CN113466322B - 一种高纯铝熔炼用接触材质对铝液污染程度的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种高纯铝熔炼用接触材质对铝液污染程度的检测方法，所述的检测方法为：将固态的高纯铝成分检测后，放入坩埚中加热熔融，再每隔30min取样1次，检测高纯铝液的成分，最后根据所需分析元素，逐一计算其污染程度；其中，所述的坩埚采用接触材质制备而成；若接触材料无法制备成坩埚状，则将接触材料与高纯铝一起置于纯度99.9wt％以上纯度的刚玉坩埚进行加热熔融。本发明所述的一种高纯铝熔炼用接触材质对铝液污染程度的检测方法，通过材质在高温铝液内浸泡后对铝液的污染程度来实现材质的检测及评价。

Description

一种高纯铝熔炼用接触材质对铝液污染程度的检测方法

技术领域

本发明属于高纯铝技术领域，具体涉及一种高纯铝熔炼用接触材质对铝液污染程度的检测方法。

背景技术

纯铝中纯度高于99.999％的铝，因其良好的导电性、光放射性、延展性和耐腐蚀性能，常作为集成电路键合线、溅射靶材等应用电子信息产业。在高纯铝产品的制备中有两个关键技术，其中之一是高纯铝的提纯技术，要求获得稳定的成分。99.999％以上纯度高纯铝的提纯技术包括三层电解提纯及偏析提纯。另一个关键技术是高纯铝的熔铸，提纯后的高纯原料经过熔炼、铸造成型。而熔铸过程如何保持原料成分的纯净度是高纯铝熔铸面临的难题之一。

高纯铝熔铸过程中铝液融化后接触的炉体内衬材料、精炼转子材质、腔体存铝内衬、流槽内衬等均对铝液有不同程度的污染。因此产线内衬材质的选材是高纯铝熔铸的关键。

但是，内衬材质的高品质也意味着高成本。如若根据铝液熔化后接触的多种材质对铝液的污染程度，来筛选所需的材质，在实现高纯铝熔炼及铸造过程的成分管控的同时，也可以降低成本。然而，目前并没有针对高纯铝熔炼用接触材质对铝液污染程度的检测方法。

有鉴于此，本发明提出一种高纯铝熔炼用接触材质对铝液污染程度的检测方法，可用于高纯铝熔炼接触材质的选材。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高纯铝熔炼用接触材质对铝液污染程度的检测方法，填补了针对高纯铝熔炼材质选材的检测技术的空白，通过材质在高温铝液内浸泡后对铝液的污染程度来实现材质的检测及评价。

为了实现上述目的，所采用的技术方案为；

一种高纯铝熔炼用接触材质对铝液污染程度的检测方法，所述的检测方法为：将固态的高纯铝成分检测后，放入坩埚中加热熔融，再每隔30min取样1次，检测高纯铝液的成分，最后根据所需分析元素，逐一计算其污染程度；

其中，所述的坩埚采用接触材质制备而成；

若接触材料无法制备成坩埚状，则将接触材料与高纯铝一起置于纯度99.9wt％以上纯度的刚玉坩埚进行加热熔融。

进一步地，所述的高纯铝纯度应高于99.999wt％。

进一步地，所述的接触材料无法制备成坩埚状时，接触材料选择规则形状。

进一步地，所述的检测方法中，采用电炉进行加热熔融，熔炼炉腔体内部材质不脱落，不挥发。

进一步地，所述的检测方法中，加热熔融后，铝液温度为800-850℃。

进一步地，所述的检测方法中，取样前采用刚玉搅拌棒搅拌，保证成分均匀。

进一步地，所述的检测方法中，污染程度的方程式为：y＝d*w＝(m/S)*[(b-a)/a]＝m(b-a)/Sa；

其中，y为污染程度，高纯铝熔融前该元素的含量为a,取样样品中该元素的含量为b，铝液与材质的接触面积为s，融化铝液的质量为m。

与现有技术相比，所采用的技术方案为：

1.本发明采用高纯铝原料在熔融状态下与熔炼材质接触，经过一定时间的浸泡，材质中部分成分会融化并扩散至高纯铝铝液中造成元素的上涨。微量元素的上涨对高纯铝原料是成分的污染。本发明是评价不同熔炼材质对铝液污染程度的有效手段。此检测手段适用于不同材质及各材质的不同状态。包括固体料、粉料及浆料等。

