CN112921187B - 一种高纯铝的纯化方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种高纯铝的纯化方法，属于金属铝的提纯技术领域。纯化方法包括：在坩埚外加热使铝原料熔融成熔融铝液；将冷却管浸入熔融铝液中，向冷却管中通入冷却介质，使得高纯铝在冷却管表面析出，得到析出层；当析出层在冷却管的径向上的厚度达到第一预设厚度时，采用分离件围绕冷却管的轴线转动，以对熔融铝液进行搅拌；当析出层在冷却管的径向上的厚度达到第二预设厚度时，取出冷却管。其能够有效改善纯化率。

Description

一种高纯铝的纯化方法

技术领域

本申请涉及金属铝的提纯技术领域，具体而言，涉及一种高纯铝的纯化方法。

背景技术

现有技术中，分步结晶法是常见的金属铝的偏析提纯方法。分步结晶法中将冷却管插入熔融铝中，然后通过旋转冷却管提高溶质的扩散效果，使得生产效率较高。但是，随着晶析的进行，由于熔融铝中杂质含量增加，导致难以再有效晶析得到高纯铝，使得该方法的纯化率较低。

发明内容

本申请的目的在于提供一种高纯铝的纯化方法，能够有效改善纯化率。

本申请的实施例是这样实现的：

本申请实施例提供一种高纯铝的纯化方法，纯化方法包括：

在坩埚外加热使铝原料熔融成熔融铝液。

将冷却管浸入熔融铝液中，向冷却管中通入冷却介质，使得高纯铝在冷却管表面析出，得到析出层。

当析出层在冷却管的径向上的厚度达到第一预设厚度时，采用分离件围绕冷却管的轴线转动，以对熔融铝液进行搅拌。

当析出层在冷却管的径向上的厚度达到第二预设厚度时，取出冷却管。

本申请实施例提供的高纯铝的纯化方法，有益效果包括：

在坩埚外加热，然后在熔融铝液中插入冷却管，使得熔融铝液中的温度从坩埚的内表面朝向冷却管的方向梯度降低，该单向凝固的方式保证有较高的纯化率。

研究发现，随着晶析的进行，仅仅通过温度梯度实现单向凝固将不能再很好地保证有效晶析得到高纯铝，而通过分离件绕冷却管对熔融铝液进行搅拌，分离件可以使析晶物和熔融铝边界上存在的浓化层(即伴随晶析被排出有杂物的偏析层)变薄，以使得杂质进一步往外周部扩散，进而使得晶析对象熔融铝液的浓化现象得到改善，有利于保证晶析得到高纯铝，使得纯化率能够进一步提高1～2％。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

需要说明的是，本申请中的“和/或”，如“特征1和/或特征2”，均是指可以单独地为特征1、单独地为特征2、特征1加特征2，该三种方式。

另外，在本申请的描述中，“以上”、“以下”是包含本数的；“数值a～数值b”的范围包括两端值“a”和“b”，“数值a～数值b+计量单位”中的“计量单位”代表“数值a”和“数值b”二者的“计量单位”。

下面对本申请实施例的高纯铝的纯化方法进行具体说明。

本申请实施例提供一种高纯铝的纯化方法，包括：

第一阶段：在坩埚外加热使铝原料熔融成熔融铝液。将冷却管浸入熔融铝液中，向冷却管中通入冷却介质，使得高纯铝在冷却管表面析出，得到析出层。该冷却介质例如为冷却气体，使得其操作方便、可控性好。当然，在其他实施方式中，该冷却介质也可以选择冷却液。

在本申请的实施例中，在坩埚外加热，然后在熔融铝液中插入冷却管，使得熔融铝液中的温度从坩埚的内表面朝向冷却管的方向梯度降低，该单向凝固的方式保证有较高的纯化率。

第二阶段：当析出层在冷却管的径向上的厚度达到第一预设厚度时，采用分离件围绕冷却管的轴线转动，以对熔融铝液进行搅拌。当析出层在冷却管的径向上的厚度达到第二预设厚度时，取出冷却管。

