CN1882707A - 在分步结晶的过程中冷却熔融金属的方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种在分步结晶的过程中冷却至多部分固化的熔融金属的方法，其中，形成的金属晶体具有比熔融金属的成分纯的成分，其特征在于，固体形式的盐被用于冷却至多部分固化的熔融金属。

Description

在分步结晶的过程中冷却熔融金属的方法
本发明涉及在分步(fractional)结晶的过程中冷却至多部分固化的熔融金属的方法。
结晶方法和装置可被用于精炼其中存在太高的浓度的外来元素的金属(这里被用作金属合金的简称)。存在这种外来元素的原因可以为，在作为初炼金属的由金属矿石制成的金属中，存在太多的外来元素，或者因为已被使用的金属被回收利用且废料中的外来元素浓度太高。例如，出于商业目的，铝废料可包含太多的外来元素Fe、Si或Mg，除非它与包含很少的外来元素的初炼金属混合。
在分步结晶的过程中，由于熔融金属的冷却在熔融金属中形成金属晶体。所述晶体具有比用作起始点的熔融金属的成分纯的成分，或者，换句话说，与用作起始点的熔融金属相比，晶体每单位重量包含更少的外来元素。
在分步结晶的过程中冷却至多部分固化的熔融金属的常规方法包括以下步骤：通过例如在结晶装置的壁中嵌入冷却管冷却所述壁。但这些常规方法具有晶体在冷却表面上生长并结壳的缺点。可以通过使用被插入熔融金属的冷却管(cooling coil)或这类配置的冷却设备补充通过所述装置的壁进行的冷却，但是，这种设备将只在一个位置冷却熔融金属，并且熔融金属将也在设备上和设备周围结晶，由此妨碍冷却设备的冷却效果。
本发明的目的在于，提供在分步结晶的过程中冷却至多部分固化的熔融金属的改进的方法，该方法特别适于铝和具有高熔点的此类金属的精炼。
本发明的另一目的在于，提供在分步结晶的过程中冷却至多部分固化的熔融金属的方法，采用该方法，与现有技术相比，可以更好地控制至多部分固化的熔融金属的固体分数和/或温度。
本发明的另一目的在于，提供在分步结晶的过程中冷却至多部分固化的熔融金属的方法，该方法通过例如降低金属晶体粘附于容纳其的容器的壁上的危险性，提高金属晶体保持悬浮于熔融金属中的可能性。
通过在分步结晶的过程中冷却至多部分固化的熔融金属的方法实现这些目的中的一个或更多个，所述方法中，形成的金属晶体具有比熔融金属纯的组成，其特征在于，固体形式的盐被用于冷却所述至多部分固化的熔融金属。
由于多方面的原因，使用固体盐冷却熔融金属是有利的。当使用本发明的方法时，随着从被添加时的温度，例如约20℃，升温到所述至多部分固化的熔融金属的温度，添加的固体盐从熔融金属吸收大量的能量，但是晶体不大可能形成并将其自身附着在熔融盐或固体盐粒子上，这意味着形成的金属晶体保持悬浮于熔融金属中。本发明的方法还适于所希望的量的冷却用固体盐的精确定量给料。优选每kg产生的精炼的金属晶体添加0.1～1kg的盐到熔融金属中，以保证足够的冷却。更优选每kg产生的精炼的金属晶体添加0.2～0.8kg的盐到熔融金属中，最优选每kg产生的精炼的金属晶体添加0.3～0.6kg的盐到熔融金属中。
由于固体盐优选具有低于所述至多部分固化的熔融金属的熔点的熔点，因此，其优选在所述至多部分固化的熔融金属的冷却过程中至少部分熔化。固体盐由此随着温度上升和熔化从熔融金属吸收热量。熔盐可被选择为比熔融金属重或轻，因此，熔融金属将浮在较重的熔盐上，或者，较轻的熔盐将浮在熔融金属上，或者，如果使用两种类型的固体盐，两种情况同时出现。可以测量和控制熔盐的温度，以控制熔融金属的温度，但是，当通过结晶装置的壁冷却时，熔融金属的温度控制的精确性较差。熔盐不形成晶体可在其上形成并将其自身附着在其上的表面。
优选一旦盐被熔化就例如通过抽出去除盐中的至少一些，由此使得可以添加更多的固体盐并且产生更多的冷却。
被去除的盐优选被冷却和固化，以备重新使用。由于冷却手段可被重新使用，因此这使得本方法在资源方面成本合算且较为经济。
