CN202719869U - 一种炉外法生产高纯中间合金附带出渣口的氧化铝坩埚 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种炉外法生产高纯中间合金附带出渣口的氧化铝坩埚，包括锅体，在锅体的侧壁上开有出渣口。本实用新型公开的坩埚适用于铝热法生产高品质的中间合金，并且有利于提高生产效率，可以有效地应用于大规模生产。

Description

一种炉外法生产高纯中间合金附带出渣口的氧化铝坩埚

技术领域

本实用新型涉及冶金领域，具体地说是炉外法生产高纯中间合金附带出渣口的氧化铝坩埚。

背景技术

炉外法是利用铝还原生产中间合金的一种常用方法，其反应坩埚种类多样，比较常见的有铜坩埚，石墨坩埚，氧化镁坩埚，氧化铝坩埚等。

石墨坩埚：石墨坩埚由于成本低，制作方便，生产周期较短而被广泛采用，但是碳对合金的污染很难避免，即使利用某种涂层隔离石墨和合金，生产的中间合金碳含量控制在0.1 %以下非常困难。

氧化镁坩埚：氧化镁坩埚主要用于对杂质含量要求不高的一些铁合金的铝热还原反应，其使用的粘结剂多数含有磷，硅等杂质，会对合金造成污染。此外在1500⁰C以上，铝可以还原氧化镁生成金属镁，一方面污染合金，另一方面会造成氧化镁铝的侵蚀。

铜坩埚：水冷铜坩埚作为一种成熟的技术，优点表现在对合金无污染，可以重复使用，生成的合金表面光滑，合金回收率高。但是铜坩埚造价较高，由于必须采用水冷，给反应增添了危险系数，如果漏水，会引起爆炸事故。此外铜坩埚生产规模较小，产量较低。

氧化铝坩埚：传统的氧化铝坩埚也是一种广泛采用的反应容器，其特点是每炉可生产1-2吨的大合金锭，大规模的合金锭和良好的保温效果有利于渣和合金的分离，但是在选用氧化铝时，如果氧化铝本身杂质较多，粘结剂含有硅，磷等杂质，都会对合金造成污染，不适合生产高品质无缺陷的中间合金。再者，氧化铝坩埚良好的保温效果造成了冷却的缓慢从而导致了生产周期较长的后果。此外，如果氧化铝坩埚内表面不平整，会导致合金表面不光滑，影响后处理的效果和合金的实收率。

发明内容

本实用新型的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种适用于铝热法生产高品质的中间合金，并且有利于提高生产效率，可以有效地应用于大规模生产的氧化铝坩埚及其制备工艺。

为实现上述实用新型目的，本实用新型采用的技术方案为一种炉外法生产高纯中间合金附带出渣口的氧化铝坩埚，包括锅体，在锅体的侧壁上开有出渣口。

所述出渣口设置于反应时渣子与合金界面以上7cm-30cm处。

所述出渣口中设有塞子，出渣口外部设有与其配套的溜槽。

该氧化铝坩埚的制备方法包括以下步骤：

1）氧化铝的破碎：将铝热法产生的渣子进行破碎，首先经过颚式破碎机破碎，然后经过对辊破碎机循环破碎；

2）粘结剂配制：粘结剂采用偏铝酸钠溶液，对坩埚及合金无污染；

3），混料：将步骤1）中所述的氧化铝与步骤2）中所述的粘结剂混合至均匀；

4）坩埚打结：将混合好的物料装入钢制外壳中振动压实手工打结完成坩埚底的制作，然后放入模芯，向周围空隙中加入混合物料完成坩埚侧壁的制作，在制作出渣口时，计算并测量好出渣口的位置，将塞子出渣口内，向周围填充渣料压实即可；

