CN110724825A - 一种基于纯铁滤材的气相镁纯化的方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于纯铁滤材的气相镁纯化的方法，所述方法采用纯铁滤材对镁蒸气进行过滤。纯铁一方面不会与镁蒸气进行反应，不会给体系带来新的杂质；另一方面，镁蒸气中的杂质Al、Mn与铁具有特殊的亲和性，能够与铁形成稳定的固溶体；同时纯铁能够作为镁蒸气中某些杂质形核的位点，降低形核能垒，使某些杂质提前沉积，脱除杂质。本发明提供的方法能够应用于工业化大规模的气相镁纯化中，通过提高温度来成数量级的提高镁纯化的生产效率，使镁原料中杂质Mn含量下降至10ppm以下、Al含量下降至10ppm以下、Ca含量下降至20ppm以下，同时可去除F、Cl、S等非金属杂质元素，得到纯度在99.99％以上的镁。

Description

一种基于纯铁滤材的气相镁纯化的方法与装置

技术领域

本发明属于金属镁纯化技术领域，具体涉及一种基于纯铁滤材的气相镁纯化的方法与装置。

背景技术

镁及镁合金是最轻的金属结构材料，其密度大约是铝合金的三分之二，钢铁的五分之一。因此，镁合金的重要应用之一便是用于汽车工业、轨道交通等领域的节能减重。除此以外，镁合金还具有良好的电磁屏蔽性能、优秀的生物相容性等优点，在更多功能领域也有光明的应用前景。目前镁纯化领域存在产品整体纯度低(仅为99.90％)，杂质元素种类多(主要含有Mn、Al、Ca、Si、Fe、Ni等)、含量波动大等痼疾。这些痼疾使镁合金的性能严重劣化，进而导致其实际应用远逊于预期。

目前常用的金属镁纯化方法有两种：熔剂精炼法和真空蒸馏法。前者的优点是可以实现原镁的大批量纯化，是目前工业粗镁纯化的主要方法。熔剂精炼法使用的主体熔剂只能是部分碱金属和碱土金属的卤化物，工厂最常用的熔剂的主要成分为MgCl₂、KCl、CaF₂等。精炼剂的除杂机理包括两方面：一是利用精炼剂对氧化物夹杂(MgO、SiO₂等)的良好润湿和吸附能力，通过静置沉淀实现氧化物夹杂与镁熔体分离；二是在熔体中，利用活泼金属杂质，如K、Na，与MgCl₂的生置换反应而去除比镁更活泼的金属杂质。由于原理上精炼剂就不与还原镁锭的Mn、Al、Fe、Ni、Ca等杂质元素发生作用，因此很难生产纯度大于99.95％，特别是国标Mg9995A标准及以上的镁。除此以外，精炼熔剂常常引入F、Cl、S等非金属杂质元素，这些杂质元素含量超过一定阈值之后，也会影响原镁的性能。

真空蒸馏法具有悠久的历史，其原理为利用Mg和大部分杂质元素饱和蒸气压差别大的特点，在合适温度和压强下使Mg蒸发，而主要杂质留在熔体中，实现镁与杂质分离。真空蒸馏法的优点是可以制备出纯度高达99.9999％(不计入Zn含量)超高纯镁。但是为了获得较高的纯度，蒸馏法一般在真空条件、接近Mg熔点(650-700℃)的蒸发温度下进行，因此其制备效率低；不同温区的结晶镁纯度不同，一般只有合适温度下的结晶镁才是高纯镁，因此其高纯镁收得率较低；为了获得超高纯镁(99.999％-99.9999％)，需要多次蒸馏，因此成本很高。基于上述原因，真空蒸馏法不能满足工业化大规模生产的需求。

此外，现有技术中纯化镁的方法也有采用滤材辅助除杂的气相沉积的方法，但是一般滤材采用不锈钢纤维或者是不锈钢纤维结合铜纤维的方法，不锈钢不适用于镁蒸气压过高的工况，适用于加热温度较低—低温升华的工况，因此镁纯化的效率低，高纯镁的产量极低。

