CN115434003B - 一种用于提纯生产超纯纯铁的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于提纯生产超纯纯铁的方法及装置，所述装置包括上炉膛、下炉膛、旋转提升机构、保温筒、石墨坩埚、加热装置、抽真空装置、超纯纯铁结晶头、坩埚旋转顶升机构及光学直径测量装置。采用本发明所述方法制备的超纯纯铁纯度高达99.99％，能够用于核电反应堆中子注量材料；其结晶生长速率高、生长时长短，有利于提高超纯纯铁的产能，降低生产能耗和生产成本。

Description

一种用于提纯生产超纯纯铁的方法及装置

技术领域

本发明涉及超纯铁制备技术领域，尤其涉及一种用于提纯生产超纯纯铁的方法及装置。

背景技术

纯铁是生产磁性材料、电热合金、精密合金和特种金属材料的重要原料，随着市场对精密合金、磁性元器件等尖端高技术产品的要求越来越高，对纯铁的纯度要求也越来越高。日本的高纯度工业纯铁普遍采用电解方法制造，纯度可以达到含铁量99.9％，但其价格太高。

我国采用GB9971GB6983标准生产原料纯铁和工业纯铁，一般用转炉或转炉+炉外精炼的工艺制造，但是所生产的纯铁产品纯度不高、杂质元素高，特别是碳、硫、磷含量较高，只能用于制造普通的零部件。这种纯铁不适合制造高端产品，不适合作为用于生产超低碳高纯洁度马氏体时效钢、高强不锈钢、高级功能材料(软磁合金等)用的原材料，更不能用于生产尖端高技术产品和高质量零部件。

公告号为CN105063264B的中国发明专利公开了“一种制备纯铁的方法”，采用超级铁精矿为原料矿，铁品位为71.5～72％，SiO₂的重量含量为0.1～0.3％；将原料矿压制成粒径20～40mm的球团；将还原剂和脱硫剂混合均匀制成混合料，将球团与混合料再次混合后放入还原炉中，混合料覆盖球团，并且脱硫剂为球团总重量的3～5％；然后将全部物料加热至1000～1150℃，保温8～10h进行选择性还原，获得还原铁块。该方法生产的纯铁按重量百分比含Fe≥99.50％，含C≤0.0050％，虽然其方法较为简易，但该方法生产的纯铁纯度不高(小于99.7％)，远没有达到核电反应堆中子注量材料用超纯纯铁的需求。

公开号为CN111663015A的中国专利申请公开了“一种熔融还原工艺生产纯铁的方法”，采用HIsmelt熔融还原法生产的低成本初铁冶炼高纯度纯铁，产品中的铁含量可以达到99.95％，满足YT4等级工业纯铁及高纯铁的成分条件。虽然其具有纯度高、附加值高等优点，但用该方法生产纯铁存在工艺复杂、流程长、连续生产能力差等缺点，无法实现大规模量产，无法有效地解决现有我国超纯纯铁供不应求的问题。

公告号为CN101353753B的中国发明专利公开了“一种超低碳高纯度工业纯铁及其制造方法”，采用电弧炉冶炼脱磷、硫，再通过AOD吹氧去碳，高温、高碱度脱硫，最后浇注钢锭。其采用电弧炉和AOD工艺生产，而AOD设备在全国钢厂不是很普及，故采用这种方法生产受到一定的限制。此外，其产品纯度较低(只达到99.5％～99.7％)。

公开号为CN101358268A的中国专利申请公开了一种“母液增碳VOD精炼生产原料纯铁方法”，采用VOD精炼生产纯铁，是一种以废钢作原料冶炼原料纯铁的生产工艺。该方法将废钢熔化成母液倒入钢包，除渣后置于VOD精炼炉进行精炼，同样由于VOD设备较少，普及生产同样受到限制，目其产品纯度也不高(小于99.7％)。

总的来说，针对大晶粒超纯纯铁的制备，目前还没有应用本新型提供的装置进行超纯纯铁生产的设计。随着炉外精炼技术的进步和炉外精炼设备的大型化、控制的智能化，对于我国超纯纯铁生产领域，具有重要意义。本发明通过提供一种用于提纯生产超纯纯铁的方法，