5）烘干：将做好的坩埚放入干燥炉中烘干；

6）冷却与检查：待坩埚外壳冷却后，检查坩埚是否合格，合格后即可用于反应，反应所剩渣子可回收用于坩埚制作。

所述步骤1）中渣子的成分为：氧化铝含量大于97%，其余杂质主要是生产对应合金的主要元素；渣子首先经过颚式破碎机破碎到粒度小于25 mm，然后经过对辊破碎机循环破碎3-4次，形成粒度分布符合40-5目的占有50% ± 5%, 小于40目的颗粒占有50%±5%。该渣子中不含有钙等降低熔点的杂质。

所述步骤2）的粘结剂中偏铝酸钠含量大于98%，浓度为8-14%。

所述步骤3）中混料时间至少为20 min，直到液体与固体完全混合均匀。

所述步骤4）中出渣口位于反应时渣子与合金界面以上7cm-30cm处。

所述步骤5）中干燥炉带有鼓风系统，温度在200⁰C下烘干120-150 min，300⁰C烘干150-200 min，保证水分充分挥发。在再800

所述步骤6）中坩埚外壳冷却至100⁰C以下。

有益效果：本实用新型具有以下有益效果：

1. 采用的氧化铝为生产相应合金所产生的渣子，生产合金时没有加入钙等降低熔点的杂质元素；使用的粘结剂为偏铝酸钠，对合金也无污染，钠在高温下会发成气体，不会进入合金影响合金品质。所以此坩埚适合对杂质含量要求比较严格的特殊中间合金的生产；

2. 该粒度分布的氧化铝制作的坩埚表面光滑，平整，形成的合金表面也会相对光滑，提高了合金的实收率；

3. 传统的没有放渣口的氧化铝坩埚在生产500 kg以上合金锭时，较大的渣块覆盖在合金之上会影响反应系统中气体的排除，当气体介于合金和渣的界面处无法排除时可能会将渣块顶出，造成危险；巨大的蒸汽压会破坏渣与合金界面处的坩埚结构，使得空气通过破损的氧化铝坩埚进入合金体系，导致合金的氮化氧化。带有放渣口的坩埚，可以将大部分渣子放出，有利于反应体系中气体的排除，抑制了坩埚的损坏和合金的氧化氮化问题；

4. 坩埚设计了出渣口，在反应结束之后，可以将大部分渣子放出，这样可以减少冷却时间，提高生产效率。出渣口位置不能太高，如果太高（>30cm），渣层比较厚，冷却时间会变长，并且影响系统内气体排出，积聚的气体容器将坩埚破坏，导致空气进入合金系统；如果位置太低，一方面不能将空气与合金系统隔离，空气中的氮，氧容易进入合金，造成氮化，氧化，另一方面因为靠近合金处的渣层中在反应刚结束的几分钟内，所含的合金成分较高，也会影响合金和渣的分离效果，降低合金的收率。

综上所述，本实用新型生产的坩埚适用于铝热法生产高品质的中间合金，并且有利于提高生产效率，可以有效地应用于大规模生产。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图，图中5为渣池，6为渣子，7为合金。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

如图1所示，一种炉外法生产高纯中间合金附带出渣口的氧化铝坩埚，包括锅体1，在锅体1的侧壁上开有出渣口2，出渣口2设置于反应时渣子与合金界面以上7cm-30cm处，出渣口2中设有塞子3，出渣口2外部设有与其配套的溜槽4。

该坩埚的制备工艺为包括如下步骤：

实施方式一：将铝热法产生的渣块（氧化铝含量98.03%，余量成分见表1）首先手工破碎成100-200 mm的大块，再经过颚式破碎机破碎到粒度为20 mm左右，然后经过锤式破碎机循环破碎，形成粒度分布为40-5目的占有46.8%, 小于40目的颗粒占有53.2%。

表1 氧化铝化学成分及粒度

成分	含量
		氧化铝	98.03%
硅	0.18%
		铁	0.25%
钠	0.65%
		钒	0.59%
粒度分布	比例
		<40目	53.2%
>40目，<5目	46.8%