固体盐优选从至多部分熔融金属之上被添加和/或被添加到至多部分熔融金属之下和/或至多部分熔融金属中。如果从至多部分熔融金属之上和/或之下添加固体盐，那么该固体盐会在至少部分熔融金属之上和/或之下形成熔盐层，例如，可以从至多部分熔融金属之上添加盐，以及该盐可以在至少部分熔融金属之下形成熔盐层。如果从至多部分熔融金属之上和/或之下添加固体盐，那么该固体盐还会冷却已经存在的熔盐层，由此经由盐/熔融金属界面冷却熔融金属。当将固体盐添加到至多部分熔融金属中时，该固体盐将直接冷却熔融金属并促进金属晶体形成。
优选对至多部分固化的熔融金属进行搅拌。通过搅拌至多部分固化的熔融金属，金属晶体保持悬浮状态，并且金属晶体和熔融金属之间的材料的交换得到促进。
优选将固体盐添加到通过搅拌器的运动在至多部分固化的熔融金属的表面上形成的涡流中。将固体盐添加到熔融金属的表面上的通过搅拌器的旋转运动产生的涡流中，这样将固体盐从表面引入至多部分固化的熔融金属的体内。由此将固体盐添加到至多部分熔融金属的表面并最终添加到至多部分熔融金属的体内，在该体内，该固体盐直接冷却熔融金属并促进金属晶体形成。
优选通过用于搅拌至多部分固化的熔融金属的手段添加固体盐。由此使固体盐很好地遍布于熔融金属中，盐/金属接触面相对较大，并且，随着盐升温和熔化，盐通过冷却金属有效地促进金属晶体形成。
熔化时的固体盐优选具有比至多部分固化的熔融金属的密度低的密度，使得它在至多部分固化的熔融金属的顶部形成盐层，并可例如通过抽出被容易地去除，并减少熔融金属的氧化。
固体盐优选包含碱土金属卤化物或碱金属卤化物或其混合物，因为这些卤化物化学稳定且不太可能与至多部分固化的熔融金属反应。
至多部分固化的熔融金属优选为铝合金。分步结晶特别适于铝。鉴于粗铝的生产耗能大且较为昂贵，因此铝废料在成本上较为合算，因此为了获得所需的化学组成，常常必须减少铝废料中的外来元素的量。
下面通过参照附图1～3通过举例进一步解释本发明。
图1表示实施根据本发明的冷却方法的结晶装置的断面图。图2表示实施根据本发明的冷却方法的另一结晶装置的断面图。图3表示实施根据本发明的冷却方法的另一结晶装置的断面图。
图1表示用于实施根据本发明的方法的结晶装置。该装置包括由壁3和底板部分4包围的室9。该装置可以包括盖子，但在图中没有示出。壁3和底板部分4优选被嵌入的加热元件或加热管5加热。该装置包括搅拌器或叶轮6。搅拌器6的旋转运动在至多部分固化的熔融金属8中产生延伸到熔融金属的表面的涡流14。固体盐13落到或被投放到至多部分固化的熔融金属8的表面上，并优选被定位为落入由搅拌器产生的涡流14中，因此固体盐被引入装置的室中的至多部分固化的熔融金属的体内。由于被选择为具有比金属的熔化温度低的熔化温度，因此盐熔化。固体盐也优选被选择为一旦熔化就具有比熔融金属大的密度，并由此在至多部分固化的熔融金属下面形成层11。盐可以从层11被去除，并且，一旦被去除就可以被冷却和固化，以备重新使用。
图2表示用于包含一种或更多种外来元素的熔融金属的分步结晶的结晶装置1。该装置包括由盖子2、壁3和底板部分4包围的室9。壁3和底板部分4优选被嵌入的加热元件或加热管5加热。该装置还包括旋转的搅拌器或叶轮6，以及导管7。粉末或细粒形式的固体盐13与加压的不活泼气体一起通过导管7被供给至多部分固化的熔融金属8。至多部分固化的熔融金属的搅拌使晶体保持悬浮，并促进晶体和熔融金属的之间的材料的交换。由于盐的熔化温度比至多部分固体熔融金属的熔化温度低，因此盐熔化。熔化时的盐优选具有比熔融金属低的密度，因此，盐13穿过至多部分固化的熔融金属上升，并在金属的顶部形成层11，并可经由出口10被抽出。一旦被抽出，盐就被冷却和固化，以备重新使用。
图3表示用于实施根据本发明的方法的替代性结晶装置。该装置包括由盖子2、壁3和底板部分4包围的室9。壁3和底板部分4优选被嵌入的加热元件或加热管5加热。该装置包括用于固体盐的供应导管12和搅拌器的组合。固体盐13以粉末或细粒形式与加压的不活泼气体被供给导管12。气体和固体盐穿过导管12的内部的管道，并经由导管中的至少两个开口排出进入至多部分固化的熔融金属中。导管12被旋转，以搅拌至多部分固化的熔融金属，同时固体盐被供给至多部分固化的熔融金属。至多部分固化的熔融金属的搅拌使晶体保持悬浮，并促进晶体和熔融金属的之间的材料的交换。熔化时的盐优选具有比熔融金属低的密度，因此，盐13穿过至多部分固化的熔融金属8上升，并在金属的顶部形成层11，并可经由出口10被抽出。一旦被抽出，盐就被冷却和固化，以备重新使用。
