一种基于镍基滤材的气相镁纯化的方法与装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种基于镍基滤材的气相镁纯化的方法，所述方法采用镍基滤材对镁蒸气进行过滤，在一定的温度、真空度下，镍材一方面不与镁蒸气反应，不会给体系带来新的杂质；另一方面，镍材与镁蒸气中的杂质Al、Mn具有特殊的亲和性，能够形成稳定的固溶体；同时镍材还能够作为镁蒸气中某些杂质形核的位点，降低形核能垒，使某些杂质提前沉积，实现脱除。本发明专利技术提供的方法能够应用于工业化大批量的气相镁纯化中，成数量级的提高生产效率的同时使镁中Mn含量下降至10ppm以下，Al含量下降至10ppm以下，Si含量20ppm以下，同时可去除F、Cl、S等非金属杂质元素，提高产品纯度，得到的镁的纯度在99.99％以上。

A method and device of gas phase magnesium purification based on nickel based filter material

【技术实现步骤摘要】
一种基于镍基滤材的气相镁纯化的方法与装置
本专利技术属于金属镁纯化
，具体涉及一种基于镍基滤材的气相镁纯化的方法与装置。
技术介绍
镁合金具有密度低、阻尼减震性强、电磁屏蔽性能优异和回收成本相对低廉等优点，因此被视为“21世纪绿色环保工程结构材料”及重要战略物资。目前镁纯化领域存在产品整体纯度低(仅为99.90％)，杂质元素种类多(主要含有Mn、Al、Ca、Si、Fe、Ni等)、含量波动大等痼疾。这些痼疾使镁合金的性能严重劣化，进而导致其实际应用远逊于预期。目前常用的金属镁纯化方法有两种：熔剂精炼法和真空蒸馏法。前者的优点是可以实现原镁的大批量纯化，是目前工业粗镁纯化的主要方法。熔剂精炼法使用的主体熔剂只能是部分碱金属和碱土金属的卤化物，工厂最常用的熔剂的主要成分为MgCl2、KCl、CaF2等。精炼剂的除杂机理包括两方面：一是利用精炼剂对氧化物夹杂(MgO、SiO2等)的良好润湿和吸附能力，通过静置沉淀实现氧化物夹杂与镁熔体分离；二是在熔体中，利用活泼金属杂质，如K、Na，与MgCl2的生置换反应而去除比镁更活泼的金属杂质。但由于目前最普遍使用的熔剂不与还原镁锭的Mn、Al、Fe和Ni等杂质元素反应，因此很难生产纯度大于99.95％，特别是国标Mg9995A标准及以上的镁。除此以外，精炼熔剂常常引入F、Cl、S等非金属杂质元素，这些杂质元素含量超过一定阈值之后，也会影响原镁的性能。真空蒸馏法具有悠久的历史，其原理为利用Mg和大部分杂质元素饱和蒸气压差别大的特点，在合适温度和压强下使Mg蒸发，而主要杂质留在熔体中，实现镁与杂质分离。真空蒸馏法的优点是可以制备出纯度高达99.9999％(不计入Zn含量)超高纯镁。但是为了获得较高的纯度，蒸馏法一般在真空条件、接近Mg熔点(650-700℃)的蒸发温度下进行，因此其制备效率低；不同温区的结晶镁纯度不同，一般只有合适温度下的结晶镁才是高纯镁，因此其高纯镁收得率较低；为了获得超高纯镁(99.999％-99.9999％)，需要多次蒸馏，因此成本很高。基于上述原因，真空蒸馏法不能满足工业化大规模生产的需求。此外，现有技术中纯化镁的方法也有采用滤材辅助除杂的气相沉积的方法，但是一般滤材采用不锈钢纤维或者是不锈钢纤维结合铜纤维的方法，不锈钢不适用于镁蒸气压过高的工况，适用于加热温度较低—低温升华的工况，因此镁纯化的效率低，高纯镁的产量极低。
技术实现思路
为了解决以上的技术问题，本专利技术提供一种基于镍基滤材的气相镁纯化方法与装置，所述方法以含微量杂质的镁为处理对象，通过将镁气化为镁蒸气，然后通过镍基滤材的方式，脱除镁蒸气中的杂质。本专利技术的目的是提供一种基于镍基滤材的气相镁纯化的方法。本专利技术的另一目的是一种实现上述镁纯化方法的装置。本专利技术提供的基于镍基滤材的气相镁纯化的方法，包括以下步骤：(1)将镁原料放置于密封的坩埚中的反应区，对坩埚内部进行抽真空处理；(2)采用加热机构加热镁原料至镁气化，使镁蒸气通过镍基滤材，在坩埚远离反应区的结晶器上冷凝得到高纯镁。微量杂质元素对镁及镁合金的性能影响极大，特别是耐蚀性能。镍(Ni)元素在纯镁中的腐蚀容限小于10ppm，即纯镁中的Ni元素质量分数超过10ppm，腐蚀速率便会成数量级地上升，只有Ni含量小于10ppm时，镁才会呈现良好的耐蚀性。正因为如此，在纯镁生产过程中，传统的理念是尽量避免镁与高镍含量容器介质接触，以免造成污染，恶化其耐蚀性。与金属镁冶炼工艺尽量避免接触镍元素的传统思维不同，本专利技术根据热力学计算发现，相对镁而言，镍的蒸气压极低，因此在真空条件下，温度达到使镁气化为镁蒸气的条件下，镁蒸气通过镍基滤材时，镍基滤材与镁不发生反应，在热力学上镍与镁不形成更稳定的物质，因此几乎没有镍蒸气进入到镁蒸气体系中，而镁蒸气中含有的杂质，如Mn、Al、Ca、F、Cl等，一方面在镍基滤材中的化学势低于在镁蒸气中的化学势，而倾向于形成中间合金从而脱离气相体系，另一方面可借助镍基滤材提供的附着位点冷凝富集脱离气相体系。由于本专利技术提供的基于镍基滤材的气相镁纯化的方法体系中的蒸发温度高，使得镁原料能够快速变成镁蒸气，通过一次的气化-过滤-冷凝过程就能够得到纯度高于99.99％的镁，因此纯化镁的效率高，适用于大规模的工业生产。本专利技术提供的方法中采用的镍基滤材能够在镁的纯化过程中，不引入镍污染的前提下，充分利用了镍基滤材优异的耐高温性能，滤材的使用寿命长。优选地，步骤(1)中，坩埚内的真空度在30Pa以下。本专利技术提供的坩埚中的真空度在30Pa以下，能够保证提高纯化镁的效率。优选地，步骤(2)中，所述加热的温度为586-1300℃。包含有微量杂质的镁原料的熔程为650-700℃，本专利技术在30Pa以下的真空度下，设置坩埚中的温度为586-1300℃，包含杂质的镁原料能够变成镁蒸气，而镍作为滤材不会进入到镁蒸气体系，镁经过镍基滤材之后，镁蒸气中的杂质能够与镍基滤材之间形成良好的结合，杂质在镍基滤材上能够得到相应的附着点，杂质被留在镍基滤材中，镁蒸气进一步的上升至结晶区，在结晶器上进行冷凝，得到高纯镁。进一步优选地，步骤(2)中，所述加热分为三段进行，其中第一段对坩埚设置有镁原料的反应区进行加热，温度为700-1300℃；第二段和第三段依次对坩埚中设置有镍基滤材的杂质冷凝区进行加热，第二段的温度为700-1300℃，第三段的温度为586-800℃。本专利技术提供方法中，加热分为三段进行，第一段主要目的是加热镁原料，产生镁蒸气，第二段和第三段的目的一方面是对保持镁的蒸气状态，另一方面是加热镍基滤材，使得镍基滤材保证最佳的工作温度，有利于镁蒸气中杂质的去除。为了保证加热达到镁气化的目的，本专利技术设置第一段和第二段的加热温度为700-1300℃，第三段的加热温度为586-950℃。而第一段和第二段在合适的范围内加热温度越高，镁气化的速率越快，气相纯化镁的效率越高。进一步优选地，步骤(2)中，所述加热分为三段进行，其中第一段对坩埚设置有镁原料的反应区进行加热，温度为1200-1300℃；第二段和第三段依次对坩埚中设置有镍基滤材的杂质冷凝区进行加热，第二段的温度为1200-1300℃，第三段的温度为586-950℃。本专利技术采用的方法，一方面，能够以还原料球为镁源物料，也能够以纯度达不到99.99％的金属镁作为镁源物料。当以还原料球为镁源物料时，镁源物料需要进行化学反应，因此对镁源物料进行加热的温度需要达到1200℃以上，真空度在10Pa以下，在此温度和真空度下，还原料球能够发生反应，并且得到镁蒸气。优选地，步骤(2)中，所述加热的温度为586-1050℃。进一步优选地，其中第一段对坩埚设置有镁原料的反应区进行加热，温度为700-1050℃；第二段和第三段依次对坩埚中设置有镍基滤材的杂质冷凝区进行加热，第二段的温度为700-1050℃，第三段的温度为586-800℃。本专利技术提供的镁源物料除了上述的还原料球还可以是纯度低于99.99％，含有杂质的金属镁，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于镍基滤材的气相镁纯化的方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)将镁原料放置于密封的坩埚中的反应区，对坩埚内部进行抽真空处理；/n(2)采用加热机构加热镁原料至产生镁蒸气，使镁蒸气通过镍基滤材，在坩埚远离反应区的结晶器上冷凝得到高纯镁。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于镍基滤材的气相镁纯化的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将镁原料放置于密封的坩埚中的反应区，对坩埚内部进行抽真空处理；
(2)采用加热机构加热镁原料至产生镁蒸气，使镁蒸气通过镍基滤材，在坩埚远离反应区的结晶器上冷凝得到高纯镁。


