本發(fā)明涉及通過減壓蒸餾途徑制備高純鎂的方法，以及實(shí)施該方法的裝置。

鎂具有比大多數(shù)其它金屬更低的沸點(diǎn)，這就是為何很多粗金屬獲得或者從廢料回收鎂的方法均經(jīng)由真空蒸餾工藝步驟進(jìn)行的原因，因?yàn)檫@種方式能夠以一個步驟獲得從較低揮發(fā)性金屬中基本上純化的鎂。如果也要去除這些揮發(fā)性物質(zhì)來生產(chǎn)高純鎂，例如半導(dǎo)體工業(yè)就希望如此，則使用具有多個串聯(lián)設(shè)置的冷凝區(qū)的真空蒸餾設(shè)備，從而也能在強(qiáng)烈混雜了諸如鋅和鎘之類的其他揮發(fā)性金屬的多種餾分中獲得雜質(zhì)濃度僅僅在ppm范圍內(nèi)的高純度餾分。例如EP 1335 030 A1就描述了這樣一種方法，其中從具有被污染的鎂熔體的坩堝中升騰的蒸氣經(jīng)過多個依次排列并且加熱溫度漸次降低的沉積板，并且以分餾形式沉積在這些板上。

可以在減小壓力的情況下使得鎂的蒸發(fā)溫度下降到熔點(diǎn)溫度以下，并且該金屬具有這樣的特性：即使在熔點(diǎn)以下，其蒸氣壓也很高足以使其用于工業(yè)上可利用的高純鎂晶體的重新升華。因此根據(jù)制備高純鎂的現(xiàn)有技術(shù)，已知的大多數(shù)真空蒸餾方法均會導(dǎo)致固態(tài)鎂晶體沉積。

從化學(xué)角度來看，這些鎂晶體盡管可稱作高純(因其雜質(zhì)元素含量很低)，但是晶體仍然具有很高的表面/體積比，并且當(dāng)重新熔化這些晶體來制備半成品或者接近最終輪廓的物體時，就會使得原來由于反應(yīng)性很高而存在于鎂晶體表面上的氧化皮作為非金屬摻入物分布于熔體之中，并且留在凝固后的材料之中。盡管這些摻入物只有很小的濃度值，但是仍然對否則就是高純度鎂的例如腐蝕特性有不利影響。

按照EP 1335032 A1所述的一種方法，含雜質(zhì)的鎂熔體在高純石墨制成的蒸發(fā)容器中蒸發(fā)，其中該蒸氣隨后在同樣由石墨構(gòu)成的冷凝坩堝中凝結(jié)成為液態(tài)熔體。兩個坩堝被石墨鐘罩包圍，該石墨鐘罩可防止鎂蒸氣與包圍鐘罩的真空蒸餾罐的冷壁接觸并使其在這里凝結(jié)。在蒸餾罐壁和石墨鐘罩之間的間隙中有兩個加熱元件，以使得蒸發(fā)坩堝以及冷凝坩堝達(dá)到工藝所需的溫度，同時將蒸餾罐保持低溫。特別由于將加熱元件安裝在低壓區(qū)之內(nèi)，以及由于通過石墨鐘罩保護(hù)原本蒸發(fā)區(qū)和冷凝區(qū)，所以構(gòu)造技術(shù)成本增加，此外還因?yàn)槭娬植幻芊舛仨殞?nèi)部空間進(jìn)行抽真空，因此鎂蒸氣也可能會在這些部位向外抵達(dá)加熱元件和低溫的蒸餾罐壁。

與現(xiàn)有技術(shù)的大多數(shù)方法相反，本發(fā)明所述的方法中是在液態(tài)下凝結(jié)高純鎂，其中可產(chǎn)生不含非金屬摻入物的高純鎂熔體，其在凝固之后就會形成致密的塊，從半成品意義上說適合作為成形工藝用的原料，同時不會有較大量的對機(jī)械特性和腐蝕特性有負(fù)面影響的非金屬摻入物。

尤其與根據(jù)EP 1335032 A1的上述方法相比，本方法具有可以從外部加熱還原罐的優(yōu)點(diǎn)，其中鎂蒸氣可以毫無問題地與還原罐的內(nèi)壁接觸，因?yàn)樵搩?nèi)壁處于如此高的溫度，使得其上不可能有固態(tài)鎂晶體沉積。還原罐壁同樣也可以由能少量溶于鎂熔體之中由此使得鎂熔體受到污染的材料構(gòu)成。但是，條件是還原罐由不會將揮發(fā)性雜質(zhì)釋放給鎂蒸氣的材料構(gòu)成。