发明内容

本发明提供了一种用于提纯生产超纯纯铁的方法及装置，所制备的超纯纯铁纯度高达99.99％，能够用于核电反应堆中子注量材料；其结晶生长速率高、生长时长短，有利于提高超纯纯铁的产能，降低生产能耗和生产成本。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种用于提纯生产超纯纯铁的方法，所述超纯纯铁的纯度≥99.99％，生产过程包括装料、引晶、放肩、等径、收尾和冷却；具体是将纯度≥99.97％的熔融铁水加入石墨坩埚内，然后在低真空、惰性气体保护下加热，重新升温至铁水熔点以上温度后保温，将具有设定晶粒生长方向的超纯纯铁结晶头自上而下伸入熔融的铁水中并旋转，然后缓缓上提；当露出铁水部分的、由超纯纯铁结晶生长形成的上锥体最大直径达到目标直径时，提高超纯纯铁结晶头的提升速度，使超纯纯铁结晶生长形成棒体；超纯纯铁棒体生长至设定长度时，再提高超纯纯铁结晶头的提升速度，使超纯纯铁棒体逐渐脱离熔融铁水，超纯纯铁结晶生长形成下锥体。

超纯纯铁结晶生长的速率为60～80mm/hr。

所述超纯纯铁结晶头的旋转速度为10～13rpm；石墨坩埚与超纯纯铁结晶头相对旋转，且旋转速度为6～8rpm。

所述石墨坩埚的外围设石墨加热器，加热速度为3-6℃/min，且加热速度与超纯纯铁结晶长度成正比。

所述低真空是压力为10～20Torr的真空状态。

所述惰性气体为氩气，流量为30～60slpm。

一种用于提纯生产超纯纯铁的装置，包括上炉膛、下炉膛、旋转提升机构、保温筒、石墨坩埚、加热装置、抽真空装置、超纯纯铁结晶头、坩埚旋转顶升机构及光学直径测量装置；所述上炉膛设于下炉膛的顶部，下炉膛内设有石墨坩埚，石墨坩埚的底部设坩埚旋转顶升机构；石墨坩埚的外围依次设加热装置及保温筒；下炉膛的顶部设光学直径测量装置；上炉膛的顶部设旋转提升机构，旋转提升机构通过旋转轴连接超纯纯铁结晶头，上炉膛还设有保护气氛入口及抽真空装置。

所述加热装置由石墨加热器及石墨电极组成；石墨加热器通过石墨电极与下炉膛固定连接；石墨加热器由石墨加热棒和加热丝组成，加热丝缠绕在石墨加热棒的外侧，加热丝通过导线与电源相连，导线上设有温控表。

所述坩埚旋转顶升机构由驱动电机、底座、底座升降装置、转轴、驱动齿轮、旋转齿轮及石墨托板组成；底座由底座升降装置带动升降，驱动电机设于底座上，驱动电机的输出轴上设驱动齿轮，驱动齿轮与旋转齿轮啮合传动，旋转齿轮设于转轴上，转轴通过轴承与底座转动连接，转轴的顶部设石墨托板；石墨坩埚置于石墨托板上。

所述保温筒与下炉膛的内壁之间设有保温毡，保温筒的内壁涂覆热辐射反射层。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)采用本发明所述方法生产的超纯纯铁，与常规采用AOD、VOD和感应炉生产的纯铁，纯度更高；

2)所制备的超纯纯铁纯度高达99.99％，能够用于核电反应堆中子注量材料；

3)采用本发明所述方法，结晶生长速率高、生长时长短，有利于提高超纯纯铁的产能，降低生产能耗和生产成本。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明所述用于提纯生产超纯纯铁的装置的结构示意图。

附图标记说明：

图中：1.旋转提升机构 2.保护气氛入口 3.旋转轴 4.抽真空装置 5.超纯纯铁结晶头 6.光学直径测量装置 7.石墨坩埚 8.石墨加热器 9.保温筒 10.石墨电极 11.坩埚旋转顶升机构 12.石墨托板