发明内容

为了解决以上的技术问题，本发明提供一种基于纯铁滤材的气相镁纯化方法与装置，所述方法通过将镁气化为镁蒸气，然后通过纯铁滤材的方式，脱除镁蒸气中的杂质。

本发明的目的是提供一种基于纯铁滤材的气相镁纯化的方法。

本发明的另一目的是提供一种实现上述镁纯化方法的装置。

本发明提供的基于纯铁滤材的气相镁纯化的方法，包括以下步骤：

(1)将镁原料放置于密封的坩埚中的反应区，对坩埚内部进行抽真空处理；

(2)采用加热机构加热镁原料至产生镁蒸气，使镁蒸气通过纯铁滤材，在坩埚远离反应区的结晶器上冷凝得到高纯镁。

微量元素对镁及镁合金的耐蚀性能影响极大，铁(Fe)元素是工人的劣化镁合金腐蚀性能的毒化剂，铁在镁中的腐蚀容忍极限为170ppm，即纯镁中铁的元素含量超过170ppm其腐蚀速率便会成数量级地上升；而经过充分热处理，纯镁中铁的腐蚀容忍极限只有5ppm。在传统的理念中，镁纯化的过程中都尽量避免与铁容器及铁元素接触。而本发明打破传统的思维，通过热力学计算发现，纯铁的蒸气压极低，因此真空条件下，保持镁为镁蒸气的状态通过纯铁滤材时，纯铁并不会与镁蒸气发生反应，不会给体系带来新的杂质。从镁-铁相图来看，镁与铁之间不会形成任何中间金属，同时固溶度极低，因此纯镁和纯铁之间完全不亲和，镁蒸气在高温通过纯铁滤材时，不会因与铁发生作用而冷凝，金属镁不会损失。此外，纯铁与镁蒸气中的Al、Mn具有特殊的亲和性能，能够形成稳定的固溶体，从而将其脱除，并且纯铁能够作为镁蒸气中某些杂质的形核的位点，降低形核能垒，使某些杂质提前沉积，从而脱除镁蒸气中的部分杂质。

优选地，步骤(1)中，坩埚内部的真空度在20Pa以下。本发明提供的坩埚内的真空度在20Pa以下，能够保证提高纯化镁的效率。

优选地，步骤(2)中，所述加热的温度为700-1300℃。

包含有微量杂质的镁原料的熔程为650-700℃，本发明在20Pa以下的真空度下，设置坩埚中的温度为700-1300℃，包含杂质的镁原料能够变成镁蒸气，而铁作为滤材不会进入到镁蒸气体系，镁经过纯铁滤材之后，镁蒸气中的杂质能够与纯铁滤材之间形成良好的结合，杂质在纯铁滤材上能够得到相应的附着点，杂质被留在纯铁滤材中，镁蒸气进一步的上升至结晶区，在结晶器上进行冷凝，得到高纯镁。

进一步优选地，所述加热温度为800-1300℃。当体系中的温度在一定范围内升高，镁的蒸发的速率会呈指数升高，因此能够达到的提高生产的效率。

优选地，步骤(2)中，所述加热分为三段进行，其中第一段对坩埚设置有镁原料的反应区进行加热，温度为700-1300℃；第二段和第三段依次对坩埚中设置有纯铁滤材的杂质冷凝区进行加热，第二段的设置温度为700-1300℃，第三段的设置温度为700-800℃。本发明提供方法中，加热分为三段进行，第一段主要目的是加热镁原料，产生镁蒸气，第二段和第三段的目的一方面是对保持镁的蒸气状态，另一方面是加热纯铁滤材，使得纯铁滤材保证最佳的工作温度，有利于镁蒸气中杂质的去除。

优选地，步骤(2)中，所述加热分为三段进行，其中第一段对坩埚设置有镁原料的反应区进行加热，温度为1200-1300℃；第二段和第三段依次对坩埚中设置有纯铁滤材的杂质冷凝区进行加热，第二段的温度为1200-1300℃，第三段的温度为586-800℃。本发明采用的方法，一方面，能够以还原料球为镁源物料，也能够以纯度达不到99.99％的金属镁作为镁源物料。当以还原料球为镁源物料时，镁源物料需要进行化学反应，因此对镁源物料进行加热的温度需要达到1200℃以上，真空度在20Pa以下，在此温度和真空度下，还原料球能够发生反应，并且得到镁蒸气。

