CN110835694B - 一种基于单质硅滤材的气相镁纯化的方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于单质硅滤材的气相镁纯化的方法，所述方法采用单质硅滤材对镁蒸气进行过滤。在一定的温度和真空度范围内，单质硅一方面不与镁蒸气进行反应，不会给体系带来新的杂质；另一方面，单质硅与镁蒸气中的Ca、Al、Mn具有特殊的亲和性，能够与硅形成更稳定的固溶体；同时单质硅能够作为镁蒸气中杂质形核的位点，降低形核能垒，使某些杂质提前沉积，脱除杂质。本发明提供的方法能够应用于工业化大规模的气相镁纯化中，通过提高温度来成数量级的提高镁纯化的生产效率，使镁原料中杂质Mn含量下降至4ppm以下、Al含量下降至10ppm以下、Ca含量下降至10ppm以下，得到的镁的纯度在99.99％以上。

Description

一种基于单质硅滤材的气相镁纯化的方法与装置

技术领域

本发明属于金属镁纯化技术领域，具体涉及一种基于单质硅滤材的气相镁纯化的方法与装置。

背景技术

镁合金具有密度低、阻尼减震性强、电磁屏蔽性能优异和回收成本相对低廉等优点，因此被视为“21世纪绿色环保工程结构材料”及重要战略物资。目前镁纯化领域存在产品整体纯度低(仅为99.90％)，杂质元素种类多(主要含有Mn、Al、Ca、Si、Fe、Ni等)、含量波动大等痼疾。这些痼疾使镁合金的性能严重劣化，进而导致其实际应用远逊于预期。

目前纯化镁的主要方法有两种：熔剂精炼法和真空蒸馏法。前者的优点是可以实现原镁的大批量纯化，但由于精炼剂不与还原镁锭的Mn、Al、Fe和Ni等杂质元素反应，因此很难生产纯度99.95％以上的镁；后者的优点是可以制备出纯度高达99.9999％(不计入Zn含量)的超高纯镁，缺点是制备效率低、成本高，不能满足工业化大规模生产的需求。

调研表明，镁产业不同用户对金属镁的不同杂质含量有着特殊的要求。例如：作为高电位牺牲阳极的金属镁，不仅要求镁含量要在99.95％以上，同时要求Fe<30ppm，Si<100ppm，Al<100ppm；作为还原剂生产海绵钛，要求镁含量要在99.95％以上，同时要求Fe<30ppm，Mn<150ppm，Si<100ppm。因此发展一种能够低成本高效率的生产高纯镁(>99.95％)，特别是能针对性地降低某几种特定杂质的技术不仅是必要的，而且是迫切的。

专利CN203429230U、CN208562489U、CN201024206Y中提到在皮江法还原罐口设置“捕获器”、“堵截器”或“过滤器”，在皮江法还原罐口设置一些特殊几何结构，拦截粉尘或某些预冷凝物，但是总体纯化效果有限，更不能针对性地去除某种或某几种杂质。

此外，现有技术中纯化镁的方法也有采用滤材辅助除杂的气相沉积的方法，但是一般滤材采用不锈钢纤维或者是不锈钢纤维结合铜纤维的方法，不锈钢不适用于镁蒸气压过高的工况，适用于加热温度较低—低温升华的工况，因此镁纯化的效率低，高纯镁的产量极低。

发明内容

为了解决以上的技术问题，本发明提供一种基于单质硅滤材的气相镁纯化的方法与装置。所述方法通过将镁原料加热至镁蒸气，然后使镁蒸汽通过单质硅滤材，脱除镁蒸气中的杂质，从而得到高纯镁。

