專利名稱：一種高含量鋁基中間合金生產方法
技術領域：
本發明涉及一種高含量鋁基中間合金生產工藝，即通過對低含量鋁基合金分離濃縮和提純，可同時獲得高含量鋁基中間合金和高純度鋁金屬的低含量鋁基合金分離濃縮與提純的工藝。
背景技術：
在國家標準《鋁中間合金》(正在發布)以及美國ASTM標準體系中(灰色手冊《鋁中間合金國際牌號和化學成分》)，用于合金成分調整的鋁基中間合金要求合金有效成分含量較高，例如鋁鈦中間合金要求鈦含量最低為2. 5-3. 5wt% ;鋁鋯中間合金要求鋯含量最低為 2. 7-3. 3wt%0目前生產鋁基中間合金的方法主要是熔配對摻法、熱還原法和電解法。熔配對摻法即將純鋁金屬和添加金屬按照一定比例熔化后配制鋁基中間合金方法，是傳統方法，工藝成熟，但其存在以下缺點(I)、需要重新熔化純鋁金屬并添加相應的合金元素，以及在對摻合金化過程中，產生鋁及摻配合金成分金屬的二次燒損，造成資源浪費、二次污染和二次能源消耗；(2)、摻配法合金化過程會因鋁及合金元素的熔點不同，合金元素在鋁中的溶解度不同，易于形成成分的偏析，導致產品成分均勻性差；(3)、某些易揮發、易燒損摻配合金元素的實收率低；(4)、整個工藝流程復雜、生產成本高；(5)、熔配過程中，容易造成其它雜質元素的增加。熱還原法可以生產含量較高的鋁基中間合金，但是由于高溫氧化，容易產生氧化夾雜，導致鋁基中間合金品質較低。電解法生產鋁基中間合金是較先進的工藝方法，但是由于受到電解工藝條件、鋁基中間合金濃度等條件限制，有效合金成分的含量偏低，一般含量為0. 5% -2. 0%，不能滿足中間合金的成分控制要求，難以直接用于生產符合國家標準要求的鋁基中間合金。公開號為CN101514418A的中國專利文獻公開了一種鋁鈦合金及其制備方法，其采用主要原料為鋁含量為99. 97%至99. 99%的原鋁液及鈦含量為99. 8%至99. 9%的海綿鈦，熔煉過程使用精煉劑、鋁熔體用覆蓋劑，最終生產的高純鋁鈦中間合金化學成份中雜質元素無法滿足HB5371-1987標準要求；在高純鋁合金實際生產中使用該方法生產的鋁鈦中間合金，高純鋁合金化學成份與設計要求偏差較大，雜質元素含量及Ti元素含量無法滿足設計要求。利用已公布的生產方法生產的鋁鈦中間合金存在較大的成份偏析，微量雜質元素含量高等缺點，在高純鋁合金生產中使用，配料不能達到設計要求，導致鋁合金整爐報廢。綜上所述，現有高含量鋁基中間合金生產方法能耗高、污染大、資源消耗量大、工藝復雜、成本高、產品質量達不到使用要求。

發明內容
本發明的目的在于提供一種通過對低含量鋁基合金分離濃縮與提純，從而生產出高含量鋁基中間合金的工藝；在生產出高合金成分含量的鋁基中間合金的同時，獲得較高純度的金屬鋁，從而提高鋁及鋁合金產品附加值的一種高含量鋁基中間合金生產方法。本發明由如下技術方案實施一種高含量鋁基中間合金的生產方法，其特征在于(I)低含量鋁合金中需要分離濃縮的合金元素濃度≥0.5wt%，該合金元素密度大于鋁的密度；(2)將待分離濃縮的低含量鋁合金全部熔化且保溫，熔化溫度為該濃度下鋁合金液相線以上30-100°C，保溫時間為10-30min ；(3)熔化保溫時間達到之后，進行靜置分離，靜置溫度為將熔體溫度降低至該低含量鋁合金固相線以上20-120°C，靜置時間I. 0-3. Oh ； (4)靜置時間達到之后，進行高含量鋁基中間合金熔體和高純度鋁金屬熔體澆鑄。上述的方法，其中，該合金元素在鋁中的分配系數大于I。上述的方法，其中，在靜置分離后，將熔池中鋁合金熔體上下分層，其中下層為濃縮的高含量鋁基中間合金熔體，上層為高純度鋁金屬熔體。上述的方法，其中，對鋁合金熔體進行溫度場控制。上述的方法，其中，低含量鋁合金全包括低含量鋁鈦合金和低含量鋁鋯合金，將低含量鋁鈦合金，其中鈦含量為0. 5-1. 5wt%、低含量鋁鋯合金，其中鋯含量為0. 5-1. 5wt%分別分離濃縮得到高含量鋁鈦中間合金，其中鈦含量為4. 0-5. 0wt%、高含量鋁鋯中間合金，其中鋯含量為5. 0-6. Owt % ;相應分離濃縮率為40% -80% ;得到的高純度鋁金屬純度為99. 30wt%以上。上述的方法，其中可以重復步驟(2)、(3)、(4)，進行多次分離濃縮，得到更高含量的鋁基中間合金。