從金屬母液如鋁液中提純分離純化金屬的方法和裝置的製作方法

2023-11-04 05:28:47

專利名稱：從金屬母液如鋁液中提純分離純化金屬的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及從含有至少一種雜質元素的金屬母液中提純分離純化金 屬的方法和裝置，尤其涉及有色金屬且最好是回收鋁廢料的精煉方法。金 屬提純通常會帶來巨大的經濟效益，因為它允許加工可能含有不同的合金 元素或雜質元素以及含有不同量的雜質元素的金屬廢料，以便重獲標準純 度和更高的經濟價值。
背景技術：
如人們將從以下說明中理解的，除非另作說明，合金牌號是指由鋁業
協會於2006年頒布的"鋁標準和數據及登記備案"中的鋁業協會號。
關於任何對合金成分或優選合金成分的說明，提到百分比時都是指重 量百分比，除非另作說明。
在現有技術中，人們採用各種各樣的結晶工藝和設備來精鍊金屬(在這 裡，金屬作為金屬合金的簡稱)，金屬含有其含量對精鍊金屬的最終用途而 言是不可接受的雜質元素。可能存在這樣的雜質元素的原因是，在由金屬 礦石製成的金屬(原生金屬)中存在太多的雜質元素，或者因為金屬回收廢 料含有很高濃度的雜質元素。例如，鋁廢料可能以商業上無法接受的含量 含有像鐵、矽或鎂這樣的雜質元素，但其不一定與幾乎不含這樣的元素的 原生金屬混合。在分級結晶中，在作為原料的母液的一部分凝固時所形成 的金屬晶體具有不同於母液自身成分的成分。母液可能含有亞共晶成分(例 如參見美國專利US4，273，627)或者含有過共晶成分。
在US4,273，627所述的方法中，含有一種或多種雜質元素的亞共晶金 屬熔體被冷卻，以便實現部分凝固。金屬熔體被冷卻至恰好高於共晶溫度。 在金屬熔體中形成的晶體的成分比作為原料所用的金屬熔體的晶體更純。 這些晶體隨後可以通過固-液分離技術從殘餘的金屬熔體中被分離出來。然 而此工藝的缺點是，如果雜質元素的原始濃度高，則所獲得的純化金屬較 少而副產物較多。這意味著分級結晶工藝可能就經濟而言對例如廢料提純 是不划算的。另一種提純方法利用雜質元素分離，在此方法中，含有一種或多種雜 質元素的過共晶金屬熔體被冷卻以實現部分凝固。金屬溶體被冷卻至 一個 恰好高於共晶溫度的溫度。雜質元素凝固形成含有至少一種雜質元素的晶 體和/或純雜質元素晶體，其可以隨後利用固-液分離技術從金屬熔體中被
分離出來。通過添加如US5,741,348所述的某些元素，亞共晶金屬熔體可 以被轉變至過共晶。此方法的缺點是，所獲得的殘餘液體產物不是很純， 因而價值相對低。
結晶也可以在共晶溫度完成，結果，瞬時產生純化金屬晶體和與母液 成分相比含有更高濃度的一種或多種雜質元素的晶體，例如參見國際專利 申請公開號WO2005/095658Al。在WO2005/095658A1所公開的方法中， 金屬熔體被冷卻至共晶溫度，以便瞬時形成純化金屬晶體和含有至少 一種 雜質元素的晶體。與金屬熔體的原始成分相比，純化金屬晶體中脫除了雜 質元素，而雜質元素富集在含有至少一種雜質元素的其它晶體中。隨後， 含有至少一種雜質元素的晶體中的至少一部分通過採用固-固分離技術與 純化金屬晶體分離。這種已知的提純方法就例如針對廢料如回收鋁的提純 的經濟可行性而言是有益的，因為可以高收率地獲得相對純的金屬如純化 金屬晶體。固-固分離步驟尤其以液-固預分離步驟為表率，在這裡，兩種 晶體以混合晶體的形式從金屬熔體中被分離出來，隨後混合晶體被加入熔 鹽中，熔鹽的比重介於純化金屬晶體的比重和含有至少一種雜質元素的晶 體的比重之間，結果，某些晶體沉入鹽中，而餘下的漂浮於鹽上。
