專利名稱：電磁復(fù)合場(chǎng)區(qū)域熔煉提純金屬的方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電磁復(fù)合平行靜磁場(chǎng)下提純金屬的方法及其裝置，屬在電磁場(chǎng)作 用下的金屬分離及提純工藝技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景電遷移技術(shù)因其能改變凝固過(guò)程中的溶質(zhì)分配系數(shù)，在復(fù)合了區(qū)域熔煉技術(shù)后可 使金屬中溶質(zhì)分配系數(shù)接近1的雜質(zhì)定向遷移，因此一直被視作制備高純度金屬的有 效方法之一。但長(zhǎng)期以來(lái)卻只能用于提純少量的珍貴材料，其中的一個(gè)主要原因是 要獲得電遷移效果，所需的電流密度通常要達(dá)到1(^A/CI^以上，這將導(dǎo)致顯著的焦耳熱效應(yīng)，從而給試樣提純的操作及過(guò)程控制帶來(lái)不便；此外，由于電流感生磁場(chǎng)進(jìn) 而在金屬熔體中形成不均勻電磁力，在熔體產(chǎn)生紊流，這將顯著惡化雜質(zhì)原子的定向 遷移效果；而且，通過(guò)電遷移提純時(shí)，由于雜質(zhì)原子擴(kuò)散速度很慢，導(dǎo)致該技術(shù)提純 金屬所需的周期也相對(duì)較長(zhǎng)。本發(fā)明將電遷移結(jié)合區(qū)域熔煉體系置于一個(gè)磁力線方向與所施加的電場(chǎng)方向相 平行的磁場(chǎng)中，利用磁場(chǎng)對(duì)金屬熔體中對(duì)流的抑制作用，降低電流誘導(dǎo)的擠壓力效應(yīng) 而造成的對(duì)流，從而可以提高雜質(zhì)原子的定向遷移速度；此外，通過(guò)控制區(qū)域熔煉過(guò) 程，本發(fā)明將雜質(zhì)原子以相的形式析出，利用磁場(chǎng)與電流流經(jīng)顆粒附近的彎曲效應(yīng)， 在相顆粒前后形成不對(duì)稱渦流，利用渦流形成的龍巻風(fēng)抽吸效應(yīng)，驅(qū)動(dòng)雜質(zhì)相顆粒快 速向陰極遷移，從而大大提高雜質(zhì)的去除效率；同時(shí)，由于雜質(zhì)是固溶在相顆粒中遷 移，不是受到電子風(fēng)的動(dòng)量傳質(zhì)而導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)，因此所需的電流密度可以顯著降低，這 可以顯著節(jié)省電遷移技術(shù)的能量消耗。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種在電磁復(fù)合場(chǎng)作用下實(shí)現(xiàn)雜相元素的定向電遷移，以達(dá) 到分離和提純金屬的方法及其裝置。本發(fā)明一種電磁復(fù)合場(chǎng)區(qū)域熔煉提純金屬的方法，其特征在于具有以下的過(guò)程和 步驟將含有雜相金屬元素的金屬或合金置于電磁復(fù)合場(chǎng)中，即將電遷移區(qū)域熔化裝置 在一個(gè)磁力線方向與所施加電流方向相平行的磁場(chǎng)裝置中，且區(qū)域熔化試樣即所述的
含有雜相金屬元素的金屬或合金在磁場(chǎng)中沿磁力線方向向下平穩(wěn)移動(dòng)，而金屬或合金 試樣中的熔融區(qū)城將逆于金屬或合金本體移動(dòng)方向向上朝陰極方向移動(dòng)；由于磁場(chǎng)和 電場(chǎng)的協(xié)同作用，將雜相金屬元素以相顆粒的形式往陰極遷移，最終在金屬或合金本 體的下端，即在靠近陽(yáng)極處，獲得去除雜相金屬元素的純凈金屬。上述的磁場(chǎng)裝置的磁體的磁感應(yīng)強(qiáng)度要求為0.1 20T (特斯拉)；所述的電遷移 裝置的直流電流密度要求為10 100A/cm2。一種電磁復(fù)合場(chǎng)區(qū)域熔煉提純金屬的方法中所用的專用裝置，該裝置由高頻感應(yīng) 電源、高頻電流傳輸導(dǎo)線、水冷銅套、負(fù)極、剛玉管、合金圓棒試樣、高頻感應(yīng)線圈、 直流電源、直流電纜、抽拉滑板、抽拉軌道、超導(dǎo)磁體和正極組成；其特征在于放 置有合金圓棒試樣的剛玉管放置在設(shè)有高頻感應(yīng)線圈的加熱裝置中，高頻感應(yīng)線圈通 過(guò)導(dǎo)線與外部的高頻感應(yīng)電源相連；高頻感應(yīng)線圈的外側(cè)設(shè)有一包圍于它的超導(dǎo)磁 體；水冷銅套設(shè)置在感應(yīng)線圈的兩端分別與負(fù)極和正極相連，上端的負(fù)極和下端的正 極通過(guò)直流電纜與外部直流的電源相連接；合金圓棒試樣的下部連接有可在抽拉軌道 上作上下移動(dòng)的抽拉滑板；通過(guò)該機(jī)構(gòu)可使高頻感應(yīng)線圈內(nèi)的剛玉管和合金圓棒試樣 整體共同向下移動(dòng)；合同圓棒試樣在高頻感應(yīng)線圈內(nèi)側(cè)形成區(qū)域熔化的熔區(qū)，該熔區(qū)在電磁場(chǎng)共同作用下將向上朝陰極方向遷移。