專利名稱:熔融金屬的純化方法
本發(fā)明涉及含有一種或多種異質(zhì)元素的熔融金屬的純化方法。術(shù)語異質(zhì)(foreign)元素用于指代一元素，該元素由于能降低金屬的價(jià)值因而在純化的金屬中的濃度應(yīng)該被降低。
金屬的純化能夠在經(jīng)濟(jì)上產(chǎn)生很好的效益，原因是它可以對含有不同的合金元素或異質(zhì)元素和不同數(shù)量的異質(zhì)元素的金屬廢料進(jìn)行加工以再次得到標(biāo)準(zhǔn)的純度和較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
存在幾種已知的純化熔融金屬的方法。其中一個(gè)例子就是如US 1,562,090公開的Hoopes槽方法，其中在電解槽中對鋁進(jìn)行精煉提純。然而大量金屬的電化學(xué)處理是十分昂貴的，原因是高的電能消耗。此外，導(dǎo)致投入成本也很高的原因還在于要求有水平界面。
另一種純化方法是如在US 4,273,627中公開的分步結(jié)晶法，其中含有一種或多種異質(zhì)元素的亞共晶熔融金屬冷卻至部分凝固。熔融金屬冷卻到恰好高于共晶溫度。在熔融金屬中形成的晶體與作為反應(yīng)起點(diǎn)使用的熔融金屬中的晶體相比具有更純凈的組成。這時(shí)可以通過固-液分離技術(shù)從殘留的熔融金屬中分離出這些晶體。然而這種方法的缺點(diǎn)在于當(dāng)異質(zhì)元素的初濃度高時(shí)，獲得的純化金屬的量相對較低并且產(chǎn)生的副產(chǎn)品的量高。這就意味著分步結(jié)晶法對于例如純化廢料來說，在經(jīng)濟(jì)上是不可行的。
一種替代性的純化方法是通過分離異質(zhì)元素，其中將含有一種或多種異質(zhì)元素的過共晶熔融金屬冷卻達(dá)到部分凝固。將熔融金屬冷卻到恰好高于共晶溫度。(一種或多種)異質(zhì)元素凝固形成含有至少一種異質(zhì)元素的晶體和/或異質(zhì)元素的純凈晶體，然后通過使用固-液分離技術(shù)將其從熔融金屬中分離出來。亞共晶的熔融金屬能通過添加US 5,741,348中公開的特定元素被制成過共晶的。這個(gè)方法的缺點(diǎn)在于獲得的液體產(chǎn)品純度不高因此具有相對較低的價(jià)值。
本發(fā)明的目的是提供一種改良的純化含有一種或多種異質(zhì)元素的熔融金屬的方法。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種方法，通過該方法可以獲得相對純凈的金屬的相對高的產(chǎn)率。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種用于純化大量含有一種或多種異質(zhì)元素的熔融金屬的方法。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供經(jīng)濟(jì)地純化含有一種或多種異質(zhì)元素的熔融金屬的方法。
通過含有一種或多種異質(zhì)元素的熔融金屬的純化方法實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)目的，該方法特征在于將熔融金屬冷卻到共晶溫度以便同時(shí)形成純化金屬晶體和含有至少一種異質(zhì)元素的晶體，該方法特征還在于含有至少一種異質(zhì)元素的晶體中的至少一部分通過使用固-固分離技術(shù)與純化的金屬晶體分開。
術(shù)語“含有至少一種異質(zhì)元素的晶體”包括金屬間化合物和異質(zhì)元素的純凈晶體，該金屬化合物形成于當(dāng)兩種或多種異質(zhì)元素原子以特定比例結(jié)合形成具有不同于任何單獨(dú)異質(zhì)元素的晶體結(jié)構(gòu)的晶體時(shí)。術(shù)語“共晶溫度”指至少有兩種固相同時(shí)形成的溫度。共晶溫度因此指的是二元體系的共晶點(diǎn)和沿三元、四元或更高階體系的共晶谷(eutectic valley)的溫度。