WO2005/095658A1所述的其它固-固分離方法利用離心力、電磁場和 基於氣泡的浮升。也描述了用於從金屬熔體總量中分離出兩種晶體的備選 的預分離步驟，例如過濾、離心和藉助攪拌的鹽層接觸步驟。在此過程中， 兩種晶體瞬時形成並在金屬熔體中一起沉澱，由此形成混合晶體。儘管已
經針對將混合晶體分離成其組分描述了各種不同的技術，但這些技術看起 來尤其使該過程變得複雜並且實施起來費力。
與幾乎所有結晶工藝相關的問題就是從不純的母液中分離出純化金 屬晶體。母液仍留在所產生的晶體之間以及晶體本身當中。通過採用多個 結晶步驟和/或用重熔的純液從晶體中逆向洗脫母液的步驟，可以至少部分 克服此問題。
市場上所採用的、用於金屬精煉的分級結晶法被應用在所謂的雲南 (Yunnan)結晶器中。這種結晶器被用於通過從錫中脫鉛來精煉錫合金。錫合金熔體被送入細長的容器中，該容器具有敞開的頂部和傾斜的底部，一 根螺杆在容器中緩慢轉動。錫合金熔體的表面被噴水冷卻，結果發生精錫 合金的結晶。這些晶體在錫合金熔體中結晶並被送至容器的淺層區。因為 在整個容器長度範圍內存在溫差，所以晶體在淺層區中部分重炫，結果出 現較純的晶體。這種機理多次反覆，最終，非常純的晶體被取出。含鉛的 錫合金熔體從容器深層區被取出。這樣，含大約10%的鉛的錫合金可被精
煉成含大約0.05%的鉛的錫合金。不過，這種利用雲南結晶器的金屬精煉
方法無法被用於所有類型的金屬。 一個問題在於，大多數金屬的熔點遠高 於為之建造了雲南結晶器的錫合金的熔點。由於溫度較高，所以熱輻射強
了許多(熱輻射按照溫度(K)的四次方增強)，熱損失也高了許多。結果，在 結晶器中控制溫度困難了許多。另一個問題是，對許多金屬而言，金屬合 金的結晶溫度和純金屬的結晶溫度之間的溫差非常小，在幾K數量級內。 雲南結晶器無法被用於結晶溫度差這樣小的情況。再一個問題是，使用機 械零部件如上述螺杆給某些金屬提出了難題，因為常用於螺杆的金屬溶於
這些金屬熔體中。 一個更嚴重的問題是，形成在金屬熔體內的晶體易於附 著在結晶器壁上或附著在螺杆上。
一種尤其用於鋁提純的雲南結晶工藝的改進方案在沉澱柱中採用包 括多個分離步驟的多級懸浮結晶法，在這裡，沉澱柱布置在後續的結晶容 器之間。例如參見國際專利申請WO 2005/095658或WO 2004/005558。
美國專利US4,133,517公開了用於在柱中連續提純(淨化)不純金屬的 方法和裝置，不純金屬由金屬母液中的金屬晶體漿組成。柱在柱底端具有 相對熱的區域並具有上方的相對冷的區域。冷區的溫度足以使液體和金屬 晶體共存。熱區的溫度足以允許金屬晶體重熔。在這兩個區之間施加連續 '的豎向顛倒的溫度梯度，從而柱頂部的冷區被急冷，結果，形成一定量的 金屬晶體，通常作為固有物。隨後，固有物的初熔發生在柱冷區內的液態 金屬中，由此從固有物中釋放出金屬晶體。晶體由於其比重大而沉澱至下 方熱區中，在此發生晶體熔化，熱區由此變得富含純液態金屬。在正常工 作中，不純金屬給料被送入柱中，而液態純化金屬從下方熱區被抽取出， 富含雜質的金屬從上方的冷區被抽取出。此工藝的缺點是，通過增大物流 通量或增大橫截面來提高柱的生產率易於明顯幹擾柱的穩定性。在柱底部 的晶體熱熔體的密度低於母液。結果，重熔體熱流在母液中上升，由此消 除流經晶體物質的逆流，該逆流對提純工藝的正常運轉是重要的。
6在此還要注意的是，機械零部件在結晶過程中移動和液態金屬的高壓 運送以造成分離的做法通常不適用於工業規模的金屬提純。
因此，在現有技術中正在尋求金屬提純工藝和裝置的改進。

發明內容