由于可以將加熱裝置布置在還原罐之外，并且也允許與輕微污染鎂熔體的熾熱的還原罐內(nèi)壁接觸，因此與現(xiàn)有技術(shù)相比可產(chǎn)生結(jié)構(gòu)特別簡單而且成本低廉的方法。

以下將根據(jù)三種裝置實(shí)例，對本發(fā)明所述的方法進(jìn)行闡述。

附圖1所示為本發(fā)明所述裝置的原理圖，具有根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求的教導(dǎo)的主要發(fā)明特征。

附圖2所示為用于制備高純鎂的示例裝置的橫斷面。

附圖3所示為用于制備高純鎂的另一種示例裝置的橫斷面。

在附圖1中有意識地以簡單的幾何形狀表示第一種裝置實(shí)例的要素，旨在強(qiáng)調(diào)核心發(fā)明構(gòu)思較少基于這些部件的特殊形狀，而是基于這些部件有關(guān)還原罐之內(nèi)溫度分布的功能這一事實(shí)。含鎂金屬熔體形式的起始原料2與優(yōu)選由高純石墨制成的冷凝容器3的上部區(qū)域32共同位于例如不銹鋼制成的具有任意橫斷面的還原罐1的上部區(qū)域11之中，其中實(shí)踐中以圓柱形橫斷面為最佳。在水平線8和81的界限之內(nèi)通過包圍還原罐的加熱元件5(例如電阻爐形式的)使得還原罐的上部區(qū)域11達(dá)到鎂沸點(diǎn)以上的某個溫度，然后保持該溫度不變，使得蒸氣由沸騰的含鎂金屬熔體2按照箭頭91所指上升，并且將還原罐1的上部區(qū)域11的內(nèi)部空間充滿，其中蒸氣在水平線81上方也可以凝結(jié)成液態(tài)，然后重新向下流回到熔體2之中。由于不銹鋼會與液態(tài)鎂發(fā)生輕微反應(yīng)，所以與鎂熔體接觸就會使其被合金元素污染，但是由于這些元素具有比鎂低得多的蒸氣壓，因此蒸氣中的這些雜質(zhì)并不明顯。

通過任選地同樣由石墨構(gòu)成的蓋板4防止從水平線上方區(qū)域滴落的污染的熔體進(jìn)入冷凝容器3的開口31中，所述蓋板使得不純凈的鎂重新回到熔體2之中。在此，所述蓋板4可以直接支撐在冷凝容器3的上部區(qū)域32上，或者也可以在側(cè)面或者上方與還原罐的內(nèi)壁相連。但在任何情況下都必須如此實(shí)施固定，使得能夠臨時移去蓋板，以從冷凝容器3中毫無問題地取出凝固的高純鎂21。

就該裝置實(shí)例而言，含鎂原料2的熔體在蒸餾過程中與區(qū)域32中的冷凝容器3的外表面直接接觸。由于蒸餾過程結(jié)束時實(shí)際上全部原料均已蒸發(fā)，因此冷凝容器重新變空。進(jìn)入冷凝容器的區(qū)域31和還原罐的區(qū)域12之間的間隙之中的熔體在此無關(guān)緊要，因?yàn)椴槐貜倪€原罐中移去冷凝容器以取出凝固的鎂。按照箭頭92所指進(jìn)入石墨坩堝上部區(qū)域32之中的蒸氣在水平線8下方凝結(jié)，并且在石墨坩堝的下部區(qū)域33中聚集成為高純?nèi)垠w21。為了防止這部分高純鎂21沸騰，可以在還原罐之內(nèi)通過一種惰性氣體(例如氬氣)保持最小壓力，該壓力使得鎂的沸點(diǎn)高于區(qū)域33中的溫度。通過獨(dú)立可調(diào)的加熱元件51確定冷凝容器3的下部33的溫度分布。

可以經(jīng)由諸如平板閥形式的閉鎖機(jī)構(gòu)6使得還原罐1在推桿61朝向箭頭93所指方向運(yùn)動時與前室13連通，其中例如通過可以從外部操作并且可以通過真空套管63移動的推桿61朝向例如陶瓷或者石墨氈密封墊形式的支座62擠壓所述閉鎖機(jī)構(gòu)6。所述具有閥板和支座62的閉鎖機(jī)構(gòu)6在本實(shí)施例中與還原罐1的上部區(qū)域11共同位于水平線81上方，也就是溫度高于鎂的沸點(diǎn)，使得閉鎖機(jī)構(gòu)的區(qū)域之中不會沉積固態(tài)的鎂，由此使其功能得到保證。