本发明的目的是提供一种基于单质硅滤材的气相镁纯化的方法。

本发明的另一目的是提供一种实现上述气相镁纯化方法的装置。

本发明提供的一种种基于单质硅滤材的气相镁纯化的方法，包括以下步骤：

(1)将镁原料放置于密封的坩埚中的反应区，对坩埚内部进行抽真空处理；

(2)采用加热机构加热镁原料至产生镁蒸气，使镁蒸气通过单质硅滤材，在坩埚远离反应区的结晶器上冷凝得到高纯镁。

本发明根据热力学计算发现，如图1所示，相对镁而言，单质硅的蒸气压极低，几乎没有单质硅进入到镁蒸气体系中，而镁蒸气中含有的杂质，如Mn、Al、Ca在较高的温度下能够与单质硅形成稳定的固溶体，从而能够从镁蒸气体系中脱除；此外镁蒸气中的其他杂质可借助单质硅滤材提供的附着位点冷凝富集脱离气相体系；也有一些杂质能够通过单质硅的物理吸附作用得到有效的脱除。由于本发明提供的基于单质硅滤材的气相镁纯化的方法体系中的蒸发温度高，使得镁原料能够快速变成镁蒸气，通过一次的气化-过滤-冷凝过程就能够得到纯度高于99.99％的镁，因此纯化镁的效率高，适用于大规模的工业生产。本发明提供的方法中采用的单质硅滤材为半导体材料，当前半导体工业成熟，5N级以上高纯硅容易低成本获得，使用高纯硅作为滤材不用复杂的预处理就能直接作为滤材而使用，因此，大大降低滤材的成本。

优选地，步骤(1)中，坩埚内部的真空度在100Pa以下。本发明提供的坩埚中的真空度在100Pa以下，能够保证提高纯化镁的效率。

优选地，步骤(2)中，所述加热的温度为650-1350℃。

包含有微量杂质的镁原料的熔程为650-700℃，本发明在10⁵Pa以下的真空度下，设置坩埚中的温度为650-1350℃，包含杂质的镁原料能够变成镁蒸气，而温度的提高能够呈指数提高镁的蒸发速率，从而成数量级地提高生产效率。而在此温度下单质硅作为滤材不会进入到镁蒸气体系，镁经过单质硅滤材之后，镁蒸气中的杂质能够与单质硅滤材之间形成良好的结合，杂质在单质硅滤材上能够得到相应的附着点，杂质被留在单质硅滤材中，镁蒸气进一步的上升至结晶区，在结晶器上进行冷凝，得到高纯镁。

优选地，步骤(2)中，所述加热分为三段进行，其中第一段对坩埚设置有镁原料的反应区进行加热，温度为700-1300℃；第二段和第三段依次对坩埚中设置有纯铁滤材的杂质冷凝区进行加热，第二段的设置温度为700-1300℃，第三段的设置温度为650-1000℃。本发明提供方法中，加热分为三段进行，第一段主要目的是加热镁原料，产生镁蒸气，第二段和第三段的目的一方面是对保持镁的蒸气状态，另一方面是加热单质硅滤材，使得单质硅滤材保证最佳的工作温度，有利于镁蒸气中杂质的去除。

优选地，步骤(2)中，所述加热分为三段进行，其中第一段对坩埚设置有镁原料的反应区进行加热，温度为1200-1300℃；第二段和第三段依次对坩埚中设置有单质硅滤材的杂质冷凝区进行加热，第二段的温度为1200-1300℃，第三段的温度为700-1000℃。本发明采用的方法，一方面，能够以还原料球为镁源物料，也能够以纯度达不到99.99％的金属镁作为镁源物料。当以还原料球为镁源物料时，镁源物料需要进行化学反应，因此对镁源物料进行加热的温度需要达到1200℃以上，真空度在20Pa以下，在此温度和真空度下，还原料球能够发生反应，并且得到镁蒸气。

优选地，步骤(2)中，所述加热的温度为700-1050℃。进一步优选地，其中第一段对坩埚设置有镁原料的反应区进行加热，温度为700-1050℃；第二段和第三段依次对坩埚中设置有单质硅滤材的杂质冷凝区进行加热，第二段的温度为700-1050℃，第三段的温度为650-800℃。

本发明提供的镁源物料除了上述的还原料球还可以是含有杂质的金属镁，当以金属镁为镁源物料时，由于镁的熔点是649.85℃，沸点为1094.54℃，采用常规的真空蒸馏法一般在真空度为10Pa以下，750℃以下进行蒸发，而本发明可以对金属镁源物料的加热可以在750℃以上，1050℃以下，温度的提高能够呈指数提高镁的蒸发速率，从而成数量级地提高生产效率。