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

本发明所述一种用于提纯生产超纯纯铁的方法，所述超纯纯铁的纯度≥99.99％，生产过程包括装料、引晶、放肩、等径、收尾和冷却；具体是将纯度≥99.97％的熔融铁水加入石墨坩埚内，然后在低真空、惰性气体保护下加热，重新升温至铁水熔点以上温度后保温，将具有设定晶粒生长方向的超纯纯铁结晶头自上而下伸入熔融的铁水中并旋转，然后缓缓上提；当露出铁水部分的、由超纯纯铁结晶生长形成的上锥体最大直径达到目标直径时，提高超纯纯铁结晶头的提升速度，使超纯纯铁结晶生长形成棒体；超纯纯铁棒体生长至设定长度时，再提高超纯纯铁结晶头的提升速度，使超纯纯铁棒体逐渐脱离熔融铁水，超纯纯铁结晶生长形成下锥体。

超纯纯铁结晶生长的速率为60～80mm/hr。

所述超纯纯铁结晶头的旋转速度为10～13rpm；石墨坩埚与超纯纯铁结晶头相对旋转，且旋转速度为6～8rpm。

所述石墨坩埚的外围设石墨加热器，加热速度为3-6℃/min，且加热速度与超纯纯铁结晶长度成正比。。

所述低真空是压力为10～20Torr的真空状态。

所述惰性气体为氩气，流量为30～60slpm。

如图1所示，本发明所述一种用于提纯生产超纯纯铁的装置，包括上炉膛、下炉膛、旋转提升机构1、保温筒9、石墨坩埚7、加热装置、抽真空装置4、超纯纯铁结晶头5、坩埚旋转顶升机构11及光学直径测量装置6；所述上炉膛设于下炉膛的顶部，下炉膛内设有石墨坩埚7，石墨坩埚7的底部设坩埚旋转顶升机构11；石墨坩埚7的外围依次设加热装置及保温筒9；下炉膛的顶部设光学直径测量装置6；上炉膛的顶部设旋转提升机构1，旋转提升机构1通过旋转轴连接超纯纯铁结晶头5，上炉膛还设有保护气氛入口2及抽真空装置4。

所述加热装置由石墨加热器8及石墨电极10组成；石墨加热器8通过石墨电极10与下炉膛固定连接；石墨加热器8由石墨加热棒和加热丝组成，加热丝缠绕在石墨加热棒的外侧，加热丝通过导线与电源相连，导线上设有温控表。

所述坩埚旋转顶升机构11由驱动电机、底座、底座升降装置、转轴、驱动齿轮、旋转齿轮及石墨托板12组成；底座由底座升降装置带动升降，驱动电机设于底座上，驱动电机的输出轴上设驱动齿轮，驱动齿轮与旋转齿轮啮合传动，旋转齿轮设于转轴上，转轴通过轴承与底座转动连接，转轴的顶部设石墨托板12；石墨坩埚7置于石墨托板12上。

所述保温筒9与下炉膛的内壁之间设有保温毡，保温筒9的内壁涂覆热辐射反射层。

本发明所述一种用于提纯生产超纯纯铁的方法，包括装料、引晶、放肩、等径、收尾和冷却过程。

高温氩气气流经保护气氛入口2进入由上炉膛及下炉膛组成的热场系统，以便降低结晶生长界面的温度梯度和热场内热量损失。

将高纯度的熔融铁水加入装置中的石墨坩埚内，然后在低真空、惰性气体保护下加热升温至熔点温度以上并保温，把一支具有特定生长方向的超纯纯铁结晶头装在旋转提升装置的夹持装置中，将超纯纯铁结晶头自上而下伸入熔融的铁水中并旋转，然后缓缓上提，此时，超纯纯铁进入上锥体部分的结晶生长阶段，当上锥体的最大直径接近目标直径时，提高超纯纯铁结晶头的提升速度，使其直径不再增大而进入到中部棒体生长阶段，中部棒体生长接近结束时，再提高超纯纯铁结晶头的提升速度，使中部棒体逐渐脱离熔融铁水，形成下锥体最终结束生长。

等径阶段工艺参数设定如下：结晶生长速率为60～80mm/hr，石墨坩埚旋转速度为6～8rpm，旋转轴的转速为10～13rpm，石墨加热器8的加热速度为3-6℃/min，且加热速度与超纯纯铁结晶长度成正比，即随超纯纯铁中部棒体的结晶长度增长而增大。装置内压力为10～20Torr，氩气流量为30～60slpm，并且在结晶生长初期流量为最高。

