專利名稱：在分步結(jié)晶的過(guò)程中冷卻熔融金屬的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在分步(fractional)結(jié)晶的過(guò)程中冷卻至多部分固化的熔融金屬的方法。
結(jié)晶方法和裝置可被用于精煉其中存在太高的濃度的外來(lái)元素的金屬(這里被用作金屬合金的簡(jiǎn)稱)。存在這種外來(lái)元素的原因可以為，在作為初煉金屬的由金屬礦石制成的金屬中，存在太多的外來(lái)元素，或者因?yàn)橐驯皇褂玫慕饘俦换厥绽们覐U料中的外來(lái)元素濃度太高。例如，出于商業(yè)目的，鋁廢料可包含太多的外來(lái)元素Fe、Si或Mg，除非它與包含很少的外來(lái)元素的初煉金屬混合。
在分步結(jié)晶的過(guò)程中，由于熔融金屬的冷卻在熔融金屬中形成金屬晶體。所述晶體具有比用作起始點(diǎn)的熔融金屬的成分純的成分，或者，換句話說(shuō)，與用作起始點(diǎn)的熔融金屬相比，晶體每單位重量包含更少的外來(lái)元素。
在分步結(jié)晶的過(guò)程中冷卻至多部分固化的熔融金屬的常規(guī)方法包括以下步驟通過(guò)例如在結(jié)晶裝置的壁中嵌入冷卻管冷卻所述壁。但這些常規(guī)方法具有晶體在冷卻表面上生長(zhǎng)并結(jié)殼的缺點(diǎn)?？梢酝ㄟ^(guò)使用被插入熔融金屬的冷卻管(cooling coil)或這類配置的冷卻設(shè)備補(bǔ)充通過(guò)所述裝置的壁進(jìn)行的冷卻，但是，這種設(shè)備將只在一個(gè)位置冷卻熔融金屬，并且熔融金屬將也在設(shè)備上和設(shè)備周圍結(jié)晶，由此妨礙冷卻設(shè)備的冷卻效果。
本發(fā)明的目的在于，提供在分步結(jié)晶的過(guò)程中冷卻至多部分固化的熔融金屬的改進(jìn)的方法，該方法特別適于鋁和具有高熔點(diǎn)的此類金屬的精煉。
本發(fā)明的另一目的在于，提供在分步結(jié)晶的過(guò)程中冷卻至多部分固化的熔融金屬的方法，采用該方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，可以更好地控制至多部分固化的熔融金屬的固體分?jǐn)?shù)和/或溫度。
本發(fā)明的另一目的在于，提供在分步結(jié)晶的過(guò)程中冷卻至多部分固化的熔融金屬的方法，該方法通過(guò)例如降低金屬晶體粘附于容納其的容器的壁上的危險(xiǎn)性，提高金屬晶體保持懸浮于熔融金屬中的可能性。
通過(guò)在分步結(jié)晶的過(guò)程中冷卻至多部分固化的熔融金屬的方法實(shí)現(xiàn)這些目的中的一個(gè)或更多個(gè)，所述方法中，形成的金屬晶體具有比熔融金屬純的組成，其特征在于，固體形式的鹽被用于冷卻所述至多部分固化的熔融金屬。
由于多方面的原因，使用固體鹽冷卻熔融金屬是有利的。當(dāng)使用本發(fā)明的方法時(shí)，隨著從被添加時(shí)的溫度，例如約20℃，升溫到所述至多部分固化的熔融金屬的溫度，添加的固體鹽從熔融金屬吸收大量的能量，但是晶體不大可能形成并將其自身附著在熔融鹽或固體鹽粒子上，這意味著形成的金屬晶體保持懸浮于熔融金屬中。本發(fā)明的方法還適于所希望的量的冷卻用固體鹽的精確定量給料。優(yōu)選每kg產(chǎn)生的精煉的金屬晶體添加0.1～1kg的鹽到熔融金屬中，以保證足夠的冷卻。更優(yōu)選每kg產(chǎn)生的精煉的金屬晶體添加0.2～0.8kg的鹽到熔融金屬中，最優(yōu)選每kg產(chǎn)生的精煉的金屬晶體添加0.3～0.6kg的鹽到熔融金屬中。
由于固體鹽優(yōu)選具有低于所述至多部分固化的熔融金屬的熔點(diǎn)的熔點(diǎn)，因此，其優(yōu)選在所述至多部分固化的熔融金屬的冷卻過(guò)程中至少部分熔化。固體鹽由此隨著溫度上升和熔化從熔融金屬吸收熱量。熔鹽可被選擇為比熔融金屬重或輕，因此，熔融金屬將浮在較重的熔鹽上，或者，較輕的熔鹽將浮在熔融金屬上，或者，如果使用兩種類型的固體鹽，兩種情況同時(shí)出現(xiàn)?？梢詼y(cè)量和控制熔鹽的溫度，以控制熔融金屬的溫度，但是，當(dāng)通過(guò)結(jié)晶裝置的壁冷卻時(shí)，熔融金屬的溫度控制的精確性較差。熔鹽不形成晶體可在其上形成并將其自身附著在其上的表面。