优选地，步骤(2)中，所述三段加热的过程为：首先将第二段和第三段加热至额定温度，保温20-35min，然后将第一段加热至额定温度。

由于单质硅作为滤材时能够与镁蒸气中的杂质钙之间形成稳定的固溶体，从而将杂质钙脱除，但是钙与镁属于同族元素，两者之间具有相似的性质，而本发明提供的方法，镁的蒸发速率快，因此为了将镁蒸气中的钙进行有效脱除，首先将滤材加热至工作温度，然后保温一段时间，保持***的稳定性，然后开始，加热镁原料，镁开始快速的蒸发，使得镁蒸气通过单质硅滤材，杂质中的钙与硅形成稳定的固溶体，剩余的杂质也能够通过单质硅的作用，得到有效的脱除。

优选地，步骤(2)中，所述单质硅滤材设置于坩埚中的杂质冷凝区。

进一步优选地，步骤(2)中，单质硅滤材的工作温度为700-1000℃。

由于原料镁中的杂质种类较多，Ca、F、Al杂质遍布冷凝区的各个温度，且常相伴出现，765-832℃及更低温度下Mn冷凝物出现。在586-950℃下，镁中的大部分杂质能够在单质硅滤材上得到有效的脱除。

利用单质硅对某些杂质元素特殊的亲和性而将其脱除的原理可以由简化的热力学计算来说明。通过假设初始化混合蒸汽入参为：Mg 98.6mol，Al 0.1mol，Mn 0.1mol，Ca0.1mol，Zn 0.1mol。在体系中设置足量的固体Si(1mol)为滤材，分别在1000℃，900℃，800℃，700℃等温度下利用吉布斯自由能最低原理确定其平衡态组成。如图1所示，在1000℃、900℃、800℃下，单质硅能够与镁蒸气含有的杂质Mn、Al、Ca形成更加稳定的固溶体，根据计算，冷凝的物质均为tP20结构的固溶体；在700℃下为aC1#1或B20#1结构，但此时已经有一部分Mg冷凝了。其中tP20、aC1#1、B20#1为Pearson和Strukturbericht命名规则下的晶体结构类型。这说明镁蒸气中的杂质Mn、Al、Ca能够在700-1000℃的温度范围冷凝，但是在700℃以下，镁也会出现一部分的冷凝行为，因此，为了提高镁的得率，单质硅滤材的最佳的工作温度为700-1000℃。本发明提供的利用单质硅滤材与镁蒸气中的Mn、Al、Ca之间能够在较高的温度形成更加稳定的固溶体，从而将杂质Mn、Al、Ca提前从镁蒸气体系中脱除，并且在上述的温度范围，镁蒸气中的剩余杂质也能够通过单质硅滤材的物理吸附作用或为杂质提供冷凝位点的作用得到有效的脱除，从而保证得到的镁的纯度在99.99％以上。

本发明提供以上用于实现上述方法的包含单质硅滤材的气相镁纯化的装置，包括电炉本体、坩埚、加热机构、热电偶和真空机构；

所述坩埚包括依次设置的反应区、杂质冷凝区和结晶区，

所述反应区设置有料斗，

所述杂质冷凝区设置有过滤组件，

所述过滤组件中设置有滤材，所述滤材为单质硅，

所述结晶区设置有结晶器；

所述真空机构设置于所述电炉本体的内部，所述坩埚设置于所述真空机构内部；

所述热电偶设置于所述坩埚的外壁；

所述加热机构设置于所述电炉本体内部对坩埚进行加热。

为了利用上述的单质硅滤材的气相镁纯化的方法实现纯化镁的目的，本发明提供一种配合上述方法使用的装置，在所述装置中的坩埚杂质冷凝区设置过滤组件，过滤组件中设置有单质硅滤材，此外还设置有实现镁气相化的加热机构，以及热电偶，保持***真空度的真空机构，通过上述装置，能够保证纯化镁过程中合理的温度、真空度，能够保证纯化镁过程中，滤材对气相杂质中的脱除。