金屬間化合物或元素的純凈晶體存在于熔融金屬中，但是它們并非屬于異質(zhì)元素，因?yàn)樗鼈冊诩兓a(chǎn)品中的存在不屬于不良現(xiàn)象，它們也可以形成在熔融金屬中并且不必從純化的金屬晶體中分離。
術(shù)語固-固分離技術(shù)指的是將至少一種固體與另一種分離的技術(shù)。
本發(fā)明不同于已知金屬純化方法之處在于熔融金屬被冷卻到共晶溫度和使用固-固分離技術(shù)用于從純化金屬晶體中分離出含有至少一種異質(zhì)元素的晶體的至少一部分。如果在分步結(jié)晶過程中達(dá)到共晶溫度，將生成純度低于用作起點(diǎn)的熔融金屬的晶體。這將導(dǎo)致該方法在共晶溫度下與共晶溫度以上的溫度相比效率低下。如果在已知的異質(zhì)元素分離方法過程中達(dá)到共晶溫度將形成純度高于用作反應(yīng)起點(diǎn)的熔融金屬的晶體。這些晶體形成了部分副產(chǎn)品，因此在共晶溫度下與該共晶溫度以上的溫度相比效率低下。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，當(dāng)待進(jìn)行本發(fā)明純化方法的熔融金屬中的(一種或多種)異質(zhì)元素的濃度基本大于該(一種或多種)異質(zhì)元素在共晶溫度下的固溶度，基本小于共晶濃度，并且分配系數(shù)小于1時(shí)，獲得的產(chǎn)品始終具有相對高純度并且獲得的產(chǎn)品的量相對高。與最初存在熔融金屬中的異質(zhì)元素的濃度比較，以純化金屬晶體形式獲得的產(chǎn)品含有顯著更少的異質(zhì)元素，而且副產(chǎn)品的量被最小化。含有至少一種異質(zhì)元素的晶體與最初存在于熔融金屬中的異質(zhì)元素的濃度比較，含有顯著更多的異質(zhì)元素。分配系數(shù)為純化的金屬晶體中的異質(zhì)元素濃度與最初存在于熔融金屬中的異質(zhì)元素的濃度之比。為獲得更大量的更純產(chǎn)品，分配系數(shù)優(yōu)選小于或等于0.5，或更優(yōu)選小于或等于0.25。分配或分布系數(shù)的例子是含鐵作為異質(zhì)元素的鋁分配系數(shù)為0.03，含硅作為異質(zhì)元素的鋁分配系數(shù)為0.1和含錳作為異質(zhì)元素的鋁分配系數(shù)為0.93。金屬與工程材料的回收第四次國際研討會(huì)會(huì)議紀(jì)要，TMS(礦物，金屬&材料協(xié)會(huì))，2000 p.979-991，Ali I Kahveci和Ali Unal發(fā)表的“Alcoa分步結(jié)晶法精煉5XXX系列鋁合金廢料”列出了鋁中的雜質(zhì)的分配或分布系數(shù)。
一般來說，本方法相比在恰好大于共晶溫度條件下進(jìn)行的分步結(jié)晶法具有更高的產(chǎn)率，并且與包含也在恰好大于共晶溫度條件下進(jìn)行的異質(zhì)元素的分離步驟的方法相比具有更高的產(chǎn)品純度。
本發(fā)明還具有的優(yōu)點(diǎn)是不需要精確的溫度控制，這不同于已知的分步結(jié)晶法和異質(zhì)元素分離法。當(dāng)使用本發(fā)明的方法時(shí)，系統(tǒng)能在大的凝固范圍內(nèi)自我調(diào)節(jié)并維持自身處于共晶溫度。不必嚴(yán)格精確的固體分?jǐn)?shù)的測量能夠用于控制該方法。當(dāng)固體分?jǐn)?shù)大于30％，固-固分離通常變得困難。能量的測量也可以用于控制該方法。
在使用固-固分離技術(shù)之前，純化的金屬晶體和含有至少一種異質(zhì)元素的晶體的至少一部分基本上同時(shí)從熔融金屬的總量中基本分離出來，這可能是有益的。然后通過例如將純化的金屬晶體和含有至少一種異質(zhì)元素的晶體的混合物加入到熔鹽中完成固-固分離步驟，該熔鹽的密度介于純化的金屬晶體的密度與含有至少一種異質(zhì)元素的晶體的密度之間，因此一部分晶體沉入鹽中，而剩余物浮于鹽上。
