用于减少镁中杂质的方法、提纯的镁和锆金属生产的制作方法
【技术领域】
[0001] 本公开涉及用于减少镁中杂质的方法。本公开还涉及提纯的镁。本公开进一步涉 及使用镁作为还原剂制备锆金属的方法。
[0002] 发明背景
[0003] 目前镁金属的主要市场在于与铝的合金化。某些含镁铝合金的强度和轻重量使得 合金很好地适合用于各种航空和航天、汽车和电子零件。在精炼有色金属的工艺中，以及在 钛和锆金属的生产中，镁金属也常用作脱硫剂。在生产钛金属的著名的克罗尔（Kroll)工 艺中，根据下列方程式，通过在高温下与过量的液态镁反应，11(：1 4被还原为钛金属：
[0004] 2Mg (I) +TiCl4 (g) - 2MgCl2 (I) +Ti (s)
[0005] 氯化镁产物可进一步被精炼回镁。在还原过程中产生的多孔金属钛海绵可通过沥 滤或加热真空蒸馏提纯。
[0006] 自20世纪50年代以来，锆金属的工业生产已主要依赖镁作为还原剂的使用。在 典型的锆金属生产方法中，需要大约一份数的镁（按重量计）作为还原剂以根据克罗尔还 原工艺著名的改编由氯化锆（IV)(即，四氯化锆）产生一份数的锆金属海绵。考虑到生产 每单位锆金属克罗尔工艺需要的镁的重要的量，存在于镁中的任何杂质的至少一部分将掺 入锆产品中。因此，为了生产高纯的锆产品仔细地控制用于克罗尔工艺镁的质量是重要的。
[0007] 在锆生产中有很大关系的杂质包括，例如，铁、铝和氮，并且所有这些元素可作为 杂质存在于镁还原剂中。铁为用于镁精炼设备的构建的普通材料，并且尽管铁在熔融的镁 中具有相对低的溶解度（在800°c大约0.12重量％ (weight percent))，这种杂质水平依 然表示在通过克罗尔工艺生产的锆金属中铁杂质的重要潜在原因之一。镁还原剂中铝污染 物可来自夹带在镁生产中用作起始材料盐水中的铝硅酸盐。当液态镁接触环境空气时，氮 杂质可在镁中形成，并且尽管在镁精炼的过程中使用覆盖气体，但对于氮污染物的这种模 式仍存在显著的机会。
[0008] 锆生产，不像使用镁的许多其他工艺，需要满足对杂质水平的严格限制。最优质的 锆金属为高纯的并且未与其他元素成合金，并且实现这种水平的纯度要求起始材料的明智 的管理。作为例子，最优质的锆包含小于IOOOppm铁和小于IOOppm铝。由于开发新合金以 及随着时间推移锆客户寻求改善它们的产品，对锆的杂质限制预期变得甚至更限制性。因 为它与锆形成氮化物，所以氮在锆中为尤其有害的杂质。过度的氮可导致大的氮化锆区域， 其在锆熔化过程中不可溶并且可显著地降低产品质量。在铸造锆金属中的氮化锆掺杂物为 相对硬区域并且当锆金属工作时可为空隙和裂纹的来源。
[0009] 因此，提供用于减少镁中的杂质的方法将为有利的，所述镁在通过克罗尔工艺生 产锆金属中用作还原剂，从而提高锆金属产品的纯度。更一般地，提供用于减少镁中的杂质 的改善的方法将为有利的，所述镁提供用于任何终端用途。 发明概要
[0010] 本公开的一方面指向用于减少镁中杂质的方法。所述方法包括在容器中合并含锆 材料与包含不多于I. O重量％总杂质的熔融低杂质镁以提供混合物。将混合物保持在熔融 状态一段时间足以允许至少一部分的含锆材料与至少一部分的杂质反应并且形成金属间 化合物。从至少一部分的金属间化合物分离混合物中至少一部分的熔融镁以提供提纯的 镁。相比于低杂质镁，提纯的镁包含增大水平的锆，并且提纯的镁中锆水平大于lOOOppm。 相比于低杂质镁，提纯的镁还包含降低水平的除锆以外的杂质。
[0011] 本公开的另一方面指向用于减少镁中杂质的方法。所述方法包括在容器中合并至 少一种含锆材料与包含不多于1. 〇重量％总杂质的熔融低杂质镁以提供混合物，所述含锆 材料选自锆金属、四氯化锆、氧化锆、氮化锆、硫酸锆、四氟化锆、Na2ZrClf^P K 2ZrCl6。将混 合物保持在熔融状态至少30分钟以允许至少一部分的含锆材料与至少一部分的杂质反应 并且形成金属间化合物。从至少一部分的金属间化合物分离混合物中至少一部分的熔融镁 以提供提纯的镁，其中相比于低杂质镁，提纯的镁包含降低水平的除锆以外的杂质并且包 含大于IOOOppm错。
