CN101748281A - 高纯铝真空提纯装置 - Google Patents

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Abstract

一种铸造冶金技术领域的高纯铝真空提纯装置，包括：炉壳、熔化装置、凝固装置、绝热装置、电磁搅拌装置、下引机构和固定支架，其中：电磁磁搅拌装置、熔化装置和绝热装置依次由外而内固定设置于固定支架上，绝热装置包围在坩埚的外围，凝固装置位于熔化装置的下方并与熔化装置同轴固定设置，下引机构位于炉壳的底部并与凝固装置的下端相连，固定支架固定设置于炉壳内。本发明的晶体的最大生长速度可达27cm/h，4N纯铝经一次提纯，85％投入料的平均纯度可以达到5N以上，平均晶粒尺寸在150μm以下。

Description

高纯铝真空提纯装置
技术领域
本发明涉及的是一种铸造冶金技术领域的装置，具体是一种平均高纯度高于5N的高纯铝真空提纯装置。
背景技术
利用偏析法对金属尤其是铝进行提纯净化，是一种已经普遍工业化的工艺方法。法国PECHINEY公司的申请号为87100033的发明专利曾涉及此种工艺，用分步结晶法提纯金属特别是铝。将一定量的液体金属放入一个外部加热的容器内，金属液内还要侵入个内循环冷却体，结晶后，收集容器底部所形成的全部小晶体，用活塞加压，使小晶体结成大晶体。然后把容器倾斜，同时加压和加热，把含大量杂质的液体倒出来，将大晶体和金属液分开。但是，我们发现利用偏析法进行提纯，当晶体进一步继续生长时，析出元素在剩余的液相中累积，使得液固界面前沿熔体中杂质的浓度增加。根据公式，CE＝kEC0，其中C0-界面前沿的溶质浓度；CE-凝固后的固相的浓度；kE-溶质非平衡分配系数，界面前沿杂质元素的累积结果导致C0的值升高，在条件稳定时kE值保持不变，则固相的溶质浓度CE就相应地升高，其结果就是提纯的效果较差，后期凝固的铝锭杂质元素含量较高，再采取加压挤出法，也不能完全将杂质元素挤出。
经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN1388259记载了一种“高纯铝的真空连续体纯净化装置”，该装置利用带保温器的导液管，将液态铝吸入到结晶坩埚中，结晶时以圆柱状晶体平界面生长方式为主，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，控制真空度的大小，提纯后的纯度可达到5N5。该发明虽然结构合理，工艺先进，自动控制程度高，但系统过于复杂，影响提纯效率的因素太多，不易精确操控，且提纯后晶体中杂质分布状态易受多种因素的影响。
进一步检索发现，中国专利文献号CN2611388记载了一种“高纯铝真空提纯净化装置”，该技术以固体铝锭为原材料，在设备的上部加装旋转驱动系统，带动搅拌器对熔化后的熔体进行搅拌，促进偏析过程排出的杂质元素的扩散与分散，以期提高提纯效率。该装置虽然简化了工艺，降低了成本，但是在实际操作中发现机械搅拌无法精确控制坩埚内熔体的流场，溶质元素的扩散不好，提纯效率并不高，且搅拌器直接与熔体接触，容易造成熔体污染。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种高纯铝真空提纯装置，以固体4N铝锭为原材料，利用中频感应加热熔化，电磁搅拌控制坩埚中熔体的流场，促进偏析过程排出的杂质元素的扩散与分散，降低液固界面前沿熔体中杂质的浓度，从而控制凝固过程，提高提纯效率。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：炉壳、熔化装置、凝固装置、绝热装置、电磁搅拌装置、下引机构和固定支架，其中：电磁磁搅拌装置、熔化装置和绝热装置依次由外而内固定设置于固定支架上，绝热装置包围在坩埚的外围，凝固装置位于熔化装置的下方并与熔化装置同轴固定设置，下引机构位于炉壳的底部并与凝固装置的下端相连，固定支架固定设置于炉壳内。
所述的熔化装置包括坩埚和感应加热线圈，其中：坩埚置于感应加热线圈内并与凝固装置固定连接相接。
所述的凝固装置包括：刹式抱紧冷却器和结晶台，其中：刹式抱紧冷却器固定设置于结晶台外部，结晶台固定设置于熔化装置的下端。
所述的下引机构包括：传动单元和下引传动连杆，其中：下引传动连杆与炉壳密封连接，传动单元固定设置于炉壳底部并与下引传动连杆相连通。
本发明结构合理，工艺先进，操作简便，通过感应线圈电磁搅拌，无需直接接触溶液，减少污染，可在极短的时间内使溶液的温度均匀，实现溶液成分的均匀化，促进偏析过程排出的杂质元素的扩散与分散，降低液固界面前沿熔体中杂质的浓度，4N纯铝经提纯，85％投入料的平均纯度可以达到5N以上，提高提纯效率。刹式抱紧冷却器对剖成两半开合，通过外部弹簧推力抱紧在结晶台上，当工作开始后，凝固后的铝锭进入冷却区域，刹式抱紧冷却器抱紧在铝锭表面，增加传热能力，强制冷却，提高晶体保持平界面生长时的速度。
附图说明
图1为本发明结构示意图
图2为图1中A区域放大俯视图
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本发明主要包括：炉壳1、熔化装置2、凝固装置3、绝热装置4、电磁搅拌装置5、下引机构6和固定支架7，其中：电磁搅拌装置5、熔化装置2和绝热装置4依次由外而内固定设置于固定支架7上，绝热装置4包围在坩埚8的外围，凝固装置3位于熔化装置2的下方并与熔化装置2同轴固定，电磁搅拌装置5包围在熔化装置2的外围，下引机构6位于炉壳的底部，通过动密封的连杆15与炉壳1配合接入，固定支架7固定设置于炉壳1内。
所述的炉壳1为双层水冷壳体，炉壳1上接有真空接口16、冷却水接口和电源接口17。
所述的熔化装置2包括：坩埚8和感应加热线圈9，其中：坩埚8置于感应加热线圈9内，由固定支架7的上压板10压紧通过绝热垫片14与凝固装置3相接。绝热装置4包围在坩埚8外围。
所述的电磁搅拌装置5采用感应线圈电磁搅拌器13，感应线圈电磁搅拌器13装在感应加热线圈9外。
如图1和图2所示，所述的凝固装置3包括：刹式抱紧冷却器11和结晶台12，其中：刹式抱紧冷却器11对剖成两半开合，通过外部弹簧20推力抱紧在结晶台12上，结晶台12固定设置于坩埚8的下端；当工作开始后，凝固后的铝锭21进入冷却区域，刹式抱紧冷却器11抱紧在铝锭21表面。结晶台12为燕尾型。
所述的下引机构6包括：传动单元19和下引传动连杆15，其中：下引传动连杆15通过动密封与炉壳1配合，伸入到炉壳1内，传动单元19由螺钉固定于炉壳1下方并与下引传动连杆15相连通，结晶台12通过螺纹同下引传动连杆15相接。
所述的固定支架7包括：上压板10和支撑立柱18，其中：上压板10设置在支撑立柱18上。
工作时，接通真空接口16，接通冷却水管路。当真空度到5Pa时，接通感应加热线圈9电源，对坩埚8加热。将结晶台12与坩埚8底部的圆孔配合，形成坩埚8的底部。铝锭熔化后，接通感应线圈电磁搅拌器13电源，进行电磁搅拌。启动传动单元19，结晶台12滑动下移，凝固后的铝锭进入冷却区域，刹式抱紧冷却器11抱紧在铝锭表面，开始晶体生长的过程。结晶完毕，关闭加热电源，待铝锭下引脱离刹式抱紧冷却器11后，取出凝固提纯后的晶体。向上移动结晶台12堵住坩埚8的底部。坩埚8中加入铝锭，关闭炉门，开始下一个工作循环。
本实施例采用下引法生长方式，熔化坩埚8采用上粗下细的结构，与结晶台12配合的部分为变细的颈部。为了提高偏析出的杂质元素的扩散与分散，降低液固界面前沿熔体中杂质的浓度，在感应加热线圈9外设计加装电磁搅拌器13，通过电磁力控制坩埚8中液体的流动，避免直接与熔体接触，在极短的时间内使溶液的温度均匀，设定适当的搅拌强度，可以实现溶液成分的均匀化，促进偏析过程排出的杂质元素的扩散与分散，降低液固界面前沿熔体中溶质的浓度，从而控制凝固过程，提高提纯效率。与机械式搅拌相比，可进行少波浪的圆滑的搅拌，这样对减少金属表面的氧化损失有利。凝固系统采用刹式抱紧冷却方式，刹式抱紧冷却器11对剖成两半开合，通过弹性压力，抱紧在已经凝固的铝锭表面，改辐射导热为传导导热，提高导热效率，保证大尺寸铝锭生产速度，有利于提高生产效率。
本实施例经测试得到其晶体的最大生长速度可达27cm/h，4N纯铝经一次提纯，85％投入料的平均纯度可以达到5N以上，平均晶粒尺寸在150μm以下。

