一种稀散金属连续结晶提纯装置及结晶提纯方法

摘要

本发明公开了一种稀散金属连续结晶提纯装置，包括冷却结晶系统，所述冷却结晶系统包括结晶单元与冷却单元；所述结晶单元包括结晶槽与旋转冷却器，所述旋转冷却器包括转盘和用于带动所述转盘转动的转轴，所述转盘的外缘上开设有结晶凹槽，所述转盘的下部浸入所述结晶槽内；所述冷却单元包括设于所述转盘外缘处并用于给转盘外缘提供结晶环境的冷却套和用于向冷却套内提供冷却液的冷却液供给系统。本发明还提供一种利用上述的稀散金属连续结晶提纯装置的结晶提纯方法。本发明的稀散金属连续结晶提纯装置结构简单，结晶提纯方法使用方便，可以实现低熔点稀散金属的高效、高纯度冷却结晶提纯。

说明书

技术领域

本发明属于金属纯化领域，尤其涉及一种结晶提纯装置及结晶提纯方法。

背景技术

随着科技的发展，对高纯金属的需求量日益增加。特别是高纯稀散金属由于其在化工、太阳能光伏、国防、航空航天、信号图像处理、催化、汽车工业等现代装备制造高科技领域具有不可替代的作用，市场对稀散金属的需求将会进一步增加。

目前，稀散金属的高纯化制备已成为高新技术企业争相布局的热点和广大科技人员研发的重点。现有稀散金属高纯化制备研究主要集中在设备研发和杂质行为控制两方面。目前稀散金属高纯化制备多采用蒸馏、挥发、拉单晶、电解、结晶、区域熔炼、化学提纯或其联合等方式来实现。如公开号为CN1619018A的专利，提出了一种超高纯金属镓的制备方法，其包括低温电解提纯和区域熔炼提纯两个过程。如公开号为CN102618734A的专利，提出了一种制备高纯度镓的规模化生产方法，其对结晶容器底部进行冷却得到高纯镓。如公开号为CN107858523A的专利，通过在石英管外侧沿水平方向依次排列若干电阻加热器，同时实现区域熔炼和定向凝固。如公开号为CN209052802U的专利，公开了一种水平区熔法提纯生长超高纯锗单晶的石英舟。如公开号为CN209039630U的专利，公开了一种直拉法生长高纯锗单晶的单晶生长炉。如公开号为CN103172038A的专利，提供一种高纯硒的制备设备及方法，所述制备设备包括精馏装置、温控装置、真空系统以及石英环。

现有稀散金属高纯化制备工艺及装置存在的主要问题为：结晶晶体与结晶母液固液分离困难，分离不彻底，结晶母液由于富集了大量的杂质导致了高纯晶体的污染，且晶体高纯化速度慢、效率低、收率低、难以连续进行进而不利于机械化控制、难以应用到大批量生产过程。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种结晶金属与母液分离彻底、结晶金属纯度高、提纯效率高、易于机械自动化生产的稀散金属连续结晶提纯装置及结晶提纯方法。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种稀散金属连续结晶提纯装置，包括冷却结晶系统，所述冷却结晶系统包括结晶单元与冷却单元；所述结晶单元包括结晶槽与旋转冷却器，所述旋转冷却器包括转盘和用于带动所述转盘转动的转轴，所述转盘的外缘上开设有结晶凹槽，所述转盘的下部浸入所述结晶槽内；所述冷却单元包括设于所述转盘外缘处并用于给转盘外缘提供结晶环境(即用于冷却转盘外缘)的冷却套和用于向冷却套内提供冷却液的冷却液供给系统。

上述稀散金属连续结晶提纯装置中，优选的，所述冷却套包括内冷却套与外冷却套，所述转盘的外缘夹设于所述内冷却套与外冷却套之间，且所述内冷却套与外冷却套的装设位置均高于所述结晶槽内的液面高度。冷却套作用在于提供冷却环境，采用内冷却套与外冷却套的包裹的方式，可以更加稳定的保证旋转冷却器所需要的冷却环境。上述外冷却套直接覆盖于转盘上即可，转盘内部可以镂空用于装设内冷却套。

