CN107815551A - 电磁分离贵重金属的环保真空熔炼炉及金属提纯方法 - Google Patents

Abstract

一种电磁分离贵重金属的环保真空熔炼炉及金属提纯方法，属于金属分离及净化领域。通过该设备可以分离导电率差异较大的金属并加以提纯。本发明的技术优势是：在中频炉通电保温的条件下，同时施加频率不同的磁场，两者互相不干扰，使熔体的加热与电磁搅拌同时进行，有利于杂质元素分离及净化；在定向冷却和半固态条件下凝固，根据溶质平衡分配系数的不同实现不同杂质的分离及净化；能有效降低净化金属的氧含量，防止氧化并不会产生有毒气体。通过本发明的设备及方法，能够实现导电率差异较大、密度不同的金属与非金属、金属与金属及不同物相的分离与净化。具有环保、高纯度及分离效率高的特点。

Description

电磁分离贵重金属的环保真空熔炼炉及金属提纯方法

技术领域

本发明涉及一种电磁分离贵重金属的环保真空熔炼炉及金属提纯方法，防止氧化并不会产生有毒气体，通过该设备可以分离导电率差异较大的金属并加以提纯，属于金属分离及净化领域。

背景技术

贵重金属如金银铜等在熔炼、浇注过程中，金属中的夹杂物存在的数量、尺寸、形态、种类和分布等严重影响金属的性能，如夹杂物破坏金属基体的连续性，从而降低金属材料的强度、韧性和塑性等。为此，在近代科学技术中引进了“金属净化”的概念。所谓金属的净化，既是利用一定的物理化学原理和相应的工艺措施，去除液态金属和合金中的气体、夹杂物和有害元素的过程。净化已经成为许多有色金属及合金，特别是极易吸气、氧化而冶金质量又要求很高的有色金属及合金极其重要的、关键的生产工艺环节。常见提纯精炼技术有熔剂精炼、熔体静置、气体精炼和过滤，然而这些方法污染环境、工艺复杂、成本高等缺点，需要研究新方法实现金属的净化。

由于电磁场对不同电导率的材料的作用力不同，可以应用其分离金属熔体中的非金属杂质。利用磁场净化金属熔体，可以去除金属熔体中与金属密度非常接近的但电导率存在差异的非金属夹杂物，不存在电解污染问题，同时，还可以去除尺寸相当小的夹杂物，因而得到国内外科研工作者的广泛关注。目前已有的电磁设计方案有况稳恒磁场、交变电磁场、交变复合电磁场、行波磁场、旋转磁场和高频磁场等。旋转磁场用于有色金属的净化还刚刚起步。

旋转磁场对正在结晶的金属液产生强烈的搅拌作用，这可以影响结晶前沿的传热、传质，还可以细化晶粒。在合适的磁场强度和凝固速度下，甚至可以分离共晶合金中的两相。东北大学的翟秀静等人(翟秀静，符岩，李鸿斌，等。旋转磁场用于原铝净化的研究。东北大学学报，2002，23(11)：1083-1085)利用旋转磁场净化原铝，将原铝中的Fe和Si的质量分数从0.16％降低到0.05％。山东工业大学的张作贵(张作贵，刘相法，高振，等。电磁搅拌铝钛硼中间合金的洁净化。铸造，2000，49(2)：70-73)等人研究了电磁搅拌对铝钛硼中间合金洁净化的影响，认为交流磁场比直流磁场除渣效果好，并初步探讨了电磁搅拌的除渣机理,认为电磁场不仅能引起熔体的旋转,而且在熔体中固液界面前约1cm范围内还存在一个附加环流,附加环流的存在是电磁搅拌除渣的根本原因。

目前已有的分离及净化设备及方法中，存在的主要问题是：电磁场与径向尺寸成线性衰减，电磁体积力分布不均匀，杂质被卷入熔体中；除合金本身的导电率和质量外，凝固前沿的熔体须有强的流动和合适的凝固速度，需要根据溶质平衡分布系数实现分离及净化，而现有设备及方法不能实现旋转磁场与中频加热同时进行；非真空条件下易发生被分离与净化金属的氧化。

发明内容

本发明提供一种电磁分离及净化的新设备及方法，在中频炉通电保温的条件下，同时施加旋转磁场，使熔体的加热与搅拌同时进行，有利于杂质元素在较强的电磁体积力作用下与基体材料的分离及净化；通过顶部散热满足定向凝固的条件，根据溶质平衡分布系数实现分离及净化；利用真空熔炼炉解决金属的氧化问题。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种电磁分离贵重金属的环保真空熔炼炉，包括真空熔炼炉组件、电磁场发生器、中频加热线圈、坩埚和冷却组件；

所述的坩埚位于真空熔炼炉组件的中间，坩埚周围安装中频加热线圈；所述的电磁场发生器安装在真空熔炼炉组件内；所述的冷却组件位于坩埚的上方，固定在真空熔炼炉组件的炉盖上。

