专利名称：一种利用电磁屏蔽限制熔区的金属高纯提炼方法
技术领域：
本发明涉及一种利用电磁屏蔽限制熔区的金属高纯提炼方法，适用于铟、锡、铋、铅、锌等低熔点金属的高纯提炼。
背景技术：
工业电解生产的金属纯度通常最高可达4N(99. 99%)左右，而满足电子行业需求的金属需要达到6N (99. 9999%)甚至更高的纯度。区域熔炼法是一种深度提纯金属、金属化合物或改变杂质在金属锭内分布的火法精炼方法，其实质是通过局部加热狭长金属料锭，通过形成一个狭窄的熔融区(简称熔区)，并使之按一定方向沿料锭缓慢移动，利用杂质在固相与液相间平衡浓度的差异，使杂质偏析到固相或液相中，反复操作可以杂质重新分布到料锭的一端或者两端。将杂质含量高的部分切除，即可获得高纯度的金属。目前1/3的 元素和数百种无机、有机化合物都能通过区域熔炼提纯到很高的纯度。由于通常杂质扩散速率缓慢，完成区域熔炼提纯过程中每次熔区移动的速度都必须很慢(一般都在几十毫米/小时量级)，而且提纯操作也需要反复多次地进行才能达到指定的纯度。提高区域熔炼效率的关键在于熔区的控制，包括熔区的宽度、熔体的搅拌以及熔区移动的速度及其稳定性等。此外，还必须考虑空气中氧、氮、碳等元素在熔炼过程中对金属的污染，需要对区域熔炼装置内进行真空或惰性气氛控制。人们对区域熔炼装置技术已经进行了多方探索。例如，实用新型专利ZL200920111981采用加热线圈对金属进行高频加热，并在紧密绕制的每匝线圈之间设置绝缘层，使熔区变窄并改善了提纯效率；发明专利ZL 201110221111中采用垂直悬挂式的区域熔炼装置，其优点是避免材料接触容器造成污染；发明专利ZL 201010131165以石英舟承载原料铅(5N)，移动石英舟实施区域熔炼，前10次熔炼时控制熔区宽度为40mm，余下的6次熔区宽度保持为30mm，通过分级控制熔区宽度，可以提高了提纯效率，获得了高纯铅(6N);而发明专利ZL 200710304284将区域熔炼装置设计成C形，采用旋转式加热线圈和托盘组成区域熔炼装置，其优点是运行平稳，生产占用的空间较小。发明专利ZL200710047496将区域熔炼和固相电迁移相结合，在磁场和电场的协同作用下，使杂相金属元素往阴极方向迁移，最终获得高纯金属。可以看出，高频加热方式已经被普遍采用，主要是因为其加热的同时还能对熔体进行搅拌，提高杂质在固相与液相之间的传输速率。如果想再进一步提高区域熔炼效率，就需要考虑进行多熔区设计，但目前还缺乏一种能够有效限制熔区宽度、避免高频电磁场相互干扰的手段。
发明内容
本发明的目的在于为低熔点金属的高纯提炼提供一种简单、安全的多熔区水平区域熔炼方法，其主要特征是以石墨隔板组成封闭的室，对感应加热线圈的加热区域进行严格控制，同时可以防止多熔区设计时高频加热线圈之间的电磁场干扰。该方法允许区域熔炼装置中设置两个或者更多宽度可调的熔区，可以显著提高区域熔炼提纯金属的效率。
具体步骤为
(I)将工业电解得到的纯度为4N (99.99%)以上的铟、锡、铋、铅或锌金属原料熔炼后，浇铸成金属棒，放置在长度为300-600mm、表面洁净的石英舟(12)内。(2)将石英舟放置于长度为700-1000mm、直径为60-90mm的石英炉管内，用磨口密封头将石英管两端封闭，形成气密结构；该密封件用真空软管分别连接真空泵与高纯氩气净化机。(3)将石墨隔板与耐火陶瓷支架组合连接起来，放置在紫铜管制成的感应加热线圈两侧，保持间距为10-40mm;另一组感应加热线圈与此结构相同；石英炉管在一组石英螺旋冷却管中间穿过，该石英螺旋冷却管在石墨隔板与耐火陶瓷支架的支撑下形成水平导轨，使内部石英炉管可以水平自由移动，起到散热和辅助熔区控制的作用。(4)打开石英炉管右端密封件上的三通阀门，与空气相通；然后打开氩气瓶并启动高纯氩气机，同时打开石英炉管左端密封件上的高纯氩气控制阀，通入高纯氩气099. 9995%) 5-10分钟；将右端的三通阀门转向接通真空泵，再关闭左端高纯氩气控制阀，然后启动真空泵，将石英炉管内的真空度抽至O. 06-0. IPa时关闭三通阀门，完成第一次换气操作；再开启左端密封件上的高纯氩气控制阀通入高纯(>99. 9995%)氩气，至压强为Iatm时关闭高纯氩气控制阀，并使右端的三通阀门转向接通真空泵，将石英炉管内的真空度抽至O. 