CN100587087C - 电磁复合场区域熔炼提纯金属的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电磁复合场下区域熔炼提纯金属的方法及其装置，属在电磁场作用下的金属分离及提纯工艺技术领域。本发明的特征是：将含有杂相金属元素的金属或合金置于电磁复合场中，利用电迁移区域熔化装置放置在一个磁力线方向与所施加电流方向相平行的磁场装置中，在磁场和电场的协同作用下，使杂相金属元素以相颗粒形式往阴极迁移，最终在金属或合金本体的下端获得提纯的纯金属。本发明中采用的磁场强度为0.1～20T(特斯拉)，电迁移的直流电流密度为10～100A/cm²。

Description

电磁复合场区域熔炼提纯金属的方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种电磁复合平行静磁场下提纯金属的方法及其装置，属在电磁场作用下的金属分离及提纯工艺技术领域。

背景技术

电迁移技术因其能改变凝固过程中的溶质分配系数，在复合了区域熔炼技术后可使金属中溶质分配系数接近1的杂质定向迁移，因此一直被视作制备高纯度金属的有效方法之一。但长期以来却只能用于提纯少量的珍贵材料，其中的一个主要原因是：要获得电迁移效果，所需的电流密度通常要达到10³A/cm²以上，这将导致显著的焦耳热效应，从而给试样提纯的操作及过程控制带来不便；此外，由于电流感生磁场进而在金属熔体中形成不均匀电磁力，在熔体产生紊流，这将显著恶化杂质原子的定向迁移效果；而且，通过电迁移提纯时，由于杂质原子扩散速度很慢，导致该技术提纯金属所需的周期也相对较长。

本发明将电迁移结合区域熔炼体系置于一个磁力线方向与所施加的电场方向相平行的磁场中，利用磁场对金属熔体中对流的抑制作用，降低电流诱导的挤压力效应而造成的对流，从而可以提高杂质原子的定向迁移速度；此外，通过控制区域熔炼过程，本发明将杂质原子以相的形式析出，利用磁场与电流流经颗粒附近的弯曲效应，在相颗粒前后形成不对称涡流，利用涡流形成的龙卷风抽吸效应，驱动杂质相颗粒快速向阴极迁移，从而大大提高杂质的去除效率；同时，由于杂质是固溶在相颗粒中迁移，不是受到电子风的动量传质而导致运动，因此所需的电流密度可以显著降低，这可以显著节省电迁移技术的能量消耗。

发明内容

本发明的目的是提供一种在电磁复合场作用下实现杂相元素的定向电迁移，以达到分离和提纯金属的方法及其装置。

本发明一种电磁复合场区域熔炼提纯金属的方法，其特征在于具有以下的过程和步骤：

将含有杂相金属元素的金属或合金置于电磁复合场中，即将电迁移区域熔化装置放置在一个磁力线方向与所施加电流方向相平行的磁场装置中，且区域熔化试样即所述的含有杂相金属元素的金属或合金在磁场中沿磁力线方向向下平稳移动，而金属或合金试样中的熔融区域将逆于金属或合金本体移动方向向上朝阴极方向移动；由于磁场和电场的协同作用，将杂相金属元素以相颗粒的形式往阴极迁移，最终在金属或合金本体的下端，即在靠近阳极处，获得去除杂相金属元素的纯净金属。

上述的磁场装置的磁体的磁感应强度要求为0.1～20T(特斯拉)；所述的电迁移区域熔化装置的直流电流密度要求为10～100A/cm²。

一种电磁复合场区域熔炼提纯金属的方法中所用的专用装置，该装置由高频感应电源、高频电流传输导线、水冷铜套、负极、刚玉管、合金圆棒试样、高频感应线圈、直流电源、直流电缆、抽拉滑板、抽拉轨道、超导磁体和正极组成；其特征在于：放置有合金圆棒试样的刚玉管放置在设有高频感应线圈的加热装置中，高频感应线圈通过高频电流传输导线与外部的高频感应电源相连；高频感应线圈的外侧设有一包围于它的超导磁体；水冷铜套设置在高频感应线圈的两端分别与负极和正极相连，上端的负极和下端的正极通过直流电缆与外部的直流电源相连接；合金圆棒试样的下部连接有可在抽拉轨道上作上下移动的抽拉滑板；通过该机构可使高频感应线圈内的刚玉管和合金圆棒试样整体共同向下移动；合金圆棒试样在高频感应线圈内侧形成区域熔化的熔区，该熔区在电磁场共同作用下将向上朝负极方向迁移。

所述的超导磁体的中心磁场强度为0.1～20T(特斯拉)；所述的直流电源供给的直流电流密度为10～100A/cm²；所述的高频感应电源供给的输出功率为2-50KW；合金圆棒试样的向下移动速度为1-1000微米/秒。

本发明的特点和优点如下：

1、由于本发明将电迁移装置结合区域熔炼并安置在一个强磁场装置中，通过一个平行的静磁场和区域熔炼，可使熔融金属中析出的大颗粒相在一定电流密度的直流电场下发生显著迁移，从而避免了已有技术中必须施加大的直流电流所带来的紊流和焦耳热问题。