本發明的目的是提供利用柱從母液中提純分離純化金屬晶體的改進 方法和改進裝置，尤其當以連續工作模式實施本發明時，本發明允許更穩 定的工作。
本發明的另一個目的是提供一種方法和一種裝置，其可以與一種或多 種已知的懸浮結晶工藝聯合使用，無論是亞共晶、共晶，還是過共晶。
本發明的再一個目的是提供至少可用於替換已知的提純方法和設備 的方法和裝置。
通過本發明來完成或超越這些和其它的目的以及其它優點，本發明涉 及從金屬母液中提純分離純化金屬晶體的方法和裝置，金屬母液具有規定
的比重並含有一種或多種要脫除的雜質元素，所述方法包括以下步驟
(a) 在柱型裝置中供給原料，原料包含金屬晶體和含有至少一種雜質元 素的金屬母液；
(b) 在柱型裝置的頂端或靠近頂端的相對熱的區域與在柱型裝置的底 端或靠近底端的相對冷的區域之間施加溫差；
(c) 分離步驟，在分離步驟中，通過使金屬晶體浮升至金屬母液的上表 面，將至少一部分的金屬晶體從金屬母液中分離出來；
(d) 進一步分離步驟，在進一步分離步驟中，將純化液態金屬和/或漂 浮於金屬母液上表面的金屬晶體從柱型裝置中排出。
在根據本發明的方法中， 一般在柱型裝置的底端加入含有金屬晶體和 金屬母液的原料，該柱型裝置的底端被認為是冷區。熱區位於柱頂。在這 兩個區之間施加溫差，導致在整個柱長度範圍內出現溫度梯度。如果需要， 可以通過金屬母液的部分凝固來當場生成金屬晶體。迫使(或者允許)金屬 晶體浮升通過母液，直到它們到達母液上表面。在通過母液的移動過程中， 金屬晶體將通過再結晶被進一 步提純，提純度取決於由柱長度決定的駐留 時間。可以從柱頂端將如此純化的且浮於母液上方的金屬晶體取出。
由於熱區位於柱頂部而冷區位於柱底部以及相關的溫度梯度，所以根 據本發明的方法具有固有穩定性。而且，本方法允許處理含有金屬晶體和金屬母液的原料，無論其來源何處。就是說，原料可以從例如懸浮結晶工 藝中獲得，無論是亞共晶分級結晶、共晶分級結晶或者過共晶結晶。
在本申請的上下文中，術語"雜質元素"用於表示這樣的元素，即因 為該元素降低純化金屬的價值，所以其在純化金屬中的濃度應被降低。
本文所用的術語"含有至少一種雜質元素的晶體，，包括金屬間化合物， 其是在至少兩種雜質元素的原子按一定比例結合形成晶體時形成的，所述
在金屬熔體中的但不是雜質元素(因為其存在對高純產品並非是不希 望的)的元素可能存在於純化金屬晶體中。
術語"共晶溫度"是指這樣的溫度，在此溫度同時形成至少兩種固相。 於是，共晶溫度指兩元體系的共晶點以及沿三元、四元或更高階體系的共 晶谷的溫度。大多數相關合金的相圖可以從手冊和基礎教科書中輕鬆得 到，也可以得到其比重或計算方法的相關數據。
熱區溫度最好足以將金屬晶體重熔成金屬液。然後將作為純化金屬的 金屬液排出，例如通過可控溢流口或使用排出管道中的活動塞。通常，純 化金屬的抽取速率作為用於控制本發明方法的控制參數。
本方法以連續工作模式實施是有利的。
在連續工作模式中，副產物也有利地從母液中被分離出來並從柱底端 被取出。與純化金屬和原料相比，副產物富含雜質。在一個優選實施例中， 原料是從共晶分級結晶中得到的，副產物也包含了含有至少 一種雜質元素 的晶體。這些晶體能以間歇方式被沉澱排出。