前室13在表示熔化溫度等溫線的水平線82上方溫度較低的區(qū)域內(nèi)具有頂蓋14，優(yōu)選將其設(shè)計成可以移去的真空法蘭，該頂蓋除了具有真空套管63之外還具有多個接口。其中一個接口經(jīng)由管路71和閥72通向真空泵73，另一個接口經(jīng)由管路74通向真空測量儀75，第三個接口經(jīng)由管路76、閥77、壓力和/或流量調(diào)節(jié)裝置78通向惰性氣源79，例如氬氣瓶形式的。

在經(jīng)由前室13將還原罐1抽真空并且使得達(dá)到蒸餾過程所需的溫度之后，為了調(diào)整壓力和修正壓力，將閉鎖機(jī)構(gòu)6僅僅短時間打開，以避免鎂蒸氣在前室13中過量凝結(jié)。關(guān)閉周期的持續(xù)時間取決于關(guān)閉時間內(nèi)的壓力上升。在理想情況下，在對強(qiáng)烈釋放氣體的例如由低品質(zhì)石墨構(gòu)成的部件進(jìn)行充分脫氣時，或者在使用高純石墨構(gòu)成的部件時，閉鎖機(jī)構(gòu)6可以長時間保持閉合，并且在較長時間間隔內(nèi)僅將其短暫打開以檢查壓力。如果壓力在此期間升高到上限額定值以上，從而妨礙起始原料2的蒸發(fā)過程，則可以通過開啟閥72使得還原罐1與真空泵73連通一段時間，直至壓力重新下降到額定值范圍。但是如果壓力下降到額定范圍以下，從而存在使得冷凝容器3的下部區(qū)域33中的高純鎂熔體蒸發(fā)的危險，則通過開啟閥77使得還原罐1經(jīng)由流量和/或壓力調(diào)節(jié)裝置78與惰性氣源79連通，直至壓力重新升高到額定值范圍。兩種情況下均在達(dá)到額定壓力范圍之后使得閉鎖機(jī)構(gòu)6立即閉合，以免過量鎂蒸氣進(jìn)入前室31之中。

一旦根據(jù)附圖1所示的裝置實(shí)施例的蒸餾過程結(jié)束并且還原罐1及其內(nèi)容物冷卻到室溫，就可以沿著虛線水平線83例如通過鋸割打開還原罐，隨后在移去蓋板4后就可以從坩堝中取出位于冷凝容器3的下部區(qū)域33中的高純鎂21，例如通過將整個裝置倒置而取出。同樣也可以通過開口將新的起始原料2加入到還原罐的蒸發(fā)區(qū)111之中。接著必須例如通過焊接或者釬焊將還原罐1與前室13重新以真空密封方式拼合起來。

附圖1所示的該實(shí)施例中使用的加熱元件5和51涉及恒溫調(diào)節(jié)的電阻加熱元件，它們位于在與蒸餾過程相關(guān)的還原罐部位上，亦即例如在起始原料的熔體所接觸的還原罐上部區(qū)域中用來調(diào)整蒸發(fā)過程的溫度，在冷凝容器3的下部區(qū)域33中以及閉鎖機(jī)構(gòu)6的緊鄰周圍區(qū)域用來檢查這些區(qū)域中的溫度是否高于鎂的熔點(diǎn)。除了電阻加熱元件5和51，當(dāng)然也可代之以兩個感應(yīng)線圈，或者根據(jù)溫度分布盤繞的唯一感應(yīng)線圈，它們對還原罐和/或其中的材料進(jìn)行加熱。

附圖2所示為特別適合于在工業(yè)條件下合理運(yùn)行的根據(jù)本發(fā)明的裝置的一種實(shí)施例，其中相同的數(shù)字均表示與附圖1中功能相同的部件。在此還原罐1是用超合金焊接而成的中心對稱管狀體，其上部區(qū)域11直徑較大而下部區(qū)域12直徑較小，其中下部區(qū)域12在管狀突出部15中一直延伸到還原罐的上部區(qū)域11之中。以此方式，起始原料2的熔體位于環(huán)狀的坩堝之中，通過還原罐1上部區(qū)域11的殼壁區(qū)域111和管狀突出部15構(gòu)成坩堝的側(cè)壁，使得熔體與冷凝容器的外壁不會接觸。