本发明提供的装置结构简单，适用于大规模的工业化生产，提高纯化镁的效率，具有极大的经济效益。

本发明提供的装置中的过滤组件能够拆卸，通过酸洗等方式能够去除滤材中附着的杂质，达到滤材重复多次使用的目的，降低生产的成本。

本发明提供的包含单质硅滤材的气相镁纯化的装置，优选地，所述滤材为单质硅颗粒。

本发明提供的包含单质硅滤材的气相镁纯化的装置，进一步优选地，所述单质硅颗粒的粒径为0.1-10mm。

本发明提供的装置中的单质硅滤材一方面是与镁蒸气中的杂质特殊的亲和性，作为镁蒸气中杂质形核的位点，降低形核能垒，使杂质提前沉积，另一方面是滤材本身的物理拦截作用。不论是作为杂质的形核位点还是物理拦截，滤材都需要与镁蒸气有一个较大的接触面积才能够实现，而滤材采用单质硅颗粒的形式，能够有效提高滤材与镁蒸气的接触面积，提高过滤的效率。

发明提供的包含单质硅滤材的气相镁纯化的装置，优选地，所述结晶区有多个逐级设置的结晶器。

本发明提供的装置设置多个结晶器，多个结晶器逐级设置，在纯化镁的过程中，镁中的大部分杂质被滞留于杂质冷凝区的单质硅滤材中，但是锌并不能通过单质硅滤材脱除，经过多级结晶器的作用，有利于锌的脱除。

本发明提供的包含单质硅滤材的气相镁纯化的装置，优选地，所述加热机构包括第一加热组件、第二加热组件和第三加热组件；所述第一加热组件对坩埚的反应区进行加热；所述第二加热组件和第三加热组件对坩埚的杂质冷凝区进行加热。多段控温的目的在于精准控温，并延长合适滤材工作温度的长度。因此越多段的控温，温度梯度越精准，合适脱除杂质的物理空间更长，更有利于获得高纯镁。

本发明提供的包含单质硅滤材的气相镁纯化的装置，优选地，所述真空机构包括真空舱体、水冷法兰、端盖和抽真空组件；所述真空舱体设置于所述电炉本体内部；所述水冷法兰设置于所述真空舱体的两端；所述端盖设置于所述水冷法兰远离真空舱体的端部；所述抽真空组件能够对所述真空舱体内部进行抽真空处理；所述坩埚设置于所述真空舱体内部。

本发明通过第一加热组件、第二加热组件和第三加热组件对坩埚不同段进行加热，通过设置于坩埚外壁的热电偶对坩埚中的温度进行监控，并作为反馈调节坩埚的温度。位于两端的水冷法兰主要降低法兰接口的温度，保护法兰胶圈免受过热烧损，保持真空。除此以外，通过调节冷却水流量，也能间接调节结晶器的温度。

本发明提供的包含单质硅滤材的气相镁纯化的装置，优选地，所述坩埚由多段高纯石墨管件组装而成，两段管件之间通过***式连接。本发明中的热电偶设置于高纯石墨管件的不同段上，对坩埚各段温度进行监控。

本发明所述的高纯石墨管件是以高纯石墨为原料制备得到，高纯石墨是指石墨的碳含量高于99.99％。

本发明的有益效果为：

1.本发明提供的基于单质硅滤材的气相镁纯化的方法，在特定的温度、真空度下，采用单质硅滤材对镁蒸气进行过滤。单质硅滤材在气相镁纯化过程中的应用打破传统镁纯化过程中尽量避免接触硅的技术偏见。本发明提供采用单质硅作为气相纯化镁方法中的滤材，单质硅一方面不会与镁蒸气进行反应，在热力学上与镁不形成更稳定的物质，不会给体系带来新的杂质；另一方面，镁蒸气中的Mn、Al、Ca与硅具有特殊的亲和性，能够在较高的温度下与硅形成稳定的固溶体，从而实现对Mn、Al、Ca杂质的脱除；同时单质硅能够作为镁蒸气中某些杂质形核的位点，降低形核能垒，使某些杂质提前沉积，从而脱除镁蒸气中的杂质。