2.根据权利要求1所述的基于镍基滤材的气相镁纯化的方法，其特征在于，步骤(1)中，坩埚内的真空度在30Pa以下。


3.根据权利要求1所述的基于镍基滤材的气相镁纯化的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述加热的温度为586-1300℃。


4.根据权利要求3所述的基于镍基滤材的气相镁纯化的方法，其特征在于，步骤(2)所述加热分为三段进行，其中第一段对坩埚设置有镁原料的反应区进行加热，温度为700-1300℃；第二段和第三段依次对坩埚中设置有镍基滤材的杂质冷凝区进行加热，第二段的设置温度为700-1300℃，第三段的设置温度为586-800℃。


5.根据权利要求4所述的基于镍基滤材的气相镁纯化的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述镍基滤材设置于坩埚中的杂质冷凝区，镍基滤材的工作温度为586-950℃。


6.一种包含镍基滤材的气相镁纯化的装置，其特征在于，包括电炉本体、坩埚、加热机构、热电偶和真空机构；
所述坩埚包括依次设置的反应区、杂质冷凝区和结晶区，
所述反应区设置有料斗，
所述杂质冷凝区设置有过滤...

【专利技术属性】
技术研发人员：单智伟，杨博，刘博宇，王安，毛路遥，李姣，刘飞，畅治民，
申请(专利权)人：国科镁业科技河南有限公司，
类型：发明
国别省市：河南;41