可以理解的是，在本申请的实施例中，第二阶段中采用分离件进行搅拌和取出冷却管是先后进行的，所以第二预设厚度是大于第一预设厚度的。

在一些示例性的实施方案中，第一预设厚度为第二预设厚度的1/2～2/3，例如但不限于为1/2、7/12和2/3中的任意一者或者任意两者之间的范围。

研究发现，随着晶析的进行，特别是当析出层的厚度达到目标晶析厚度的1/2～2/3时，仅仅通过温度梯度实现单向凝固将不能再很好地保证有效晶析得到高纯铝，使得纯化的生产性受到影响。

关于第一阶段：

在一些可能的实施方案中，冷却气体的通气量为100～800L/min，或300～500L/min，例如但不限于为100L/min、200L/min、300L/min、400L/min、500L/min、600L/min、700L/min或800L/min。冷却气体的温度为-20～10℃，或-10～0℃，例如但不限于为-20℃、-15℃、-10℃、-5℃、0℃、5℃或10℃。控制该通气量和供冷温度，使得熔融铝液在冷却管表面有合适的晶析速度。

在一些示例性的实施方案中，冷却管的外壁的横截面的形状为圆形，该冷却管的外部轮廓呈圆柱状，其在纯化过程中轴线沿竖直方向延伸。定义冷却管的外壁的横截面的面积为A，坩埚的内侧壁的横截面的面积为B，A与B的比值为1:(10～15)，例如但不限于为1:10、1:11、1:12、1:13、1:14或者1:15。

研究发现，在单向凝固的过程中，虽然提高了纯化率，但是抑制了凝固速度，使得纯化方法和分步结晶法相比生产性受到影响，导致单位时间内的析晶量降低。按照上述形状和横截面积比配置冷却管和坩埚，使得本申请的纯化方法的生产性好，保证本申请的纯化方法在具有较高的纯化率的同时具有较高的析晶速率。当A值相对B值较小时，例如当A与B的比值为1:18时，冷却面积较小，使得熔融铝液凝固所需要的热转移不能充分地进行，在导致生产性降低的同时，还会导致纯化率降低约5％；当A值与B值的比值大于1:10时，生产性基本不再升高，但是冷却管的成本提高。

进一步的，在坩埚外加热使铝原料熔融成熔融铝液的步骤之后，且在将冷却管浸入熔融铝液中的步骤之前，还包括：将熔融铝液的温度控制在铝原料液相线温度以上且720℃以下。

将熔融铝液按照上述温度条件进行控制，配合冷却气体的通气量要求以及冷却管与坩埚的横截面的比例要求，使得坩埚的内壁到冷却管的表面具有合适的温度梯度。

在一些可能的实施方式中，可选的，铝原料的纯度在3N8以上，铝原料的上述纯度要求与冷却气体的通气量要求以及熔融铝液的温度控制要求匹配性好，保证能够较好地纯化得到纯度在5N以上是高纯铝。可以理解的是，纯度在3N8以上是指纯度在99.98％以上，纯度在5N以上是指纯度在99.999％以上。

在另一些可能的实施方式中，可选的，铝原料的纯度在2N7以上，在该情况下，纯化中使用的原料还包括硼原料；作为一种示例，在纯化过程中，将硼原料添加到熔融铝液中。铝原料的上述纯度要求与冷却气体的通气量要求以及熔融铝液的温度控制要求匹配性好，同时通过向熔融铝液中添加硼原料减少熔融铝液中的钛含量，保证能够较好地纯化得到纯度在5N以上是高纯铝。可以理解的是，纯度在2N7以上是指纯度在99.7％以上。

需要说明的是，在本申请的实施例中，最终能够得到纯度在5N以上的高纯铝，并不是指只需一次纯化操作即可实现。在纯化工艺中，可以根据需要反复进行多次纯化操作，并在最终得到纯度在5N以上的高纯铝。

在一些可能的实施方案中，坩埚为圆柱形坩埚；圆柱形坩埚是指侧壁为圆环状且底部内壁为平面的坩埚，其仅与内侧壁连接处具有较小的圆角。

采用圆柱形的坩埚，当冷却管插入深度较大使得冷却管的底部和坩埚底部内壁之间的距离较小时，冷却管的底部与坩埚的内侧壁之间能够保留一致的距离，且冷却管的底部与坩埚的内侧壁之间也保留有较大的距离；而当采用底部内壁为球盖状弧面的坩埚时，冷却管的底部的与坩埚的内侧壁的最低点距离较小时，冷却管的底部与坩埚的内侧壁的弧形面的距离还会进一步变小。因此，当需要将冷却管插入熔融铝液至距离坩埚的最低点一定距离时，采用圆柱形坩埚的情况和采用弧形底部的坩埚相比，能够保证冷却管的底部与坩埚底部具有较大且较一致的距离，使得晶析物的形状能够得到改善，从而能够提高冷却管约5％的析晶量。