2.本发明提供的方法能够应用于工业化大规模的气相镁纯化中，通过提高***的温度来呈指数提高蒸发速率，从而能够成数量级的提高镁纯化的生产效率，且在工业化大规模的粗放生产前提下，本发明提供的方法能够使镁原料中杂质Mn含量下降至4ppm以下、Al含量下降至10ppm以下、Ca含量下降至10ppm以下，Si含量下降至10ppm以下，得到的镁的纯度在99.99％以上。

3.本发明提供的方法简化生产工艺流程，Ca、Mn、Al、Fe、Ni等杂质主要在滤材上富集，无需设置多级塔盘，高纯镁的收得率显著提高，从而显著降低高纯镁的生产成本。

4.本发明提供的装置结构简单，适用于大规模的工业化生产，提高纯化镁的效率，具有极大的经济效益。本发明提供的装置中的过滤组件能够拆卸，通过酸洗等方式能够去除滤材中附着的杂质，达到滤材重复多次使用的目的，降低生产的成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为不同温度下冷凝物质的组成与含量的热力学计算结果的示意图；

图2为实施例1提供的装置的结构示意图；

图3为实施例2提供的装置的结构示意图；

图4为实施例3实验前滤材上的扫描电子显微镜(SEM)示意图；

图5为实施例3实验前滤材的能谱色散X射线谱(EDS)示意图；

图6为实施例3实验后滤材上的扫描电子显微镜(SEM)示意图；

图7为实施例3实验后滤材的能谱色散X射线谱(EDS)示意图；

图8为实施例3、对比例1中原料和得到的镁中杂质钙含量对比图；

图9为实施例5实验后滤材上的扫描电子显微镜(SEM)示意图；

图10为实施例5实验后滤材的能谱色散X射线谱(EDS)示意图；

图11为实施例6实验后滤材上的扫描电子显微镜(SEM)示意图；

图12为实施例6实验后滤材的能谱色散X射线谱(EDS)示意图；。

图中1、电炉本体；2、坩埚；3、加热机构；4、热电偶；5、真空机构；21、反应区；22、杂质冷凝区；23、结晶区；211、料斗；221、过滤组件；231、结晶器；31、第一加热组件；32、第二加热组件；33、第三加热组件；51、真空舱体；52、水冷法兰；53、端盖；54、抽真空组件。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

实施例1

如图2所述，一种包含单质硅滤材的气相镁纯化的装置，包括电炉本体1、坩埚2、加热机构3、热电偶4和真空机构5；

所述坩埚2包括依次设置的反应区21、杂质冷凝区22和结晶区23，

所述反应区21设置有料斗211，

所述杂质冷凝区22设置有过滤组件221，

所述过滤组件221中设置有滤材，所述滤材为单质硅颗粒，所述单质硅颗粒的粒径为0.1-10mm；

所述结晶区23设置有结晶器231；

所述加热机构3置于所述电炉本体1内部对坩埚2进行加热；

所述真空机构5包括真空舱体51、水冷法兰52、端盖53和抽真空组件54；所述真空舱体51设置于所述电炉本体1内部；所述水冷法兰52设置于所述真空舱体51的两端；所述端盖53设置于所述水冷法兰52远离真空舱体51的端部；所述抽真空组件54能够对所述真空舱体51内部进行抽真空处理；所述坩埚2设置于所述真空舱体51内部，与所述设置于真空舱体51一端的水冷法兰52接触；