2.本发明浸泡检测方法简单，工器具配置方便，适用于实验室及产业化应用使用。不同材质除因其成分配比影响纯度，不同的成型及加工工艺同样影响其对铝液的污染程度。本发明的浸泡方法是模拟铸造使用状态，是最贴近生产的判定手段。可用于单个材质的成分判定，也可用于多个材质的对比分析。

3.本发明的技术方案中，根据试验中铝液的污染程度y＝d*w＝(m/S)*[(b-a)/a]＝m(b-a)/Sa。可根据炉体设计的面积和熔铝量推算批量生产中铝液的污染程度，指导产线设计。

具体实施方式

为了进一步阐述本发明一种高纯铝熔炼用接触材质对铝液污染程度的检测方法，达到预期发明目的，以下结合较佳实施例，对依据本发明提出的一种高纯铝熔炼用接触材质对铝液污染程度的检测方法，其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构或特点可由任何合适形式组合。

在详细阐述本发明一种高纯铝熔炼用接触材质对铝液污染程度的检测方法之前，有必要对本发明中提及的相关方法做进一步说明，以达到更好的效果。

相关关键技术：

(1)浸泡用坩埚的选材：浸泡用坩埚采用氧化铝材质，其中氧化铝的纯度高于99.9wt％。经试验验证纯度高于99.9wt％的氧化铝坩埚对铝液污染程度可忽略不计。

(2)铝液浸泡工艺：浸泡用高纯铝的纯度应高于99.999wt％，便于污染程度的准确判定。其中铝液浸泡温度为800-850℃。铝液浸泡温度高于常规的铸造温度(高于液相线50-80℃，约为710-750℃)，可加速铝液与材质之间的扩散，使得浸泡试验结果更明显。

(3)铝液浸泡取样及搅拌工艺：铝液在试验坩埚内融化后，每隔30min取样1个。每次取样前采用搅拌棒沿顺时针方向搅拌5圈；沿逆时针方向搅拌5圈。搅拌的目的是使得铝液的成分更均匀。

(4)铝液污染系数w：浸泡材质对铝液的污染系数为分单个元素进行评价，即高纯铝原料被材质污染程度的评价。例如原料中该元素的含量为a,浸泡取样的样品中该元素的含量为b，则污染系数w＝(b-a)/a。

(5)浸泡用样品：针对不同浸泡材质。如该材质可制备坩埚则使用此材质制作坩埚后在其内部进行高纯铝原料的熔炼及浸泡；如该材质不可制作坩埚，则制作样块后将样块放置在99.9wt％以上纯度的氧化铝坩埚中使高纯铝融化后进行浸泡。对比不同材质的污染程度，则需考虑铝液与材质的接触面积s与融化铝液的质量m，d＝m/s,则铝液污染程度y＝d*w＝(m/S)*[(b-a)/a]＝m(b-a)/Sa。根据计算即可对比不同材质对铝液的污染程度，从而筛选出最优的材质用于产线使用。

在了解了本发明中提及的相关方法之后，下面将结合具体的实施例，对本发明一种高纯铝熔炼用接触材质对铝液污染程度的检测方法做进一步的详细介绍：

高纯铝熔铸过程中铝液融化后接触的炉体内衬材料、精炼转子材质、腔体存铝内衬、流槽内衬等均对铝液有不同程度的污染。针对不同配方的材质及其烧结后的状态，通过其高纯铝熔液中的浸泡，及浸泡过程对铝液的污染程度，可筛选所需的材质，从而实现高纯铝熔炼及铸造过程的成分管控。本发明的技术方案为：