所述的超導(dǎo)磁體的中心磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.1 20T (特斯拉)；所述的直流電源供給的 直流電流密度為10 100A/cm2;所述的高頻感應(yīng)電源供給的輸出功率為2-50Kw;合 金圓棒試樣的向下移動(dòng)速度為1-1000微米/秒。本發(fā)明的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)如下1、 由于本發(fā)明將電遷移裝置結(jié)合區(qū)域熔煉并安置在一個(gè)強(qiáng)磁場(chǎng)裝置中，通過(guò)一 個(gè)平行的靜磁場(chǎng)和區(qū)域熔煉，可使熔融金屬中析出的大顆粒相在一定電流密度的直流 電場(chǎng)下發(fā)生顯著遷移，從而避免了已有技術(shù)中必須施加大的直流電流所帶來(lái)的紊流和 焦耳熱問(wèn)題。2、 本發(fā)明能明顯提高液態(tài)金屬中相顆粒的遷移速度，因此可以顯著提高凈化效 率，縮短凈化周期；另外，本發(fā)明方法有較高的去除金屬雜質(zhì)提純金屬的功效。


圖1為本發(fā)明的專用裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例一本實(shí)施例中電磁復(fù)合場(chǎng)下區(qū)域熔煉提純金屬的方法主要通過(guò)其專用裝 置來(lái)實(shí)現(xiàn)的。參見圖l，本實(shí)施例中所用的專用裝置由高頻感應(yīng)電源1、高頻電流傳輸導(dǎo)線2、 水冷銅套3、負(fù)極4、剛玉管5、合金圓棒試樣6、高頻感應(yīng)線圈8、直流電源9、直 流電纜10、抽拉滑板11、抽拉軌道12、超導(dǎo)磁體13和正極14組成；放置有合金圓 棒試樣6的剛玉管5放置在設(shè)有高頻感應(yīng)線圈8的加熱裝置中，高頻感應(yīng)線圈8通過(guò) 導(dǎo)線2與外部的高頻感應(yīng)電源1相連；高頻感應(yīng)線圈8的外側(cè)設(shè)有一包圍于它的超導(dǎo) 磁體13;水冷銅套3設(shè)置在感應(yīng)線圈8的兩端分別與負(fù)極4和正極14相連，上端的 負(fù)極4和下端的正極14通過(guò)直流電纜10與外部直流的電源9相連接；合金圓棒試樣 6的下部連接有可在抽拉軌道12上作上下移動(dòng)的抽拉滑板11;通過(guò)該機(jī)構(gòu)可使高頻 感應(yīng)線圈8內(nèi)的剛玉管5和合金圓棒試樣6整體共同向下移動(dòng)；合同圓棒試樣6在高 頻感應(yīng)線圈8內(nèi)側(cè)形成區(qū)域熔化的熔區(qū)7，該熔區(qū)7在電磁場(chǎng)共同作用下將向上朝陰 極4方向遷移。本實(shí)施例的具體運(yùn)作過(guò)程如下所述采用Zn-1%A1 (含Al質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%)的Zn-Al合金作為試樣，該Zn-Al合金圓 棒試樣的直徑為10mm，長(zhǎng)度為150mm，將所述的Zn-Al合金圓棒試樣6放置在剛玉 管5中，將帶剛玉管5的Zn-Al合金圓棒試樣6安裝在高頻感應(yīng)線圈8預(yù)先放置在超 導(dǎo)磁體13的水冷銅套3的環(huán)形空間區(qū)域，該區(qū)域也是超導(dǎo)磁體13磁場(chǎng)均勻區(qū)，超導(dǎo) 磁體13的中心磁場(chǎng)強(qiáng)度為10T (特斯拉)；通過(guò)直流電源9、電纜10、負(fù)極4和正極 14，經(jīng)Zn-Al合金圓棒試樣6輸入直流電流，其電流強(qiáng)度為50A/cm2;開啟高頻電源 1，其輸出功率為5Kw，使合金圓棒試樣6在高頻線圈8內(nèi)側(cè)形成區(qū)域熔化的熔區(qū)7; 打開抽拉軌道12的驅(qū)動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)抽拉滑板11和合金圓棒6及外套剛玉管5整體向 下移動(dòng)；移動(dòng)遷移速度為10微米/秒；相對(duì)而言，合金圓棒試樣6中的熔區(qū)7將向上 遷移，與此同時(shí)，熔區(qū)7中富含鋁元素的初晶相oc-Al (圖中以標(biāo)號(hào)15表示)在電流 共磁場(chǎng)的共同作用下，將快速向陰極4方向遷移；隨著合金圓棒試樣6持續(xù)向下抽拉， 則最終在Zn-Al合金圓棒試樣6靠近陰極4的端部形成Al元素富集區(qū)，而靠近個(gè)圓 棒6的下側(cè)即初始熔化區(qū)側(cè)，其A1元素濃度很低。若重復(fù)上述過(guò)程多次，則Zn-Al 合金圓棒試樣6的下端就能生成非常純凈的金屬棒，達(dá)到了提純金屬鋅的目的，至于 上端的鋁富集區(qū)，可用于進(jìn)一步凈化或者回爐處理。