優(yōu)選一旦鹽被熔化就例如通過(guò)抽出去除鹽中的至少一些，由此使得可以添加更多的固體鹽并且產(chǎn)生更多的冷卻。
被去除的鹽優(yōu)選被冷卻和固化，以備重新使用。由于冷卻手段可被重新使用，因此這使得本方法在資源方面成本合算且較為經(jīng)濟(jì)。
固體鹽優(yōu)選從至多部分熔融金屬之上被添加和/或被添加到至多部分熔融金屬之下和/或至多部分熔融金屬中。如果從至多部分熔融金屬之上和/或之下添加固體鹽，那么該固體鹽會(huì)在至少部分熔融金屬之上和/或之下形成熔鹽層，例如，可以從至多部分熔融金屬之上添加鹽，以及該鹽可以在至少部分熔融金屬之下形成熔鹽層。如果從至多部分熔融金屬之上和/或之下添加固體鹽，那么該固體鹽還會(huì)冷卻已經(jīng)存在的熔鹽層，由此經(jīng)由鹽/熔融金屬界面冷卻熔融金屬。當(dāng)將固體鹽添加到至多部分熔融金屬中時(shí)，該固體鹽將直接冷卻熔融金屬并促進(jìn)金屬晶體形成。
優(yōu)選對(duì)至多部分固化的熔融金屬進(jìn)行攪拌。通過(guò)攪拌至多部分固化的熔融金屬，金屬晶體保持懸浮狀態(tài)，并且金屬晶體和熔融金屬之間的材料的交換得到促進(jìn)。
優(yōu)選將固體鹽添加到通過(guò)攪拌器的運(yùn)動(dòng)在至多部分固化的熔融金屬的表面上形成的渦流中。將固體鹽添加到熔融金屬的表面上的通過(guò)攪拌器的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的渦流中，這樣將固體鹽從表面引入至多部分固化的熔融金屬的體內(nèi)。由此將固體鹽添加到至多部分熔融金屬的表面并最終添加到至多部分熔融金屬的體內(nèi)，在該體內(nèi)，該固體鹽直接冷卻熔融金屬并促進(jìn)金屬晶體形成。
優(yōu)選通過(guò)用于攪拌至多部分固化的熔融金屬的手段添加固體鹽。由此使固體鹽很好地遍布于熔融金屬中，鹽/金屬接觸面相對(duì)較大，并且，隨著鹽升溫和熔化，鹽通過(guò)冷卻金屬有效地促進(jìn)金屬晶體形成。
熔化時(shí)的固體鹽優(yōu)選具有比至多部分固化的熔融金屬的密度低的密度，使得它在至多部分固化的熔融金屬的頂部形成鹽層，并可例如通過(guò)抽出被容易地去除，并減少熔融金屬的氧化。
固體鹽優(yōu)選包含堿土金屬鹵化物或堿金屬鹵化物或其混合物，因?yàn)檫@些鹵化物化學(xué)穩(wěn)定且不太可能與至多部分固化的熔融金屬反應(yīng)。
至多部分固化的熔融金屬優(yōu)選為鋁合金。分步結(jié)晶特別適于鋁。鑒于粗鋁的生產(chǎn)耗能大且較為昂貴，因此鋁廢料在成本上較為合算，因此為了獲得所需的化學(xué)組成，常常必須減少鋁廢料中的外來(lái)元素的量。
下面通過(guò)參照附

圖1～3通過(guò)舉例進(jìn)一步解釋本發(fā)明。
圖1表示實(shí)施根據(jù)本發(fā)明的冷卻方法的結(jié)晶裝置的斷面圖。圖2表示實(shí)施根據(jù)本發(fā)明的冷卻方法的另一結(jié)晶裝置的斷面圖。圖3表示實(shí)施根據(jù)本發(fā)明的冷卻方法的另一結(jié)晶裝置的斷面圖。
圖1表示用于實(shí)施根據(jù)本發(fā)明的方法的結(jié)晶裝置。該裝置包括由壁3和底板部分4包圍的室9。該裝置可以包括蓋子，但在圖中沒(méi)有示出。壁3和底板部分4優(yōu)選被嵌入的加熱元件或加熱管5加熱。該裝置包括攪拌器或葉輪6。攪拌器6的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)在至多部分固化的熔融金屬8中產(chǎn)生延伸到熔融金屬的表面的渦流14。固體鹽13落到或被投放到至多部分固化的熔融金屬8的表面上，并優(yōu)選被定位為落入由攪拌器產(chǎn)生的渦流14中，因此固體鹽被引入裝置的室中的至多部分固化的熔融金屬的體內(nèi)。由于被選擇為具有比金屬的熔化溫度低的熔化溫度，因此鹽熔化。固體鹽也優(yōu)選被選擇為一旦熔化就具有比熔融金屬大的密度，并由此在至多部分固化的熔融金屬下面形成層11。鹽可以從層11被去除，并且，一旦被去除就可以被冷卻和固化，以備重新使用。
