CN113774231A - 一种利用偏析法生产高纯铝的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高纯铝生产技术领域，尤其涉及一种利用偏析法生产高纯铝的装置，包括结晶炉和结晶器，所述结晶器的石墨板上设置有冷却装置，所述冷却装置通过即时加热水流控制石墨板温度，所述结晶器通过引晶头吸取铝液结晶。冷却装置的进水管上设置有即热式加热器，所述即热式加热器用于控制进入冷却装置的低温水温度变化。本发明利用即热式的冷却装置，且冷却装置在不影响水温控制的情况下进行流速调节，保证冷却效果，从而准确的控制冷却温度，利于杂质元素Fe和Si的偏析分离，降低提纯后高纯铝中杂质元素Fe和Si的含量，将高纯铝的浓度从99.6％提升到99.99995％以上。

Description

一种利用偏析法生产高纯铝的装置

技术领域

本发明涉及高纯铝生产技术领域，尤其涉及一种利用偏析法生产高纯铝的装置。

背景技术

现有成熟的高纯铝提纯技术有三层液电解法和偏析法两种。三层液法现在应用比较广泛，但偏析法具有省电、低能耗、环保的优势，平均每吨能省电6000度。而且偏析法利用物理的方法，整个过程中不涉及其他的任何添加物质，不需要特别额外施加能源促进凝固和偏析过程，除了铝熔炼本身产生的气体和粉尘外，在生产过程中不产生任何有毒有害物质，符合环保生产的要求。

现有的高纯铝提纯过程中，主要利用铝液的温度与结晶器之间的温差实现结晶，现有技术中采用的冷却水或其他冷却装置冷却过程中会受到铝液温度的影响，而研究表明，结晶器的温度控制直接会影响高纯铝中Fe和Si的含量，从而影响高纯铝的纯度，甚至会导致断晶，影响高纯铝的生产。为此，我们提出一种利用偏析法生产高纯铝的装置。

发明内容

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种利用偏析法生产高纯铝的装置，通过准确控制结晶器的温度，从而提高高纯铝的纯度，避免断晶，提高高纯铝的生产效率，解决了现有高纯铝生产过程中结晶温度控制不佳，影响高纯铝的纯度，甚至会导致断晶，影响高纯铝的生产的问题。

本发明提供如下技术方案：一种利用偏析法生产高纯铝的装置，包括结晶炉和结晶器，所述结晶器上设置有冷却装置，所述冷却装置通过即时加热水流控制结晶器的温度，所述结晶器通过吸取结晶炉的铝液结晶。

优选的，所述冷却装置的进水管上设置有即热式加热器，所述即热式加热器用于控制进入冷却装置的低温水温度变化。

优选的，所述即热式加热器包括加热套和单片机，所述加热套用于对进水管的水加热，还包括检测加热套加热前水温的第一温度传感器，和检测加热套加热后水温的第二温度传感器，所述单片机用于获取第一温度传感器和第二温度传感器的数据，并控制加热套的加热功率。

优选的，所述冷却装置的出水管上设置有第三温度传感器。

优选的，所述冷却装置包括冷却槽和活塞板，所述冷却槽中包括外护板和分隔板，外护板与分隔板之间形成水流通道，所述活塞板与水流通道适配，用于调节水流通道断面尺寸和冷却装置内部的水流流速。

优选的，所述单片机通过获取第一温度传感器、第二温度传感器以及第三温度传感器的数据，并控制加热套的加热功率，同时控制伸缩杆带动活塞板调节水流通道断面尺寸和冷却装置内部的水流流速。