優(yōu)選的固-固分離技術(shù)是將純化的金屬晶體和含有至少一種異質(zhì)元素的晶體分成多個(gè)部分，其中在一個(gè)部分中的純化金屬晶體的濃度與含有至少一種異質(zhì)元素的晶體的濃度之比高于它們在熔融金屬中的比。其中一組(streams)優(yōu)選包含最初存在于熔融金屬中的異質(zhì)元素的濃度的至少兩倍。如果存在一種以上的異質(zhì)元素，則可能必須將純化的金屬晶體和含有至少一種異質(zhì)元素的晶體分成兩個(gè)以上的部分。
作為進(jìn)一步的替代方案，可以將含有至少一種異質(zhì)元素的晶體的至少一部分與含有純化金屬晶體的熔融金屬總量基本分離。優(yōu)選地，將至少30％的含有至少一種異質(zhì)元素的晶體基本上從含有純化金屬晶體的熔融金屬總量中分離出來。在這種可替代的實(shí)施方式中，含有至少一種異質(zhì)元素的晶體從熔融金屬中分離出來，同時(shí)不使大量的結(jié)晶或熔融金屬也隨含有至少一種異質(zhì)元素的晶體一同分離出來。盡管當(dāng)分離含有至少一種異質(zhì)元素的晶體時(shí)希望避免其中含有任何熔融金屬，實(shí)際上這是不可能實(shí)現(xiàn)的。優(yōu)選地，隨含有至少一種異質(zhì)元素的晶體一起分離出來的熔融金屬的量小于分離出的含有至少一種異質(zhì)元素的晶體的量。如果需要，這時(shí)能夠相對容易地從剩余的熔融金屬中除去純化的金屬晶體。
固-固分離優(yōu)選的方法是通過利用離心力?？梢岳秒x心力選擇性地移動(dòng)含有至少一種異質(zhì)元素的晶體和純化的金屬晶體，因?yàn)樗鼈兠芏群痛笮〔煌?，因此可以將含有大部分純化金屬晶體的熔融金屬部分與含有大部分含有至少一種異質(zhì)元素的晶體的熔融金屬剩余物中分離。
固-固分離進(jìn)一步優(yōu)選的方法是應(yīng)用電磁場。該方法有效利用了含有至少一種異質(zhì)元素的晶體比熔融金屬傳導(dǎo)性低的特性，然而熔融金屬比純化的金屬晶體傳導(dǎo)性低。穿過含有純化的金屬晶體和含有至少一種異質(zhì)元素的晶體的熔融金屬流產(chǎn)生的電磁場可用于將該熔融金屬流分成含有大部分純化金屬晶體的熔融金屬部分和含有大部分含有至少一種異質(zhì)元素的晶體的熔融金屬部分。該方法被記載在例如US 6355085中。
固-固分離的另一優(yōu)選的方法是利用浮選技術(shù)。由于純化的金屬晶體和含有至少一種異質(zhì)元素的晶體在密度上和顆粒尺寸上的不同，純化的金屬晶體和含有至少一種異質(zhì)元素的晶體對氣泡具有不同的親和力。通過將氣泡加入熔融金屬中，該熔融金屬含有純化的金屬晶體和含至少一種異質(zhì)元素的晶體，例如純化的金屬晶體可以隨氣泡被托起通過熔融金屬到達(dá)熔融金屬的上部區(qū)域，而含有至少一種異質(zhì)元素的晶體保持在熔融金屬的下部區(qū)域。
上述提到的用于將含有純化金屬晶體和含有至少一種異質(zhì)元素的晶體的熔融金屬分為多個(gè)部分的方法，這些部分含有不同濃度的含至少一種異質(zhì)元素晶體，該方法可以包括另外的固-液分離步驟用于從熔融金屬中去除含有至少一種異質(zhì)元素的晶體。此步驟可以包含例如過濾和離心。由于離心力與質(zhì)量成正比，含有至少一種異質(zhì)元素的晶體與熔融金屬之間的比重差異產(chǎn)生不同的離心力，可用于從熔融金屬中分離含有至少一種異質(zhì)元素的晶體。