圖2表示用于包含一種或更多種外來(lái)元素的熔融金屬的分步結(jié)晶的結(jié)晶裝置1。該裝置包括由蓋子2、壁3和底板部分4包圍的室9。壁3和底板部分4優(yōu)選被嵌入的加熱元件或加熱管5加熱。該裝置還包括旋轉(zhuǎn)的攪拌器或葉輪6，以及導(dǎo)管7。粉末或細(xì)粒形式的固體鹽13與加壓的不活潑氣體一起通過(guò)導(dǎo)管7被供給至多部分固化的熔融金屬8。至多部分固化的熔融金屬的攪拌使晶體保持懸浮，并促進(jìn)晶體和熔融金屬的之間的材料的交換。由于鹽的熔化溫度比至多部分固體熔融金屬的熔化溫度低，因此鹽熔化。熔化時(shí)的鹽優(yōu)選具有比熔融金屬低的密度，因此，鹽13穿過(guò)至多部分固化的熔融金屬上升，并在金屬的頂部形成層11，并可經(jīng)由出口10被抽出。一旦被抽出，鹽就被冷卻和固化，以備重新使用。
圖3表示用于實(shí)施根據(jù)本發(fā)明的方法的替代性結(jié)晶裝置。該裝置包括由蓋子2、壁3和底板部分4包圍的室9。壁3和底板部分4優(yōu)選被嵌入的加熱元件或加熱管5加熱。該裝置包括用于固體鹽的供應(yīng)導(dǎo)管12和攪拌器的組合。固體鹽13以粉末或細(xì)粒形式與加壓的不活潑氣體被供給導(dǎo)管12。氣體和固體鹽穿過(guò)導(dǎo)管12的內(nèi)部的管道，并經(jīng)由導(dǎo)管中的至少兩個(gè)開(kāi)口排出進(jìn)入至多部分固化的熔融金屬中。導(dǎo)管12被旋轉(zhuǎn)，以攪拌至多部分固化的熔融金屬，同時(shí)固體鹽被供給至多部分固化的熔融金屬。至多部分固化的熔融金屬的攪拌使晶體保持懸浮，并促進(jìn)晶體和熔融金屬的之間的材料的交換。熔化時(shí)的鹽優(yōu)選具有比熔融金屬低的密度，因此，鹽13穿過(guò)至多部分固化的熔融金屬8上升，并在金屬的頂部形成層11，并可經(jīng)由出口10被抽出。一旦被抽出，鹽就被冷卻和固化，以備重新使用。
至多部分固化的熔融金屬8優(yōu)選為鋁合金。添加的固體鹽在熔融時(shí)可具有比熔融金屬的密度高或低的密度。鹽由此最終可形成在熔融金屬的上表面之上并與其接觸的層，或可形成在熔融金屬的下表面之下并與其接觸的層。添加的固體鹽還可具有使得熔化時(shí)的鹽中的一部分在熔融金屬之上形成鹽層并且一部分在熔融金屬之下形成鹽層的組成。固體鹽可直接被供給到至多部分固化的熔融金屬的上表面，和/或可被供給到與至多部分固化的熔融金屬的上表面接觸的鹽層上和/或該鹽層中。固體鹽可在至多部分固化的熔融金屬的下表面下方直接被供給下表面，和/或被供給到與至多部分固化的熔融金屬的下表面接觸的鹽層中/或該鹽層下?？梢酝瑫r(shí)在至多部分固化的熔融金屬之上和之下供給固體鹽。可以以例如粉末、球粒、團(tuán)塊或大塊的形式供給固體鹽。固體鹽可簡(jiǎn)單地落入或浸入至多部分熔融金屬中。也可以以被封入另一材料的方式供給固體鹽，該材料諸如例如包含熔融金屬的固化涂層的形式的材料。
固體鹽優(yōu)選具有比鋁金屬的熔點(diǎn)低的熔點(diǎn)，且更優(yōu)選具有低于500℃的熔點(diǎn)，以保證即使當(dāng)鹽層的形成部分位于至多部分固體熔融金屬之上或之下時(shí)鹽也保持熔融狀態(tài)。添加的固體鹽優(yōu)選包含諸如堿土金屬鹵化物或堿金屬鹵化物或其混合物的鹵化物鹽，因?yàn)檫@些鹽在化學(xué)上穩(wěn)定且不太可能與熔融金屬反應(yīng)。更優(yōu)選固體鹽包含氯化鈉和氯化鎂，所述氯化鈉和氯化鎂分別具有720℃和780℃的熔點(diǎn)，但在組合時(shí)可具有大大降低的熔點(diǎn)。還更優(yōu)選使用約60％NaCl和約40％MgCl2，以實(shí)現(xiàn)低于500℃的熔點(diǎn)和化學(xué)穩(wěn)定的組合。