所述热电偶4设置于所述坩埚2的外壁；所述热电偶4设置于高纯石墨管件的不同段上，对坩埚2各段温度进行监控。

实施例2

如图3所示，一种包含单质硅滤材的气相镁纯化的装置，包括电炉本体1、坩埚2、加热机构3、热电偶4和真空机构5；

所述坩埚2包括依次设置的反应区21、杂质冷凝区22和结晶区23，

所述反应区21设置有料斗211，

所述杂质冷凝区22设置有过滤组件221，

所述过滤组件221中设置有滤材，所述滤材为单质硅颗粒，所述单质硅颗粒的粒径为5-10mm；

所述结晶区23设置有结晶器231；

所述加热机构3置于所述电炉本体1内部对坩埚2进行加热；

所述加热机构3包括第一加热组件31、第二加热组件32和第三加热组件33；所述第一加热组件31对坩埚2的反应区21进行加热；所述第二加热组件32和第三加热组件33对坩埚2的杂质冷凝区22进行加热；

所述坩埚2由多段高纯石墨管件组装而成，两段管件之间通过***式连接；其中坩埚2中的杂质冷凝区22由依次连接的1-8号高纯石墨管件组成，1号高纯石墨管件与反应区21连接，8号高纯石墨管件与结晶区23连接；所述过滤组件221设置于4号和5号高纯石墨管件之间；

所述真空机构5包括真空舱体51、水冷法兰52、端盖53和抽真空组件54；所述真空舱体51设置于所述电炉本体1内部；所述水冷法兰52设置于所述真空舱体51的两端；所述端盖53设置于所述水冷法兰52远离真空舱体51的端部；所述抽真空组件54能够对所述真空舱体51内部进行抽真空处理；所述坩埚2设置于所述真空舱体51内部，与所述设置于真空舱体51一端的水冷法兰52接触；

所述真空机构5设置于所述电炉本体1的内部；

所述热电偶4设置于所述坩埚2的外壁；所述热电偶4设置于高纯石墨管件的不同段上，对坩埚2各段温度进行监控；

所述加热机构3设置于所述电炉本体1内部对坩埚2进行加热。

实施例3

利用实施例1的装置实现基于单质硅滤材的气相镁纯化的方法，包括以下步骤：

将工业粗镁放置于料斗211中，开启加热机构3，设置加热机构3的温度为1000℃，对原料进行还原，镁原料变为镁蒸气之后保温40min，开启抽真空组件54，保持坩埚2中的真空度为20Pa，此时由于单质硅滤材放置于坩埚2中杂质冷凝区22，其对应的温范围为700-1000℃，经反应之后，收集结晶器231上的高纯镁。

实施例4

利用实施例1的装置进行基于单质硅滤材的气相镁纯化的方法，包括以下步骤：

将工业还原料镁球放置于料斗211中，开启加热机构3，设置加热机构3的温度为1200℃，对原料进行还原，镁原料变为镁蒸气之后保温60min，开启抽真空组件54，保持坩埚2中的真空度为100Pa，此时由于单质硅滤材放置于坩埚2中杂质冷凝区22，其对应的温范围为700-1000℃，经反应之后，收集结晶器231上的高纯镁。

实施例5

利用实施例2的装置进行基于单质硅滤材的气相镁纯化的方法，包括以下步骤：

将含有杂质的金属镁放置于料斗211中，开启加热机构3，分别设置加热机构3第一加热组件31、第二加热组件32和第三加热组件33的温度为850℃、1000℃，800℃，首先将第二段和第三段升温至额定的温度，然后保温20-35min，然后将第一段升温至850℃，进行还原，还原周期为345min，开启抽真空组件54，保持坩埚2中的真空度为100Pa，由于单质硅滤材放置于杂质冷凝区22内，其对应的温范围为850-900℃，经反应之后，收集结晶器231上的高纯镁。

实施例6

利用实施例2的装置进行基于单质硅滤材的气相镁纯化的方法，包括以下步骤：

将含有杂质的金属镁放置于料斗211中，开启加热机构3，分别设置加热机构3第一加热组件31、第二加热组件32和第三加热组件33的温度为850℃、1000℃，800℃，首先将第二段和第三段升温至额定的温度，然后保温20-35min，然后将第一段升温至850℃，进行还原，还原周期为345min，开启抽真空组件54，保持坩埚2中的真空度为100Pa，由于单质硅滤材放置于杂质冷凝区22内，其对应的温范围为900-1000℃，经反应之后，收集结晶器231上的高纯镁。