06-0. IPa左右；如此再重复两次，最终完成换气操作，确保真空管内的空气完全被高纯氩气所取代，此后在区域熔炼的过程中始终关闭三通阀门，开启高纯氩气控制阀，保持高纯氩气压强为latm。(5)将紫铜管制成的感应加热线圈与石英螺旋冷却管内通入冷却水；然后启动高频电源，将输出电压设为40-70V，输出电流为10-30A ;频率为l_30KHz ;观察熔区情况正常后，启动步进电机数控台，在电脑的控制下推动石英炉管以5-30mm/小时的速度由左向右匀速移动，至石英舟内的金属铟、锡、铋、铅或锌全部熔炼一次后停止。
(6)关闭高频电源，再将步进电机数控台退至初始位置；然后，重新启动高频电源和步进电机数控台，重新开始提纯操作，如此重复10-16次。(7)关闭高频电源和步进电机数控台，同时关闭循环水，但保持高纯氩气的压强为latm;待提纯好的高纯金属铟、锡、铋、铅或锌冷却至室温后，开启右侧密封头，将石英舟取出放入氩气气氛保护的手套箱内。(8)取样分析高纯金属中杂质成份分布，割掉杂质含量较高的部分，将剩余的高纯(含量在6N以上)金属铟、锡、铋、铅或锌用塑料包装密封。本发明的特点为
I.采用水平式区域熔炼装置，以石英炉管作为炉腔，将金属原料放置石英舟内，其优点是无需考虑区域熔炼过程中金属原料形变或流动等因素，而且金属原料加入量也无需严格要求；同时，高频电源加热的方法可以在加热金属的同时对熔体进行电磁搅拌，提高物质的传输效率。2.采用石墨隔板进行电磁屏蔽，对熔区宽度进行严格控制，同时可以防止多熔区之间的电磁场干扰，可以允许区域熔炼装置中设置两个或者更多宽度可调的熔区。石英炉管外配置的冷却管也起到了散热和辅助熔区控制的作用。3.采用步进电机数控台推动石英炉管，步进电机数控台的推进速度通过电脑进行自动控制，以确保熔区移动速度的均匀性、稳定性和操作的重现性。一般移动速度控制在5-30mm/小时之间。4.采用高纯氩气净化机结合真空泵保证石英炉管内部的惰性气体环境，防止气氛造成的污染。本发明制作简单、成本低，设备运行平稳，自动化程度高，适用于低熔点金属的高纯提炼。
图I为本发明多熔区高频加热区域熔炼装置总体结构示意图。
图2和图3分别为本发明熔区高频加热区域熔炼装置关键部件结构分解示意图。图中标记1-步进电机数控台；2_高纯氩气入口 ；3_高纯氩气净化机；4-耐火陶瓷支架；5_石墨隔板；6-石英螺旋冷却管；7_真空泵；8_石英炉管；9-感应加热线圈；10-高频电源；11-高纯氩气控制阀；12-石英舟；13-三通阀门。
具体实施例方式实施例
依照本发明的区域熔炼方法进行了高纯铟的提炼，其具体实施步骤为
(I)将工业电解得到的纯度为4N (99. 99%)的金属铟熔炼后浇铸成金属棒，放置在长度为370_、表面洁净的石英舟12内。(2)将石英舟12放置于长度为700_石英炉管8内，用磨口密封头将石英管两端封闭，形成气密结构；该密封件用真空软管分别连接真空泵7与高纯氩气净化机3 ;石英炉管8外面附有石英螺旋冷却管6，用于散热和辅助熔区控制。(3)将石墨隔板5与耐火陶瓷支架4组合连接起来，放置在紫铜管制成的感应加热线圈9两侧，保持两组隔板的间距为30mm ;另一组感应加热线圈与此结构相同。(4)打开石英炉管8右端密封件上的三通阀门13，与空气相通；然后打开氩气瓶并启动高纯氩气净化机3，同时打开石英炉管8左端密封件上的高纯氩气控制阀11，通入高纯氩气10分钟；先将右端密封件上的三通阀门13关闭，再关闭左端高纯氩气控制阀11，然后启动真空泵7，将右端的三通阀门13转向接通真空泵7，将石英炉管8内的真空度抽至O. IPa左右时关闭三通阀门13，完成第一次换气操作；开启左端密封件上的高纯氩气控制阀11通入高纯氩气，至压强为Iatm时关闭高纯氩气控制阀11，再将右端的三通阀门13转向接通真空泵7，将石英炉管8内的真空度抽至O. IPa左右；如此重复两次，最终完成换气操作，确保真空管内的空气完全被高纯氩气所取代；此后在区域熔炼的过程中始终关闭三通阀门13，开启高纯氩气控制阀11，保持高纯氩气压强为latm。(5)将紫铜管制成的感应加热线圈9与石英螺旋冷却管6内通入冷却水；然后启动高频电源10，控制感应加热线圈9的交变电流的大小为28A，频率为30KHZ ;观察熔区情况正常后，启动步进电机数控台I，推动石英炉管8以30mm/h的速度由左向右匀速移动，至石英舟12内的金属铟全部熔炼一次后停止。6)将高频电源10关闭，再将步进电机数控台I退至初始位置。然后，重新启动高频电源10和步进电机数控台1，重新开始提纯操作，如此重复10-16次。
