高純鋁定向凝固短流程提純設備以及提純方法
【專利說明】
[0001]技術領域:
本發明涉及一種高純鋁定向凝固短流程提純設備，特別是涉及一種采用該高純鋁定向凝固短流程提純設備進行高純鋁提純的提純方法，屬于鋁冶金提純技術領域。
[0002]【背景技術】:
利用偏析法對鋁進行提純凈化是工業化應用的工藝方法，偏析法提純技術目前主要有分布結晶法、區域熔煉法和定向凝固法。定向凝固法又可分為冷卻管凝固法、底部冷卻法、側壁冷卻法、上部提升凝固法、橫向凝固法等；定向凝固法具有能耗低、設備和工藝相對簡單和實收率較高的優點，適用于大批量生產4N至6N的高純鋁，是高純鋁提純技術的主要研宄發展方向。
[0003]經對現有技術檢索發現，中國專利申請號:CN 201110224938.8中記載了一種“定向凝固提純高純鋁的方法及其熔煉爐”，該定向凝固高純鋁的方法按以第一步選料、第二步熔煉、第三步凝固提純、第四步獲得成品進行，該熔煉爐包括爐殼、加熱裝置、容器、攪拌裝置和冷卻裝置；在爐殼內固定安裝有容器，在爐殼與容器之間自上而下間隔固定安裝有不少于一個的加熱裝置；在容器下方的爐底安裝有冷卻裝置；在冷卻裝置與爐殼之間安裝有爐底測溫裝置。該發明方法具有能耗低、處理量大、效率高、產品純度高的優點，可用于大批量生產5N至6N的高純鋁。但該發明在使用過程中存在一些不足:1、由于所有操作在單一爐體內完成，其加熱、冷卻效率比較低，生產周期延長，造成產能較低；2、由于提純結晶體的生長方式由底部向上堆積，不利于雜質元素在末端的聚集，造成其提純效率不高；3、提純后結晶錠為了滿足純度的要求，需從尾部去除厚度的15%?70%，造成成品率不高。
[0004]
【發明內容】
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本發明所要解決的技術問題是:針對現有技術存在的不足，提供一種高純鋁定向凝固短流程提純設備以及提純方法，具有流程短、能耗低、提純效率和生產效率高的優點，可用于產業化生產4N至6N的高純鋁。
[0005]本發明為解決技術問題所采取的技術方案是:
一種高純鋁定向凝固短流程提純設備，包括提純裝置和加熱裝置，所述提純裝置和加熱裝置各自獨立，共同設置在一個大熔煉爐殼內部，所述提純裝置由外而內依次包括冷卻裝置、提純導熱層、提純保溫坩禍和攪拌裝置，在所述提純保溫坩禍正上方設置有提純爐蓋，在所述提純爐蓋兩側分別設置有抽真空裝置和測溫裝置，在所述提純爐蓋的下方對稱設置有第一加熱機構，所述攪拌裝置位于所述提純爐蓋的軸心處可進行水平轉動，所述提純保溫坩禍和提純導熱層的底部設置有冷卻介質出口，所述冷卻介質出口與外部循環水池相連接；所述加熱裝置位于所述提純裝置的一側，所述加熱裝置由外而內依次包括絕熱層、加熱導熱層和加熱坩禍，在所述加熱坩禍正上方設置有加熱爐蓋，在所述加熱爐蓋兩側分別設置有第二抽真空裝置和第二測溫裝置，在所述加熱爐蓋下方設置有第二加熱機構，所述加熱坩禍底部設置有旋轉平臺，在所述旋轉平臺下面設置有旋轉機構，所述旋轉機構由傳動機構帶動旋轉，進而帶動加熱坩禍及其內部物料進行轉動。
[0006]所述旋轉機構的轉動連桿通過螺紋與所述旋轉平臺相連接；所述提純導熱層和加熱導熱層由高導熱性石墨纖維編織而成，厚度為10?20mm ;所述冷卻裝置等距離環繞于所述提純導熱層四周。
[0007]采用上面所述的高純鋁定向凝固短流程提純設備進行提純的提純方法，其具體步驟如下:
①將精煉后的原鋁液熔體倒入提純裝置中的提純保溫坩禍內，閉合提純爐蓋，開啟攪拌裝置攪拌熔體，同時啟動抽真空裝置使提純保溫坩禍內形成真空；
②當原鋁液熔體開始凝固后給第一加熱機構通電，并緩慢提高功率，通過測溫裝置控制熔體溫度在660°C?680°C之間，通過冷卻裝置對提純導熱層進行強制冷卻，控制提純保溫坩禍內熔體固液界面的溫度梯度在5°C?20°C之間，結晶2?4小時；
③當結晶結束后，關閉攪拌裝置、第一加熱機構和冷卻裝置，開啟提純爐蓋，將提純保溫坩禍移出提純裝置后，倒出提純保溫坩禍內品位低的尾鋁液，此時提純保溫坩禍內的固體即為已提純的提純鋁固體；
④將上述溫度在500°C?550°C的提純保溫坩禍移入帶有絕熱層的加熱裝置中的轉動平臺上，閉合加熱爐蓋，此時的提純保溫坩禍即為加熱裝置中的加熱坩禍，提純鋁固體即為加熱裝置中的凝固鋁固體；
⑤啟動第二抽真空裝置使加熱坩禍內形成真空，開啟第二加熱機構來熔化所述的凝固鋁固體，通過第二測溫裝置控制加熱溫度在750°C?800°C之間，使其保持在鋁熔點之上；同時開啟傳動機構，傳動機構通過旋轉機構帶動轉動平臺進行轉動，使加熱樹禍中的凝固鋁固體在加熱裝置內旋轉運動，加速凝固鋁固體的熔化速度，有效降低熔化過程的氧化損失;