在根據(jù)本發(fā)明的裝置的該實(shí)施例中，管狀突出部15和還原罐的下部區(qū)域12內(nèi)部具有連續(xù)錐形的內(nèi)壁，從而使得具有相應(yīng)的外殼面錐度的、高純石墨制成的坩堝形式的冷凝容器3沒有可供凝結(jié)的鎂熔體進(jìn)入的間隙。與圖1所示的冷凝容器3具有圓柱形的內(nèi)孔的裝置實(shí)施例不同，由于凝固后的純鎂塊收縮很大通常便于將其移去，因此本裝置實(shí)施例中的冷凝容器3也有錐形的內(nèi)表面，從而能夠在凝固之后更加便于移去高純鎂塊21。

通過V字形石墨蓋板41遮蓋冷凝容器3的開口31，該石墨蓋板41具有傾斜向上的徑向孔可供鎂蒸氣按照箭頭92方向進(jìn)入。也可以將蓋板41設(shè)計得比圖中所示更復(fù)雜一些，譬如也可以將側(cè)面擋板置于徑向孔前面，使得起始原料2的強(qiáng)烈沸騰的熔體不會直接離心飛濺到冷凝容器3之中。

這里將閉鎖機(jī)構(gòu)構(gòu)造為錐形金屬塞64形式，該金屬塞可頂住間壁112的錐形支座113密封。通過阻止鎂蒸氣通過的液態(tài)鎂在金屬塞64和支座113之間的密封間隙中凝結(jié)，從而支持該密封過程。可以從外部通過真空套管63與密封環(huán)631操作推桿61，利用該推桿使得閉鎖機(jī)構(gòu)在箭頭92所指方向閉合，這可以用手工進(jìn)行操作，也可以通過控制脈沖自動執(zhí)行該操作。除了密封環(huán)631，也可以代之以例如利用金屬波紋管(Metallbalg)將推桿61密封地經(jīng)由法蘭14引入前室13之中。本實(shí)施例中利用密封環(huán)141將法蘭14對圓柱形前室13密封。

管路71、74和76與上述示例中一樣通向真空泵73、真空測量儀75以及任選地惰性氣源，只是這里所涉及的是可電控的閥72和77，使得除了用來將還原罐1與前室13連通的閉鎖機(jī)構(gòu)64之外，也可以按照前述實(shí)施例中所述的構(gòu)思在控制回路范疇內(nèi)自動向著某個額定壓力范圍降低和升高壓力。

該裝置與前述實(shí)施例的不同之處僅在于利用例如管狀電阻加熱爐形式的加熱元件5加熱還原罐1的上部區(qū)域11，而其下部區(qū)域12則被隔熱層52所包圍，該隔熱層的尺寸確定成使得從上部區(qū)域通過經(jīng)由還原罐殼壁12和冷凝容器殼壁32的熱傳導(dǎo)以及通過鎂蒸氣冷凝而到達(dá)下方的熱量與還原罐殼壁12的下方非隔熱區(qū)域的冷卻作用相結(jié)合，將凝結(jié)的高純鎂熔體的溫度保持在熔點(diǎn)和沸點(diǎn)溫度之間的所需范圍內(nèi)。此外，在垂直方向上相對于加熱爐和隔熱層移動還原罐，就能以所需的方式在一定范圍內(nèi)改變還原罐1內(nèi)的溫度分布。

可以通過溫度測量傳感器53(例如經(jīng)由殼壁12的外翻部分一直伸入到冷凝容器3下部區(qū)域32的根部之中的K或者J型鎧裝熱電偶)控制高純鎂熔體21的溫度，并且必要時對其進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，使其不會下降到鎂的熔點(diǎn)以下。可以利用第二個溫度測量傳感器54(例如同樣也經(jīng)由還原罐的區(qū)域111的殼壁外翻部分在起始原料2的熔體內(nèi)測量溫度的鎧裝熱電偶)測定最后剩余的起始原料蒸發(fā)的時刻。就在蒸發(fā)過程的冷卻作用停止的這一時刻，該熱電偶的溫度會突然升高。第三個溫度測量傳感器55在前室13殼壁下部區(qū)域的外翻部分之中緊挨著閉鎖機(jī)構(gòu)64上方，并且容許檢查該閉鎖機(jī)構(gòu)是否在鎂的熔點(diǎn)溫度之上，因?yàn)橹挥羞@樣才能保證該閉鎖機(jī)構(gòu)的功能正常。當(dāng)爐期結(jié)束時，也就是在設(shè)備冷卻下來之前，應(yīng)將閉鎖機(jī)構(gòu)64從支座面113上抬起，以使其不會與支座面焊在一起。