上述的方法，其中能夠疊加外力場，加速分離濃縮，從而提高分離濃縮率和生產效率。上述的方法，其中外力場為離心力場。上述的方法，其中得到的高含量鋁鈦中間合金中鈦含量極限為37wt% ;得到的高含量鋁鋯中間合金中鋯含量極限為52wt%。上述的方法，其中優選地，步驟2)將待分離濃縮的低含量鋁合金全部熔化且保溫，熔化溫度為該濃度下鋁合金液相線以上70°C，保溫時間為20min ；(3)熔化保溫時間達到之后，進行靜置分離，靜置溫度為將熔體溫度降低至該低含量鋁合金固相線以上90°C，靜置時間2h ；上述的方法，其中優選地，步驟2)將待分離濃縮的低含量鋁合金全部熔化且保溫，熔化溫度為該濃度下鋁合金液相線以上50°C，保溫時間為25min ；(3)熔化保溫時間達到之后，進行靜置分離，靜置溫度為將熔體溫度降低至該低含量鋁合金固相線以上70°C，靜置時間2. 5h ；—種實施上述方法的裝置，該裝置包括如下部件鋁熔體熔池、加熱裝置、鑄造裝置，其中鋁熔體熔池可以是熔化保溫爐或坩堝；加熱裝置可以是感應加熱裝置或電阻加熱裝置或天然氣加熱裝置；鑄造裝置可以是鋁錠水平鑄造機、鋁錠豎井鑄造機或金屬鑄造模具。
其中，通過加熱裝置預熱鋁熔體熔池，熔池內部溫度控制在200°C以上。其中，在生產過程中，低含量鋁基中間合金用量根據鋁熔體熔池容量確定；檢查鋁熔體熔池、加熱裝置、鑄造裝置，并使之處于完好狀態。高含量鋁基中間合金與高純度鋁金屬化學成分分析使用化學法、直讀光譜法等分析方法對高含量鋁基中間合金中合金元素含量和高純度鋁金屬純度進行分析。低含量鋁基合金是指合金元素含量低于國家標準《鋁中間合金》以及美國ASTM標準體系中(灰色手冊《鋁中間合金國際牌號和化學成分》)含量的鋁基合金，來源于國內外市場，很容易得到。 分配系數是指一定溫度下，處于平衡狀態時，組分在固定相中的濃度和在流動相中的濃度之比，以K表示。本申請低含量鋁基合金表示其中有效合金成分含量低的鋁基合金，高含量鋁基中間合金表示其中有效合金成分含量高的鋁基中間合金。本發明的優點在于利用合金元素在鋁中溶解度隨溫度變化的特點，及其在液態鋁中形成的金屬間化合物在熔點、密度及電導率等物理性質與鋁的差異，在保證較高的高含量鋁基中間合金分離濃縮率和生產效率的條件下，找出最佳的分離濃縮溫度場，在重力場或外力場的作用下將液態低含量合金中的合金元素進行有效的分離，實現合金元素的濃縮化與基體鋁的提純，同時制備出高含量鋁基中間合金和高純度鋁金屬。如將低含量鋁鈦合金(A1-0. 5-1. 5% wtTi)、低含量鋁鋯合金(A1-0. 5-1. 5% wtZr)通過該分離濃縮和提純技術制備的高鈦鋁合金，鈦含量能夠達到4. 0%以上；高鋯鋁基中間合金，鋯含量能夠達到5. 0%以上；分離濃縮率為40-80wt% ;高純度鋁金屬鋁含量在99. 30%以上。本發明具有工藝流程短，減少了資源浪費，降低能耗，與對摻法相比較，成本低，產品質量聞，推廣價值聞等優點。
具體實施例方式實施例I :工藝過程依次包括有如下步驟(I)、原材料及裝置準備原材料為低鈦鋁合金(A1-1. 0% WtTi):固態，合金中鈦含量為I. 0%，具體合金化學成分見表I。表I低鈦鋁合金化學成分)
~fi ~FeSiNi ~B I-VAl
~LO 020 OTTO 0.008 0.004 002 余量裝置為I. 0噸碳化硅坩堝、感應加熱裝置、鋁錠鑄模。(2)、碳化硅坩堝預熱通過感應加熱裝置預熱碳化硅坩堝，碳化硅坩堝內部溫度控制在600_700°C之間。(3)、熔化和保溫固體低含量鋁鈦合金裝入預熱碳化硅坩堝之后，感應加熱溫度控制900°C -980°C，熔化以后進行保溫，保溫時間20-25min。(4)、靜置分離熔化保溫時間達到之后，進行靜置分離，靜置溫度為700-750°C，靜置時間2. 0-2. 5h0(5)、高含量鋁基中間合金與高純度鋁金屬鑄造靜置時間達到之后，將坩堝內鋁合金熔體倒入鋁錠鑄模中。先鑄造的為高純度鋁金屬，后鑄造的為聞欽招基中間合金。(6)、化學成分分析從高鈦鋁基中間合金鑄錠上截取分析樣，使用化學法進行化學成分分析，鈦含量為4. 0-5. Owt %，重量為120-150kg，分離濃縮率為70-74wt% ;從高純度鋁金屬鑄錠上截取分析樣進行化學成分分析，鋁金屬純度為99. 