權(quán)利要求
1.一種電磁復(fù)合場(chǎng)區(qū)域熔煉提純金屬的方法，其特征在于具有以下的過(guò)程和步驟將含有雜相金屬元素的金屬或合金置于電磁復(fù)合場(chǎng)中，即將電遷移區(qū)域熔化裝置在一個(gè)磁力線方向與所施加電流方向相平行的磁場(chǎng)裝置中，且區(qū)域熔化試樣即所述的含有雜相金屬元素的金屬或合金在磁場(chǎng)中沿磁力線方向向下平穩(wěn)移動(dòng)，而金屬或合金試樣中的熔融區(qū)城將逆于金屬或合金本體移動(dòng)方向向上朝陰極方向移動(dòng)；由于磁場(chǎng)和電場(chǎng)的協(xié)同作用，將雜相金屬元素以相顆粒的形式往陰極遷移，最終在金屬或合金本體的下端，即在靠近陽(yáng)極處，獲得去除雜相金屬元素的提純純金屬。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種電磁復(fù)合場(chǎng)區(qū)域熔煉提純金屬的方法，其特征在于所 述的磁場(chǎng)裝置的磁體的磁感應(yīng)強(qiáng)度要求為0.1 20T特斯拉;所述的電遷移裝置的直流電流密度要求為10 100A/cm2。
3. —種電磁復(fù)合場(chǎng)區(qū)域熔煉提純金屬的方法中所用的專用裝置，該裝置由高頻感應(yīng) 電源(l)、高頻電流傳輸導(dǎo)線(2)、水冷銅套(3)、負(fù)極(4)、剛玉管(5)、合金圓棒試 樣(6)、高頻感應(yīng)線圈(8)、直流電源(9)、直流電纜(IO)、抽拉滑板(ll)、抽拉軌道(12) 、超導(dǎo)磁體(13)和正極(14)組成；其特征在于放置有合金圓棒試樣(6)的剛玉 管(5)放置在設(shè)有高頻感應(yīng)線圈(8)的加熱裝置中，高頻感應(yīng)線圈(8)通過(guò)導(dǎo)線(2)與 外部的高頻感應(yīng)電源(1)相連；高頻感應(yīng)線圈(8)的外側(cè)設(shè)有一包圍于它的超導(dǎo)磁體(13) ;水冷銅套(3)設(shè)置在感應(yīng)線圈(8)的兩端分別與負(fù)極(4)和正極(14)相連，上端 的負(fù)極(4)和下端的正極(14)通過(guò)直流電纜(10)與外部直流的電源(9)相連接；合金 圓棒試樣(6)的下部連接有可在抽拉軌道(12)上作上下移動(dòng)的抽拉滑板(11);通過(guò) 該機(jī)構(gòu)可使高頻感應(yīng)線圈(8)內(nèi)的剛玉管(5)和合金圓棒試樣(6)整體共同向下移 動(dòng)；合同圓棒試樣(6)在高頻感應(yīng)線圈(8)內(nèi)側(cè)形成區(qū)域熔化的熔區(qū)(7)，該熔區(qū)(7) 在電磁場(chǎng)共同作用下將向上朝陰極(4)方向遷移。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種電磁復(fù)合場(chǎng)區(qū)域熔煉提純金屬的方法中所用的專用裝 置，其特征在于所述的超導(dǎo)磁體的中心磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.1 20T特斯拉；所述的直流 電源供給的直流電流密度為10 100A/cm2;所述的高頻感應(yīng)電源供給的輸出功率 為2-50Kw;合金圓棒試樣的向下遷移速度為1-1000微米/秒。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電磁復(fù)合場(chǎng)下區(qū)域熔煉提純金屬的方法及其裝置，屬在電磁場(chǎng)作用下的金屬分離及提純工藝技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的特征是將含有雜相金屬元素的金屬或合金置于電磁復(fù)合場(chǎng)中，利用電遷移區(qū)域熔化裝置放置在一個(gè)磁力線方向與所施加電流方向相平行的磁場(chǎng)裝置中，在磁場(chǎng)和電場(chǎng)的協(xié)同作用下，使雜相金屬元素以相顆粒形式往陰極遷移，最終在金屬或合金本體的下端獲得提純的純金屬。本發(fā)明中采用的磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.1～20T(特斯拉)，電遷移的直流電流密度為10～100A/cm²。
文檔編號(hào)C22B9/00GK101148702SQ20071004749
公開日2008年3月26日 申請(qǐng)日期2007年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月26日
發(fā)明者任忠鳴, 鐘云波, 陽(yáng)祥富 申請(qǐng)人:上海大學(xué)