上述稀散金属连续结晶提纯装置中，优选的，还包括刮料系统，所述刮料系统包括前刮板和后刮板，所述前刮板设于所述转盘离开所述结晶槽、进入所述冷却套的一侧，且所述前刮板的刮料端位于所述结晶凹槽两侧的台阶上；所述后刮板设于所述转盘离开所述冷却套、进入所述结晶槽的一侧，且所述后刮板的刮料端的形状与所述结晶凹槽的形状相匹配，所述后刮板的刮料端设于所述结晶凹槽中。旋转冷却器的转盘外缘进入结晶槽时的温度较低，结晶槽内的结晶母液会在转盘上结晶，转盘进入冷却套后进一步结晶，考虑到外冷却套与转盘之间的间隙较小，如果不设置前刮板，结晶凹槽两侧的台阶上的结晶物质可能会附着在外冷却套上，通过设置前刮板，可以将结晶凹槽两侧的台阶上的结晶物质刮下来进入结晶槽中，可以很好的解决上述难题；另外，前刮板还可以将转盘外缘带上来的结晶母液刮下来，避免结晶母液进入冷却套结晶。结晶凹槽内的结晶物质是我们所需要的产品，通过控制后刮板的形状与结晶凹槽的形状相匹配，可以收集结晶凹槽内的结晶产品，进入下一个冷却结晶系统或后续的收料系统。上述结晶凹槽可以设置一条或多条，当设置多条时，相应改变后刮板的形状与各结晶凹槽的形状相匹配即可。

上述稀散金属连续结晶提纯装置中，优选的，所述结晶凹槽的槽壁上设有多个凹坑。结晶过程一般需要晶种以促进结晶过程和控制产品晶型，首次使用本发明的结晶提纯装置时需要在结晶凹槽中加入晶种。本发明中通过在结晶凹槽的内壁上设有凹坑，后刮板刮料时凹坑中还会残留少部分结晶晶体充当后续结晶的晶种，可以保证旋转冷却器每一次转动结晶均能得到较多、较好晶型的产品。上述凹坑的数量、分布方式不限，能保证后刮板刮料后结晶凹槽内残留部分晶种即可。

上述稀散金属连续结晶提纯装置中，优选的，还包括加料系统，所述加料系统包括储料槽、保温套与放料溜槽，所述保温套设于所述储料槽外表面，所述储料槽通过所述放料溜槽与所述结晶槽相连。上述保温套在作用在于保持储料槽的温度，放料溜槽上设置有放料阀门。

上述稀散金属连续结晶提纯装置中，优选的，还包括收料系统，所述收料系统包括重熔溜槽与收料槽，所述重熔溜槽的进口端与所述冷却结晶系统的出口相连，所述重熔溜槽的出口端与所述收料槽相连；所述重熔溜槽上设有第一加热器和用于感应所述重熔溜槽内的温度并控制所述第一加热器发热量的第一温控系统。经过结晶后的产品通过重熔溜槽的重熔可以使结晶产品重新熔融，提高流动性，以便于进入下一个冷却结晶系统或进入收料槽。上述第一加热器与第一温控系统可以实现重熔溜槽内的温度控制。

上述稀散金属连续结晶提纯装置中，优选的，所述结晶槽底部设有第二加热器和用于感应所述结晶槽内的温度并控制所述第二加热器发热量的第二温控系统。上述第二加热器与第二温控系统可以实现结晶槽内的温度控制，以使结晶物料在结晶槽内具有一定的流动性。