優(yōu)選的用于將含有至少一種異質(zhì)元素的晶體的至少一部分基本上從含有純化金屬晶體的熔融金屬總量中分離的方法，是通過將鹽層與熔融金屬層接觸，該熔融金屬層既包含純化的金屬晶體又包含含有至少一種異質(zhì)元素的晶體，使用工具將至少一部分含有至少一種異質(zhì)元素的晶體轉(zhuǎn)移到鹽層中并從熔融金屬中分離純化的金屬晶體?；旧蠈⑷康暮兄辽僖环N異質(zhì)元素的晶體與鹽接觸的工具可以是例如攪拌工具。一旦含有至少一種異質(zhì)元素的晶體與鹽接觸，它們就被留在熔鹽中，原因是它們在比重上與熔融金屬和純化的金屬晶體的不同。純化的金屬晶體也與鹽接觸但是并沒有留在鹽中，原因是它們具有不同的比重。含有至少一種異質(zhì)元素的晶體能夠相對容易地從鹽中分離出來，并且純化的金屬晶體能夠從熔融金屬中通過例如過濾的方法分離。優(yōu)選的鹽具有低于進(jìn)行該過程的共晶溫度的熔點(diǎn)。
本發(fā)明的方法特別適用于純化包含至少一種異質(zhì)合金元素的熔融鋁。從鋁礦石得到原鋁產(chǎn)品的耗能十分巨大并且昂貴，這使得再循環(huán)更可行。然而使用現(xiàn)有技術(shù)的金屬純化方法，在不添加相對純凈的原鋁到廢料中以有效稀釋雜質(zhì)元素存在的情況下通常不能經(jīng)濟(jì)地純化鋁廢料。應(yīng)用本發(fā)明的方法，大量的鋁合金廢料能夠被低成本地純化，而不需要大量的添加純的原鋁。
本發(fā)明能夠方便的用于除去一種或多種異質(zhì)元素，例如鐵、硅、銅、錳和鎂，它們通常以不同的量出現(xiàn)在鋁合金廢料中。
本發(fā)明也可以方便的應(yīng)用于連續(xù)工藝，因此純化的金屬晶體和含有至少一種異質(zhì)元素的晶體連續(xù)地形成并分離。通過連續(xù)提供高于共晶溫度的熔融金屬到已經(jīng)被冷卻到共晶溫度且其中已形成含有至少一種異質(zhì)元素的晶體的熔融金屬中，并且維持熔融金屬溫度在共晶溫度下，促進(jìn)含有至少一種異質(zhì)元素的晶體長大。這是因?yàn)橐呀?jīng)存在于熔融金屬中的含有至少一種異質(zhì)元素的晶體為由隨后添加的熔融金屬形成的含有至少一種異質(zhì)元素的晶體充當(dāng)了成核位置。含有至少一種異質(zhì)元素的晶體的體積越大，就相對越容易將它們從純化的金屬晶體中分離出來。純化的金屬晶體和含有至少一種異質(zhì)元素的晶體的體積都可以長大到大于50μm和最高達(dá)200μm。
優(yōu)選地，在剩余的熔融金屬被冷卻到共晶溫度以同時(shí)形成純化的金屬晶體和含有至少一種異質(zhì)元素的晶體之前，對含有一種或多種異質(zhì)元素的熔融金屬應(yīng)用分步結(jié)晶法和固-液分離技術(shù)處理。通過分步結(jié)晶法和固-液分離技術(shù)處理含有一種或多種異質(zhì)元素的熔融金屬，大量的純化的鋁晶體在冷卻到共晶溫度前從剩余的熔融金屬中分離出來。在共晶溫度下形成的含有一種或多種異質(zhì)元素的晶體并不被限制在晶體基質(zhì)中，這就意味著可以形成含有一種或多種異質(zhì)元素的較大晶體。較大的晶體更容易使用固-固分離技術(shù)分離。在剩余的熔融金屬冷卻到共晶溫度之前，也可以在下述情形中用分步結(jié)晶法和固-液分離技術(shù)處理含有一種或多種異質(zhì)元素的熔融金屬，當(dāng)應(yīng)用權(quán)利要求
1的純化方法處理的熔融金屬中的異質(zhì)元素的濃度初始小于異質(zhì)元素在共晶溫度下的固溶度。在純化的金屬晶體形成與分離之后，在剩余的熔融金屬中的異質(zhì)元素的濃度可以大于異質(zhì)元素在共晶溫度下的固溶度，這時(shí)通過權(quán)利要求
1中所列的方法可以有效地進(jìn)行純化。
在剩余的熔融金屬冷卻到共晶溫度之前，應(yīng)用分步結(jié)晶法和固-液分離步驟處理含有一種或多種異質(zhì)元素的熔融金屬，這最優(yōu)選用于非連續(xù)法或分批法。
在固-固分離步驟后含有一種或多種殘留的異質(zhì)元素的熔融金屬優(yōu)選使用分步結(jié)晶法和固-液分離技術(shù)處理。這進(jìn)一步提高了產(chǎn)品的純度。
更優(yōu)選地，在固-液分離技術(shù)處理后含有一種或多種殘留的異質(zhì)元素的熔融金屬冷卻到共晶溫度，以便同時(shí)形成純化的金屬晶體和含有至少一種異質(zhì)元素的晶體，通過使用固-固分離技術(shù)從純化的金屬晶體中分離出至少一部分含有至少一種異質(zhì)元素的晶體。這進(jìn)一步降低了過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品的量。