优选地，步骤(2)中，所述加热的温度为700-1050℃。进一步优选地，其中第一段对坩埚设置有镁原料的反应区进行加热，温度为700-1050℃；第二段和第三段依次对坩埚中设置有纯铁滤材的杂质冷凝区进行加热，第二段的温度为700-1050℃，第三段的温度为700-800℃。

本发明提供的镁源物料除了上述的还原料球还可以是含有杂质的金属镁，当以金属镁为镁源物料时，由于镁的熔点是649.85℃，沸点为1094.54℃，采用常规的真空蒸馏法一般在真空度为10Pa以下，750℃以下进行蒸发，而本发明可以对金属镁源物料的加热可以在750℃以上，1094.54℃以下，从而大大提高镁蒸发的速率，大大提高气相镁纯化的效率。

优选地，步骤(2)中，所述纯铁滤材的纯度为99.2％以上。滤材的纯度越高，对镁纯化越有利，高纯度的铁材在镁纯化的过程中不会给体系带来新的杂质，有利于得到纯度高的镁。本发明提供的纯铁滤材的纯度在99.2％以上，其中纯铁滤材中不含与镁发生反应的物质，也不含在工作条件下不稳定的物质。

优选地，步骤(2)中，所述纯铁滤材设置于坩埚中的杂质冷凝区，纯铁滤材的工作温度为700-917℃。

由于原料镁中的杂质种类较多，Ca、F、Al杂质遍布冷凝区的各个温度，且常相伴出现，765-832℃及更低温度下Mn冷凝物出现。在700-917℃下，镁中的大部分杂质能够在纯铁滤材上得到有效的脱除。利用纯铁对某些杂质元素特殊的亲和性而将其脱除的原理可以由简化的热力学计算来说明。通过假设初始化混合蒸气入参为：Mg 98.6mol，Al 0.1mol，Mn0.1mol，Ca 0.1mol，Zn 0.1mol。在体系中设置足量的固体纯铁(1mol)为滤材，分别在1000℃，900℃，800℃，700℃等温度下利用吉布斯自由能最低原理确定其平衡态组成。如图1所示，在1000℃、900℃、800℃下，铁能够与镁蒸气含有的杂质Mn、Al形成更加稳定的固溶体，根据计算，冷凝的物质为BCC-A2#1和FCC-A1#1结构的固溶体。其中BCC-A2#1和FCC-A1#1均为Strukturbericht命名规则下的晶体结构类型。这说明镁蒸气中的杂质Mn、Al能够在700-917℃的温度范围冷凝，通过与铁形成稳定的固溶体的形式从镁中脱除。镁蒸气中的其他杂质能够通过纯铁滤材提供的冷凝位点以及物理作用进行有效的脱除，因此本发明将纯铁滤材设置于700-917℃的温度范围内，对气相镁蒸气进行杂质脱除的方法能够保证得到的镁的纯度在99.99％以上。

本发明提供一种包含纯铁滤材的气相镁纯化的装置，包括电炉本体、坩埚、加热机构、热电偶和真空机构；

所述坩埚包括依次设置的反应区、杂质冷凝区和结晶区，

所述反应区设置有料斗，

所述杂质冷凝区设置有过滤组件，

所述过滤组件中设置有滤材，所述滤材为纯铁，

所述结晶区设置有结晶器；

所述真空机构设置于所述电炉本体的内部，所述坩埚设置于所述真空机构内部；

所述热电偶设置于所述坩埚的外壁；

所述加热机构设置于所述电炉本体内部对坩埚进行加热。

为了利用上述的纯铁滤材的气相镁纯化的方法实现纯化镁的目的，本发明提供一种配合上述方法使用的装置，在所述装置中的坩埚杂质冷凝区设置过滤组件，过滤组件中设置有纯铁滤材，此外还设置有实现镁气相化的加热机构，以及热电偶，保持系统真空度的真空机构，通过上述装置，能够保证纯化镁过程中合理的温度、真空度，能够保证纯化镁过程中，滤材对气相杂质中的脱除。

