RU2101374C1

RU2101374C1 - Aluminum purification method

Info

Publication number: RU2101374C1
Application number: RU96102920A
Authority: RU
Inventors: Г.А. Козаренко; С.И. Крайнов; А.В. Рахаева; Н.М. Сидоренко; В.А. Хрусталев
Original assignee: Открытое акционерное общество "Компания Славич"
Priority date: 1996-02-15
Filing date: 1996-02-15
Publication date: 1998-01-10

Abstract

FIELD: aluminum production. SUBSTANCE: in an aluminum purification method involving vacuum aging and zone melting, the former operation is conducted at 680-1000 C for 6 to 54 h using controlled stepped heating and cooling with 3 to 9 heater sections in automated mode with heating rate 0.1-5.0 C/min and cooling rate 0.08-0.8 C/min. Zone recrystallization is conducted in the following manner: first three zone passages with crystallization front displacement velocity 1.8-2.5 mm/min and zone width from 1/8 to 1/10 ingot length and subsequent passages with velocity 0.4-1.0 mm/min and zone width from 1/15 to 1/20 ingot length, total number of passages not exceeding 10. As a consequence, final distribution of metal admixtures with simultaneous removal of volatile admixtures is attained resulting in that initial part of ingot is enriched in admixtures with distribution coefficient higher than 1 (Cr, Ti, Mo, W, Hf, etc.) and final part of ingots enriched in admixtures having distribution coefficient below 1 (Fe, Cu, Si, Ni, etc.). EFFECT: enhanced metal purification efficiency. 1 tbl

Description

Изобретение относится к металлургии цветных металлов, а именно к получению алюминия особой степени чистоты. The invention relates to the metallurgy of non-ferrous metals, and in particular to the production of aluminum of high purity.

Известно, что для получения особочистого алюминия применяются различные методы очистки, такие, как зонная перекристаллизация, кристаллизация из расплава, дистилляция и ряд других. При применении каждого из методов в отдельности, как правило, не удавалось получить металла чище, чем марка A5N (99,999 содержания основного вещества по массе)
Для некоторых видов изделий микроэлектроники, таких, как изделия с "чистым затвором" необходим материал, основой которого является особочистый алюминий, чистотой лучше, чем марка A6N (99,9999 содержания основного вещества по массе)
Известен способ очистки алюминия, включающий ступенчатый нагрев слитка, вакуумную выдержку при температуре 680-1000^oC и управляемое охлаждение расплава [1]
Сущность изобретения заключается в сочетании вакуумной выдержки с управляемым нагревом и охлаждением и зонной перекристаллизацией, осуществляемой с изменением скорости и ширины зоны по проходам.It is known that various purification methods are used to obtain highly pure aluminum, such as zone recrystallization, melt crystallization, distillation, and several others. When applying each of the methods individually, as a rule, it was not possible to obtain a metal cleaner than the A5N grade (99.999 mass content of the main substance)
For some types of microelectronics products, such as products with a “clean shutter”, a material based on especially pure aluminum is needed, with a purity better than A6N grade (99.9999 content of the main substance by weight)
A known method of purification of aluminum, including step heating of the ingot, vacuum exposure at a temperature of 680-1000 ^o C and controlled cooling of the melt [1]
The essence of the invention lies in the combination of vacuum holding with controlled heating and cooling and zone recrystallization, carried out with a change in the speed and width of the zone along the aisles.

Операция выдержки производится в автоматическом режиме управления нагревом и охлаждением по трем-девяти секциям нагревателя при поддержании ^oCиента температур между соседними секциями 3-50^oC, вакуумную дегазацию проводят при температуре 680-1000^oC и остаточном давлении газов 1,0•10^-4 1,0•10^-6 мм рт. ст. в течение 6-54 ч, нагрев в автоматическом режиме осуществляется со скоростью 0,1-5,0 ^oC/мин, охлаждение со скоростью 0,08-0,8 ^oC/мин.Shutter operation is performed in the automatic mode, the control heating and cooling of the three-nine sections while maintaining the heater temperature ^o Cienta between adjacent sections 3-50 ^o C, the vacuum degassing is carried out at a temperature of 680-1000 ^o C and residual pressure of gases 1,0 • 10 ^{- 4} 1.0 • 10 ^-6 mmHg. Art. within 6-54 hours, heating in automatic mode is carried out at a speed of 0.1-5.0 ^o C / min, cooling at a speed of 0.08-0.8 ^o C / min

