偏析提純中主要元素雜質(zhì)提出率研究

河南中孚技術(shù)中心有限公司 河南 鞏義 451200

1 前言

作為利用合金凝固時(shí)的偏析現(xiàn)象提純鋁的方法，世界上已開發(fā)出很多技術(shù)，大體上可分為分步結(jié)晶法、定向凝固法和區(qū)域熔煉法。分步結(jié)晶法是將初晶進(jìn)行分離、集中；定向凝固法是在冷卻凝固面使初晶生長。偏析法制備純鋁的原理鋁偏析法的提純效果與雜質(zhì)元素的平衡分配系數(shù)有關(guān)。平衡分配系數(shù)K，指在一定溫度下雜質(zhì)元素在固相中的濃度Cs和在與其相平衡的液相中的濃度CL之比即K=Cs/CL。

當(dāng)K＜1時(shí)雜質(zhì)元素在液相中富集

當(dāng)K＞1時(shí)雜質(zhì)元素在固相中富集

當(dāng)K=1時(shí)說明雜質(zhì)元素在固相和液相中的濃度相近，難于用此方法分離

定向凝固是指在凝固過程中應(yīng)用技術(shù)手段在液一固界面處建立起特定方向的溫度梯度，從而使熔體沿著與熱流相反的方向凝固，最終得到定向組織甚至單晶。根據(jù)公式CS=KCL，對于K值小于1的元素起到提純的效果。Fe、Si、Cu可以通過偏析法去除，Ti、V、Zr不能通過此方法去除，通常采用添加硼以生產(chǎn)硼化物的方式來去除這些元素。

雖然對同一種金屬雜質(zhì)來說K值是一個(gè)定值，但不同的工藝會(huì)造成不同的提純效果，這就必須引入一個(gè)新的概念：雜志提出率。

在一次偏析過程中，雜質(zhì)提出率=(原料中某元素雜質(zhì)-成品中該元素雜質(zhì))/原料中某元素雜質(zhì)。

2 偏析法雜質(zhì)固液分布的原理

工業(yè)原鋁偏析法提純原理如下圖：

雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為X的原鋁，當(dāng)雜質(zhì)平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為X0的熔體從某一高溫緩慢冷卻并交于液相線的溫度為t1時(shí)候，便會(huì)結(jié)晶出雜質(zhì)量為X1的晶體，這些晶體便是偏析得到的提純物質(zhì)。實(shí)際偏析過程中，凝固的鋁由于不斷向熔體中排放雜質(zhì)，因此會(huì)在固液界面附近形成富集層。偏析鋁的純度與富集層中雜質(zhì)的有效分凝系數(shù)Ke大小有關(guān)，而Ke與富集層的厚度、晶體的生長速度滿足公式

式中：K0為平衡分凝系數(shù)；δ為富集層厚度；D為雜質(zhì)在熔鋁中的擴(kuò)散系數(shù)；f為晶體生長速度。從上式可以看出，減少富集的層厚度并同時(shí)降低晶體生長速度，可以相應(yīng)減少Ke。理論上Ke接近于K0或遠(yuǎn)小于K0時(shí)提純效果好。

3 不同工藝的偏析法提純效果

3.1 分步結(jié)晶法 把鋁液注入預(yù)熱的石墨坩堝中，溫度控制在鋁熔點(diǎn)的范圍內(nèi)，然后將石墨導(dǎo)管插入鋁液中，惰性氣體添加裝置通過石墨管送入冷卻管內(nèi)，使鋁結(jié)晶在冷卻管四周形成凝固層，冷卻管上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，石墨環(huán)將其上凝固的鋁晶體刮下，使鋁晶體脫落到坩堝底部堆積起來，在上下運(yùn)動(dòng)的過程中堆積的結(jié)晶鋁被夯實(shí)，從而得到高純鋁。采用此方法生產(chǎn)的代表性企業(yè)是美國鋁業(yè)公司(ALCOA)、法國彼施涅公司和日本輕金屬公司。

3.2 定向凝固法 定向凝固法是在凝固過程中采用強(qiáng)制手段，在凝固金屬和未凝固金屬熔體中建立起特定方向的溫度梯度，從而使熔體沿著與熱流相反的方向凝固，獲得具有特定取向柱狀晶的技術(shù)。

4 我公司的偏析法提純效果

我公司采用的偏析法是側(cè)部結(jié)晶法。

具體方法就是將鋁液注入其外有電加熱系統(tǒng)的坩堝內(nèi)，放下石墨攪拌器，在石墨坩堝之外有通水冷卻的殼體，坩堝內(nèi)的鋁熔體受到冷卻時(shí)，在坩堝內(nèi)壁上有細(xì)小的鋁晶體凝聚，這些晶體雜質(zhì)含量遠(yuǎn)低于鋁熔體中的含量，待爐內(nèi)高純鋁重量達(dá)到總重量的60---70%時(shí)，停止操作，吊出坩堝，倒掉其中殘留的低品位鋁液后，取出高純鋁錠。

下表為我公司采用側(cè)部結(jié)晶法的提純率：

偏析側(cè)部結(jié)晶法的提純率(中孚實(shí)業(yè)股份有限公司)雜質(zhì)/ppm Fe Si Cu Mg Ga Zn Mn原料鋁 695 268 6 9 123 37 6高純鋁 140 74 4 3 54 23 5雜質(zhì)提出率/% 80 73 42 70 56 38 5

5 結(jié)束語

對于同一套工藝設(shè)備來說，其“雜質(zhì)提出率”是一個(gè)定值，這個(gè)值也反映了該套設(shè)備工藝的先進(jìn)程度，只有不斷地改造設(shè)備、改進(jìn)工藝才能不斷進(jìn)步，一直走在技術(shù)的前沿。