本发明提供的装置结构简单，适用于大规模的工业化生产，提高纯化镁的效率，具有极大的经济效益。

本发明提供的装置中的过滤组件能够拆卸，通过酸洗等方式能够去除滤材中附着的杂质，达到滤材重复多次使用的目的，降低生产的成本。

本发明提供的包含纯铁滤材的气相镁纯化的装置，优选地，所述滤材为泡沫金属铁、铁纤维或铁微球中的一种，所述滤材的纯度为99.2％以上。

本发明提供的包含纯铁滤材的气相镁纯化的装置，优选地，当滤材为泡沫金属铁时，所述泡沫金属铁的孔径在30ppi以下，当滤材为铁纤维时，所述铁纤维的孔径为100-400目，当滤材为铁微球时，所述铁微球的粒径为45-5000μm。

本发明提供的装置中的纯铁滤材一方面是与镁蒸气中的杂质特殊的亲和性，作为镁蒸气中杂质形核的位点，降低形核能垒，使杂质提前沉积，另一方面是滤材本身的物理拦截作用。不论是作为杂质的形核位点还是物理拦截，铁材都需要与镁蒸气有一个较大的接触面积才能够实现，而铁材采用泡沫金属铁、铁纤维或者铁微球的形式，都能够有效提高滤材与镁蒸气的接触面积，提高过滤的效率。

本发明提供的包含纯铁滤材的气相镁纯化的装置，优选地，所述结晶区有多个逐级设置的结晶器。

本发明提供的装置设置多个结晶器，多个结晶器逐级设置，在纯化镁的过程中，镁中的大部分杂质被滞留于杂质冷凝区的纯铁滤材中，但是锌并不能通过纯铁滤材脱除，经过多级结晶器的作用，有利于锌的脱除。

本发明提供的包含纯铁滤材的气相镁纯化的装置，优选地，所述加热机构包括第一加热组件、第二加热组件和第三加热组件；所述第一加热组件对坩埚的反应区进行加热；所述第二加热组件和第三加热组件对坩埚的杂质冷凝区进行加热。多段控温的目的在于精准控温，并延长合适滤材工作温度的长度。因此越多段的控温，温度梯度越精准，合适脱除杂质的物理空间更长，更有利于获得高纯镁。

本发明提供的包含纯铁滤材的气相镁纯化的装置，优选地，所述真空机构包括真空舱体、水冷法兰、端盖和抽真空组件；所述真空舱体设置于所述电炉本体内部；所述水冷法兰设置于所述真空舱体的两端；所述端盖设置于所述水冷法兰远离真空舱体的端部；所述抽真空组件能够对所述真空舱体内部进行抽真空处理；所述坩埚设置于所述真空舱体内部。

本发明通过第一加热组件、第二加热组件和第三加热组件对坩埚不同段进行加热，通过设置于坩埚外壁的热电偶对坩埚中的温度进行监控，并作为反馈调节坩埚的温度。位于两端的水冷法兰主要降低法兰接口的温度，保护法兰胶圈免受过热烧损，保持真空。除此以外，通过调节冷却水流量，也能间接调节结晶器的温度。

本发明提供的包含纯铁滤材的气相镁纯化的装置，优选地，所述坩埚由多段高纯石墨管件组装而成，两段管件之间通过插入式连接。本发明中的热电偶设置于高纯石墨管件的不同段上，对坩埚各段温度进行监控。

本发明所述的高纯石墨管件是以高纯石墨为原料制备得到，高纯石墨是指石墨的碳含量高于99.99％。

本发明的有益效果为：

1.本发明提供的基于纯铁滤材的气相镁纯化的方法，在特定的温度、真空度下，采用纯铁滤材对镁蒸气进行过滤。纯铁滤材在气相镁纯化过程中的应用打破传统镁纯化过程中尽量避免接触铁的技术偏见。本发明提供采用纯铁作为气相纯化镁方法中的滤材，纯铁一方面不会与镁蒸气进行反应，在热力学上与镁不形成更稳定的物质，不会给体系带来新的杂质；另一方面，镁蒸气中的Mn、Al与铁具有特殊的亲和性，能够与铁在较高的温度下形成稳定的固溶体，从而实现对一些杂质的脱除；同时纯铁能够作为镁蒸气中杂质形核的位点，降低形核能垒，使某些杂质提前沉积，从而脱除镁蒸气中的杂质。