对比例1

采用真空蒸馏的方法对实施例3的工业粗镁原料进行蒸馏。

对比例2

一种气相镁纯化的装置，与实施例1不同的是坩埚22中不设置滤材。

利用上述装置进行气相镁纯化的方法，包括以下步骤：

将工业还原料镁球放置于料斗211中，开启加热机构3，设置加热机构3的温度为1200℃，对原料进行还原，镁原料变为镁蒸气之后保温60min，开启抽真空组件54，保持坩埚2中的真空度为100Pa，此时由于单质硅滤材放置于坩埚2中杂质冷凝区22，其对应的温范围为700-1000℃，经反应之后，收集结晶器231上的高纯镁。

试验例

1.对实施例3实验前后滤材上的杂质成分进行表征，结果见图4-7，其中图4为实验前滤材上的扫描电子显微镜(SEM)图；图5为实施例3实验前滤材的能谱色散X射线谱(EDS)，对应成分的结果为表1。

表1实验前滤材上的EDS成分分析表

元素	质量百分比/wt.％	原子百分比/at.％	净强度
				Si K	100	100	723.84

从图4的结果可以看出，在实验前，滤材单质硅形貌较为平整干净；从图5和表1的结果可以看出，滤材上的成分为高纯硅，无其他的杂质。

图6为实施例3实验后滤材的扫描电子显微镜(SEM)图；图7为实施例3实验后滤材的能谱色散X射线谱(EDS)，对应成分的结果为表2。

表2实验后滤材上的EDS成分分析表

元素	质量百分比/wt.％	原子百分比/at.％	净强度
				O K	4.05	7.8	58.05
Mn K	5.27	2.96	33.64
				Mg K	3.42	4.34	85.43
Al K	1.05	1.2	24.02
				Si K	52.83	58.01	1132.36
Ca K	33.38	25.69	154.09

从图6的结果可以看出，经过实验之后，滤材单质硅表面明显附着一层杂质；从图7和表2对应的结果可以看出，滤材表面附着有杂质Ca、Mn、Al等元素，这说明通过本发明提供的装置进行本发明提供的方法，镁中杂质能够得到有效的脱除。

2.对实施例3和对比例1的原料粗镁以及得到的镁采用火花直读光谱仪对其钙含量进行检测，至少检测三个点，取平均值，结果见图8。

从图8的结果可以看出，与对比例1相比，本发明提供的方法能够有效脱除镁蒸气中的杂质Ca，这是因为单质硅与钙元素之间具有特殊的良好的亲和性能。

3.对实施例4和对比例2的原料以及得到的镁中采用火花直读光谱仪对其成分进行检测，至少检测三个点，取平均值，结果见表3。

表3实施例2和对比例2中镁原料和得到的镁中的杂质含量检测结果

从表3的结果可以看出，利用本发明提供的装置进行本发明提供的方法，能够有效降低粗镁中的杂质，镁原料中杂质元素Ca的含量由原料中的4740ppm降低至10ppm以下；Al的含量由原料中的1764ppm降低至2ppm以下；Mn的含量由原料中的111ppm降低至4ppm，Si的含量小于10ppm，镁的纯度在99.990％以上。

4.对实施例5实验后滤材上的杂质成分进行表征，结果见图9-10，其中图9为实验前滤材的扫描电子显微镜(SEM)图；图10为实施例5实验后滤材的能谱色散X射线谱(EDS)，对应成分的结果为表4。

表4实验后滤材上的EDS成分分析表

从图9可以看出，实施例5实验后，滤材上有杂质沉积；从图10以及表4的结果可以看出，单质硅滤材上的杂质沉积为Al、Si、Ca，可见镁蒸气经过单质硅滤材时，其中的杂质能够被截留至单质硅滤材上，从而实现对镁蒸气中杂质的脱除。