Claims (6)

1.一种高纯铝真空提纯装置，包括：炉壳、熔化装置、凝固装置、绝热装置、电磁搅拌装置、下引机构和固定支架，其特征在于：电磁磁搅拌装置、熔化装置和绝热装置依次由外而内固定设置于固定支架上，绝热装置包围在坩埚的外围，凝固装置位于熔化装置的下方并与熔化装置同轴固定设置，下引机构位于炉壳的底部并与凝固装置的下端相连，固定支架固定设置于炉壳内。
2.根据权利要求1所述的高纯铝真空提纯装置，其特征是，所述的熔化装置包括坩埚和感应加热线圈，其中：坩埚置于感应加热线圈内并与凝固装置固定连接相接。
3.根据权利要求1所述的高纯铝真空提纯装置，其特征是，所述的凝固装置包括：刹式抱紧冷却器和结晶台，其中：刹式抱紧冷却器固定设置于结晶台外部，结晶台固定设置于熔化装置的下端。
4.根据权利要求1所述的高纯铝真空提纯装置，其特征是，所述的下引机构包括：传动单元和下引传动连杆，其中：下引传动连杆与炉壳密封连接，传动单元固定设置于炉壳底部并与下引传动连杆相连通。
5.根据权利要求1所述的高纯铝真空提纯装置，其特征是，所述的炉壳为双层水冷壳体，炉壳上接有真空接口、冷却水接口和电源接口。
6.根据权利要求1所述的高纯铝真空提纯装置，其特征是，所述的电磁搅拌装置采用感应线圈电磁搅拌器，感应线圈电磁搅拌器装在感应加热线圈外。
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