2.本发明提供的方法能够应用于工业化大规模的气相镁纯化中，通过提高系统的温度来呈指数提高蒸发速率，从而能够成数量级的提高镁纯化的生产效率，且在工业化大规模的粗放生产前提下，本发明提供的方法能够使镁原料中杂质Mn含量下降至20ppm以下、Al含量下降至10ppm以下、Ca含量下降至20ppm以下，同时可去除F、Cl、S等非金属杂质元素，提高产品纯度，得到的镁的纯度在99.99％以上

3.本发明提供的方法简化生产工艺流程，Mn、Al、Ca、F、Cl等杂质主要在滤材上富集，无需设置多级塔盘，高纯镁的收得率显著提高，从而显著降低高纯镁的生产成本。

4.本发明提供的装置结构简单，适用于大规模的工业化生产，提高纯化镁的效率，具有极大的经济效益。本发明提供的装置中的过滤组件能够拆卸，通过酸洗等方式能够去除滤材中附着的杂质，达到滤材重复多次使用的目的，降低生产的成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为不同温度下冷凝物质的组成与含量的热力学计算结果示意图；

图2为实施例1提供的装置的结构示意图；

图3a为实施例6实验前滤材泡沫金属铁的扫描电子显微镜(SEM)的示意图(标尺为200μm)；

图3b为实施例6实验前滤材泡沫金属铁的扫描电子显微镜(SEM)的示意图(标尺为10μm)；

图4为实施例6实验前滤材泡沫金属铁的能谱色散X射线谱(EDS)的示意图；

图5a为实施例6实验后滤材泡沫金属铁的扫描电子显微镜(SEM)的示意图(标尺为200μm)；

图5b为实施例6实验后滤材泡沫金属铁的扫描电子显微镜(SEM)的示意图(标尺为10μm)；

图6为实施例6实验后滤材泡沫金属铁的能谱色散X射线谱(EDS)的示意图；

图7为实施例6实验后1-4号石墨管件内壁的扫描电子显微镜(SEM)的示意图；

图8为实施例6实验后1-4号石墨管件内壁的能谱色散X射线谱(EDS)的示意图；

图9为实施例6实验后6-8号石墨管件内壁的扫描电子显微镜(SEM)的示意图；

图10为实施例6实验后6-8号石墨管件内壁的能谱色散X射线谱(EDS)的示意图；

图11为实施例6得到的高纯镁的形貌图。

图中1、电炉本体；2、坩埚；3、加热机构；4、热电偶；5、真空机构；21、反应区；22、杂质冷凝区；23、结晶区；211、料斗；221、过滤组件；231、结晶器；31、第一加热组件；32、第二加热组件；33、第三加热组件；51、真空舱体；52、水冷法兰；53、端盖；54、抽真空组件。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

实施例1

如图2所示，一种包含纯铁滤材的气相镁纯化的装置，包括电炉本体1、坩埚2、加热机构3、热电偶4和真空机构5；

所述坩埚2包括依次设置的反应区21、杂质冷凝区22和结晶区23，

所述反应区21设置有料斗211，

所述杂质冷凝区22设置有过滤组件221，

所述过滤组件221中设置有滤材，所述滤材为纯铁，所述滤材为泡沫金属铁，泡沫金属铁的孔径为100ppi，铁的纯度为99.2％以上；

所述结晶区23设置有结晶器231；

所述加热机构3包括第一加热组件31、第二加热组件32和第三加热组件33；所述第一加热组件31对坩埚2的反应区21进行加热；所述第二加热组件32和第三加热组件33对坩埚2的杂质冷凝区22进行加热；

所述坩埚2由多段高纯石墨管件组装而成，两段管件之间通过插入式连接；其中坩埚2中的杂质冷凝区22由依次连接的1-8号高纯石墨管件组成，1号高纯石墨管件与反应区21连接，8号高纯石墨管件与结晶区23连接；所述过滤组件221设置于5号高纯石墨管件内；

所述真空机构5包括真空舱体51、水冷法兰52、端盖53和抽真空组件54；所述真空舱体51设置于所述电炉本体1内部；所述水冷法兰52设置于所述真空舱体51的两端；所述端盖53设置于所述水冷法兰52远离真空舱体51的端部；所述抽真空组件54能够对所述真空舱体51内部进行抽真空处理；所述坩埚2设置于所述真空舱体51内部；