在一個優選實施例中，通過有意識添加金屬以提高金屬母液比重至高 於純化金屬即純化金屬晶體和/或從(部分)重熔純化金屬晶體中得到的純 化金屬液的比重的值，迫使金屬晶體上升。在此優選實施例中，母液密度 通過添加適當的金屬(高密度添加料)加以調整，添加量足以造成較輕的金 屬晶體上升。如果原料來源於共晶溫度下的結晶過程，則原料將也包含含 至少一種雜質元素的金屬晶體(富含雜質晶體)，其通常具有高於純金屬晶 體的比重。隨後，母液比重將在由兩種晶體的比重所限定的範圍內被有意 識地調整。由於不同類型的晶體具有不同的比重，所以比重介於其間的金 屬母液將起到分離介質的作用，它將一種晶體與另一種晶體分離開，由此 將出現部分分離。這允許隨後針對每種晶體進行主要基於液-固分離的脫除 步驟，此脫除步驟是相當容易完成的。添加金屬可以在柱型裝置中進行，例如當在柱型裝置中當場產生原料 時。有利的是，這種添加在原料進入柱型裝置之前進行。
與共晶分級結晶工藝相結合，金屬母液被冷卻至共晶溫度。如果在要 執行本發明方法的熔融金屬母液中的雜質元素的濃度明顯高於處於共晶 溫度的雜質元素固溶度，並且如果分配係數小於1,則作為純化金屬而獲 得的產品始終具有相當高的純度並且收率也相當高。與原本在母液中的雜 質元素相比，以純化金屬晶體形式獲得的產品基本不含雜質元素，而且副 產物被減至最少。與原本在母液中的雜質元素相比，含至少一種雜質元素 的金屬晶體含了大部分雜質元素。分配係數是在純化金屬晶體中的雜質元 素濃度與原本在金屬熔體中的雜質元素的濃度之比。分配係數優選可以小
於或等於0.5,或者最好小於或等於0.25，以獲得更多的高純產品。這也 適用於亞共晶分級結晶。
對含有鐵作為雜質元素的鋁來說，分配係數或分布係數為0.03，對含 有矽作為雜質元素的鋁來說，其等於0.1，而對含有錳作為雜質元素的鋁 來說，其等於0.93。在金屬和工程材料回收第四屆國際研討會會刊的論文 《通過Alcoa分級結晶工藝精煉5XXX系列鋁合金廢料》中(作者Ali I Kahveci和Ali Unal, TMS2000, P979-991),列出了針對鋁中某些雜質的分 配係數或分布係數，這些內容作為參考被納入本文。
所添加的金屬容易溶在金屬母液中。從進一步操作、處理或使用可獲 得的純化金屬的角度出發來有利地選擇高密度添加料。可以容易地算出並 試驗檢驗為按照所期望的水平調整金屬母液比重而要添加的高密度添加 料的比例。
在一個優選實施例中，增大金屬熔體比重的金屬是基本上不溶於純化 金屬晶體相的金屬。人們將會理解，用語"基本上不溶於純化金屬晶體相 的金屬，，包括溶解度低的如小於0.1%的金屬。例如，在根據本發明進行鋁 提純的情況下，這樣的金屬包括鉛、錫和汞。鉛和錫在純化鋁晶體中的溶 解度都小於0.1%。純化鋁晶體將漂浮在金屬熔體上，而含有至少一種雜質 元素的其它晶體將沉澱。所獲得的純化鋁晶體適用於機械加工合金，如 AA6082、 AA6262、 AA2011和AA2111。
在 一個備選的優選實施例中，增大金屬熔體比重的金屬是可溶於純化 金屬晶體相的金屬。這種金屬在金屬熔體中的溶解度^f艮高。在鋁的情況下， 其適當的例子尤其包括銅和鋅。純化鋁晶體還是將漂浮在金屬熔體上。含
9有銅或鋅的純化鋁晶體非常適用於AA2xxx系列鋁合金或者AA7xxx系列 鋁合金。
本發明的方法非常適用於有色金屬，最好是鋁熔體，其含有一種或多 種要脫除的雜質合金元素。由鋁礦石生產原生鋁非常耗能並且成本高昂， 這使得回收有著更強的可行性。然而，如果採用現有的金屬提純法，則在 經濟方面通常仍做不到不給廢料添加相對純的原生鋁以有效稀釋所含雜 質元素地淨化鋁廢料。利用本發明的方法，可以在不需要添加大量的純原 生鋁的條件下以節約成本的方式提純大量鋁合金廢料。
含有相當多的矽如含有7重量％-15重量％的矽的鋁鑄造合金或鋁釺焊 合金也可以按照本發明被提純。在此情況下，純化的矽晶(即鋁耗盡)將上 升通過母液並可作為上層產品被分離出來，而鋁晶體與金屬間化合物一起 可作為下層產品被分離出來。這種下層產品可以接受進一步的精煉處理。