表1顯示了當(dāng)使用本發(fā)明純化100kg含有0.5wt％鐵的熔融鋁與使用分步結(jié)晶法純化鋁的方法相比可獲得的理論優(yōu)勢。
表1
從表1中可以看出，盡管兩種方法中在純化金屬晶體中的鐵含量是相同的，但本發(fā)明的方法比分步結(jié)晶法得到更高量的純化金屬晶體的純化產(chǎn)物(即99kg比76kg)。當(dāng)應(yīng)用分步結(jié)晶法時(shí)，得到的副產(chǎn)品含有的鋁遠(yuǎn)多于本發(fā)明方法得到的副產(chǎn)品。
使用分步結(jié)晶法和本發(fā)明的方法獲得的純化金屬晶體都含有低達(dá)0.05wt％Fe，這是共晶溫度下Fe在鋁中的固溶度。然而，當(dāng)使用分步結(jié)晶法，可存在于液體副產(chǎn)品中的最高鐵量是1.9wt％，這是鐵在鋁中的共晶濃度。但使用本發(fā)明的方法時(shí)，獲得的副產(chǎn)品能夠理論上含有最高41wt％Fe，這是鐵在形成的Al3Fe金屬間化合物中的濃度。
表2顯示當(dāng)本發(fā)明用于純化100kg含有3.0wt％Fe的熔融鋁時(shí)獲得的優(yōu)勢與使用含有至少一種異質(zhì)元素的晶體分離來純化鋁的比較。
表2
從表2中可以看出當(dāng)提供的熔融金屬屬于過共晶組合物時(shí)，本發(fā)明的方法將得到較少的產(chǎn)品(每100kg得93kg相比97kg)，但是在純化鋁晶體中鐵的含量大大低于當(dāng)使用異質(zhì)元素分離法獲得的熔融鋁產(chǎn)品中的鐵的最小量。因此，總的來說本發(fā)明的方法提供了具有更大經(jīng)濟(jì)價(jià)值的產(chǎn)品，盡管得到的副產(chǎn)品的最小量高于使用異質(zhì)元素分離法得到的副產(chǎn)品量。當(dāng)分離異質(zhì)元素時(shí)，可以獲得的產(chǎn)品最大純度大約等于鐵在鋁中的共晶濃度即1.9wt％Fe。
本發(fā)明也能夠用于三元系統(tǒng)，例如鋁即含有Fe又含有Si。
下面的實(shí)施例考慮100kg含有0.5wt％Fe和0.5wt％Si的鋁。以下結(jié)果是應(yīng)用FactsageTM軟件和Thermotech Al-data數(shù)據(jù)庫得出的。假設(shè)在任何溫度下都是平衡狀態(tài)。
考慮金屬從660℃下完全熔融狀態(tài)到600℃下的完全固化狀態(tài)的凝固。純化的鋁晶體(AL-fcc)在655.8℃下開始形成。這些晶體初始含有0.01wt％Fe和0.05wt％Si，并且很明顯比液體純度高很多。
Al3Fe的凝固在644.9℃下開始。這就是作為本申請中稱為共晶的溫度范圍的開始。在644.9℃下純化的鋁晶體含有0.04wt％Fe和0.16wt％Si。Fe和Si在純化的鋁晶體中的量升高，原因是大量的基本不含F(xiàn)e或Si的鋁(76kg)已經(jīng)從熔融金屬中凝固出來，熔融金屬已經(jīng)變得更加不純并且含有1.9wt％Fe和1.6wt％Si。
當(dāng)Al3Fe的凝固在644.9℃下開始時(shí)，Al3Fe晶體含有40.8wt％Fe和0.25wt％Si。它們被認(rèn)為具有高的Fe雜質(zhì)并且本發(fā)明的目的是從純化的鋁中分離這樣的晶體。在剛剛高于630.6℃下，Al3Fe晶體仍舊含有40.8wt％Fe，但是Si含量升高到0.7wt％。在這個(gè)階段，純化的鋁晶體含有0.04wt％Fe和0.4wt％Si，它的純度高于初始的熔融鋁。
在644.9℃到630.6℃之間，形成另外的20.5kg純化的鋁晶體。純化的鋁晶體的總量是96.5kg。剩余的液體金屬占系統(tǒng)的2.5wt％。