所述真空机构5设置于所述电炉本体1的内部；

所述热电偶4设置于所述坩埚2的外壁；所述热电偶4设置于高纯石墨管件的不同段上，对坩埚2各段温度进行监控；

所述加热机构3设置于所述电炉本体1内部对坩埚2进行加热。

实施例2

一种包含纯铁滤材的气相镁纯化的装置，与实施例1不同的是所述泡沫金属铁的孔径为30ppi，所述过滤组件221设置于5号和6号高纯石墨管件之间。

实施例3

一种包含纯铁滤材的气相镁纯化的装置，与实施例1不同的是所述滤材为铁纤维，所述铁纤维的孔径为100-400目。

实施例4

一种包含纯铁滤材的气相镁纯化的装置，与实施例1不同的是所述滤材为铁微球，所述铁微球的粒径为45-100μm。

实施例5

一种包含纯铁滤材的气相镁纯化的装置，与实施例1不同的是所述滤材为铁微球，所述铁微球的粒径为4500-5000μm。

实施例6

一种利用实施例1的装置实现基于纯铁滤材的气相镁纯化的方法，包括以下步骤：

将213.8g工业还原料镁球放置于料斗211中，开启加热机构3，分别设置加热机构3第一加热组件31、第二加热组件32和第三加热组件33的温度为1300℃、1300℃，800℃，对原料进行还原，还原周期为120min，开启抽真空组件54，保持坩埚2中的真空度为10-20Pa，此时坩埚2中杂质冷凝区22中1-8号高纯石墨管件中，4号高纯石墨管件对应的温度为832-917℃，5号高纯石墨管件对应的温度为765-832℃，由于泡沫金属铁放置于5号高纯石墨管件内，因此其对应的温范围为832-917℃，经120min反应之后，收集结晶器231上的高纯镁。

经过120min的反应周期，收集8号高纯石墨管件上方结晶器231上的高纯镁，称量，得到的高纯镁的质量为35.198g。

实施例7

一种利用实施例2的装置实现基于纯铁滤材的气相镁纯化的方法，包括以下步骤：

将112.56g商品纯镁锭放置于料斗211中，开启加热机构3，分别设置加热机构3第一加热组件31、第二加热组件32和第三加热组件33的温度为1250℃、1250℃，800℃，对原料进行还原，还原周期为120min，开启抽真空组件54，保持坩埚2中的真空度为10Pa以下，此时坩埚2中杂质冷凝区22中1-8号高纯石墨管件中，5号高纯石墨管件对应的温度为765-832℃，6号高纯石墨管件对应的温度为683-765℃，由于泡沫金属铁放置于5号和6号高纯石墨管件之间，因此其对应的温范围为700-800℃，经120min反应之后，收集结晶器231上的高纯镁。

称量结晶器231上的高纯镁，得到的高纯镁的质量为109.323g。

对比例1

一种气相镁纯化的装置，与实施例1不同的是坩埚22中不设置滤材。

利用上述的装置进行镁纯化的方法，包括以下步骤：

将291.6g工业还原料镁球放置于料斗211中，开启加热机构3，分别设置加热机构3的第一加热组件31、第二加热组件32和第三加热组件33的温度为1250℃、1250℃，800℃，对原料进行还原，还原周期为120min，开启抽真空系统，保持坩埚22中的真空度为10-20Pa，经120min反应之后，收集结晶器231上的结晶镁。

称量结晶器231上的高纯镁，得到的高纯镁的质量为44.4g。

试验例

1.对实施例6和对比例1实验前后纯铁滤材、坩埚内壁石墨管件内壁的元素以及最终得到的镁进行取样表征分析。其中图3a和图3b为不同放大倍数下实施例6实验前滤材泡沫金属铁的扫描电子显微镜(SEM)图；图4为实施例6实验前滤材泡沫金属铁的能谱色散X射线谱(EDS)，对应成分的结果为表1。

表1实验前泡沫金属铁上的EDS成分分析表

从图3a、图3b的形貌上，在实验前，滤材泡沫金属铁的表面较为“干净”，从图4以及表1的结果分析可以看出，在实验前，滤材泡沫金属铁上的成分以铁为主，含有微量已经沉积在铁上的杂质，这些杂质微量的杂质并不会给气相镁体系带来新的负担。