一种高纯铝熔炼用接触材质对铝液污染程度的检测方法，所述的检测方法为：将固态的高纯铝成分检测后，放入坩埚中加热熔融，再每隔30min取样1次，检测高纯铝液的成分，最后根据所需分析元素，逐一计算其污染程度；

其中，所述的坩埚采用接触材质制备而成；

若接触材料无法制备成坩埚状，则将接触材料与高纯铝一起置于纯度99.9wt％以上纯度的刚玉坩埚进行加热熔融。

优选地，所述的高纯铝纯度应高于99.999wt％，便于成分涨幅分析。

优选地，所述的接触材料无法制备成坩埚状时，接触材料选择规则形状。

优选地，所述的检测方法中，采用电炉进行加热熔融，熔炼炉腔体内部材质不脱落，不挥发。

优选地，所述的检测方法中，加热熔融后，铝液温度为800-850℃。

优选地，所述的检测方法中，取样前采用刚玉搅拌棒搅拌，保证成分均匀。

优选地，所述的检测方法中，污染程度的方程式为：y＝d*w＝(m/S)*[(b-a)/a]＝m(b-a)/sa；

其中，y为污染程度，高纯铝熔融前该元素的含量为a,取样样品中该元素的含量为b，铝液与材质的接触面积为S，融化铝液的质量为m。

本发明技术方案为一种高纯铝熔炼用铝液接触材质对铝液的污染程度的检测方法，将采用所需验证材质，如可制成坩埚，则制成坩埚进行定量铝液浸泡；如可制成块，则制成固定尺寸的块，放入高纯氧化铝砖内衬坩埚进行浸泡试验，浸泡过程间隔固定的时间取样采用辉光放电质谱仪检测成分中元素的涨幅来判定材质是否满足使用需求。

实施例1.

采用高纯铝原料浸泡熔炼材质方法，通过铝液中元素的涨幅来判定材质对铝液的污染程度。

具体操作步骤如下：

(1)浸泡用坩埚准备：如所需浸泡的接触材质可制成铝液熔炼所用的坩埚，则制备坩埚后备用。

如所需浸泡的接触材质无法制备为坩埚，则选取材小样，该样品可为任何形状，优先选择规则形状，便于表面积计算。当浸泡材质无法制备坩埚时，浸泡用坩埚选用纯度99.9wt％以上纯度的刚玉坩埚及刚玉搅拌棒。

(2)浸泡用高纯铝准备：浸泡用高纯铝的纯度应高于99.999wt％。将浸泡使用的高纯铝进行切割便于放入坩埚中，高纯铝浸泡前需进行成分检测，成分检测可采用辉光放电质谱仪或光电直读光谱仪，高纯铝原料的成分检测精度越高越好。

(3)浸泡用熔炼炉准备：浸泡用熔炼炉采用电炉，熔炼炉腔体内部材质不脱落，不挥发，否则会对浸泡试验产生较大污染，造成检测失效。

(4)浸泡试验：将高纯铝放入坩埚中升温融化，控制铝液温度为800-850℃。若接触材质无法制备为坩埚，则将接触材质的小样与高纯铝一起置于刚玉坩埚中，进行加热熔融，控制铝液温度为800-850℃。

浸泡过程每隔30min取样1个。取样前采用刚玉搅拌棒顺时针及逆时针各搅拌5圈。高纯铝原料成分检测手段与浸泡后所取样品的检测手段保持一致，以免检测手段不同造成成分偏差。

(5)铝液污染程度判定，针对所需分析元素，逐一计算其污染程度，其中污染程度y＝d*w＝(m/S)*[(b-a)/a]＝m(b-a)/sa。其中原料中该元素的含量为a,浸泡取样的样品中该元素的含量为b，铝液与材质的接触面积为s，融化铝液的质量为m。y越大代表铝液的污染程度越严重。对比铝液中各元素的污染程度，根据产品需求筛选最优配套材质。

实施例2.