本發明可被有利地用於脫除一種或多種雜質元素如鐵、矽、銅、鋰、 錳、鋅和鎂，這些雜質元素通常不定量地存在於鋁廢料中。
本發明被有利地應用在連續作業中，最好是連續形成並分離純化金屬 晶體和含有至少一種雜質元素的晶體的連續作業中。通過將處於或高於共
晶溫度的金屬熔體供給已被冷卻至共晶溫度且已形成有含至少一種雜質 元素的金屬晶體的金屬熔體，並且通過將金屬熔體溫度保持在共晶溫度， 含有至少一種雜質元素的金屬晶體被激勵成長。這是因為已經在金屬熔體 中的含有至少一種雜質元素的金屬晶體用作用於由隨後添加的金屬熔體 形成的含有至少一種雜質元素的晶體的形核點。含有至少一種雜質元素的 晶體的尺寸越大，它們的沉澱越相對容易。純化金屬晶體以及含有至少一 種雜質元素的晶體優選從母液中被分離出來，而無需排出大量的金屬熔 體。與金屬晶體一起排出的任何母液在進一步的固-液分離後被返回至主 料。由於純化金屬晶體的量顯著大於含有至少一種雜質元素的晶體的量， 所以純化金屬晶體有利地以連續方式從母液中被分離出來，而含有至少一 種雜質元素的晶體可以按照間歇方式例如周期性地從母液中被分離出來。 例如，含有至少一種雜質元素的晶體被沉澱收集起來，隨後當已達到其預 定量時，它們在一個分離步驟中被取出。
如此分離出的純化金屬晶體可接受進一步純化處理， 一般也是結晶處 理，由此獲得被進一步提純的金屬產品，其所含的一種或多種雜質的量明 顯降低。在國際專利申請WO 2004/005559中披露了這樣的結晶處理的例子。所獲得的產品可以被用於通用鋁合金用途。
通常，副產物如含有至少一種雜質元素的晶體不一定要接受進一步純 化處理。副產物照原樣使用或丟棄。如果需要，副產物可以通過例如結晶 處理被進一步純化。應注意的是，可以在相當寬的共晶溫度範圍作進一步 的選擇，以使副產物晶體的尺寸、形狀和成分達到最佳。
在另一種連續工作模式中，金屬晶體的(重)熔化速率高於純化金屬排 出速率，從而純化液態金屬回流過金屬晶體。在此實施例中，浮於母液上 方的金屬晶體以高於純化金屬排出速率的速率被熔化。結果， 一部分純化 液態金屬以液體形式-皮排出，而另 一部分的液態純化金屬向下流動一段距 離，流過通常將形成晶體床的漂浮金屬晶體，由此進一步精煉所述晶體。 這允許生產通常能被用作合金備料的純化金屬產品。
在柱中會有這樣一個水平面，在此水平面高度，金屬晶體的比重等於 純化金屬液體的比重，從而因比重差而產生的驅動金屬晶體上升的驅動力 將接近為零。儘管如此，這些金屬晶體將進一步上升至此水平面的上方， 這是因為在柱中低於該水平面的密實的金屬晶體床施加了向上的力，在這 裡，金屬粒子的比重仍然低於金屬液體的比重。於是，金屬晶體將被晶體 床向上4侏動。
根據另 一個方面，本發明提供一種從含有至少一種雜質元素的金屬母 液中提純分離純化金屬的裝置，該裝置包括限定出分離室的柱，分離室具 有用於加入含有許多金屬晶體和金屬母液的待提純原料的入口、用於排出 純化金屬的上出口 、和用於排出含有至少一種雜質元素的副產物的出口 ， 所述裝置還配備有用於在柱頂端相對熱的區域和在柱底端相對冷的區域 之間施加溫差的機構、以及用於使金屬晶體浮升通過金屬母液的機構。根
據本發明的裝置包括豎立的長條形柱。該柱限定出分離室，在分離室中， 金屬晶體將從底部升向頂部，在此上升過程中，金屬晶體將通過重結晶被
進一步純化。分離室具有用於原料的入口，通常在柱底部。柱在頂部開設 有出口並配備有相關的排出機構如塞或用於純化金屬的溢流口。從純化金 屬的本質是熔液還是金屬晶體的角度出發來選擇排出機構。另 一個用於副 產物的出口通常與冷區相連通，上述副產物通常是作為雜質和或許作為上 述副產物晶體富含雜質元素的母液。根據本發明的裝置帶來了以上針對本 發明方法所描述的優點。