30-99. 40wt%。注釋分離濃縮率經過分離濃縮后所得到的高含量鋁基中間合金中合金元素質量與原有低含量鋁基中間合金中合金元素質量百分比。P = (G 高 *N 高)/(G 低 *N 低))*100%p-----分離濃縮率；Gs--------分離濃縮后所得到的高含量鋁基中間合金質量；Ns-----分離濃縮后所得到的高含量鋁基中間合金濃度；Gffi-----原有低含量招基中間合金質量；Nffi-----原有低含量招基中間合金濃度；實施例2:工藝過程依次包括有如下步驟(I)、原材料及裝置準備原材料為低錯招基中間合金(A1-1. 20% wtZr):固態,具體合金化學成分見表2。裝置為I. 0噸碳化硅坩堝、感應加熱裝置、鋁錠鑄模。表2低鋯鋁基中間合金化學成分)
權利要求
1.一種高含量鋁基中間合金的生產方法，其特征在于 (1)低含量鋁合金中需要分離濃縮的合金元素濃度>O. 5wt%，該合金元素密度大于鋁的密度； (2)將待分離濃縮的低含量鋁合金全部熔化且保溫，熔化溫度為該濃度下鋁合金液相線以上30-100°C，保溫時間為10-30min ； (3)熔化保溫時間達到之后，進行靜置分離，靜置溫度為將熔體溫度降低至該低含量鋁合金固相線以上20-120°C，靜置時間I. 0-3. Oh ； (4)靜置時間達到之后，進行高含量鋁基中間合金熔體和高純度鋁金屬熔體澆鑄。
2.如權利要求I所述的方法，其中，該合金元素在鋁中的分配系數大于I。
3.如權利要求I所述的方法，其中，在靜置分離后，熔池中鋁合金熔體上下分層，其中下層為濃縮的高含量鋁基中間合金熔體，上層為高純度鋁金屬熔體。
4.如權利要求I所述的方法，其中，對鋁合金熔體進行溫度場控制。
5.如權利要求I所述的方法，其中，低含量鋁合金全包括低含量鋁-鈦合金和低含量鋁-鋯合金，將低含量鋁鈦合金，其中鈦含量為O. 5-1. 5wt%、低含量鋁鋯合金，其中鋯含量為O. 5-1. 5wt%分別分離濃縮得到高含量鋁鈦中間合金，其中鈦含量為4. 0-5. 0wt%、高含量鋁鋯中間合金，其中鋯含量為5. 0-6. Owt% ;相應分離濃縮率為40% -80% ;得到的高純度鋁金屬純度為99. 30wt%以上。
6.如權利要求1-5所述的方法，其中可以重復步驟(2)、(3)、(4)，進行多次分離濃縮，得到更高含量的鋁基中間合金。
7.如權利要求1-5所述的方法，其中能夠疊加外力場，加速分離濃縮，從而提高分離濃縮率和生產效率。
8.如權利要求7所述的方法，其中外力場為離心力場。
9.如權利要求1-5所述的方法，其中得到的高含量鋁鈦中間合金中鈦含量極限為37wt% ;得到的高含量鋁鋯中間合金中鋯含量極限為52wt%。
10.一種實施權利要求1-9所述方法的裝置，該裝置包括如下部件鋁熔體熔池、加熱裝置、鑄造裝置，其中鋁熔體熔池可以是熔化保溫爐或坩堝；加熱裝置可以是感應加熱裝置或電阻加熱裝置或天然氣加熱裝置；鑄造裝置可以是鋁錠水平鑄造機、鋁錠豎井鑄造機或金屬鑄造模具。
全文摘要
本發明公開了一種高含量鋁基中間合金生產方法。其包括如下步驟，低含量鋁合金中需要分離濃縮的合金元素濃度≥0.5wt％，該合金元素密度大于鋁的密度；將待分離濃縮的低含量鋁合金全部熔化且保溫，熔化溫度為該濃度下鋁合金液相線以上30-100℃，保溫時間為10-30min；熔化保溫時間達到之后，進行靜置分離，靜置溫度為將熔體溫度降低至該低含量鋁合金固相線以上20-120℃，靜置時間1.0-3.0h；靜置時間達到之后，進行高含量鋁基中間合金熔體和高純度鋁金屬熔體澆鑄。本發明具有工藝流程短，降低能耗，減少了資源浪費和環境污染，與傳統對摻法相比，成本可降低15％以上，具有產品質量高等優點。
文檔編號C22C21/00GK102732753SQ20121020152
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月6日 優先權日2012年6月6日
發明者劉金龍, 栗爭光, 沈利, 王云利, 王俊, 翟寶辰, 趙洪生, 邢戈斌, 郭有軍, 郭艷萍, 金建華, 韓延峰 申請人:上海交通大學, 包頭鋁業有限公司