在630.6℃下，另一種晶體AlFeSi-α開始形成。這些晶體含有19wt％Fe和10wt％Si并且因此高度不純。這些晶體從純化鋁晶體中的分離也因此導(dǎo)致純化作用。在這個(gè)結(jié)晶步驟中，溫度沒有發(fā)生改變，在這個(gè)方面，凝固作用的行為類似于純金屬的凝固，例如在固化點(diǎn)或共晶二元金屬的凝固。這個(gè)點(diǎn)是三元共晶點(diǎn)。在這個(gè)點(diǎn)處的零溫度范圍上，剩余的2.5wt％質(zhì)量凝固。
上述結(jié)果概述在表3中表3
為簡便起見假設(shè)副產(chǎn)品能夠全部從純化的鋁晶體中分離出來。表4顯示了該方法的最終結(jié)果。
表4
在依照本發(fā)明進(jìn)行的分批方法中除非作出特殊的規(guī)定，這時(shí)在655.8-644.9℃之間形成的75wt％固體鋁將形成固體基質(zhì)，其中不可能存在非紊流液體運(yùn)動(dòng)。在進(jìn)一步冷卻之后，含F(xiàn)e或含F(xiàn)e和Si晶體副產(chǎn)品將成為十分小的晶體。小的晶體是很難從純化的鋁晶體中分離。
然而，在655.8-644.9℃之間形成的純化鋁晶體可以通過如分步結(jié)晶法和固-液分離技術(shù)從熔融鋁中分離出來。剩余的熔融鋁這時(shí)將接近共晶谷。與所有從熔融鋁中分離的晶體一起，進(jìn)一步的兩階段的共晶凝固作用并不在幾何上限制在晶體基質(zhì)中，這就意味著能夠形成更大的晶體。當(dāng)液體被攪拌時(shí)尤為如此。更大的晶體的生成意味著含有至少一種異質(zhì)元素如密度比鋁大的Fe的晶體能夠被選擇性地從熔融鋁中分離，剩下的低共熔的液體和純化的鋁晶體的漿液。該漿液然后能夠應(yīng)用固-液分離技術(shù)分離出來，同時(shí)剩余的低共熔的液體能夠被再循環(huán)進(jìn)入結(jié)晶器。
該過程也可以在包含例如一種冷卻容器的連續(xù)結(jié)晶器中連續(xù)進(jìn)行。含有一種或多種異質(zhì)元素的熔融鋁在該冷卻器中被冷卻到共晶溫度，同時(shí)形成純化的鋁晶體和含有至少一種異質(zhì)元素的晶體。冷卻器內(nèi)容物中的固體部分基本上維持在例如10％。一旦固體部分變得高于10％，冷卻就被減少，一旦固體部分降低至低于10％，冷卻就被增加。將純化的鋁晶體和含有至少一種異質(zhì)元素的晶體從熔融鋁中以等于形成速率的速率同時(shí)分離出來。按照質(zhì)量平衡的結(jié)晶形態(tài)在上面給出的表4中。這就意味著盡管在容器中的組合物是低共熔的并且保持低共熔，然而連續(xù)加入的含有異質(zhì)元素的熔融鋁組合物決定將形成多少產(chǎn)品和副產(chǎn)品。
應(yīng)該指出的是在相當(dāng)大的共晶溫度范圍內(nèi)，進(jìn)一步的選擇可以優(yōu)化副產(chǎn)品的大小、形狀和組成。
上述計(jì)算結(jié)果表明從含有0.5wt％Fe和0.5wt％Si的100kg鋁中，本發(fā)明給出了98.64kg產(chǎn)品的非常高的可能產(chǎn)率，該產(chǎn)品含有僅僅0.04wt％Fe并具有0.4wt％的輕微降低的Si含量。
獲得的含有0.04wt％Fe和0.4wt％Si的鋁合金產(chǎn)品能通過至少一種分步結(jié)晶的步驟進(jìn)一步純化，該步驟也產(chǎn)生了幾乎為共晶的并且能夠用于本發(fā)明的方法的液體廢料。
下面將參考附圖1到3的圖表說明對本發(fā)明進(jìn)行說明。