用真空泵将真空熔炼炉组件内部抽成真空后，用中频加热线圈加热熔体且保温，同时启动电磁场发生器通电施加旋转磁场；熔体在电磁体积力、重力、离心力共同作用下，导电率较低的杂质会被电磁力带到中心，导电率较高的金属则被旋转到外侧，实现杂质的分离与净化。真空炉顶部通入冷却气体实现定向凝固，使杂质向顶部和底部聚集，进一步完成杂质的分离与净化。

应用上述的环保真空熔炼炉的金属提纯方法，包括以下步骤：

1)把物料加入坩埚中，盖上真空熔炼炉的炉盖，并抽真空；

2)开启中频加热线圈电源，熔化物料，过热度为120-170℃，物料熔化后保温；

3)保温的同时开启电磁场发生器，对熔体进行搅拌，频率为40-50HZ，电流为100-140A，时间3-10分钟；

4)停止加热，继续施加电磁场搅拌，同时顶部通入冷却气体10-12分钟进行凝固；

5)熔体温度降低至100℃以下，取出试样；富集在坩埚中心和上层为杂质，分离了杂质与金属。

上述设备及参数是大量科学实验的结果。通过本发明的设备及方法，能够实现导电率差异较大、密度不同的金属与非金属、金属与金属及不同物相的分离与净化。

本发明的有益效果：在中频炉通电保温的条件下，同时施加频率不同的旋转磁场，两者互相不干扰，使熔体的加热与电磁搅拌同时进行，有利于杂质元素分离及净化；在半固态凝固和定向冷却条件下凝固，根据溶质平衡分配系数的不同实现不同杂质的分离及净化；能有效降低净化金属的氧含量，防止氧化并不会产生有毒气体。

附图说明

图1为电磁分离金属杂质的环保真空熔炼炉的示意图；

图2为SEM的能谱仪检测的结果图；

图中：1真空熔炼炉组件；2电磁场发生器；3中频加热线圈；4坩埚；5冷却组件；6熔体。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

实施例1

本发明设计的设备组成为：真空熔炼炉组件1、电磁场发生器2、中频加热线圈3、坩埚4、冷却组件5、熔体6。把含杂质的铜块放入坩埚4中，坩埚内径100mm，高180mm。把真空熔炼炉组件1的炉盖合上并抽真空至10^-2Pa，开启中频加热线圈3对铜块加热至1254℃，在此温度范围内恒温。同时，开启电磁场发生器2施加旋转磁场，使熔体6在坩埚4内搅拌，搅拌频率为40Hz、电流为140A、时间3分钟，在此时间内电磁体积力、离心力和重力的合力能把杂质富集在坩埚中心和上层，在冷却组件5作用10分钟后，完成铜基体与杂质的分离与净化。

紫铜分离与净化的结果：带杂质的缺陷都在上部和中心，底部及两侧杂质含量较少。

图2为SEM的能谱仪检测的结果，净化后的区域中硅含量仅为杂质区域的0.87％，说明分离与净化效果明显。由于在真空条件下，没有检测到氧含量，纯度进一步提高。

实施例2

本发明设计的设备组成为：真空熔炼炉组件1、电磁场发生器2、中频加热线圈3、坩埚4、冷却组件5、熔体6。把含氧化铝杂质的铜块放入坩埚4中，坩埚内径100mm，高180mm。把真空熔炼炉组件1的炉盖合上并抽真空至10^-2Pa，开启中频加热线圈3对铜块加热至1204℃，在此温度范围内恒温。同时，开启电磁场发生器2施加旋转磁场，使熔体6在坩埚4内搅拌，搅拌频率为50Hz，搅拌电流为100A，时间7分钟，在此时间内电磁体积力、离心力和重力的合力能把杂质富集在坩埚中心和上层，在冷却组件5作用12分钟后，完成铜基体与杂质的分离与净化。

Claims (2)

1.一种电磁分离贵重金属的环保真空熔炼炉，其特征在于，包括真空熔炼炉组件、电磁场发生器、中频加热线圈、坩埚和冷却组件；

所述的坩埚位于真空熔炼炉组件的中间，坩埚周围安装中频加热线圈；所述的电磁场发生器安装在真空熔炼炉组件内；所述的冷却组件位于坩埚的上方，固定在真空熔炼炉组件的炉盖上。

2.一种用权利要求1所述的环保真空熔炼炉的金属提纯方法，其特征在于，具体步骤如下：

1)把物料加入坩埚中，盖上真空熔炼炉的炉盖，并抽真空；

2)开启中频加热线圈电源，熔化物料，过热度为120-170℃，物料熔化后保温；

3)保温的同时开启电磁场发生器，对熔体进行搅拌，频率为40-50HZ，电流为100-140A，时间3-10分钟；

4)停止加热，继续施加电磁场搅拌，同时顶部通入冷却气体10-12分钟进行凝固；

5)熔体温度降低至100℃以下，取出试样；富集在坩埚中心和上层为杂质，分离杂质与金属。