[其他]用分步结晶法提纯金属的改良工艺

说明书

用分步结晶法提纯金属特别是铝的工艺，是将一定量的液体金属放入一个外部加热的容器内，金属液内还要浸入个内循环冷却体，以控制金属温度，使其保持在熔点附近而逐渐结晶。收集在容量所形成的全部小晶体，用活塞加压，使小晶体结成大晶体。然后把容器倾斜，把含大量杂质的液体倒出来，将大晶体和金属液分开。其特征在于为了提高提纯效果，要使容器始终保持在倾斜位置，直到排放液流光。本发明适于提纯铝，实例表明铁的杂质含量直接从８００ｐｐｍ降至１ｐｐｍ。

本发明涉及一项用分步结晶法提纯金属特别是铝的改良工艺，这原是法国专利No1，594，154的主题，本发明的目的是为了增进提纯工作的效率。

熟悉这一工艺的人都知道，当合金凝固时，能和基本金属生产低共熔混合物的元素以及存在合金中数量少于低共熔混合物含量的元素都将集中于液相中，因而起初生成的晶体就该元素来说的纯度水平都将高于开始的合金。假如该元素是一种杂质，那么甚至当它只有痕量存在时，情况也是这样。

理论上说，杂质在生成晶体中的浓度Cs等于KC_L，其中C_L是杂质在液相中的浓度，K是状态图上给出的固液分配系数。

因此晶体的提纯系数τ等于C_L/C_S＝＊K。

基于这一原理，便产生出用分步结晶法来提纯金属的各种不同方法;在这些方法中这里特别提到法国专利No1，594，154的方法，它主要包括以下工序：

a）把一定体积的液态金属放入一个从外部加热的容器内，其中浸入一个内循环冷却体，以便使金属温度保持在熔点附近而逐渐结晶;而金属的结晶速度是由调节内冷却流流量，坩埚外部加热的功率，以及坩埚的热绝缘三者的联合作用来调节的;

b）收集容器底部液态金属内形成的全部小晶体;

c）用一活塞向容器底部加压使小的晶体熔结成大晶体，并除去不纯的晶隙间液体;

d）把大晶体的提纯过的部分从杂质集中的液态部分中分离出来，例如用倾斜容器的办法排出浮在上面仍呈液态而又含有大量杂质的那一部分。

正如试验所证实和在上述专利的表格中示出的那样，所取得的提纯率高于理论系数τ。实际上对铁和硅来说，KFe＝0.03和KSi＝0.15，由此可得τFe＝30和τSi＝7，而观测到的实际提纯系数为ηFe＝55和ηSi＝15.5。

这结果是很出人意外的，特别若是再考虑到这样一个事实，即这种情况涉及到起初金属量的50%，而且结晶过程是从一些逐渐集中杂质的液体内产生的，就更令人惊异了。

对于这一现象，理论和试验研究给出了一个似乎有理的解释：

小晶体落到已经提纯和由大晶体形成的块状物上，在该处小晶体及其母液聚积成层状。然而由于容器的温度是从顶部（冷却部分）向底部（从底部加热）逐渐升高，因此当这些小晶体所在的温度高于生产它们时的温度时，它们便不再与母液保持平衡状态。然后这些小晶体和母液的混合物又趋向于返回热平衡状态。正如在法国“铝业评论”（Rerue de l′ Aluminuiun）1974年5月期第290页和“法国科学院学报C系列”（P noceedings of the l′ Academie des Scierce，series C）1971年第272卷369页所报导的那样，这是由于再熔化和再结晶现象而返回热力学平衡状态，最后得到的是：

聚集到原来已经存在的大块结晶聚集物上面的晶体，其组成则由该处温度下的固相线给定。

因此它们要比起初的小晶体更纯。这样就解释了为何从试验中能看到更高的提纯度。

为了重新建立起热力学平衡，金属液中起初的小晶体的很大一部分熔化了。由于小晶体聚集成大晶体和活塞动作的联合效果，使得这些金属被转移到上层的金属液中。

因此总的说来，实际上会逐渐产生由晶粒聚集形成大而坚实的固体块状物，其组成则由该处温度下的固相线给定。