采用火花直读光谱仪对实施例5实验前原料镁以及实验后得到的高纯镁中的成分进行表征，至少检测五个点，取平均值，结果见表5。

表5实施例5中镁原料和得到的镁中的杂质含量检测结果

从表5的结果可以看出，利用本发明提供的装置进行本发明提供的方法，能够有效降低粗镁中的杂质，镁原料中杂质元素Ca的含量由原料中的30ppm降低至10ppm以下；Al的含量由原料中的265ppm降低至10ppm以下；Mn的含量由原料中的235ppm降低至2ppm，Si的含量小于10ppm，镁的纯度在99.992％以上。

5.对实施例6实验后滤材上的杂质成分进行表征，结果见图11-12。其中图11为实验前滤材上的扫描电子显微镜(SEM)图；图12为实施例6实验后滤材的能谱色散X射线谱(EDS)，对应成分的结果为表6。

元素	质量百分比/wt.％	原子百分比/at.％
			O K	2.36	4.42
F K	1.69	2.66
			Mg K	0.62	0.76
Al K	23.31	25.9
			Si K	40.68	43.42
Ca K	26.44	19.77
			Ti K	4.9	3.07

从图11可以看出，实施例6实验之后，单质硅滤材上有大量的杂质沉积；从图12以及表5的结果可以看出，单质硅滤材上的杂质沉积为Al、Si、Ca等，可见镁蒸气经过单质硅滤材时，其中的杂质能够被截留至单质硅滤材上，从而实现对镁蒸气中杂质的脱除。

采用火花直读光谱仪对实施例6实验前原料镁以及实验后得到的高纯镁中的成分进行表征，至少检测五个点，取平均值，结果见表7。

表7实施例6中镁原料和得到的镁中的杂质含量检测结果

从表7的结果可以看出，利用本发明提供的装置进行本发明提供的方法，能够有效降低粗镁中的杂质，镁原料中杂质元素Ca的含量降低至10ppm以下；Al的含量降低至5ppm以下；Mn的含量降低至2ppm，Si的含量降至14ppm，镁的纯度在99.99％以上。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种基于单质硅滤材的气相镁纯化的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将镁原料放置于密封的坩埚中的反应区，对坩埚内部进行抽真空处理，坩埚内部的真空度在100Pa以下；

(2)采用加热机构加热镁原料至产生镁蒸气，所述加热的温度为650-1350℃，使镁蒸气通过单质硅滤材，所述单质硅滤材的工作温度为700-1000℃，在坩埚远离反应区的结晶器上冷凝得到高纯镁；

提纯后，所述镁原料中杂质Mn含量下降至4ppm以下、Al含量下降至10ppm以下、Ca含量下降至10ppm以下，Si含量下降至10ppm以下，得到的镁的纯度在99.99％以上；

所述方法基于的装置，包括电炉本体、坩埚、加热机构、热电偶和真空机构；

所述坩埚包括依次设置的反应区、杂质冷凝区和结晶区，

所述反应区设置有料斗，

所述杂质冷凝区设置有过滤组件，

所述过滤组件中设置有滤材，所述滤材为单质硅颗粒，所述单质硅颗粒的粒径为0.1-10mm，

所述结晶区设置有结晶器；

所述真空机构设置于所述电炉本体的内部，所述坩埚设置于所述真空机构内部；

所述热电偶设置于所述坩埚的外壁；

所述加热机构设置于所述电炉本体内部对坩埚进行加热。

2.根据权利要求1所述的基于单质硅滤材的气相镁纯化的方法，其特征在于，所述加热机构包括第一加热组件、第二加热组件和第三加热组件；所述第一加热组件对坩埚的反应区进行加热；所述第二加热组件和第三加热组件对坩埚的杂质冷凝区进行加热。

3.根据权利要求1所述的基于单质硅滤材的气相镁纯化的方法，其特征在于，所述真空机构包括真空舱体、水冷法兰、端盖和抽真空组件；所述真空舱体设置于所述电炉本体内部；所述水冷法兰设置于所述真空舱体的两端；所述端盖设置于所述水冷法兰远离真空舱体的端部；所述抽真空组件能够对所述真空舱体内部进行抽真空处理；所述坩埚设置于所述真空舱体内部。

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