用於施加溫差的才幾構可以包括一個或多個加熱元件，例如外部感熱線圈，其圍繞柱頂端的熱區，和/或包括在柱底端的冷區中的冷卻機構。 在一個優選實施方案中，用於使晶體浮升的機構包括用於調整母液比重至 低於金屬晶體比重的機構。這樣的機構優選包括金屬供給系統。這樣的系 統以計量方式為母液供給高密度添加料。
在另一個實施方案中，根據本發明的裝置還包括用於分級結晶工藝的 結晶容器，結晶容器的至少 一 個產品出口與分離室的待提純原料的供給入 口相連通。
本發明還涉及在鋁合金精煉中使用這樣的裝置的用途。


參見附圖來進一步說明本發明，其中
圖1是表示本發明裝置的一個實施方案的示意圖2表示本發明裝置的另一個實施方案。
具體實施例方式
圖1示出了柱10,柱的橫截面在整個長度範圍內恆定不變。柱10限 定出分離室11,該分離室在頂部13的附近具有上方熱區12並且在底部 16的附近具有下方冷區14。底部16與用於原料的入口 18相連並且在對 面的側壁上配備有排廢出口 20,用於排出含雜質的廢料流。頂部設有用於 純化金屬的出口22。圍繞熱區12設有外部加熱元件24,用於重熔以完整 圓圈26表示的金屬晶體。
在工作中，含有金屬晶體和母液且在此情況下已是含有高比重添加料 的原料給料F經入口 18被送入柱10底部16的冷區14。由於在母液和晶 體26之間存在比重差，所以晶體將在分離室11中浮升，形成金屬晶體床。 在金屬晶體床頂面上的晶體被加熱元件24熔化為純化金屬產品P。這種液 態純化產品P經出口 22被取出，例如藉助溢流口 (未示出)。在回流模式中， 產品P中只有一部分從柱10中被耳又出。隨後，產品的另一部分R將回流 經過晶體床，結果，通過部分重結晶和洗脫所夾雜的母液和/或雜質，使晶 體在床內被進一步純化。
圖2表示一個實施方案，在此實施方案中，如參見圖1所述的柱10 按照與結晶容器50相流通的方式布置。確切地說，配有機械攪拌器52的 結晶容器50配備有下排流口 54，該下排流口與用於原料的入口 18相連。在此情況下，柱IO不具有用於副產物的單獨出口，而結晶容器50具有副
產物出口。用於計量加入高密度添加料的供給機構56安置在結晶容器50 的上方。
在工作中，金屬(熔體)給料F被送至結晶容器50,此結晶容器被冷卻 機構(未示出)冷卻，由此連續形成金屬晶體26。由於純化產品P在柱IO 的頂部被取出並且進行機械攪拌，所以從分離室11經排流口 54和入口 18 將出現連續穩定的晶體26流。通過這種方式，在分離室中形成穩定的晶 體26床，晶體床/人下方開始生長並且通過重熔而從上方開始減少。液態 純化產品P的 一部分再次被連續排出，液態產品的另 一部分R在回流作用 下會向下逆流經過晶體床。副產物流W從結晶容器50中被排出，以防止 雜質元素的過量累積。
在共晶分級結晶和在由金屬晶體26的比重和含有一種或多種雜質元 素(金屬間固體)的晶體60的比重所限定的範圍內調整母液比重的情況下， 上述含有至少一種雜質元素的晶體60集中在結晶容器50的底部並且瞬間 與純化金屬晶體26分離。
現在，將參照根據本發明的非限定性實施例來描述本發明。
實施例
實施例1
本定性的實施例涉及本發明方法的一種工作模式，在此添加了高密度 添加料如鉛或錫，鉛或錫在純化鋁晶體相中的溶解度低。這些金屬將比重 提高至高於鋁晶體的比重。在母液中形成的鋁晶體具有濃度降低的共晶元 素如鐵和矽，以及濃度很低的高比重添加料。