冷却管与坩埚的内侧壁之间的距离在150mm以上，示例性的，冷却管的轴线与坩埚的轴线共线。保证冷却管与坩埚的内侧壁之间具有合适的距离，为析晶提供合适的空间。

可选的，冷却管与坩埚的底部内壁之间的距离在50mm以上，作为示例为50～70mm，或为50～60mm，例如为50mm，使得冷却管具有较大的插入深度，为析晶提供较大的生长空间。而研究还发现，控制在上述插入深度，采用圆柱形坩埚的情况和采用弧形底部的坩埚相比，冷却管的浸入深度增加了约10％，使得冷却管的析晶量能够进一步再提高10～15％。

关于第二阶段：

可以理解的是，在本申请的实施例中，第一预设厚度和第二预设厚度根据坩埚的内径相关。作为一种示例，第二预设厚度由坩埚的内径以及冷却管同坩埚内壁之间的距离确定，第一预设厚度由第二预设厚度以及二者之间的比例要求确定。

示例性的，当第二预设厚度为70mm以上时，作为示例为70～90mm，或70～80mm，例如但不限于为70mm、75mm或者80mm。适应性地，第一预设厚度为40mm以上，作为示例为40～60mm，或50～60mm，例如但不限于为40mm、45mm、50mm、55mm或者60mm。

在一些可能的实施方案中，分离件的转速为30～100rpm，例如但不限于为30rpm、40rpm、50rpm、60rpm、70rpm、80rpm、90rpm或者100rpm。该转速与冷却气体的通气量匹配性好，保证有合适的搅拌效果，从而保证能够有效地将纯化率进一步提高。

示例性的，当析出层在冷却管的径向上的厚度达到50～60mm时，或者达到60mm时，将分离件插入熔融铝液中，然后开始采用分离件进行搅拌。

需要说明的是，在本申请的实施例中，若未明确记载有进行搅拌操作，则表示无搅拌操作。例如在本申请中，冷却管保持不进行转动，分离件仅在该预设时机开始转动。

示例性的，分离件为板状或棒状，具有较高的搅拌效率。可以理解的是，在其他实施方式中，分离件不限于板体或棒状的形式，其例如也可以是桨叶状。

为了保证对冷却管周围熔融铝液的充分搅拌，可选的，分离件的延伸方向与冷却管的轴向平行；可选的，分离件的底端与冷却管的底端对应。

需要说明的是，在本申请的实施例中，分离件的底端与冷却管的底端对应，其可以是分离件的底端与冷却管的底端齐平，也可以是分离件的底端略高于或略低于冷却管的底端。

进一步的，分离件包括第一板体和第二板体，第一板体和第二板体沿冷却管的轴线对称设置。

以下结合实施例对本申请的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1～3

一种高纯铝的纯化方法，包括：

S1.将纯度为3N8的铝原料加入圆柱形坩埚，在圆柱形坩埚外加热使铝原料熔融成熔融铝液。

S2.将熔融铝液的温度控制在其液相线温度以上且720℃以下。

S3.将圆柱状冷却管插入熔融铝液。

S4.向冷却管中通入冷却气体，使得高纯铝在冷却管表面析出得到析出层。

S5.当析出层在冷却管的径向上的厚度达到第一预设厚度时，向熔融铝液中插入分离件，将分离件以一定转速围绕冷却管的轴线转动。

其中，分离件为沿冷却管的轴线对称设置的第一板体和第二板体，每个板体的底端与冷却管的底端对应。

S6.当析出层在冷却管的径向上的厚度达到第二预设厚度时，取出冷却管结束一次纯化。

实施例4

一种高纯铝的纯化方法，其与实施例1的不同之处在于，冷却管的外壁的横截面的面积与坩埚的内侧壁的横截面的面积之比较小。

实施例5

一种高纯铝的纯化方法，其与实施例1的不同之处在于，S5步骤中分离件开始转动时析出层的第一预设厚度较小，S6步骤中结束纯化操作时析出层的第二预设厚度较大，使得第一预设厚度相对第二预设厚度小于特定比例要求。