在裝置的第一種實(shí)施例中，顯示了具有兩個獨(dú)立加熱元件的加熱裝置變型，在第二種實(shí)施例中用一個加熱元件5加熱上部還原罐區(qū)域，其中通過上部區(qū)域間接地共同加熱被隔熱層包圍的下部區(qū)域12，其中由于鎂蒸氣冷凝產(chǎn)生的熱量也有貢獻(xiàn)。按照本發(fā)明所述的方法，也可以采用垂直方向依次排列多個爐的裝置，從而能夠各自利用獨(dú)有的加熱元件將還原罐的上部和下部以及還有閉鎖機(jī)構(gòu)6的區(qū)域分開調(diào)節(jié)到它們特定的溫度。

圖3所示為本發(fā)明所述裝置的第三種實(shí)施例，其基本上類似于附圖2中所示的裝置。但是與后者所示的裝置不同，本實(shí)施例中的冷凝容器3仍然具有圓柱形外表面，從而在該外表面和還原罐1下部區(qū)域12的內(nèi)殼面之間形成環(huán)狀間隙。通過移去任選水冷的法蘭15就能向下從還原罐中抽出坩堝。為了防止鎂蒸氣進(jìn)入該間隙并且在其下部區(qū)域中凝結(jié)為液態(tài)或者在坩堝底部34下方凝結(jié)為固態(tài)，該法蘭15具有帶有流量調(diào)節(jié)元件781的輸入管761，通過該流量調(diào)節(jié)元件可以將源自惰性氣源的氣體送入冷凝容器3的底部34下方的空間之中。在此如此計算導(dǎo)入的惰性氣體的量，使其在冷凝容器3之外的間隙中的速度如此之高，使得其超過在反向上潛在遷移的鎂蒸氣的擴(kuò)散速度。雖然通過如此加入惰性氣體會加速還原罐之內(nèi)的壓力升高，由此為了控制和調(diào)節(jié)壓力而必須打開閉鎖機(jī)構(gòu)64的間隔變得比較短，但是這種縮短程度并不明顯，因?yàn)楸３珠g隙通暢僅需少量的惰性氣體。

在附圖中并未顯示為了保持裝置的溫度和壓力而所需的調(diào)節(jié)回路和機(jī)構(gòu)，因?yàn)樵诓豢紤]實(shí)施該方法所需的精度的情況下，其工作方式對于實(shí)施該方法而言并不重要。

附圖標(biāo)記

1 還原罐，一般的

11 還原罐上部區(qū)域

111 與起始原料接觸的11的區(qū)域

112 11和13的間壁

113 112中64的錐形支座

114 還原罐殼壁的外翻部分，作為溫度測量傳感器54的保護(hù)

12 還原罐逐漸收窄的下部區(qū)域

121 前室殼壁的外翻部分，作為溫度測量傳感器53的保護(hù)

13 前室

131 還原罐殼壁的外翻部分，作為溫度測量傳感器55的保護(hù)

14 真空法蘭

141 密封環(huán)

15 真空法蘭

151 密封環(huán)

2 含鎂的金屬起始熔體

21 高純鎂熔體

3 冷凝容器，一般的

31 冷凝坩堝開口

32 冷凝坩堝上部區(qū)域

33 冷凝坩堝下部區(qū)域

4 蓋板

41 具有側(cè)面開口的蓋板

5 區(qū)域11加熱裝置

51 區(qū)域12加熱裝置

52 區(qū)域12隔熱層

53 冷凝容器底部區(qū)域溫度測量傳感器

531 溫度測量傳感器的保護(hù)管

54 蒸發(fā)區(qū)溫度測量傳感器

55 閉鎖機(jī)構(gòu)64區(qū)域溫度測量傳感器

6 閉鎖機(jī)構(gòu)

61 閉鎖機(jī)構(gòu)推桿

62 閉鎖機(jī)構(gòu)密封支座

63 推桿真空套管

631 密封環(huán)

64 具有錐形支座的閉鎖機(jī)構(gòu)

71 通向真空泵的連接管路

72 通向真空泵的閉鎖機(jī)構(gòu)

73 真空泵

74 通向真空測量儀的連接管路

75 真空測量儀

76 通向閉鎖機(jī)構(gòu)的連接管路

761 通向惰性氣體流量調(diào)節(jié)裝置的連接管路

77 閉鎖機(jī)構(gòu)

78 惰性氣體流量調(diào)節(jié)裝置

781 惰性氣體流量調(diào)節(jié)裝置

79 惰性氣源

8 沸騰溫度以上的溫度范圍的水平下限

81 沸騰溫度以上的溫度范圍的水平上限

82 熔融溫度以上的溫度范圍的水平上限

83 可能的鋸割的水平線

91 箭頭，蒸氣產(chǎn)生

92 箭頭，蒸氣進(jìn)入冷凝容器

93 箭頭，閉鎖機(jī)構(gòu)6提升方向