2、本发明能明显提高液态金属中相颗粒的迁移速度，因此可以显著提高净化效率，缩短净化周期；另外，本发明方法有较高的去除金属杂质提纯金属的功效。

附图说明

图1为本发明的专用装置结构示意图。

具体实施方式

实施例一：本实施例中电磁复合场下区域熔炼提纯金属的方法主要通过其专用装置来实现的。

参见图1，本实施例中所用的专用装置由高频感应电源1、高频电流传输导线2、水冷铜套3、负极4、刚玉管5、合金圆棒试样6、高频感应线圈8、直流电源9、直流电缆10、抽拉滑板11、抽拉轨道12、超导磁体13和正极14组成；放置有合金圆棒试样6的刚玉管5放置在设有高频感应线圈8的加热装置中，高频感应线圈8通过高频电流传输导线2与外部的高频感应电源1相连；高频感应线圈8的外侧设有一包围于它的超导磁体13；水冷铜套3设置在高频感应线圈8的两端分别与负极4和正极14相连，上端的负极4和下端的正极14通过直流电缆10与外部的直流电源9相连接；合金圆棒试样6的下部连接有可在抽拉轨道12上作上下移动的抽拉滑板11；通过该机构可使高频感应线圈8内的刚玉管5和合金圆棒试样6整体共同向下移动；合金圆棒试样6在高频感应线圈8内侧形成区域熔化的熔区7，该熔区7在电磁场共同作用下将向上朝负极4方向迁移。

本实施例的具体运作过程如下所述：

采用Zn-1％Al(含Al质量分数为1％)的Zn-Al合金作为试样，该Zn-Al合金圆棒试样的直径为10mm，长度为150mm，将所述的Zn-Al合金圆棒试样6放置在刚玉管5中，将带刚玉管5的Zn-Al合金圆棒试样6安装在高频感应线圈8预先放置在超导磁体13的水冷铜套3的环形空间区域，该区域也是超导磁体13磁场均匀区，超导磁体13的中心磁场强度为10T(特斯拉)；通过直流电源9、电缆10、负极4和正极14，经Zn-Al合金圆棒试样6输入直流电流，其电流强度为50A/cm²；开启高频电源1，其输出功率为5Kw，使合金圆棒试样6在高频感应线圈8内侧形成区域熔化的熔区7；打开抽拉轨道12的驱动装置，驱动抽拉滑板11和合金圆棒6及外套刚玉管5整体向下移动；移动迁移速度为10微米/秒；相对而言，合金圆棒试样6中的熔区7将向上迁移，与此同时，熔区7中富含铝元素的初晶相α-Al(图中以标号15表示)在电流共磁场的共同作用下，将快速向阴极4方向迁移；随着合金圆棒试样6持续向下抽拉，则最终在Zn-Al合金圆棒试样6靠近阴极4的端部形成Al元素富集区，而靠近个圆棒6的下侧即初始熔化区侧，其Al元素浓度很低。若重复上述过程多次，则Zn-Al合金圆棒试样6的下端就能生成非常纯净的金属棒，达到了提纯金属锌的目的，至于上端的铝富集区，可用于进一步净化或者回炉处理。

Claims (2)

1.一种电磁复合场区域熔炼提纯金属的方法中所用的专用装置，该装置由高频感应电源(1)、高频电流传输导线(2)、水冷铜套(3)、负极(4)、刚玉管(5)、合金圆棒试样(6)、高频感应线圈(8)、直流电源(9)、直流电缆(10)、抽拉滑板(11)、抽拉轨道(12)、超导磁体(13)和正极(14)组成；其特征在于：放置有合金圆棒试样(6)的刚玉管(5)放置在设有高频感应线圈(8)的加热装置中，高频感应线圈(8)通过高频电流传输导线(2)与外部的高频感应电源(1)相连；高频感应线圈(8)的外侧设有一包围于它的超导磁体(13)；水冷铜套(3)设置在高频感应线圈(8)的两端分别与负极(4)和正极(14)相连，上端的负极(4)和下端的正极(14)通过直流电缆(10)与外部的直流电源(9)相连接；合金圆棒试样(6)的下部连接有可在抽拉轨道(12)上作上下移动的抽拉滑板(11)；通过该机构可使高频感应线圈(8)内的刚玉管(5)和合金圆棒试样(6)整体共同向下移动；合金圆棒试样(6)在高频感应线圈(8)内侧形成区域熔化的熔区(7)，该熔区(7)在电磁场共同作用下将向上朝负极(4)方向迁移。

2.根据权利要求1所述的一种电磁复合场区域熔炼提纯金属的方法中所用的专用装置，其特征在于所述的超导磁体的中心磁场强度为0.1～20T；所述的直流电源供给的直流电流密度为10～100A/cm²；所述的高频感应电源供给的输出功率为2-50KW；合金圆棒试样的向下迁移速度为1-1000微米/秒。