短流程、低能耗、高效率的生产效果。
[0013]本发明的搅拌装置为机械搅拌，搅拌桨位于提纯坩祸内，与凝固界面的距离保持在30?10mm ;也可采用电磁搅拌系统。
[0014]本发明的第一加热机构和第二加热机构均可采用电加热器，也可采用燃气加热系统。
[0015]本发明的冷却装置等距离环绕于提纯导热层四周，冷却介质无缝均匀覆盖提纯导热层侧部，冷却介质为水冷却，也可采用气体冷却，对应于熔体温度的高低进行自动控制，冷却水的流量为每秒0.5?10m3。
[0016]本发明采用提纯过程与加热过程分开操作的生产模式，将两者的工艺配置进行了更进一步优化，使提纯过程能够精确控制固液界面保持稳定的温度梯度，有效降低固液界面前沿熔体中杂质的浓度，从而控制凝固过程，保持较高的提纯效率和提纯质量；加热过程利用提纯后铝固体的余热，配合高保温的加热装置，在旋转系统的作用下，坩祸连同铝固体做自转运动，加速了铝固体的熔化，加热效率较常规加热可提高两倍以上。本发明极大地提高了生产效率，具有能耗低、处理量大、效率高、产品纯度高的优点。
【附图说明】
[0017]图1为本发明中高纯铝定向凝固短流程提纯设备的使用状态结构示意图。
[0018]图1中，各标号所表不的结构为:I 提纯装置，2 加热装置，3 提纯炉盖，4 揽样装置，5 提纯销固体，6 提纯保温樹祸，7 提纯导热层，8 尾销液，9第一加热机构，10冷却装置，11抽真空装置，12测温装置，13冷却介质出口，14绝热层，15加热炉盖，16旋转平台，17传动机构，18旋转机构，19---第二加热机构，20---恪炼炉壳，21---第二抽真空装置，22---第二测温装置，
50凝固铝固体，60加热坩祸，70加热导热层。
[0019]【具体实施方式】:
下面结合附图对本发明做进一步的解释和说明:
实施例1:参见图1，一种高纯铝定向凝固短流程提纯设备，包括提纯装置I和加热装置2，提纯装置I和加热装置2各自独立，共同设置在一个大熔炼炉壳20内部，提纯装置I由外而内依次包括冷却装置10、提纯导热层7、提纯保温坩祸6和搅拌装置4，在提纯保温坩祸6正上方设有提纯炉盖3，在提纯炉盖3两侧分别设置有抽真空装置11和测温装置12，在提纯炉盖3下方对称设置有第一加热机构9，搅拌装置4位于提纯炉盖3的轴心处可进行水平转动，在提纯保温坩祸6和提纯导热层7的底部设置有冷却介质出口 13，冷却介质出口 13与外部循环水池相连接；加热装置2位于提纯装置I 一侧，加热装置2由外而内依次包括绝热层14、加热导热层70和加热坩祸60，在加热坩祸60正上方设置有加热炉盖15，在加热炉盖15两侧分别设置有第二抽真空装置21和第二测温装置22，在加热炉盖15下方设置有第二加热机构19，在加热坩祸60底部设置有旋转平台16，在旋转平台16下面设置有旋转机构18，旋转机构18由传动机构17带动旋转，进而带动加热坩祸60及其内部物料进行