图5a和图5b为不同放大倍数下实施例6实验后滤材泡沫金属铁的扫描电子显微镜(SEM)图；图6为实施例6实验后滤材泡沫金属铁的能谱色散X射线谱(EDS)，对应成分的结果为表2。

表2实验后泡沫金属铁上的EDS成分分析表

元素	质量百分比/wt.％	原子百分比/at.％
			O K	10.81	24.45
Mg K	3.32	4.94
			Al K	8.48	11.37
Cl K	0.43	0.44
			Ca K	34.77	31.4
Mn K	5.11	3.36
			Fe K	37.09	24.03

从图5a和图5b可以看出，实验之后滤材泡沫金属铁表面明显附着杂质，放大之后，可以看出，这些杂质呈纳米结构，可以推知这些杂质并不是来自原来炉料中的不规则粉尘颗粒，而是由于滤材泡沫金属铁的作用被滞留下来的杂质沉积。从图6和表2的结果可以看出，实验后滤材泡沫金属铁上的杂质主要以F、Ca、Al、Cl、Mn等为主。这说明本发明提供的装置以及方法能够有效脱除镁原料中的杂质。

图7为实施例6实验后设置于滤材泡沫金属铁之前(即高温方向，1-4号石墨管件)的石墨管件内壁冷凝杂质的扫描电子显微镜(SEM)形貌；图8为实施例6实验后设置于滤材泡沫金属铁之前的石墨管件内壁冷凝杂质的能谱色散X射线谱(EDS)；对比成分分析结果为表3。

表3 1-4号石墨管件上的EDS成分分析表

元素	质量百分比/wt.％	原子百分比/at.％
			O K	17.79	28.02
F K	24.11	31.98
			Mg K	1.13	1.18
Al K	15.48	14.46
			Si K	0.08	0.07
Cl K	0.48	0.34
			Ca K	30.43	19.14
Mn K	10.5	4.82

从图7的结果可以看出镁蒸气在经过滤材之前在坩埚的石墨管件内壁上，冷凝有大量的杂质富集，从相貌上看，这些杂质比较松散；从图8和表3的结果可以看出，这些物质含有F、Al、Si、Ca、Mn，Cl等多种镁原料中的杂质。

图9为实施例6实验后设置于滤材泡沫金属铁之后(即低温方向，6-8号石墨管件)的石墨管件内壁冷凝杂质的扫描电子显微镜(SEM)形貌；图10为实施例6实验后设置于滤材泡沫金属铁之后的石墨管件内壁冷凝杂质的能谱色散X射线谱(EDS)；对比成分分析结果为表4。

表4 6-8号石墨管件上的EDS成分分析表

元素	质量百分比/wt.％	原子百分比/at.％
			C K	23.58	32.85
O K	40.74	42.62
			Mg K	35.04	24.13
Al K	0.57	0.35
			Si K	0.08	0.05

从图9的结果可以看出镁蒸气经过泡沫金属铁的过滤之后，石墨管件内壁上仅有少量的杂质，相貌上这些杂质较为松散。从图10和表4的成分分析结果可以看出，镁蒸气经过泡沫金属铁的过滤之后，其石墨管件内壁上的成为一氧化镁为主，碳峰为粘样使用的碳胶，Al、Si含量相较经过泡沫金属铁之前大幅降低，低于EDS的可信探测区间，Mn已经探测不到。这说明本发明提供的装置和方法能够有效去除原料镁中的杂质。

收得的高纯镁形貌致密，有金属光泽，如图11所示。

对实施例6和对比例1得到的镁采用火花直读光谱仪对其成分进行检测，至少检测三个点，取平均值，结果见表5。

表5实施例6和对比例1得到的镁中的杂质含量检测结果

从表5的结果可以看出，采用本发明的装置以及实施例6提供的方法得到的镁的含量在99.992％以上，Fe、Si、Ni、Ti、Ca、Al、Pb、Cu等杂质元素均低于相应的设备检出限，Mn为2ppm、Sn为7ppm、Zn为30ppm。纯度达到原生镁锭Mg9999国家标准。而对比例1采用相同的方法，但是，在装置中不设置过滤材料泡沫金属镁，因此得到的镁的纯度为99.897％，其Ca、Al、Si、Mn等元素含量较高，达不到高纯镁的要求。这充分说明采用本发明提供的装置以及方法能够充分脱除镁原料中的杂质，得到高纯镁。