对比例1

一种高纯铝的纯化方法，采用分步结晶法，其实验参数如表1所示。

对比例2

一种高纯铝的纯化方法，采用单向凝固法，其实验参数如表1所示。

在本申请的各实施例和对比例中，冷却管与坩埚底部的最低点距离(X1)、冷却管的外壁的横截面的面积与坩埚的内侧壁的横截面的面积之比(X2)、冷却气体的通气量(X3)、分离件开始转动时析出层的第一预设厚度(X4)、分离件的转动速度(X5)、结束纯化操作时析出层的第二预设厚度(X6)，以及纯化时间(X7)均如表1所示。

表1.实验参数表

试验例

对各实施例和对比例中在纯化一定时间后的产物纯度和生产性进行统计，其结果如表2所示。

其中，生产性以单位时间内的析晶量表示；产物纯度以特定元素的纯化率表示，纯化率以纯化系数表征，其中，纯化系数＝{1-(晶析前A杂质含有量-晶析后A杂质含有量)/晶析前A杂质含有量}，纯化系数表示A杂质在纯化后的余量系数，纯化系数越低则表示纯化率越高。

表2.实验结果表

根据实施例1～3和实施例4的对比可知，当冷却管的外壁的横截面的面积与坩埚的内侧壁的横截面的面积的比值较小时，生产性和纯化率都受到一定的影响。

根据实施例1和实施例5的对比可知，当第一预设厚度较小、开始搅拌过早时，生产性和纯化率都受到一定的影响。

根据实施例1～4和对比例1～2的对比可知，本申请实施例采用结晶前期不搅拌并在结晶后期进行搅拌的方式，并按照特定的比例控制第一预设厚度为第二预设厚度的比例要求，和对比例2的分步结晶法相比，纯化率明显提高；和对比例3的单向凝固法相比，生产性显著提高。

以上所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

Claims (9)

1.一种高纯铝的纯化方法，其特征在于，所述纯化方法包括：

在坩埚外加热使铝原料熔融成熔融铝液；

将冷却管浸入熔融铝液中，冷却管保持不进行转动，向所述冷却管中通入冷却介质，使得高纯铝在所述冷却管表面析出，得到析出层；

当所述析出层在所述冷却管的径向上的厚度达到第一预设厚度时，采用分离件围绕所述冷却管的轴线转动，以对所述熔融铝液进行搅拌；

当所述析出层在所述冷却管的径向上的厚度达到第二预设厚度时，取出所述冷却管；所述第二预设厚度大于所述第一预设厚度；

所述第一预设厚度为所述第二预设厚度的1/2～2/3。

2.根据权利要求1所述的纯化方法，其特征在于，所述冷却介质为冷却气体，所述冷却气体的通气量为100～800L/min，且所述冷却气体的温度为-20～10℃。

3.根据权利要求1所述的纯化方法，其特征在于，所述分离件为板状或棒状；其中，所述分离件的延伸方向与所述冷却管的轴向平行，和/或，所述分离件的底端与所述冷却管的底端对应。

4.根据权利要求1～3任一项所述的纯化方法，其特征在于，所述冷却管的外壁的横截面的形状为圆形且面积为A，所述坩埚的内侧壁的横截面的面积为B，所述A与所述B的比值为1∶(10～15)。

5.根据权利要求1～3任一项所述的纯化方法，其特征在于，所述坩埚为圆柱形坩埚。

6.根据权利要求1～3任一项所述的纯化方法，其特征在于，所述分离件的转速为30～100rpm。

7.根据权利要求4所述的纯化方法，其特征在于，在所述在坩埚外加热使铝原料熔融成熔融铝液的步骤之后，且在所述将冷却管浸入熔融铝液中的步骤之前，还包括：将所述熔融铝液的温度控制在所述铝原料液相线温度以上且720℃以下。

8.根据权利要求7所述的纯化方法，其特征在于，所述铝原料的纯度在3N8以上；

或者，所述铝原料的纯度在2N7以上，且纯化中使用的原料还包括硼原料。

9.根据权利要求5所述的纯化方法，其特征在于，所述冷却管与所述坩埚的内侧壁之间的距离在150mm以上，所述冷却管与所述坩埚的底部内壁之间的距离在50mm以上。