如图1所示，本发明所述一种用于提纯生产超纯纯铁的装置，包括上炉膛与下炉膛，上炉膛设置在下炉膛顶部，上炉膛的顶部设置有旋转提升机构1，所述下炉膛内设置有保温筒9，保温筒9内设置有石墨坩埚7，石墨坩埚7外侧设置有石墨加热器8，石墨加热器8也位于保温筒9内。石墨加热器8与固定在下炉膛底部的石墨电极10相连，上炉膛的一侧设保护气氛入口2，上炉膛的下部设置有抽真空装置4(如真空泵)。石墨坩埚7的上方设置超纯纯铁结晶头5，超纯纯铁结晶头5通过旋转轴3与旋转提升机构1相连，石墨坩埚7底部设置有坩埚旋转顶升机构11，石墨坩埚7与坩埚旋转顶升机构11之间设置有石墨托板12。保护气氛入口2与高温氩气源相连通，石墨加热器8由石墨加热棒及加热丝组成，石墨加热棒的外侧缠绕有加热丝，加热丝通过导线与电源相连，导线上设置有温控表。

坩埚旋转顶升机构11包括固定在石墨托板12底部的转轴，转轴上固定有旋转齿轮，转轴通过轴承与底座相连，底座上设置有驱动电机，驱动电机的输出轴上设置有驱动齿轮，驱动齿轮与旋转齿轮互相啮合，底座的底部设置有用于带动底座上下移动的升降装置。升降装置11为液压缸或气缸。

保温筒9与下炉膛的内壁之间设置有保温毡，保温筒9的内壁上涂有热辐射反射层。

以下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。

【对比例1】

某钢厂采用常规生产工艺，生产纯度为99.5％的高纯纯铁，具体成分见表1。

表1常规工艺生产的高纯纯铁成分表(ppm)

【实施例1】

本实施例采用本发明所述用于提纯生产超纯纯铁的工艺，具体步骤如下：

将高纯度的熔融铁水加入石墨坩埚内，然后在低真空、惰性气体保护下加热升温至铁水熔点温度后保温，将一支具有设定结晶生长方向的超纯纯铁结晶头装在旋转轴底端的夹持装置中，将超纯纯铁结晶头自上而下伸入熔融的铁水中并旋转，然后缓缓上提，此时，超纯纯铁开始上锥体部分的结晶生长，当上锥体的最大直径接近目标直径时，提高超纯纯铁结晶头的提升速度，使超纯纯铁的直径不再增大即进入中部棒体生长阶段，当中部棒体结晶生长到设定长度时，再提高超纯纯铁结晶头的提升速度，使中部棒体逐渐脱离熔融铁水，并在此过程中结晶生长形成下锥体。

本实施例中，超纯纯铁的结晶生长速率为73mm/hr，石墨坩埚的旋转速度为6rpm，旋转轴的转速为12rpm，石墨加热器的加热速度为4℃/min，并且加热速度随超纯纯铁结晶长度的增长而增大。装置内的压力为17Torr，保护气为氩气，最大流量为42slpm，并且在结晶生长初期氩气流量为最高。

实施例所生产的超纯纯铁成分具见表2。

表2超纯纯铁成分表(ppm)

【实施例2】

本实施例采用本发明所述用于提纯生产超纯纯铁的工艺，具体步骤如下：

将高纯度的熔融铁水加入石墨坩埚内，然后在低真空、惰性气体保护下加热升温至铁水熔点温度后保温，将一支具有设定结晶生长方向的超纯纯铁结晶头装在旋转轴底端的夹持装置中，将超纯纯铁结晶头自上而下伸入熔融的铁水中并旋转，然后缓缓上提，此时，超纯纯铁开始上锥体部分的结晶生长，当上锥体的最大直径接近目标直径时，提高超纯纯铁结晶头的提升速度，使超纯纯铁的直径不再增大即进入中部棒体生长阶段，当中部棒体结晶生长到设定长度时，再提高超纯纯铁结晶头的提升速度，使中部棒体逐渐脱离熔融铁水，并在此过程中结晶生长形成下锥体。