7)关闭高频电源10和步进电机数控台1，同时关闭循环水，但保持高纯氩气的压强；待提纯好的高纯金属铟冷却至室温后，开启右侧密封头，将石英舟12取出放入氩气气 氛保护的手套箱内。取样分析高纯金属铟中杂质成份分布，割掉杂质含量较高的部分，将剩余的高纯(含量在6N以上)金属铟用塑料包装密封。
权利要求
1.一种利用电磁屏蔽限制熔区的金属提炼方法，其特征在于具体步骤为 (1)将工业电解得到的纯度为4N即99.99%以上的铟、锡、铋、铅或锌金属原料熔炼后，浇铸成金属棒，放置在长度为300-600_、表面洁净的石英舟内； (2)将石英舟放置于长度为700-1000_、直径为60-90_的石英炉管内，用磨口密封头将石英管两端封闭，形成气密结构；该密封件用真空软管分别连接真空泵与高纯氩气净化机； (3)将石墨隔板与耐火陶瓷支架组合连接起来，放置在紫铜管制成的感应加热线圈两侦牝保持间距为10-40mm;另一组感应加热线圈与此结构相同；石英炉管在一组石英螺旋冷却管中间穿过，该石英螺旋冷却管在石墨隔板与耐火陶瓷支架的支撑下形成水平导轨，使内部石英炉管可以水平自由移动，起到散热和辅助熔区控制的作用； (4)打开石英炉管右端密封件上的三通阀门，与空气相通；然后打开氩气瓶并启动高 纯氩气机，同时打开石英炉管左端密封件上的高纯氩气控制阀，通入>99. 9995%的高纯氩气5-10分钟；将右端的三通阀门转向接通真空泵，再关闭左端高纯氩气控制阀，然后启动真空泵，将石英炉管内的真空度抽至O. 06-0. IPa时关闭三通阀门，完成第一次换气操作；再开启左端密封件上的高纯氩气控制阀通入>99. 9995%的高纯氩气，至压强为Iatm时关闭高纯氩气控制阀，并使右端的三通阀门转向接通真空泵，将石英炉管内的真空度抽至0.06-0.1Pa左右；如此再重复两次，最终完成换气操作，确保真空管内的空气完全被高纯氩气所取代，此后在区域熔炼的过程中始终关闭三通阀门，开启高纯氩气控制阀，保持高纯IS气压强为Iatm; (5)将紫铜管制成的感应加热线圈与石英螺旋冷却管内通入冷却水；然后启动高频电源，将输出电压设为40-70V，输出电流为10-30A ;频率为l_30KHz ;观察熔区情况正常后，启动步进电机数控台，在电脑的控制下推动石英炉管以5-30mm/小时的速度由左向右匀速移动，至石英舟内的金属铟、锡、铋、铅或锌全部熔炼一次后停止； (6)关闭高频电源，再将步进电机数控台退至初始位置；然后，重新启动高频电源和步进电机数控台，重新开始提纯操作，如此重复10-16次； (7)关闭高频电源和步进电机数控台，同时关闭循环水，但保持高纯氩气的压强为Iatm;待提纯好的高纯金属铟、锡、铋、铅或锌冷却至室温后，开启右侧密封头，将石英舟取出放入氩气气氛保护的手套箱内； (8)取样分析高纯金属中杂质成份分布，割掉杂质含量较高的部分，将剩余的含量在6N以上高纯金属铟、锡、铋、铅或锌用塑料包装密封。
全文摘要
本发明公开了一种利用电磁屏蔽限制熔区的金属高纯提炼方法。区域熔炼装置为水平式，加热电源为高频感应电源，以耐热密封管石英炉管作为炉腔，将金属原料放置石英舟内，采用石墨隔板组成封闭的隔离室进行电磁屏蔽，对熔区宽度进行严格控制，同时防止多熔区之间的电磁场干扰，允许区域熔炼装置中设置两个或者更多宽度可调的熔区；冷却管散热也起到了辅助控制熔区的作用；采用电脑自动控制步进电机数控台推动石英炉管；采用高纯氩气净化机结合真空泵保证石英炉管内部的惰性气体环境，防止气氛造成的污染。本发明采用的设备结构简单、成本低、运行平稳、自动化程度高，适用于铟、锡、铋、铅或锌低熔点金属的高纯提炼。
文档编号C22B9/00GK102965518SQ20121048165
公开日2013年3月13日 申请日期2012年11月23日 优先权日2012年11月23日
发明者罗鲲, 李贻成, 章长生, 喻亮, 甘平, 乐卫和, 李小刚, 刘越 申请人:桂林理工大学