2.对实施例7采用得到的镁以及纯化前的镁原料采用火花直读光谱仪对其成分进行检测，至少检测三个点，取平均值，结果见表6。

表6实施例7中镁原料和得到的镁中的杂质含量检测结果

从表6的结果可以看出，实施例7中镁原料中镁的纯度为99.911％，其中含有Fe、Si、Ni、Ti、Ca、Al、Pb、Cu等杂质；经过实验之后，得到的镁的纯度为99.991％以上，Fe、Si、Ni、Ti、Ca、Al、Pb、Cu等杂质元素均低于相应的设备检出限；Mn为7ppm、Sn为6ppm、Zn为30ppm。纯度达到原生镁锭Mg9999国家标准。这进一步说明了本发明就算是采用纯度比较高的商品纯镁锭为原料，也能够在本发明提供的装置下采用本发明的方法将其中少量的杂质进行有效脱除，得到高纯镁。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于纯铁滤材的气相镁纯化的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将镁原料放置于密封的坩埚中的反应区，对坩埚内部进行抽真空处理；

(2)采用加热机构加热镁原料至产生镁蒸气，使镁蒸气通过纯铁滤材，在坩埚远离反应区的结晶器上冷凝得到高纯镁。

2.根据权利要求1所述的基于纯铁滤材的气相镁纯化的方法，其特征在于，步骤(1)中，坩埚内部的真空度在20Pa以下。

3.根据权利要求1所述的基于纯铁滤材的气相镁纯化的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述加热的温度为700-1300℃。

4.根据权利要求3所述的基于纯铁滤材的气相镁纯化的方法，其特征在于，步骤(2)所述加热分为三段进行，其中第一段对坩埚设置有镁原料的反应区进行加热，温度为700-1300℃；第二段和第三段依次对坩埚中设置有纯铁滤材的杂质冷凝区进行加热，第二段的设置温度为700-1300℃，第三段的设置温度为700-800℃。

5.根据权利要求4所述的基于纯铁滤材的气相镁纯化的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述纯铁滤材设置于坩埚中的杂质冷凝区，纯铁滤材的工作温度为700-917℃。

6.一种包含纯铁滤材的气相镁纯化的装置，其特征在于，包括电炉本体、坩埚、加热机构、热电偶和真空机构；

所述坩埚包括依次设置的反应区、杂质冷凝区和结晶区，

所述反应区设置有料斗，

所述杂质冷凝区设置有过滤组件，

所述过滤组件中设置有滤材，所述滤材为纯铁，

所述结晶区设置有结晶器；

所述真空机构设置于所述电炉本体的内部，所述坩埚设置于所述真空机构内部；

所述热电偶设置于所述坩埚的外壁；

所述加热机构设置于所述电炉本体内部对坩埚进行加热。

7.根据权利要求6所述的包含纯铁滤材的气相镁纯化的装置，其特征在于，所述滤材为泡沫金属铁、铁纤维或铁微球中的一种，所述滤材的纯度为99.2％以上。

8.根据权利要求7所述的包含纯铁滤材的气相镁纯化的装置，其特征在于，当滤材为泡沫金属铁时，所述泡沫金属铁的孔径在30ppi以下，当滤材为铁纤维时，所述铁纤维的孔径为100-400目，当滤材为铁微球时，所述铁微球的粒径为45-5000μm。

9.根据权利要求6所述的包含纯铁滤材的气相镁纯化的装置，其特征在于，所述加热机构包括第一加热组件、第二加热组件和第三加热组件；所述第一加热组件对坩埚的反应区进行加热；所述第二加热组件和第三加热组件对坩埚的杂质冷凝区进行加热。

10.根据权利要求6所述的包含纯铁滤材的气相镁纯化的装置，其特征在于，所述真空机构包括真空舱体、水冷法兰、端盖和抽真空组件；所述真空舱体设置于所述电炉本体内部；所述水冷法兰设置于所述真空舱体的两端；所述端盖设置于所述水冷法兰远离真空舱体的端部；所述抽真空组件能够对所述真空舱体内部进行抽真空处理；所述坩埚设置于所述真空舱体内部。

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