上述稀散金属连续结晶提纯装置中，优选的，所述冷却液供给系统包括冷却液储槽、冷却液进口管、冷却液出口管、制冷器和用于感应所述冷却液储槽内的温度并控制所述制冷器制冷量的第三温控系统，所述冷却液进口管的进口端与所述冷却液储槽相连，所述冷却液进口管的出口端与所述冷却套相连，所述冷却液出口管的进口端与所述冷却套相连，所述冷却液出口管的出口端与所述冷却液储槽相连。上述冷却液供给系统可以实现冷却液温度的实时控制，以保证冷却套内的温度，保证结晶过程的顺利进行。

上述稀散金属连续结晶提纯装置中，优选的，所述冷却结晶系统串联和/或并联设有多套，相邻两个串联的所述冷却结晶系统之间通过重熔溜槽连接。采用多个冷却结晶系统串联可以进一步提高结晶产品的纯度。上述冷却结晶系统可以串联或并联或混联实现连续化、多级化结晶提纯，利于稀散金属结晶提纯过程的自动化控制及高纯产品的连续化生产。

上述稀散金属连续结晶提纯装置中，优选的，还包括密闭保护箱，所述冷却结晶系统和所述收料系统均设于所述系统密闭保护箱中。密闭保护箱的作用在于为结晶提供惰性气氛或真空环境。

作为一个总的技术构思，本发明还提供一种利用上述的稀散金属连续结晶提纯装置的结晶提纯方法，包括以下步骤：

S1：通过调节各加热器、制冷器、温度控制系统，使各部件的温度达到预设值；

S2：启动加料系统的保温程序，通过加料系统将熔融的待结晶稀散金属加入所述结晶槽，控制所述结晶槽内的温度高于待结晶稀散金属的熔点0-30℃，当结晶母液占结晶槽一定体积后(如占结晶槽体积的1/3-4/5)，启动所述冷却单元，控制所述冷却套内的温度低于待结晶稀散金属的熔点10-50℃；

S3：当所述旋转冷却器的转盘外缘温度低于待结晶稀散金属的熔点10-50℃后，开启所述旋转冷却器，启动刮料系统，使旋转冷却器以一定的速度旋转(旋转速度为0.05-2r/min)，将位于所述结晶凹槽内的结晶稀散金属刮下并进入收料系统，即完成待结晶稀散金属的结晶提纯。如果采用多个冷却结晶系统，第一个冷却结晶系统内结晶凹槽内的结晶稀散金属刮下并经过重熔溜槽(其温度高于待结晶稀散金属的熔点0-30℃)进入下一个或多个冷却结晶系统，最后再进入收料槽。

本发明的稀散金属连续结晶提纯装置与结晶提纯方法主要应用于低熔点稀散金属冷却结晶提纯，如镓、铟等。本发明利用旋转冷却器与结晶槽的温度差，当旋转冷却器转至结晶槽中时，旋转冷却器周围的料液(即结晶母液)形成一定过冷度，从而使料液在旋转冷却器上结晶，旋转冷却器晶体经刮料系统后从旋转冷却器上分离进入下一设备单元或收料系统，可实现结晶过程的连续化，自动化操作，且无需担心结晶晶体与结晶母液分离的问题，结晶晶体的纯度更高，提纯效率更高。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的稀散金属连续结晶提纯装置利用旋转冷却器与结晶槽的温度差，当旋转冷却器转至结晶槽中时，旋转冷却器周围的结晶母液形成一定过冷度，从而使结晶母液在旋转冷却器上结晶，可实现结晶过程的连续化，自动化操作，速度快，提纯效率高，收率高，且无需担心结晶晶体与结晶母液分离的问题，结晶晶体的纯度更高。

2、本发明的稀散金属连续结晶提纯装置结构简单，结晶提纯方法使用方便，可以实现低熔点稀散金属的高效、高纯度冷却结晶提纯。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例中稀散金属连续结晶提纯装置的结构示意图(采用两套冷却结晶系统)。