称取偏铝酸钠粉末（偏铝酸钠含量为98.5%，浓度为10%）2.2 kg，加入20升水搅拌到完全溶解。然后与破碎好的氧化铝500 kg在混料机中搅拌混合均匀，混合时间为20 min。共混合物料4次，使用氧化铝2吨。然后将混合好的物料放入模具内压实成坩埚型，出渣口设置在渣与合金界面以上10cm处。在干燥炉内以表2干燥要求进行烘干，该坩埚适合制作600 kg合金锭。

表2坩埚烘干条件

温度	时间
		200	120 min
300	180 min
		800	40 min

干燥好的坩埚内表面光滑，密度为2.81g/cm3。

待坩埚外壳冷却到50⁰C时，检查坩埚质量及塞子是否可以顺利拔出，坩埚是否洁净之后，将五氧化二钒，铝粉，装入反应坩埚，点火反应，反应后7 min，利用机械手将塞子拔出，渣液随溜槽流入渣池内部。冷却时间15 h后，取出合金，合金温度210 ⁰C。合金表面光滑平整，打开后合金断面几乎没有氧化氮化膜，将合金试样进行分析，成分见表3。

表3合金化学成分分析

化学成分	含量（%）
		V	64.89
Al	34.43
		C	0.005
B	0.003
		Si	0.125
Fe	0.190
		Cr	0.020
Mn	0.005
		Mo	0.003
P	0.008
		S	0.004
Ni	0.009
		Mo	0.005
N	0.015
		O	0.089

本实施例出渣口设置在渣与合金界面以上15cm处，出渣效果良好，合金成分良好，反应钒回收率：95.92%。

实施方式二：将生产铝钒合金同步产生的渣块手工破碎成100-200 mm的大块，再经过颚式破碎机，锤式破碎机和振动筛等设备，破碎后氧化铝的成分以及粒度分布如下表所示：

表4 氧化铝化学成分及粒度

成分	含量
		氧化铝	98.25%
硅	0.14%
		铁	0.26%
钠	0.75%
		钒	0.80%
粒度分布	比例
		<40目	54.3%
>40目，<5目	45.7%

称取偏铝酸钠粉末（偏铝酸钠含量为99%，浓度为12.3%）2.8 kg，加入20升水搅拌到完全溶解。然后与破碎好的氧化铝500 kg在混料机中搅拌混合均匀，混合时间为20 min。共混合物料4次，使用氧化铝2吨。然后将混合好的物料放入模具内压实成坩埚型，出渣口设置在渣与合金界面以上10cm处。在干燥炉内以表4干燥要求进行烘干，该坩埚适合制作600 kg合金锭。

表5坩埚烘干条件

温度	时间
		200	140 min
300	150 min
		800	50 min

干燥好的坩埚内表面光滑，密度为2.82g/cm3。

待坩埚外壳冷却到70⁰C时，检查坩埚质量及塞子是否可以顺利拔出，坩埚是否洁净之后，将五氧化二钒，铝粉，装入反应坩埚，点火反应，反应后8 min，利用机械手将塞子拔出，渣液随溜槽流入渣池内部。冷却时间15 h后，取出合金，合金温度190 ⁰C。合金表面没有案例1平整，上表面有突起，打开后合金断面有部分灰色，蓝色氮化膜，氧化膜，将合金试样进行分析，成分见表5。

表6合金化学成分分析

化学成分	含量（%）
		V	64.01
Al	35.20
		C	0.006
B	0.003
		Si	0.128
Fe	0.182
		Cr	0.023
Mn	0.006
		Mo	0.003
P	0.007
		S	0.003
Ni	0.008
		Mo	0.006
N	0.038
		O	0.152

本实施例这种反应钒回收率为93.92%。

出渣口位置在合金与渣子界面上部7cm处，出渣效果良好，合金成分虽然也符合国标要求，但是氮氧含量比实施例1中略高，这说明渣层偏薄，从而有少量空气进入了合金系统，与高温合金发生反应，生成了部分氧化，氮化薄膜并造成氮，氧含量略高。