具体操作步骤如下：

泡材质为某供应商提供耐火材质A，制备成浸泡样品坩埚。坩埚尺寸为内径150mm，高度200mm。

称取2kg高纯铝原料①，使用无水乙醇擦拭干净等待使用。其中高纯铝原料①的成分如表1所示。

铝锭放入坩埚中，将坩埚放置在马弗炉中升温。马弗炉内衬为含80wt％Al₂O₃的浇注料。铝液完全融化后使用热电偶测定铝液温度为825℃，开始保温。铝液完全融化后取样编号为01。取样前使用纯度99.9wt％的氧化铝棒顺时针及逆时针各搅拌5圈。之后每隔30min取一个样，依次编号为02、03至09。合计浸泡时间4h。

将所取样品使用辉光放电质谱仪检测成分如表1所示。可观察到其中Si、B、P元素有一定涨幅。计算硅元素污染程度y_Si09＝m(b-a)/sa＝40kg/m²；计算硼元素污染程度y_B09＝m(b-a)/sa＝107kg/m²；计算磷元素污染程度y_P09＝m(b-a)/sa＝12kg/m²。

表1成分检测表

实施例2.

具体操作步骤如下：

浸泡材质为某供应商提供耐火材质B，浸泡样品为块样。样品尺寸为50*50*50mm。浸泡坩埚及搅拌棒采用纯度99.9wt％的氧化铝坩埚(即刚玉坩埚)。坩埚尺寸内径150mm，高度200mm。

称取高纯铝原料①4kg。浸泡及取样如示例1所示。取样编号为11至19。使用辉光放电质谱仪检测成分如表2所示。

由表2可观察到其中Si、B、P元素有一定涨幅。计算硅元素污染程度y_Si19＝m(b-a)/sa＝5333kg/m²；计算硼元素污染程度y_B19＝m(b-a)/sa＝108800kg/m²；计算磷元素污染程度y_P19＝m(b-a)/sa＝38400kg/m²。

表2成分检测表

实施例3.

具体操作步骤如下：

浸泡材质为某供应商提供耐火材质C，浸泡样品为浆料。将浆料涂覆至坩埚表面，使之完全覆盖。浸泡坩埚及搅拌棒采用纯度99.9wt％的氧化铝坩埚(即刚玉坩埚)。

坩埚尺寸内径150mm，高度200mm。称取高纯铝原料①2kg。浸泡及取样如示例1所示。取样编号为21至29。使用辉光放电质谱仪检测成分如表3所示。

由表3可观察到其中B、P元素有一定涨幅。计算硼元素污染程度y_B29＝m(b-a)/sa＝273kg/m²；计算磷元素污染程度y_P29＝m(b-a)/sa＝88kg/m²。

表3成分检测表

以上所述，仅是本发明实施例的较佳实施例而已，并非对本发明实施例作任何形式上的限制，依据本发明实施例的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明实施例技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种高纯铝熔炼用接触材质对铝液污染程度的检测方法，其特征在于，所述的检测方法为：将固态的高纯铝成分检测后，放入坩埚中加热熔融，再每隔30min取样1次，检测高纯铝液的成分，最后根据所需分析元素，逐一计算其污染程度；

其中，所述的坩埚采用接触材质制备而成；

若接触材料无法制备成坩埚状，则将接触材料与高纯铝一起置于纯度99.9wt％以上纯度的刚玉坩埚进行加热熔融；

加热熔融后，铝液温度为800-850℃。

2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，

所述的高纯铝纯度应高于99.999wt％。

3.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，

所述的接触材料无法制备成坩埚状时，接触材料选择规则形状。

4.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，

所述的检测方法中，采用电炉进行加热熔融，熔炼炉腔体内部材质不脱落，不挥发。

5.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，

所述的检测方法中，取样前采用刚玉搅拌棒搅拌，保证成分均匀。

6.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，

所述的检测方法中，污染程度的方程式为：y＝d*w＝(m/S)*[(b-a)/a]＝m(b-a)/Sa；

其中，y为污染程度，高纯铝熔融前该元素的含量为a,取样样品中该元素的含量为b，铝液与材质的接触面积为S，融化铝液的质量为m。