优选的，还包括铝液供给炉，所述铝液供给炉通过供液管为结晶炉补充铝液，所述结晶炉内部设置有对铝液加热的加热装置。

优选的，所述结晶炉上设置有对铝液进行搅拌的电磁搅拌器。

优选的，所述结晶器上设置有密封盖，所述密封盖上设置有对结晶炉抽真空的真空泵和检测铝液温度变化的第四温度传感器。

优选的，所述结晶器安装在支架上，所述支架通过旋转装置安装在升降装置上，所述升降装置用于顶起结晶后的结晶器，所述旋转装置用于将结晶后的结晶器旋转至输送机上下料。

本发明提供了一种利用偏析法生产高纯铝的装置，利用即热式的冷却装置，且冷却装置在不影响水温控制的情况下进行流速调节，保证冷却效果，从而准确的控制冷却温度，利于杂质元素Fe和Si的偏析分离，降低提纯后高纯铝中杂质元素Fe和Si的含量，将高纯铝的浓度从99.6％提升到99.99995％以上。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明即热式加热器结构示意图；

图3为本发明冷却槽结构示意图；

图4为本发明双结晶器实施例结构示意图。

图中：1、结晶炉；2、结晶器；3、石墨板；4、加热装置；5、出水管；6、进水管；7、即热式加热器；71、外壳；72、加热套；73、单片机；74、第一温度传感器；75、第二温度传感器；76、流量计；8、冷却槽；81、外护板；82、分隔板；9、活塞板；10、伸缩杆；11、密封盖；12、真空泵；13、第四温度传感器；14、铝液供给炉；15、排液管；16、电磁搅拌器；17、支架；18、牵引装置；19、旋转装置；20、升降装置；21、输送机。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供一种技术方案：一种利用偏析法生产高纯铝的装置，包括结晶炉1和结晶器2，结晶器2的石墨板3上设置有冷却装置，冷却装置通过即时加热水流控制石墨板3温度，结晶器2通过引晶头吸取铝液结晶。吸晶头上也可设置冷却装置。

采用冷却装置通过即时加热水流，可以保证冷却水的温度恒定。现有的冷却装置中，冷却温度会受到铝液的影响，铝液温度普遍在七八百摄氏度，会在短时间内提高冷却水或冷却液的温度，从而影响冷却装置的冷却效果。若采用水箱提供冷却水，水箱中的温度调控所需的时间长，效率低，不能准确的控制冷却水的温度。而冷却结晶过程中需要冷却装置提供特定的温度梯度，即不同时间点提供不同的恒定温度，才能保证结晶效果和高纯铝纯度。

如图2所示，冷却装置的进水管6上设置有即热式加热器7，即热式加热器7用于控制进入冷却装置的低温水温度变化。即热式加热器7包括设置在外壳71内的加热套72和单片机73，加热套72用于对进水管6的水加热，还包括检测加热套72加热前水温的第一温度传感器74，和检测加热套72加热后水温的第二温度传感器75，单片机73用于获取第一温度传感器74和第二温度传感器75的数据，并控制加热套72的加热功率。

控制原理：单片机73通过第一温度传感器74检测进水口的温度，通过流量计76检测水的流速，从而计算出水流经过加热套72所需的时间，和所需要提升的温度，最后得到加热套72的功率和输出温度，从而控制出水口的温度，并通过第二温度传感器75检测出水口的温度，对加热套72的功率进一步调整。

冷却装置的出水管5上设置有第三温度传感器。冷却装置的出水管5上设置第三温度传感器，是用于检测冷却水对结晶器2冷却后，温度升高了多少，从而判断冷却装置的冷却效果，若冷却前和冷却后温度相差过大，会影响冷却效果。

如图3所示，冷却装置包括冷却槽8和活塞板9，冷却槽8中包括外护板81和分隔板82，外护板81与分隔板82之间形成水流通道，活塞板9与水流通道适配，用于调节水流通道断面尺寸和冷却装置内部的水流流速。

冷却装置冷却过程中，如果冷却水的流速太慢，与结晶器2的接触时间越长，温度升高越多，冷却效果降低，因此，根据需求，调整冷却水的流速，可以在一定程度上保证冷却装置的冷却效果。而即热式水龙头的加热效果和水流流速以及加热功率有关，水流流速越大，加热时间越短，加热功率也越大，导致温度控制有一定的难度。