本实施例中，超纯纯铁的结晶生长速率为66mm/hr，石墨坩埚的旋转速度为8rpm，旋转轴的转速为12rpm，石墨加热器的加热速度为5.2℃/min，并且加热速度随超纯纯铁结晶长度的增长而增大。装置内的压力为13Torr，保护气为氩气，最大流量为51slpm，并且在结晶生长初期氩气流量为最高。

本实施例所生产的超纯纯铁成分具体见表3。

表3超纯纯铁成分表(ppm)

通过表1-表3的比较能够看出，采用本发明所述用于提纯生产超纯纯铁的方法(实施例1、2)所制备的超纯纯铁的纯度明显高于对比例1，经检验产品质量均达标，超纯纯铁的纯度均达到99.99％以上，满足核电反应堆中子注量材料用超纯纯铁原料的需求。同时生产周期大幅缩短，有效提高了超纯纯铁的产能。

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 (4)

1.一种用于提纯生产超纯纯铁的方法，基于一种用于提纯生产超纯纯铁的装置实现，其特征在于，所述用于提纯生产超纯纯铁的装置包括上炉膛、下炉膛、旋转提升机构、保温筒、石墨坩埚、加热装置、抽真空装置、超纯纯铁结晶头、坩埚旋转顶升机构及光学直径测量装置；所述上炉膛设于下炉膛的顶部，下炉膛内设有石墨坩埚，石墨坩埚的底部设坩埚旋转顶升机构；石墨坩埚的外围依次设加热装置及保温筒；下炉膛的顶部设光学直径测量装置；上炉膛的顶部设旋转提升机构，旋转提升机构通过旋转轴连接超纯纯铁结晶头，上炉膛还设有保护气氛入口及抽真空装置；

所述超纯纯铁的纯度≥99.99%，生产过程包括装料、引晶、放肩、等径、收尾和冷却；具体是将纯度≥99.97%的熔融铁水加入石墨坩埚内，然后在低真空、惰性气体保护下加热，升温至铁水熔点以上温度后保温，将具有设定晶粒生长方向的超纯纯铁结晶头自上而下伸入熔融的铁水中并旋转，然后缓缓上提；当露出铁水部分的、由超纯纯铁结晶生长形成的上锥体最大直径达到目标直径时，提高超纯纯铁结晶头的提升速度，使超纯纯铁结晶生长形成棒体；超纯纯铁棒体生长至设定长度时，再提高超纯纯铁结晶头的提升速度，使超纯纯铁棒体逐渐脱离熔融铁水，超纯纯铁结晶生长形成下锥体；

超纯纯铁结晶生长的速率为60～80mm/hr；所述超纯纯铁结晶头的旋转速度为10～13rpm；石墨坩埚与超纯纯铁结晶头相对旋转，且旋转速度为6～8rpm；所述石墨坩埚的外围设石墨加热器，加热速度为3-6℃/min ，且加热速度与超纯纯铁结晶长度成正比；所述低真空是压力为10～20 Torr的真空状态；所述惰性气体为氩气，流量为30～60 slpm。

2.根据权利要求1所述的用于提纯生产超纯纯铁的方法，其特征在于，所述加热装置由石墨加热器及石墨电极组成；石墨加热器通过石墨电极与下炉膛固定连接；石墨加热器由石墨加热棒和加热丝组成，加热丝缠绕在石墨加热棒的外侧，加热丝通过导线与电源相连，导线上设有温控表。

3.根据权利要求1所述的用于提纯生产超纯纯铁的方法，其特征在于，所述坩埚旋转顶升机构由驱动电机、底座、底座升降装置、转轴、驱动齿轮、旋转齿轮及石墨托板组成；底座由底座升降装置带动升降，驱动电机设于底座上，驱动电机的输出轴上设驱动齿轮，驱动齿轮与旋转齿轮啮合传动，旋转齿轮设于转轴上，转轴通过轴承与底座转动连接，转轴的顶部设石墨托板；石墨坩埚置于石墨托板上。

4.根据权利要求1所述的用于提纯生产超纯纯铁的方法，其特征在于，所述保温筒与下炉膛的内壁之间设有保温毡，保温筒的内壁涂覆热辐射反射层。