利用以下鋁合金系的原料進行精煉實驗，該鋁合金分別按照1重量％ 的含量含有鐵、錳和矽。這是一種近共晶組合物。原料在母液中含有鋁晶 體懸浮物(30°/。固體)。鋁母液的比重約為2.4g/cm3。錫按照介於7.5重量％ 至25重量％的含量被加入，由此將比重提高到2.6g/cm3至2.9g/cm3的範圍。 純化鋁晶體的比重約為2.6g/cm3。比重差足以造成良好的分離和柱的穩定 運行。
原料被送入柱中，在這裡，重量輕的鋁晶體快速浮升至頂面並形成晶 體堆積床。在上方，金屬晶體被重熔。結果，柱頂部的純化金屬熔體變得 更純。純化金屬熔體作為產品在柱頂部被取出。抽取速率等於重熔速率。 該產品被純化除去元素鐵、錳和矽。產品適用作機械加工合金如AA6081、AA6262 、 AA2111或AA2011 。
在相似的實驗中，7.5重量％至25重量％的鉛被加入，以便將鋁母液 的比重提高到2.6g/cm3至3.0g/cm3的範圍。獲得了相似的結果。
實施例2
像在實施例1中那樣，本實施例表示本發明方法的一種連續工作模式， 除了在這裡採用了可溶於純化金屬晶體中的元素。
利用與實施例1 一樣的原料，7.5重量％至25重量°/。的銅被加入，由 此將母液的比重提高到大約2.6g/cm3至3.2g/cm3。含銅的鋁晶體的密度略 微提高到大約2.6g/cn^至2.7g/cm3。所獲得的產品可被用在AA2xxx系列 鋁合金中。
在添加鋅的情況下，合適的加工範圍為15重量％至25重量％,由此 將鋁母液的比重提高至2.7g/cm3至3.0g/cm3,並且提高鋁晶體的比重至 2.7g/cm3至2.8g/cm3。所獲得的產品可被用於AA7xxx系列鋁合金中。
實施例3
本實施例表示回流工作模式。條件與在實施例1和實施例2中一樣， 除了重熔速率被設定為高於產品抽取速率，由此產生純化金屬熔體的回 流。在此情況下，由顆粒浮力造成的晶體床的向上力迫使部分純化金屬熔 體在柱中向下逆流過晶體床。逆流洗除所夾雜的母液並加強提純淨化效 率。純度的增大取決於純化金屬液體與晶體床的接觸時間。換句話說，如 果柱的長度足以使來自上方的純化金屬熔體回流經過足夠長距離並且以 足夠長的時間接觸晶體床，則在柱高範圍內獲得熔體和晶體之間的局部化 學平衡。由此進一步降低鋁晶體中的共晶元素濃度(包括任何高比重添加 料)。結果，所獲得的產品的純度足以使該產品通用於鋁合金中。
儘管現在已充分描述了本發明，但對本領域技術人員來說，顯然可以 在不超出在此所述的本發明的精神或範圍的前提下做出許多改變和改動。
權利要求
1. 一種從金屬母液中提純分離純化金屬的方法，所述金屬母液具有比重並含有至少一種雜質元素，所述方法包括以下步驟在柱型裝置(10)中供給原料，所述原料包含金屬晶體(26)和含有至少一種雜質元素的金屬母液；在所述柱(10)的頂端(13)的相對熱的區域(12)和在所述柱(10)的底端(16)的相對冷的區域(14)之間施加溫差；分離步驟，在所述分離步驟中，通過使金屬晶體浮升至金屬母液的上表面而將至少一部分的金屬晶體(26)從金屬母液中分離出來；和進一步分離步驟，在所述進一步分離步驟中，將液態純化金屬或漂浮於金屬母液上表面的金屬晶體從所述柱型裝置(10)中排出。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，通過將金屬母液的比重 調整至大於液態純化金屬的比重且大於金屬晶體的比重的值使所述金屬 晶體(26)從金屬母液中浮起，並且其中通過添加金屬將所述金屬母液的比 重調整至所述值。
3. 根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，用於增大所述金屬母液 比重的金屬是基本不溶於金屬晶體相的金屬。