[0012] 根据本公开的进一步方面指向提纯的镁，其基本上由大于IOOOppm最高至 3000ppm锆、镁和附带的杂质组成。在一个非限制性的形式中，提纯的镁基本上由如下物质 组成：大于IOOOppm最高至3000ppm锆；镁；0重量％至0. 007重量％铝；0重量％至0. 0001 重量％硼；〇重量％至〇. 002重量％镉；0重量％至0. 01重量％铪；0重量％至0. 06重量％ 铁；〇重量％至〇. 01重量％锰；〇重量％至〇. 005重量％氮；0重量％至0. 005重量％磷；和 0重量％至0.02重量％钛。
[0013] 根据本公开的进一步方面指向生产锆金属的方法。所述方法包括：反应四氯化锆 与包含大于IOOOppm最高至3000ppm锆的镁还原剂以提供包含锆金属和氯化镁盐的反应产 物；以及从反应产物中分离至少一部分的锆金属。在所述方法的某些实施例中，镁还原剂基 本上由如下物质组成：大于IOOOppm最高至3000ppm锆；镁；0重量％至0.007重量％铝；0 重量％至〇. 0001重量％硼；〇重量％至〇. 002重量％镉；0重量％至0. 01重量％铪；0重 量％至0. 06重量％铁；0重量％至0. 01重量％锰；0重量％至0. 005重量％氮；0重量％至 〇. 005重量％磷；和0重量％至0. 02重量％钛。
[0014] 在考虑本发明某些非限制性实施例的下述详细描述时，读者应理解本发明的前述 细节和优势以及其他。在制备和/或使用本发明内的实施例时，读者还可领会本发明此类 另外的细节和优势。
【附图说明】
[0015] 通过参考附图可更好地理解本发明的特征和优势，其中：
[0016] 图1为绘制镁的铝含量（重量百分比）作为对在此讨论的某些镁提纯试验的沉淀 时间的函数的曲线图；
[0017] 图2为描述根据本公开用于提纯镁的方法的非限制性实施例的流程图；以及
[0018] 图3为用于实施根据本公开用于提纯镁的方法的装置的非限制性实施例的示意 图。 具体实施例
[0019] 本说明书中描述并阐明了各种实施例以提供对公开方法的步骤和使用的全面理 解。应理解，本说明书中描述并阐明的各种实施例为非限制性和非详尽的。因此，本发明不 被本说明书中公开的各种非限制性和非详尽的实施例的描述所限制。在适当的情况下，与 各种实施例有关的描述的特征和特性可与其他实施例的特征和特性组合。此类修改和变化 旨在包括在本说明书的范围内。这样，可修正权利要求以叙述在本说明书中清楚地或固有 地描述的或另外由本说明书清楚地或固有地支持的任何步骤、限制、特征和/或特性。此 夕卜，申请人保留修正权利要求的权利以肯定地放弃（disclaim)存在于现有技术中的步骤、 限制、特征和/或特性，无论此类特征是否在此明确地描述。因此，任何此类修正遵守35U. S. C.第112节第一段和35U. S. C.第132(a)的要求。本说明书中公开和描述的各种实施例 可包括如在此不同描述的步骤、限制、特征和/或特性、由如在此不同描述的步骤、限制、特 征和/或特性组成或基本上由如在此不同描述的步骤、限制、特征和/或特性组成。
[0020] 除非另有说明，否则任何专利、出版物或在此指出的其他公开材料以其全部内容 通过参考的方式并入本说明书，但参考程度仅限于并入的材料不与现有的定义、陈述或在 本说明书中清楚地阐明的其他公开材料冲突的程度。这样，且在必要的程度内，如在本说明 书中阐明的明确的公开代替以参考的方式并入在此的任何冲突材料。所述以参考的方式并 入本说明书，但与现有的定义、陈述或在此阐明的其他公开材料冲突的任何材料或其中的 部分仅在并入的材料和现有的公开材料之间不产生冲突的程度内并入。申请人保留修正本 说明书的权利以清楚地叙述以参考方式并入在此的任何主题或其中的部分。
[0021] 除非另有说明，否则语法冠词"一个（种）（one) "、"一个（a) "、一种（an) "、和"该"， 如果并且如在本说明书中使用，其旨在包括"至少一个（种）"或"一个（种）或多个（种）"。 因此，冠词在本说明书中用来指一个（种）或多于一个（种）（即，指"至少一个（种）"） 冠词的语法对象。通过举例的方式，"组分"意指考虑一种或多种组分，且因此，可能地，多于 一种组分被考虑和可被采用或用于所述实施例的实施中。此外，除非用法的上下文另有要 求，否则单数名词的使用包括复数，并且复数名词的使用包括单数。
[0022] 本说明书中公开和描述的各种实施例指向用于减少镁中杂质含量的方法。对于使 用在此描述的方法的实施例生产的提纯的镁金属的在此讨论的一个非限制性应用为作为 用于生产锆金属的克罗尔工艺