[其他]用分步結晶法提純金屬的改良工藝

無效

• 申請號: 87100033
• 申請日: 1987-01-06
• 公開（公告）號: CN87100033A
• 公開（公告）日: 1987-07-22
• 發明（設計）人: 安德里·雷蒙德·瑟拉爾勒
• 申請（專利權）人: 皮奇尼鋁業公司
• 主分類號: C22B9/00
• 分類號: C22B9/00;C22B21/06;//B01D9/00
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利代理部
• 代理人: 陳季壯,羅英銘

本發明涉及一項用分步結晶法提純金屬特別是鋁的改良工藝，這原是法國專利No1，594，154的主題，本發明的目的是為了增進提純工作的效率。

熟悉這一工藝的人都知道，當合金凝固時，能和基本金屬生產低共熔混合物的元素以及存在合金中數量少于低共熔混合物含量的元素都將集中于液相中，因而起初生成的晶體就該元素來說的純度水平都將高于開始的合金。假如該元素是一種雜質，那么甚至當它只有痕量存在時，情況也是這樣。

理論上說，雜質在生成晶體中的濃度Cs等于KC_L，其中C_L是雜質在液相中的濃度，K是狀態圖上給出的固液分配系數。

因此晶體的提純系數τ等于C_L/C_S＝1/K。

基于這一原理，便產生出用分步結晶法來提純金屬的各種不同方法;在這些方法中這里特別提到法國專利No1，594，154的方法，它主要包括以下工序：

a）把一定體積的液態金屬放入一個從外部加熱的容器內，其中浸入一個內循環冷卻體，以便使金屬溫度保持在熔點附近而逐漸結晶;而金屬的結晶速度是由調節內冷卻流流量，坩堝外部加熱的功率，以及坩堝的熱絕緣三者的聯合作用來調節的;

b）收集容器底部液態金屬內形成的全部小晶體;

c）用一活塞向容器底部加壓使小的晶體熔結成大晶體，并除去不純的晶隙間液體;

d）把大晶體的提純過的部分從雜質集中的液態部分中分離出來，例如用傾斜容器的辦法排出浮在上面仍呈液態而又含有大量雜質的那一部分。

正如試驗所證實和在上述專利的表格中示出的那樣，所取得的提純率高于理論系數τ。實際上對鐵和硅來說，KFe＝0.03和KSi＝0.15，由此可得τFe＝30和τSi＝7，而觀測到的實際提純系數為ηFe＝55和ηSi＝15.5。

這結果是很出人意外的，特別若是再考慮到這樣一個事實，即這種情況涉及到起初金屬量的50%，而且結晶過程是從一些逐漸集中雜質的液體內產生的，就更令人驚異了。

對于這一現象，理論和試驗研究給出了一個似乎有理的解釋：

小晶體落到已經提純和由大晶體形成的塊狀物上，在該處小晶體及其母液聚積成層狀。然而由于容器的溫度是從頂部（冷卻部分）向底部（從底部加熱）逐漸升高，因此當這些小晶體所在的溫度高于生產它們時的溫度時，它們便不再與母液保持平衡狀態。然后這些小晶體和母液的混合物又趨向于返回熱平衡狀態。正如在法國“鋁業評論”（Rerue????de????l′????Aluminuiun）1974年5月期第290頁和“法國科學院學報C系列”（Pno-ceedings????of????the????l′????Academie????des????Scierce，series????C）1971年第272卷369頁所報導的那樣，這是由于再熔化和再結晶現象而返回熱力學平衡狀態，最后得到的是：

聚集到原來已經存在的大塊結晶聚集物上面的晶體，其組成則由該處溫度下的固相線給定。

因此它們要比起初的小晶體更純。這樣就解釋了為何從試驗中能看到更高的提純度。

為了重新建立起熱力學平衡，金屬液中起初的小晶體的很大一部分熔化了。由于小晶體聚集成大晶體和活塞動作的聯合效果，使得這些金屬被轉移到上層的金屬液中。

因此總的說來，實際上會逐漸產生由晶粒聚集形成大而堅實的固體塊狀物，其組成則由該處溫度下的固相線給定。

金屬錠凝固后，在大晶體和金屬液過渡區附近用電子微探針進行點分析（1微米×1微米），其結果證實了上述的解釋。

然而，尚使用同樣方法來探測提純過的塊狀物內部時，就可發現塊狀物晶隙間仍保留著殘余金屬液，從雜質濃度的突然增加就可以表明這種殘余液的存在。與大晶體處在熱力學平衡狀態下的晶隙間金屬液，其純度是不如大晶體的（C_L＝Cs/K），因此就降低了提純工作的效率。

舉例來說，對于鐵這種結果就特別嚴重，因為晶隙間殘余的雜質含量比大晶體高30倍。

因此本專利申請人想在不必再熔化已提純過的固態塊狀物以便不減少產量的情況下，除去分散在大晶體塊狀內的上述殘余液。

為此目的進行了很多的試驗。如法國專利No1，594，154第2頁第36行所述，曾設法在減少殘余液的趨勢而提高結晶速度。同時提高加在提純過的晶體塊狀物上的活塞壓力。當采用該專利所提出的方法除去不純組份以后，把提純過的塊狀物放回它的坩堝內，并將其整個再加熱，結果是不純的金屬液聚集到容器的底部。