此外，钒回收率也较实施例1中低，出渣口位置略低，放渣时，有部分未分离完全的渣子流出，造成了钒的损失，还有渣层不足够厚，冷却较快，合金和渣还没有完全分离，渣子便凝固，无法达到彻底分离。随着出渣口位置的降低，钒收率以及合金中氮氧含量会增大，因此除渣口位置必须控制在渣和合金界面处7cm以上。

实施方式三：将生产铝钒合金同步产生的渣块手工破碎成100-200 mm的大块，再经过颚式破碎机，锤式破碎机和振动筛等设备，破碎后氧化铝的成分以及粒度分布如下表所示:

表7 氧化铝化学成分及粒度

成分	含量
		氧化铝	97.65%
硅	0.20%
		铁	0.28%
钠	0.88%
		钒	1.02%
粒度分布	比例
		<40目	52.0%
>40目，<5目	48.0%

称取偏铝酸钠粉末（偏铝酸钠含量为99%，浓度为8.2%）1.8 kg，加入20升水搅拌到完全溶解。然后与破碎好的氧化铝500 kg在混料机中搅拌混合均匀，混合时间为20 min。共混合物料4次，使用氧化铝2吨。然后将混合好的物料放入模具内压实成坩埚型，出渣口设置在渣与合金界面以上30cm处。在干燥炉内以表6干燥要求进行烘干，该坩埚适合制作600 kg合金锭。

表8坩埚烘干条件

温度	时间
		200	150 min
300	200 min
		800	60 min

干燥好的坩埚内表面光滑，密度为2.79g/cm3。

待坩埚外壳冷却到80⁰C时，检查坩埚质量及塞子是否可以顺利拔出，坩埚是否洁净之后，将五氧化二钒，铝粉，装入反应坩埚，点火反应，反应后8 min，利用机械手将塞子拔出，渣液随溜槽流入渣池内部。冷却时间24 h后，取出合金，合金温度220⁰C。合金表面平整，合金和渣子之间有空隙，此空隙是由于反应系统内蒸汽无法排除造成，打开后合金断面有少量氮化膜，氧化膜，将合金试样进行分析，成分见表7。

表9合金化学成分分析

化学成分	含量（%）
		V	65.01
Al	34.18
		C	0.005
B	0.003
		Si	0.125
Fe	0.196
		Cr	0.035
Mn	0.007
		Mo	0.003
P	0.006
		S	0.004
Ni	0.005
		Mo	0.007
N	0.028
		O	0.133

本实施例中反应钒回收率：95.62%。

出渣口位置在合金与渣子界面上部30cm处，出渣效果良好，合金成分也符合国标要求，但是氮氧含量比实施例1中略高，这是因为渣层较厚，合金合金系统内蒸汽无法顺利排除，积聚在渣和合金的界面处，并将渣层顶起，产生空隙，同时顶起过程中造成坩埚侧壁损坏，有少量空气从损坏的侧壁通过空隙进入合金，导致氮氧含量略高；此外因为渣层较厚，冷却时间变长，降低了生产效率。因此出渣口位置最好控制在30cm以下。

Claims (4)

1.一种炉外法生产高纯中间合金附带出渣口的氧化铝坩埚，包括锅体（1），其特征在于：在锅体（1）的侧壁上开有出渣口（2）。

2.根据权利要求1所述一种炉外法生产高纯中间合金附带出渣口的氧化铝坩埚，其特征在与：所述的锅体（1）采用氧化铝制作，氧化铝为炉外法生产合金的副产物，粘结剂为偏氯酸钠，对中间合金生产无污染。

3.根据权利要求1所述一种炉外法生产高纯中间合金附带出渣口的氧化铝坩埚，其特征在于：所述出渣口（2）设置于反应时渣子与合金界面以上7cm-30cm处。

4.根据权利要求1或2所述一种炉外法生产高纯中间合金附带出渣口的氧化铝坩埚，其特征在于：所述出渣口（2）中设有塞子（3），出渣口（2）外部设有与其配套的溜槽（4）。

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