用于660℃的溫度下的熔融鋁合金的固體鹽的冷卻效力的典型值為在20℃的溫度下添加的1kg的固體鹽1kg×1000J/kg℃×(660-20)℃＝640kJ(加熱鹽)1kg×300kJ/kg＝300kJ(熔化鹽)吸收的總能量＝940kJ鋁的熔化的潛熱＝390kJ/kg由此，要從660℃的熔融鋁合金產(chǎn)生1kg的鋁晶體，冷卻所需要的鹽的量為約0.4kg(390/940kg)。
容納500kg的熔融鋁合金的結(jié)晶裝置的合理的生產(chǎn)率是每小時(shí)100kg晶體。由此，要獲得每小時(shí)100kg的晶體生產(chǎn)率，每小時(shí)應(yīng)供給40kg的固體鹽。
可以將蓋子2和/或在結(jié)晶裝置的室中形成的熔鹽的層11加熱到鋁金屬的熔點(diǎn)之上的溫度，以保證鋁金屬的晶體不在例如攪拌器和/或供給導(dǎo)管6、7、12上形成。
作為替代方案，可以將諸如攪拌器和/或供給導(dǎo)管6、7、12的元件加熱到鋁的熔化溫度之上，以避免用金屬晶體結(jié)殼。
權(quán)利要求
1.一種在分步結(jié)晶的過(guò)程中冷卻至多部分固化的熔融金屬的方法，其中，形成的金屬晶體具有比所述熔融金屬的組成更純的組成，其特征在于，固體形式的鹽被用于冷卻所述至多部分固化的熔融金屬。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，選擇在所述至多部分固化的熔融金屬的冷卻過(guò)程中至少部分熔化的鹽。
3.根據(jù)前面的權(quán)利要求中的任意一項(xiàng)的方法，其中，一旦所述鹽熔化，所述鹽中的至少一些就被去除。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中，所述被去除的鹽被冷卻和固化，優(yōu)選用于重新使用。
5.根據(jù)前面的權(quán)利要求中的任意一項(xiàng)的方法，其中，所述固體鹽從至多部分固化的熔融金屬之上被添加和/或被添加到至多部分固化的熔融金屬之下和/或至多部分固化的熔融金屬中。
6.根據(jù)前面的權(quán)利要求中的任意一項(xiàng)的方法，其中，所述至多部分固化的熔融金屬被攪拌。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中，所述固體鹽被添加到通過(guò)攪拌器的運(yùn)動(dòng)在所述至多部分固化的熔融金屬的表面上形成的渦流中。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中，所述至多部分固化的熔融金屬被攪拌手段攪拌，并且固體鹽通過(guò)所述攪拌手段被添加到所述至多部分固化的熔融金屬中。
9.根據(jù)前面的權(quán)利要求中的任意一項(xiàng)的方法，其中，所述固體鹽被選擇為一旦熔化就具有比所述至多部分固化的熔融金屬的密度低的密度。
10.根據(jù)前面的權(quán)利要求中的任意一項(xiàng)的方法，其中，所述固體鹽包含堿土金屬鹵化物或堿金屬鹵化物或其混合物。
11.根據(jù)前面的權(quán)利要求中的任意一項(xiàng)的方法，其中，所述金屬是鋁合金。
全文摘要
提供一種在分步結(jié)晶的過(guò)程中冷卻至多部分固化的熔融金屬的方法，其中，形成的金屬晶體具有比熔融金屬的成分純的成分，其特征在于，固體形式的鹽被用于冷卻至多部分固化的熔融金屬。
文檔編號(hào)C22B9/00GK1882707SQ200480034090
公開(kāi)日2006年12月20日 申請(qǐng)日期2004年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月19日
發(fā)明者P·A·德弗里斯, H·A·沃特斯, M·L·呂滕, V·G·奧里希, J·H·坦哈韋 申請(qǐng)人:科魯斯技術(shù)有限公司