将冷却装置采用冷却槽8和活塞板9的方式，可以在保证冷却水与结晶器2接触面积不变的情况下，调整水流通道的断面尺寸，而根据水力学的公式v＝Q/A，其中管道平均流速v等于管道流量除以管道横断面面积。在即热式加热器7中水流速不变的情况下，单位时间内输送给冷却装置的流量是一定的，但通过活塞板9压缩水流通道(压缩过程中，不影响冷却装置的进水口和出水口尺寸)，可以将水流通道的横断面面积减小数倍甚至数十倍，从而将冷却装置送的水流流速提升数倍甚至数十倍，且不影响即热式加热器7的加热时间和加热效果。通过控制和提高冷却装置中冷却水的流速，可以在很大程度上提高冷却效果。

单片机73通过获取第一温度传感器74、第二温度传感器75以及第三温度传感器的数据，并控制加热套72的加热功率，同时控制伸缩杆10带动活塞板9调节水流通道断面尺寸和冷却装置内部的水流流速。

冷却温度控制方法：首先通过第一温度传感器74获取进水口水温(如20摄氏度)和水流流速，计算水流加热时间，和设定的温度，控制加热套72的功率，并通过第二温度传感器75检测出水口的水温(40摄氏度)，并利用出水口的水温对加热功率进行进一步的校准，通过出水管5的第三温度传感器检测冷却装置冷却后的水温，若设定冷却装置的出水温度与进水温度差值不超过5摄氏度(也可设置为其他阀值)，才能保证冷却效果，则通过控制伸缩杆10调整活塞板9与冷却槽8之间的水流通道断面尺寸，提高水流通道中的冷却水流速，直到冷却装置的出水温度与进水温度差值不超过5摄氏度为止。

铝液供给炉14，铝液供给炉14通过供液管为结晶炉1补充铝液，还设有排出废液的排液管15。结晶炉1内部设置有对铝液加热的加热装置4。结晶炉1上设置有对铝液进行搅拌的电磁搅拌器16。加热装置4可以对结晶炉1中的铝液进一步加热，并通过电磁搅拌器16进行搅拌，可以保证铝液的温度均匀，同时避免采用接触式搅拌，将其他的杂质带入铝液中，影响铝液的纯度。

结晶器2上设置有密封盖11，密封盖11上设置有对结晶炉1抽真空的真空泵12和检测铝液温度变化的第四温度传感器13。通过设置密封盖11和真空泵12，可以对结晶过程中抽真空，不仅可以避免外界杂质进入铝液，也可以避免空气中的杂质影响铝液纯度，进而影响结晶获取的高纯铝纯度。

如图4所示，结晶器2安装在支架17上，支架17上还设置有用于带动吸晶头定时定量吸取铝液的牵引装置18，支架17通过旋转装置19安装在升降装置20上，升降装置20用于顶起结晶后的结晶器2，旋转装置19用于将结晶后的结晶器2旋转至输送机21上下料。升降装置20可采用升降油缸或升降气缸，用于顶起支架17及结晶器2，旋转装置19采用电机带动支架17装置，支架17通过轴承安装在升降装置20上，通过带动顶起的支架17和结晶器2旋转180度，更换一个结晶器2，方便结晶的高纯铝下料和结晶器2的清洗维护。下料过程中，通过另一个结晶器2继续结晶，避免影响结晶效果。旋转装置19的旋转范围为180-270度，旋转之后，原路复位，可以避免360度旋转导致的线路缠绕，同时提高生产效率。

工作原理：铝液供给炉14中的铝液加入结晶炉1后，经过加热装置4加热熔化并温度恒定后以一定的速度拉晶，同时电磁搅拌器16搅拌，结晶器2和引晶头内利用冷却装置冷却，分别在径向上和轴向上对铝液进行凝固，同时提供特定的温度梯度，前面一段时间内冷却温度控制在20摄氏度，后面将温度提高至40摄氏度。随着拉晶过程的进行，铝晶体不断长大，提纯过程得以不断进行。调节好拉晶速度、铝液温度及不同线圈的加热功率可以获得不同的温度梯度。在拉晶过程中通过电磁搅拌不但可降低固液界面前沿的溶质浓度，还可使铝液在径向上保持均衡的温度，实现铝液中温度场的均匀分布。