在附圖1中，附圖標(biāo)記1指提供含有至少一種異質(zhì)元素的金屬到第一處理容器2中，優(yōu)選以熔融形式。在第一處理容器2中，熔融金屬被冷卻到共晶溫度，以便同時(shí)形成純化的金屬晶體和含有至少一種異質(zhì)元素的晶體。數(shù)字3指添加含有純化的金屬晶體和含有至少一種異質(zhì)元素的晶體的熔融金屬到下一處理容器4中，其中含有純化的金屬晶體和含有至少一種異質(zhì)元素的晶體的熔融金屬被分成多個(gè)部分，含有不同的含至少一種異質(zhì)元素的晶體濃度。含有純化的金屬晶體和含至少一種異質(zhì)元素的晶體的熔融金屬分為多個(gè)部分可以在同一容器中完成，結(jié)晶發(fā)生在該容器中。分離可以通過使用離心機(jī)完成，該離心機(jī)能夠依據(jù)它們之間密度的不同選擇性地移動(dòng)含有至少一種異質(zhì)元素的晶體和純化的金屬晶體，或者通過使用電磁場完成，該電磁場能夠依據(jù)它們之間傳導(dǎo)性的不同選擇性地移動(dòng)含有至少一種異質(zhì)元素的晶體和純化的金屬晶體，或者利用浮選技術(shù)完成，該技術(shù)能夠依據(jù)它們對氣泡的不同親和力選擇性地移動(dòng)含有至少一種異質(zhì)元素的晶體和純化的金屬晶體。數(shù)字5指的是除去含有較低濃度的含至少一種異質(zhì)元素的晶體和高濃度的純化金屬晶體的熔融金屬。該熔融金屬能夠作為一種終產(chǎn)品提供或在處理步驟8中可選地將純化的金屬晶體從熔融金屬中分離并提供作為終產(chǎn)品9，同時(shí)熔融金屬10被再導(dǎo)入第一處理容器2。再循環(huán)利用的熔融金屬的優(yōu)點(diǎn)在于生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)品被最小化。數(shù)字6指的是將熔化狀態(tài)或固態(tài)金屬送到第三處理容器7中，該金屬含高濃度的含至少一種異質(zhì)元素的晶體，在容器7中大部分含至少一種異質(zhì)元素的晶體通過使用例如過濾或離心的方法從熔融金屬中分離，或可以用其他的方法在一旦固化時(shí)從金屬中分離。剩下的熔融金屬10′能夠被視為終產(chǎn)品，或如果留在熔融金屬中的含至少一種異質(zhì)元素的晶體的量被認(rèn)為是太高，剩下的熔融金屬10′可以被再次導(dǎo)入第一處理容器2中。再循環(huán)利用熔融金屬的方法的優(yōu)點(diǎn)在于生產(chǎn)過程產(chǎn)生的副產(chǎn)品25被最小化。
附圖2中的數(shù)字11指的是提供含至少一種異質(zhì)元素的金屬到第一處理容器12中，優(yōu)選以熔融形式。在處理容器12中，熔融金屬被冷卻到共晶溫度以便同時(shí)形成純化的金屬晶體和含至少一種異質(zhì)元素的晶體。大部分純化的金屬晶體和含至少一種異質(zhì)元素的晶體隨后基本上同時(shí)從熔融金屬的總量中分離出來。數(shù)字13指的是將純化的金屬晶體和含至少一種已經(jīng)基本上從熔融金屬總量中除去的異質(zhì)元素的晶體的轉(zhuǎn)運(yùn)。純化的金屬晶體和含至少一種異質(zhì)元素的晶體在處理步驟15中彼此分離。處理步驟15可以包含將純化的金屬晶體和含至少一種異質(zhì)元素的晶體的混合物添加到比重介于純化的金屬晶體和含至少一種異質(zhì)元素的晶體的比重之間的熔鹽中，以至于晶體中的一部分沉于鹽中而剩余物浮在鹽上。熔融金屬14可以被視為終產(chǎn)品或可以被再循環(huán)進(jìn)入處理容器12中并在容器12中形成含至少一種異質(zhì)元素的金屬的一部分由此幫助最小化過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品。
在附圖3中，數(shù)字21指的是提供含至少一種異質(zhì)元素的金屬到處理容器22中，優(yōu)選以熔融形式。在這個(gè)處理容器22中，熔融金屬被冷卻到共晶溫度以便同時(shí)形成純化的金屬晶體和含至少一種異質(zhì)元素的晶體。這個(gè)處理容器也可以含與即含純化的金屬晶體又含有含至少一種異質(zhì)元素的晶體的熔融金屬層接觸的熔鹽層，并且意味著將基本上所有含至少一種異質(zhì)元素的晶體轉(zhuǎn)移到熔鹽層中。含有基本上所有的含至少一種異質(zhì)元素的晶體的熔鹽層這時(shí)可以從含有純化的金屬晶體的熔融金屬中分離出來，正如數(shù)字23標(biāo)示的，并且純化的金屬晶體也從熔融金屬中分離出來作為終產(chǎn)品，如數(shù)字24所示。熔融金屬保留在該處理容器中。