4. 根據權利要求3所述的方法，其特徵在於，所述金屬母液是鋁，基 本不溶於鋁晶體相的所述金屬選自錫、鉛和汞。
5. 根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，用於增大所述金屬母液 比重的金屬是可溶於金屬晶體相的金屬。
6. 根據權利要求5所述的方法，其特徵在於，所述金屬母液是鋁，可 溶於鋁晶體相的所述金屬選自銅和鋅。
7. 根據權利要求1至6中任一項所述的方法，其特徵在於，所述雜質 元素包括銅、鐵、鋰、鎂、錳、矽和鋅中的一種或幾種。
8. 根據權利要求1至7中任一項所述的方法，其特徵在於，所述原料 從懸浮結晶工藝中獲得。
9. 根據權利要求1至8中任一項所述的方法，其特徵在於，在所述分 離步驟中，在所述柱型裝置(10)的底端(16)從金屬母液中分離出副產物。
10. 根據權利要求9所述的方法，其特徵在於，在所述進一步分離步 驟中，沉澱分離出包含含有至少 一種雜質元素的晶體(60)的副產物。
11. 根據權利要求1至10中任一項所述的方法，其特徵在於，漂浮於金屬母液上方的金屬晶體(26)被熔成隨後被排出的金屬液體。
12. 根據權利要求1至11中任一項所述的方法，其特徵在於，所述方法以連續運4於的方式實施。
13. 根據權利要求11所述的方法，其特徵在於，金屬晶體(26)的熔化 速率高於純化金屬的排出速率，使得純化液體逆流通過金屬晶體。
14. 一種從含有一種或多種雜質元素的金屬母液中提純分離純化金屬 的裝置，該裝置包括限定出分離室(11)的柱(10)，所述分離室具有用於加入 含有金屬晶體(26)和金屬母液的待純化原料的入口 (18)、用於排出純化金屬 的上出口(22)、和用於排出含有至少一種雜質元素的副產物的出口(20),所 述裝置還配備有用於在所述柱(10)的頂端(13)的相對熱的區域(12)和在所 述柱(10)的底端(16)的相對冷的區域(14)之間施加溫差的機構、以及用於使 金屬晶體浮升通過金屬母液的機構。
15. 根據權利要求14所述的裝置，其特徵在於，所述用於使金屬晶體 浮升通過金屬母液的機構包括用於調整金屬母液的比重至高於金屬晶體 比重的值的機構。
16. 根據權利要求14或15所述的裝置，其特徵在於，所述用於調整 比重的機構包括用於添加高密度金屬添加料的供給機構(56)。
17. 根據權利要求14至16中任一項所述的裝置，其特徵在於，所述 裝置還包括用於懸浮結晶工藝的結晶容器(50),所述結晶容器的出口 (54) 與用於向所述分離室加入原料的入口(18)相連通。
18. 將根據權利要求14至17中任一項所述的裝置用於精煉鋁合金的 用途。
全文摘要
本發明涉及從金屬母液中提純分離純化金屬的方法和裝置，金屬母液具有比重並含有一種或多種雜質元素，所述方法包括以下步驟在柱型裝置中提供原料，原料包含金屬晶體和含有至少一種雜質元素的金屬母液；在柱頂端的相對的熱區域和在柱底端的相對的冷區域之間施加溫差；分離步驟，在此步驟中，通過使金屬晶體浮升至金屬母液上表面而將至少一部分金屬晶體從金屬母液中分離出來；進一步分離步驟，在此步驟中，將純化金屬熔體或漂浮於金屬母液上表面的金屬晶體從柱型裝置中排出。
文檔編號C22B21/06GK101484596SQ200780025480
公開日2009年7月15日 申請日期2007年7月5日 優先權日2006年7月7日
發明者A·滕卡特, E·M·貝昂德, H·A·沃特斯, J·C·斯託姆, M·A·霍根布姆, R·基夫特, W·伯恩德 申請人:阿勒裡斯瑞士有限公司