利用偏析法可去除杂质元素Fe和Si，可以极大的提高铝的纯度。但冷却温度的控制有利于杂质元素Fe和Si的偏析分离。通过本发明的冷却温度控制方法，可以将冷却温度准确控制在特定的范围内，温度误差可以实现1摄氏度范围内，而相比现有的冷却技术，只能将温度控制在20-50摄氏度范围内，温度控制效果差，从而影响结晶中杂质元素Fe和Si的偏析分离，进而影响高纯铝的纯度，甚至会导致结晶过程中的断晶。采用现有结晶装置结晶的高纯铝中Fe含量在0.17-0.3％，Si含量在0.06-0.08％；而采用本发明结晶装置结晶后的Fe含量在0.000005-0.000015％，Si含量在0.0000008-0.0000012％。通过利用冷却装置的控制，将高纯铝的浓度从99.6％提升到99.99995％以上。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用偏析法生产高纯铝的装置，包括结晶炉(1)和结晶器(2)，其特征在于：所述结晶器(2)上设置有冷却装置，所述冷却装置通过即时加热水流控制结晶器(2)的温度，所述结晶器(2)通过吸取结晶炉(1)的铝液结晶。

2.根据权利要求1所述的一种利用偏析法生产高纯铝的装置，其特征在于：所述冷却装置的进水管(6)上设置有即热式加热器(7)，所述即热式加热器(7)用于控制进入冷却装置的低温水温度变化。

3.根据权利要求2所述的一种利用偏析法生产高纯铝的装置，其特征在于：所述即热式加热器(7)包括加热套(72)和单片机(73)，所述加热套(72)用于对进水管(6)的水加热，还包括检测加热套(72)加热前水温的第一温度传感器(74)，和检测加热套(72)加热后水温的第二温度传感器(75)，所述单片机(73)用于获取第一温度传感器(74)和第二温度传感器(75)的数据，并控制加热套(72)的加热功率。

4.根据权利要求1所述的一种利用偏析法生产高纯铝的装置，其特征在于：所述冷却装置的出水管(5)上设置有第三温度传感器。

5.根据权利要求1所述的一种利用偏析法生产高纯铝的装置，其特征在于：所述冷却装置包括冷却槽(8)和活塞板(9)，所述冷却槽(8)中包括外护板(81)和分隔板(82)，外护板(81)与分隔板(82)之间形成水流通道，所述活塞板(9)与水流通道适配，用于调节水流通道断面尺寸和冷却装置内部的水流流速。

6.根据权利要求3所述的一种利用偏析法生产高纯铝的装置，其特征在于：所述单片机(73)通过获取第一温度传感器(74)、第二温度传感器(75)以及第三温度传感器的数据，并控制加热套(72)的加热功率，同时控制伸缩杆(10)带动活塞板(9)调节水流通道断面尺寸和冷却装置内部的水流流速。

7.根据权利要求1所述的一种利用偏析法生产高纯铝的装置，其特征在于：还包括铝液供给炉(14)，所述铝液供给炉(14)通过供液管为结晶炉(1)补充铝液，所述结晶炉(1)内部设置有对铝液加热的加热装置(4)。

8.根据权利要求1所述的一种利用偏析法生产高纯铝的装置，其特征在于：所述结晶炉(1)上设置有对铝液进行搅拌的电磁搅拌器(16)。

9.根据权利要求1所述的一种利用偏析法生产高纯铝的装置，其特征在于：所述结晶器(2)上设置有密封盖(11)，所述密封盖(11)上设置有对结晶炉(1)抽真空的真空泵(12)和检测铝液温度变化的第四温度传感器(13)。

10.根据权利要求1所述的一种利用偏析法生产高纯铝的装置，其特征在于：所述结晶器(2)安装在支架(17)上，所述支架(17)通过旋转装置(19)安装在升降装置(20)上，所述升降装置(20)用于顶起结晶后的结晶器(2)，所述旋转装置(19)用于将结晶后的结晶器(2)旋转至输送机(21)上下料。

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