偏析提純中主要元素雜質提出率研究

河南中孚技術中心有限公司 河南 鞏義 451200

1 前言

作為利用合金凝固時的偏析現象提純鋁的方法，世界上已開發出很多技術，大體上可分為分步結晶法、定向凝固法和區域熔煉法。分步結晶法是將初晶進行分離、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元素的平衡分配系數有關。平衡分配系數K，指在一定溫度下雜質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K＜1時雜質元素在液相中富集

當K＞1時雜質元素在固相中富集

當K=1時說明雜質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用技術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硼化物的方式來去除這些元素。

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

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

2 偏析法雜質固液分布的原理

工業原鋁偏析法提純原理如下圖：

雜質質量分數為X的原鋁，當雜質平均質量分數為X0的熔體從某一高溫緩慢冷卻并交于液相線的溫度為t1時候，便會結晶出雜質量為X1的晶體，這些晶體便是偏析得到的提純物質。實際偏析過程中，凝固的鋁由于不斷向熔體中排放雜質，因此會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的有效分凝系數Ke大小有關，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；δ為富集層厚度；D為雜質在熔鋁中的擴散系數；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降低晶體生長速度，可以相應減少Ke。理論上Ke接近于K0或遠小于K0時提純效果好。

3 不同工藝的偏析法提純效果

3.1 分步結晶法 把鋁液注入預熱的石墨坩堝中，溫度控制在鋁熔點的范圍內，然后將石墨導管插入鋁液中，惰性氣體添加裝置通過石墨管送入冷卻管內，使鋁結晶在冷卻管四周形成凝固層，冷卻管上下運動時，石墨環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，在上下運動的過程中堆積的結晶鋁被夯實，從而得到高純鋁。采用此方法生產的代表性企業是美國鋁業公司(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。

4 我公司的偏析法提純效果

我公司采用的偏析法是側部結晶法。

具體方法就是將鋁液注入其外有電加熱系統的坩堝內，放下石墨攪拌器，在石墨坩堝之外有通水冷卻的殼體，坩堝內的鋁熔體受到冷卻時，在坩堝內壁上有細小的鋁晶體凝聚，這些晶體雜質含量遠低于鋁熔體中的含量，待爐內高純鋁重量達到總重量的60---70%時，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部結晶法的提純率：

偏析側部結晶法的提純率(中孚實業股份有限公司)雜質/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雜質提出率/% 80 73 42 70 56 38 5

5 結束語

對于同一套工藝設備來說，其“雜質提出率”是一個定值，這個值也反映了該套設備工藝的先進程度，只有不斷地改造設備、改進工藝才能不斷進步，一直走在技術的前沿。