權(quán)利要求
1.一種純化含一種或多種異質(zhì)元素的熔融金屬的方法，其特征在于將熔融金屬冷卻到共晶溫度，以同時(shí)形成純化的金屬晶缽和含至少一種異質(zhì)元素的晶體，其特征還在于通過使用固-固分離技術(shù)使含有至少一種異質(zhì)元素的晶體的至少一部分與純化的金屬晶體分離。
2.如權(quán)利要求
1所述的方法，其中在使用固-固分離技術(shù)之前，至少一部分的純化的金屬晶體和含有至少一種異質(zhì)元素的晶體基本上同時(shí)從基本上熔融金屬的總量中分離出來。
3.如權(quán)利要求
1或2所述的方法，其中固-固分離技術(shù)的實(shí)現(xiàn)是通過將純化的金屬晶體和含有至少一種異質(zhì)元素的晶體分成多個(gè)部分，其中在一個(gè)部分中純化金屬晶體的濃度與含有至少一種異質(zhì)元素的晶體的濃度之比高于它們在熔融金屬中的比。
4.如權(quán)利要求
1或2所述的方法，其中含有至少一種異質(zhì)元素的晶體的至少一部分從基本上含純化金屬晶體的熔融金屬總量中分離出來。
5.如權(quán)利要求
3所述的方法，其中固-固分離是使用離心力實(shí)現(xiàn)。
6.如權(quán)利要求
3所述的方法，其中固-固分離是使用電磁場實(shí)現(xiàn)。
7.如權(quán)利要求
3所述的方法，其中固-固分離是使用浮選技術(shù)實(shí)現(xiàn)。
8.如權(quán)利要求
5、6或7中的任意一項(xiàng)所述的方法，該方法另外包含隨后的固-液分離步驟。
9.如權(quán)利要求
4所述的方法，其中將鹽層與熔融金屬層接觸，該熔融金屬層既包含純化的金屬晶體又包含含有至少一種異質(zhì)元素的晶體，且其中使用方法將至少一部分含有至少一種異質(zhì)元素的晶體轉(zhuǎn)移到鹽層中并將至少一部分純化的金屬晶體從熔融金屬中分離。
10.前述權(quán)利要求
中的任意一項(xiàng)所述的方法，其中熔融金屬是鋁。
11.如權(quán)利要求
10所述的方法，其中(一種或多種)異質(zhì)元素包括鐵、硅、銅、錳和鎂中一種或多種。
12.前述權(quán)利要求
中的任意一項(xiàng)所述的方法，其中連續(xù)形成并分離純化的金屬晶體和含有至少一種異質(zhì)元素的晶體。
13.前述權(quán)利要求
中的任意一項(xiàng)所述的方法，其中對含有一種或多種異質(zhì)元素的熔融金屬應(yīng)用分步結(jié)晶法和固-液分離技術(shù)處理，然后將剩余的熔融金屬冷卻到共晶溫度以便同時(shí)形成純化的金屬晶體和含有至少一種異質(zhì)元素的晶體。
14.前述權(quán)利要求
中的任意一項(xiàng)所述的方法，其中對固-固分離步驟后殘留的包含一種或多種異質(zhì)元素的熔融金屬進(jìn)行分步結(jié)晶法和固-液分離技術(shù)。
15.權(quán)利要求
14所述的方法，其中對固-液分離技術(shù)后殘留的包含一種或多種異質(zhì)元素的熔融金屬進(jìn)行權(quán)利要求
1所述的方法。
專利摘要
本發(fā)明涉及含有一種或多種異質(zhì)元素的熔融金屬的純化方法。本發(fā)明的特征在于熔融金屬被冷卻到共晶溫度，以便同時(shí)形成純化的金屬晶體和含有至少一種異質(zhì)元素的晶體，本發(fā)明的特征還在于通過使用固－固分離技術(shù)將含有至少一種異質(zhì)元素的晶體中的至少一部分與純化的金屬晶體分離。
文檔編號C22B9/02GK1997762SQ20058000877
公開日2007年7月11日 申請日期2005年2月17日
發(fā)明者P·A·德弗里斯 申請人:科魯斯技術(shù)有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan