電磁複合場區域熔煉提純金屬的方法及其裝置的製作方法

2023-05-29 15:37:21

專利名稱：電磁複合場區域熔煉提純金屬的方法及其裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電磁複合平行靜磁場下提純金屬的方法及其裝置，屬在電磁場作 用下的金屬分離及提純工藝技術領域。
技術背景電遷移技術因其能改變凝固過程中的溶質分配係數，在複合了區域熔煉技術後可 使金屬中溶質分配係數接近1的雜質定向遷移，因此一直被視作製備高純度金屬的有 效方法之一。但長期以來卻只能用於提純少量的珍貴材料，其中的一個主要原因是 要獲得電遷移效果，所需的電流密度通常要達到1(^A/CI^以上，這將導致顯著的焦耳熱效應，從而給試樣提純的操作及過程控制帶來不便；此外，由於電流感生磁場進 而在金屬熔體中形成不均勻電磁力，在熔體產生紊流，這將顯著惡化雜質原子的定向 遷移效果；而且，通過電遷移提純時，由於雜質原子擴散速度很慢，導致該技術提純 金屬所需的周期也相對較長。本發明將電遷移結合區域熔煉體系置於一個磁力線方向與所施加的電場方向相 平行的磁場中，利用磁場對金屬熔體中對流的抑制作用，降低電流誘導的擠壓力效應 而造成的對流，從而可以提高雜質原子的定向遷移速度；此外，通過控制區域熔煉過 程，本發明將雜質原子以相的形式析出，利用磁場與電流流經顆粒附近的彎曲效應， 在相顆粒前後形成不對稱渦流，利用渦流形成的龍巻風抽吸效應，驅動雜質相顆粒快 速向陰極遷移，從而大大提高雜質的去除效率；同時，由於雜質是固溶在相顆粒中遷 移，不是受到電子風的動量傳質而導致運動，因此所需的電流密度可以顯著降低，這 可以顯著節省電遷移技術的能量消耗。 發明內容本發明的目的是提供一種在電磁複合場作用下實現雜相元素的定向電遷移，以達 到分離和提純金屬的方法及其裝置。本發明一種電磁複合場區域熔煉提純金屬的方法，其特徵在於具有以下的過程和 步驟將含有雜相金屬元素的金屬或合金置於電磁複合場中，即將電遷移區域熔化裝置 在一個磁力線方向與所施加電流方向相平行的磁場裝置中，且區域熔化試樣即所述的
含有雜相金屬元素的金屬或合金在磁場中沿磁力線方向向下平穩移動，而金屬或合金 試樣中的熔融區城將逆於金屬或合金本體移動方向向上朝陰極方向移動；由於磁場和 電場的協同作用，將雜相金屬元素以相顆粒的形式往陰極遷移，最終在金屬或合金本 體的下端，即在靠近陽極處，獲得去除雜相金屬元素的純淨金屬。上述的磁場裝置的磁體的磁感應強度要求為0.1 20T (特斯拉)；所述的電遷移 裝置的直流電流密度要求為10 100A/cm2。一種電磁複合場區域熔煉提純金屬的方法中所用的專用裝置，該裝置由高頻感應 電源、高頻電流傳輸導線、水冷銅套、負極、剛玉管、合金圓棒試樣、高頻感應線圈、 直流電源、直流電纜、抽拉滑板、抽拉軌道、超導磁體和正極組成；其特徵在於放 置有合金圓棒試樣的剛玉管放置在設有高頻感應線圈的加熱裝置中，高頻感應線圈通 過導線與外部的高頻感應電源相連；高頻感應線圈的外側設有一包圍於它的超導磁 體；水冷銅套設置在感應線圈的兩端分別與負極和正極相連，上端的負極和下端的正 極通過直流電纜與外部直流的電源相連接；合金圓棒試樣的下部連接有可在抽拉軌道 上作上下移動的抽拉滑板；通過該機構可使高頻感應線圈內的剛玉管和合金圓棒試樣 整體共同向下移動；合同圓棒試樣在高頻感應線圈內側形成區域熔化的熔區，該熔區在電磁場共同作用下將向上朝陰極方向遷移。