Зонная перекристаллизация проводится в следующем режиме: первые три прохода проводятся при скорости движения фронта кристаллизации f 1,8-2,5 мм/мин при ширине зоны l (1/8-1/10)L, где L длина слитка, последующие проходы f (, 4-1,0 мм/мин с шириной зоны l (1/15-1/20)L. Zone recrystallization is carried out in the following mode: the first three passes are carried out at a speed of movement of the crystallization front f of 1.8-2.5 mm / min with a zone width of l (1 / 8-1 / 10) L, where L is the length of the ingot, subsequent passes f (, 4-1.0 mm / min with a zone width l (1 / 15-1 / 20) L.

Вакуумная выдержка обеспечивает высокую эффективность очистки от газов, газообразующих примесей и примесей, имеющих давление пара выше, чем у основы, таких, как H, N, O, C, Cl, P, S, F, Na, K, Mg, Ca и ряда других; распределение металлических примесей происходит за счет направленной кристаллизации, создаваемой градиентом температур, и устраняет образование усадочных раковин и пустот по длине слитка, перемещая их в конечную часть слитка. Vacuum holding provides high cleaning efficiency from gases, gas-forming impurities and impurities having a vapor pressure higher than that of the base, such as H, N, O, C, Cl, P, S, F, Na, K, Mg, Ca and a number of others; the distribution of metallic impurities occurs due to directed crystallization created by the temperature gradient and eliminates the formation of shrinkage shells and voids along the length of the ingot, moving them to the final part of the ingot.

Зонная перекристаллизация обеспечивает конечное распределение металлических примесей с одновременной очисткой от легколетучих примесей, при этом начальная часть слитка обогащается примесями, имеющими коэффициент распределения больше единицы (K > 1), такими, как Cr, Ti, Mo, W, Hf и т.д. а конечная часть слитка примесями с K < 1, такими, как Fe; Cu; Si; Ni и т.д. Zone recrystallization provides the final distribution of metallic impurities while purifying them from volatile impurities, while the initial part of the ingot is enriched with impurities having a distribution coefficient greater than unity (K> 1), such as Cr, Ti, Mo, W, Hf, etc. and the final part of the ingot with impurities with K <1, such as Fe; Cu; Si; Ni etc.

Промышленная применимость способа иллюстрируется следующим примером. The industrial applicability of the method is illustrated by the following example.

Пример. Слитки исходного алюминия марки А 995 травят в растворе царской водки, нейтрализуют раствором щелочи, промывают проточной тепловой дистиллированной водой (не менее 2 ч), сушат при температуре 12О-180^oC и загружают в предварительно подготовленные и отожженные в вакууме 1,0•10^-5 мм при температуре 1100^oC графитовые изложницы длиной 1400 мм и шириной 70 мм. Вакуумную выдержку проводят на специальных установках, основой которой является диффузионная печь типа СДОМ (ОГДОМ, ОКСИД).Example. Ingots of the original aluminum of grade A 995 are etched in a solution of aqua regia, neutralized with an alkali solution, washed with running thermal distilled water (at least 2 hours), dried at a temperature of 12O-180 ^o C and loaded into 1.0 • 10 pre-prepared and annealed in vacuum ^-5 mm at a temperature of 1100 ^o C graphite molds with a length of 1400 mm and a width of 70 mm. Vacuum exposure is carried out in special installations, the basis of which is a diffusion furnace type SDOM (OGDOM, OXID).

После достижения вакуума порядка 1,0•10^-5 мм рт. ст. производят нагрев в автоматическом режиме со скоростью 0,1-5,0 ^oC/мин. Расплав выдерживают при температуре 680-1000^oC в течение 6-54 ч для удаления газов, газообразующих и примесей, имеющих давление пара, выше чем у основы, и производят охлаждение по трем-девяти секциям в управляемом автоматическом режиме со скоростью 0,08-0,8 ^oC/мин.After reaching a vacuum of the order of 1.0 • 10 ^-5 mm RT. Art. produce heating in automatic mode with a speed of 0.1-5.0 ^o C / min The melt is kept at a temperature of 680-1000 ^o C for 6-54 hours to remove gases, gas-forming and impurities having a vapor pressure higher than that of the base, and produce cooling in three to nine sections in a controlled automatic mode with a speed of 0.08- 0.8 ^o C / min.