至多部分固化的熔融金属8优选为铝合金。添加的固体盐在熔融时可具有比熔融金属的密度高或低的密度。盐由此最终可形成在熔融金属的上表面之上并与其接触的层，或可形成在熔融金属的下表面之下并与其接触的层。添加的固体盐还可具有使得熔化时的盐中的一部分在熔融金属之上形成盐层并且一部分在熔融金属之下形成盐层的组成。固体盐可直接被供给到至多部分固化的熔融金属的上表面，和/或可被供给到与至多部分固化的熔融金属的上表面接触的盐层上和/或该盐层中。固体盐可在至多部分固化的熔融金属的下表面下方直接被供给下表面，和/或被供给到与至多部分固化的熔融金属的下表面接触的盐层中/或该盐层下。可以同时在至多部分固化的熔融金属之上和之下供给固体盐。可以以例如粉末、球粒、团块或大块的形式供给固体盐。固体盐可简单地落入或浸入至多部分熔融金属中。也可以以被封入另一材料的方式供给固体盐，该材料诸如例如包含熔融金属的固化涂层的形式的材料。
固体盐优选具有比铝金属的熔点低的熔点，且更优选具有低于500℃的熔点，以保证即使当盐层的形成部分位于至多部分固体熔融金属之上或之下时盐也保持熔融状态。添加的固体盐优选包含诸如碱土金属卤化物或碱金属卤化物或其混合物的卤化物盐，因为这些盐在化学上稳定且不太可能与熔融金属反应。更优选固体盐包含氯化钠和氯化镁，所述氯化钠和氯化镁分别具有720℃和780℃的熔点，但在组合时可具有大大降低的熔点。还更优选使用约60％NaCl和约40％MgCl2，以实现低于500℃的熔点和化学稳定的组合。
用于660℃的温度下的熔融铝合金的固体盐的冷却效力的典型值为：
在20℃的温度下添加的1kg的固体盐
1kg×1000J/kg℃×(660-20)℃＝640kJ(加热盐)
1kg×300kJ/kg＝300kJ(熔化盐)
吸收的总能量＝940kJ
铝的熔化的潜热＝390kJ/kg
由此，要从660℃的熔融铝合金产生1kg的铝晶体，冷却所需要的盐的量为约0.4kg(390/940kg)。
容纳500kg的熔融铝合金的结晶装置的合理的生产率是每小时100kg晶体。由此，要获得每小时100kg的晶体生产率，每小时应供给40kg的固体盐。
可以将盖子2和/或在结晶装置的室中形成的熔盐的层11加热到铝金属的熔点之上的温度，以保证铝金属的晶体不在例如搅拌器和/或供给导管6、7、12上形成。
作为替代方案，可以将诸如搅拌器和/或供给导管6、7、12的元件加热到铝的熔化温度之上，以避免用金属晶体结壳。

Claims (11)

1.一种在分步结晶的过程中冷却至多部分固化的熔融金属的方法，其中，形成的金属晶体具有比所述熔融金属的组成更纯的组成，其特征在于，固体形式的盐被用于冷却所述至多部分固化的熔融金属。
2.根据权利要求1的方法，其中，选择在所述至多部分固化的熔融金属的冷却过程中至少部分熔化的盐。
3.根据前面的权利要求中的任意一项的方法，其中，一旦所述盐熔化，所述盐中的至少一些就被去除。
4.根据权利要求3的方法，其中，所述被去除的盐被冷却和固化，优选用于重新使用。
5.根据前面的权利要求中的任意一项的方法，其中，所述固体盐从至多部分固化的熔融金属之上被添加和/或被添加到至多部分固化的熔融金属之下和/或至多部分固化的熔融金属中。
6.根据前面的权利要求中的任意一项的方法，其中，所述至多部分固化的熔融金属被搅拌。
7.根据权利要求6的方法，其中，所述固体盐被添加到通过搅拌器的运动在所述至多部分固化的熔融金属的表面上形成的涡流中。
8.根据权利要求6的方法，其中，所述至多部分固化的熔融金属被搅拌手段搅拌，并且固体盐通过所述搅拌手段被添加到所述至多部分固化的熔融金属中。
9.根据前面的权利要求中的任意一项的方法，其中，所述固体盐被选择为一旦熔化就具有比所述至多部分固化的熔融金属的密度低的密度。
10.根据前面的权利要求中的任意一项的方法，其中，所述固体盐包含碱土金属卤化物或碱金属卤化物或其混合物。
11.根据前面的权利要求中的任意一项的方法，其中，所述金属是铝合金。
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