所述的超導磁體的中心磁場強度為0.1 20T (特斯拉)；所述的直流電源供給的 直流電流密度為10 100A/cm2;所述的高頻感應電源供給的輸出功率為2-50Kw;合 金圓棒試樣的向下移動速度為1-1000微米/秒。本發明的特點和優點如下1、 由於本發明將電遷移裝置結合區域熔煉並安置在一個強磁場裝置中，通過一 個平行的靜磁場和區域熔煉，可使熔融金屬中析出的大顆粒相在一定電流密度的直流 電場下發生顯著遷移，從而避免了已有技術中必須施加大的直流電流所帶來的紊流和 焦耳熱問題。2、 本發明能明顯提高液態金屬中相顆粒的遷移速度，因此可以顯著提高淨化效 率，縮短淨化周期；另外，本發明方法有較高的去除金屬雜質提純金屬的功效。


圖1為本發明的專用裝置結構示意圖。
具體實施例方式
實施例一本實施例中電磁複合場下區域熔煉提純金屬的方法主要通過其專用裝 置來實現的。參見圖l，本實施例中所用的專用裝置由高頻感應電源1、高頻電流傳輸導線2、 水冷銅套3、負極4、剛玉管5、合金圓棒試樣6、高頻感應線圈8、直流電源9、直 流電纜10、抽拉滑板11、抽拉軌道12、超導磁體13和正極14組成；放置有合金圓 棒試樣6的剛玉管5放置在設有高頻感應線圈8的加熱裝置中，高頻感應線圈8通過 導線2與外部的高頻感應電源1相連；高頻感應線圈8的外側設有一包圍於它的超導 磁體13;水冷銅套3設置在感應線圈8的兩端分別與負極4和正極14相連，上端的 負極4和下端的正極14通過直流電纜10與外部直流的電源9相連接；合金圓棒試樣 6的下部連接有可在抽拉軌道12上作上下移動的抽拉滑板11;通過該機構可使高頻 感應線圈8內的剛玉管5和合金圓棒試樣6整體共同向下移動；合同圓棒試樣6在高 頻感應線圈8內側形成區域熔化的熔區7，該熔區7在電磁場共同作用下將向上朝陰 極4方向遷移。本實施例的具體運作過程如下所述採用Zn-1%A1 (含Al質量分數為1%)的Zn-Al合金作為試樣，該Zn-Al合金圓 棒試樣的直徑為10mm，長度為150mm，將所述的Zn-Al合金圓棒試樣6放置在剛玉 管5中，將帶剛玉管5的Zn-Al合金圓棒試樣6安裝在高頻感應線圈8預先放置在超 導磁體13的水冷銅套3的環形空間區域，該區域也是超導磁體13磁場均勻區，超導 磁體13的中心磁場強度為10T (特斯拉)；通過直流電源9、電纜10、負極4和正極 14，經Zn-Al合金圓棒試樣6輸入直流電流，其電流強度為50A/cm2;開啟高頻電源 1，其輸出功率為5Kw，使合金圓棒試樣6在高頻線圈8內側形成區域熔化的熔區7; 打開抽拉軌道12的驅動裝置，驅動抽拉滑板11和合金圓棒6及外套剛玉管5整體向 下移動；移動遷移速度為10微米/秒；相對而言，合金圓棒試樣6中的熔區7將向上 遷移，與此同時，熔區7中富含鋁元素的初晶相oc-Al (圖中以標號15表示)在電流 共磁場的共同作用下，將快速向陰極4方向遷移；隨著合金圓棒試樣6持續向下抽拉， 則最終在Zn-Al合金圓棒試樣6靠近陰極4的端部形成Al元素富集區，而靠近個圓 棒6的下側即初始熔化區側，其A1元素濃度很低。若重複上述過程多次，則Zn-Al 合金圓棒試樣6的下端就能生成非常純淨的金屬棒，達到了提純金屬鋅的目的，至於 上端的鋁富集區，可用於進一步淨化或者回爐處理。