После охлаждения слитки вынимают, травят в растворе царской водки, нейтрализуют, промывают в проточной дистиллированной воде и укладывают в эти же графитовые изложницы для проведения зонной перекристаллизации. Зонную перекристаллизацию проводят на установке зонной плавки с индукционным нагревом и перемещают со скоростью движения каретки индукторов. After cooling, the ingots are taken out, etched in a solution of aqua regia, neutralized, washed in running distilled water and laid in the same graphite molds for zone recrystallization. Zone recrystallization is carried out at a zone smelting plant with induction heating and is moved with the speed of the inductors carriage.

По установлению в реакторах установки вакуума порядка 1,0•10^-5 мм рт. ст. включается стартовый разогрев и первые три прохода зоны проводят со скоростью f 1,8-2,2 мм/мин при ширине зоны равной (1/15-1/20)L; 4-й и последующие проходы со скоростью 0,4-1,0 мм/мин при ширине зоны (1/8-1/10)L.By establishing a vacuum in the reactors of the installation of the order of 1.0 • 10 ^-5 mm RT. Art. starting heating is turned on and the first three passes of the zone are carried out with a speed f of 1.8-2.2 mm / min with a zone width equal to (1 / 15-1 / 20) L; 4th and subsequent passes at a speed of 0.4-1.0 mm / min with a zone width of (1 / 8-1 / 10) L.

После охлаждения слитки вынимают, травят в растворе царской водки, нейтрализуют, промывают в проточной подогретой дистиллированной воде, сушат, отбирают пробы на анализ в соответствии с отбором проб в прототипе. В такой последовательности процесс зонной перекристаллизации повторяют при различных значениях f и n (числа проходов). В таблице даны результаты анализа на содержание примесей по этапам очистки и в сравнении с остаточным алюминием марки UTNI фирмы MRC (США) и металлом, полученным по известной схеме с применением двухстадийного каскадного метода, который по сравнению с предлагаемым способом требует значительно больших трудо- и энергозатрат. After cooling, the ingots are taken out, etched in a solution of aqua regia, neutralized, washed in running heated distilled water, dried, samples are taken for analysis in accordance with the sampling in the prototype. In this sequence, the process of zone recrystallization is repeated at different values of f and n (number of passes). The table shows the results of an analysis of the content of impurities by the stages of purification and in comparison with the residual aluminum of the UTNI brand of MRC (USA) and the metal obtained according to the known scheme using the two-stage cascade method, which, compared with the proposed method, requires significantly greater labor and energy costs .

Разброс в результатах анализа объясняется тем, что в настоящее время для аттестации особочистого алюминия применяется только масс-спектрометрический метод анализа с искровым или тлеющим разрядом, который и применялся для аттестации металла по предлагаемому способу и металла фирмы MRC. The spread in the results of the analysis is explained by the fact that at present, for the certification of especially pure aluminum, only the mass spectrometric method of analysis with a spark or glow discharge is used, which was used to certify the metal according to the proposed method and metal from MRC.

Claims

A method for purifying aluminum, including stepwise heating of the ingot, vacuum holding at 680 1000 ^o C and controlled cooling, characterized in that the vacuum holding is carried out for 6 54 hours with simultaneous stepwise heating and cooling in 3 9 sections of heaters in automatic mode with a heating speed of 0 , 1 5.0 deg / min and a cooling rate of 0.08 0.80 deg / min followed by recrystallization, carried out in the mode: the first three passes of the zone with a speed of movement of the crystallization front of 1.8 2.5 mm / min, with the width of the zone 1.8 1.10 length of the ingot and the aftermath length of passes with a speed of 0.4 1.0 mm / min with a zone width of 1/15 1/20 of the length of the ingot with a total number of passes of not more than ten.