⑥將熔化后的高純鋁液連同加熱坩禍再次放入提純裝置中，此時的加熱坩禍即為提純保溫坩禍，重復步驟①?⑤，直至獲得符合純度要求的高純鋁固體。
[0008]所述提純保溫坩禍內鋁液保溫溫度為660°C?680°C，凝固溫度為650°C?660°C，凝固界面的結晶速率為4?8cm/h。
[0009]本發明的原理是在偏析法定向凝固提純技術的基礎上，在提純裝置中實施側部強制冷卻定向凝固提純新工藝，合理控制固液界面流動速度，精確調整結晶溫度和結晶速度；提純完成后用傾動裝置將尾鋁液體排出體外，再將提純鋁固體和坩禍快速放入加熱裝置中，將高溫凝固的提純鋁固體短時間內再次熔化，熔化后鋁液在提純裝置中再次進行提純；重復操作，直到獲得符合純度要求的高純鋁。
[0010]本發明在凝固提純過程中，采用了恒溫加熱機構和冷卻裝置，精確控制凝固界面處熔體溫度在660°C?680°C之間，保證固液界面具有穩定合適的5°C?20°C溫度梯度，有效減少凝固界面處雜質富集層的厚度，使凝固層的純度得以穩定提高。為了獲得更高純度的鋁固體，將第一次提純后溫度在500?550°C的鋁固體連同坩禍一起放入帶有絕熱層的加熱裝置中，坩禍置于旋轉平臺之上進行螺旋式自轉，第二加熱機構位于坩禍的上部，隨著加熱功率的提高，加熱溫度保持在750°C?800°C之間，帶有溫度的鋁固體得到快速熔化，同時熔化的鋁液隨螺旋式自轉運動不斷涮刷著凝固鋁固體，加快了鋁固體的熔化速度。
[0011]本發明的定向凝固提純過程是將坩禍放置在密閉的提純裝置內，抽真空裝置使爐內環境保持真空狀態，從而讓整個提純過程沒有氧化和污染。
[0012]本發明優化了現有工藝中將提純鋁進行頭部或尾部部分切除含雜質部分后獲得高純鋁的工序，達到短流程、低能耗、高效率的生產效果。
[0013]本發明的攪拌裝置為機械攪拌，攪拌槳位于提純坩禍內，與凝固界面的距離保持在30?10mm ;也可采用電磁攪拌系統。
[0014]本發明的第一加熱機構和第二加熱機構均可采用電加熱器，也可采用燃氣加熱系統。
[0015]本發明的冷卻裝置等距離環繞于提純導熱層四周，冷卻介質無縫均勻覆蓋提純導熱層側部，冷卻介質為水冷卻，也可采用氣體冷卻，對應于熔體溫度的高低進行自動控制，冷卻水的流量為每秒0.5?10m3。
[0016]本發明采用提純過程與加熱過程分開操作的生產模式，將兩者的工藝配置進行了更進一步優化，使提純過程能夠精確控制固液界面保持穩定的溫度梯度，有效降低固液界面前沿熔體中雜質的濃度，從而控制凝固過程，保持較高的提純效率和提純質量；加熱過程利用提純后鋁固體的余熱，配合高保溫的加熱裝置，在旋轉系統的作用下，坩禍連同鋁固體做自轉運動，加速了鋁固體的熔化，加熱效率較常規加熱可提高兩倍以上。本發明極大地提高了生產效率，具有能耗低、處理量大、效率高、產品純度高的優點。
【附圖說明】
[0017]圖1為本發明中高純鋁定向凝固短流程提純設備的使用狀態結構示意圖。
[0018]圖1中，各標號所表不的結構為:I 提純裝置，2 加熱裝置，3 提純爐蓋，4 攬樣裝置，5 提純銷固體，6 提純保溫樹禍，7 提純導熱層，8 尾銷液，9第一加熱機構，10冷卻裝置，11抽真空裝置，12測溫裝置，13冷卻介質出口，14絕熱層，15加熱爐蓋，16旋轉平臺，17傳動機構，18旋轉機構，19---第二加熱機構，20---恪煉爐殼，21---第二抽真空裝置，22---第二測溫裝置，
50凝固鋁固體，60加熱坩禍，70加熱導熱層。
[0019]【具體實施方式】:
下面結合附圖對本發明做進一步的解釋和說明:
實施例1:參見圖1，一種高純鋁定向凝固短流程提純設備，包括提純裝置I和加熱裝置2，提純裝置I和加熱裝置2各自獨立，共同設置在一個大熔煉爐殼20內部，提純裝置I由外而內依次包括冷卻裝置10、提純導熱層7、提純保溫坩禍6和攪拌裝置4，在提純保溫坩禍6正上方設有提純爐蓋3，在提純爐蓋3兩側分別設置有抽真空裝置11和測溫裝置12，在提純爐蓋3下方對稱設置有第一加熱機構9，攪拌裝置4位于提純爐蓋3的軸心處可進行水平轉動，在提純保溫坩禍6和提純導熱層7的底部設置有冷卻介質出口 13，冷卻介質出口 13與外部循環水池相連接；加熱裝置2位于提純裝置I 一側，加熱裝置2由外而內依次包括絕熱層14、加熱導熱層70和加熱坩禍60，在加熱坩禍60正上方設置有加熱爐蓋15，在加熱爐蓋15兩側分別設置有第二抽真空裝置21和第二測溫裝置22，在加熱爐蓋15下方設置有第二加熱機構19，在加熱坩禍60底部設置有旋轉平臺16，在旋轉平臺16下面設置有旋轉機構18，旋轉機構18由傳動機構17帶動旋轉，進而帶動加熱坩禍60及其內部物料進行