權利要求
1.一種電磁複合場區域熔煉提純金屬的方法，其特徵在於具有以下的過程和步驟將含有雜相金屬元素的金屬或合金置於電磁複合場中，即將電遷移區域熔化裝置在一個磁力線方向與所施加電流方向相平行的磁場裝置中，且區域熔化試樣即所述的含有雜相金屬元素的金屬或合金在磁場中沿磁力線方向向下平穩移動，而金屬或合金試樣中的熔融區城將逆於金屬或合金本體移動方向向上朝陰極方向移動；由於磁場和電場的協同作用，將雜相金屬元素以相顆粒的形式往陰極遷移，最終在金屬或合金本體的下端，即在靠近陽極處，獲得去除雜相金屬元素的提純純金屬。
2. 根據權利要求l所述的一種電磁複合場區域熔煉提純金屬的方法，其特徵在於所 述的磁場裝置的磁體的磁感應強度要求為0.1 20T特斯拉;所述的電遷移裝置的直流電流密度要求為10 100A/cm2。
3. —種電磁複合場區域熔煉提純金屬的方法中所用的專用裝置，該裝置由高頻感應 電源(l)、高頻電流傳輸導線(2)、水冷銅套(3)、負極(4)、剛玉管(5)、合金圓棒試 樣(6)、高頻感應線圈(8)、直流電源(9)、直流電纜(IO)、抽拉滑板(ll)、抽拉軌道(12) 、超導磁體(13)和正極(14)組成；其特徵在於放置有合金圓棒試樣(6)的剛玉 管(5)放置在設有高頻感應線圈(8)的加熱裝置中，高頻感應線圈(8)通過導線(2)與 外部的高頻感應電源(1)相連；高頻感應線圈(8)的外側設有一包圍於它的超導磁體(13) ;水冷銅套(3)設置在感應線圈(8)的兩端分別與負極(4)和正極(14)相連，上端 的負極(4)和下端的正極(14)通過直流電纜(10)與外部直流的電源(9)相連接；合金 圓棒試樣(6)的下部連接有可在抽拉軌道(12)上作上下移動的抽拉滑板(11);通過 該機構可使高頻感應線圈(8)內的剛玉管(5)和合金圓棒試樣(6)整體共同向下移 動；合同圓棒試樣(6)在高頻感應線圈(8)內側形成區域熔化的熔區(7)，該熔區(7) 在電磁場共同作用下將向上朝陰極(4)方向遷移。
4. 根據權利要求3所述的一種電磁複合場區域熔煉提純金屬的方法中所用的專用裝 置，其特徵在於所述的超導磁體的中心磁場強度為0.1 20T特斯拉；所述的直流 電源供給的直流電流密度為10 100A/cm2;所述的高頻感應電源供給的輸出功率 為2-50Kw;合金圓棒試樣的向下遷移速度為1-1000微米/秒。
全文摘要
本發明涉及一種電磁複合場下區域熔煉提純金屬的方法及其裝置，屬在電磁場作用下的金屬分離及提純工藝技術領域。本發明的特徵是將含有雜相金屬元素的金屬或合金置於電磁複合場中，利用電遷移區域熔化裝置放置在一個磁力線方向與所施加電流方向相平行的磁場裝置中，在磁場和電場的協同作用下，使雜相金屬元素以相顆粒形式往陰極遷移，最終在金屬或合金本體的下端獲得提純的純金屬。本發明中採用的磁場強度為0.1～20T(特斯拉)，電遷移的直流電流密度為10～100A/cm2。
文檔編號C22B9/00GK101148702SQ20071004749
公開日2008年3月26日 申請日期2007年10月26日 優先權日2007年10月26日
發明者任忠鳴, 鍾雲波, 陽祥富 申請人:上海大學