图2为实施例中稀散金属连续结晶提纯装置的结晶单元的主视图(带刮料系统)。

图3为实施例中稀散金属连续结晶提纯装置的结晶单元的俯视图(带刮料系统)。

图例说明：

1、结晶槽；2、旋转冷却器；3、转盘；4、转轴；5、结晶凹槽；6、冷却套；61、内冷却套；62、外冷却套；7、前刮板；8、后刮板；9、台阶；10、凹坑；11、储料槽；12、保温套；13、放料溜槽；14、重熔溜槽；15、收料槽；16、第一加热器；17、第一温控系统；18、第二加热器；19、第二温控系统；20、冷却液储槽；21、冷却液进口管；22、冷却液出口管；23、制冷器；24、第三温控系统；25、密闭保护箱。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

以下实施例1-4中的稀散金属连续结晶提纯装置，如图1-3所示，包括一套或多套冷却结晶系统，冷却结晶系统包括结晶单元与冷却单元；结晶单元包括结晶槽1与旋转冷却器2，旋转冷却器2包括转盘3和用于带动转盘3转动的转轴4，转盘3的外缘上开设有结晶凹槽5，转盘3的下部浸入结晶槽1内；冷却单元包括设于转盘3外缘处并用于给转盘3外缘提供结晶环境的冷却套6和用于向冷却套6内提供冷却液的冷却液供给系统。

本实施例中，冷却套6包括内冷却套61与外冷却套62，转盘3的外缘夹设于内冷却套61与外冷却套62之间，且内冷却套61与外冷却套62的装设位置均高于结晶槽1内的液面高度。

如图3所示，本实施例中，还包括刮料系统，刮料系统包括前刮板7和后刮板8，前刮板7设于转盘3离开结晶槽1、进入冷却套6的一侧，且前刮板7的刮料端位于结晶凹槽5两侧的台阶9上；后刮板8设于转盘3离开冷却套6、进入结晶槽1的一侧，且后刮板8的刮料端的形状与结晶凹槽5的形状相匹配，后刮板8的刮料端设于结晶凹槽5中。图3中所示的前刮板7和后刮板8的布置方式仅为本实施例中的一种优选布置方式，只能达到本实施例的需求即可。

本实施例中，结晶凹槽5的槽壁上设有多个凹坑10。

本实施例中，还包括加料系统，加料系统包括储料槽11、保温套12与放料溜槽13，保温套12设于储料槽11外表面，储料槽11通过放料溜槽13与结晶槽1相连。

本实施例中，还包括收料系统，收料系统包括重熔溜槽14与收料槽15，重熔溜槽14的进口端与冷却结晶系统的出口相连，重熔溜槽14的出口端与收料槽15相连；重熔溜槽14上设有第一加热器16和用于感应重熔溜槽14内的温度并控制第一加热器16发热量的第一温控系统17。

本实施例中，结晶槽1底部设有第二加热器18和用于感应结晶槽1内的温度并控制第二加热器18发热量的第二温控系统19。

本实施例中，冷却液供给系统包括冷却液储槽20、冷却液进口管21、冷却液出口管22、制冷器23和用于感应冷却液储槽20内的温度并控制制冷器23制冷量的第三温控系统24，冷却液进口管21的进口端与冷却液储槽20相连，冷却液进口管21的出口端与冷却套6相连，冷却液出口管22的进口端与冷却套6相连，冷却液出口管22的出口端与冷却液储槽20相连。

本实施例中，冷却结晶系统串联设有两套(可选择性的设有多套)，相邻两个所述冷却结晶系统通过重熔溜槽14连接。

本实施例中，还包括密闭保护箱25，所述冷却结晶系统和所述收料系统均设于所述系统密闭保护箱25中。

本实施例的利用上述稀散金属连续结晶提纯装置的结晶提纯方法，包括以下步骤：

S1：通过加料系统将熔融的待结晶稀散金属加入结晶槽1，控制结晶槽1内的温度高于待结晶稀散金属的熔点0-30℃，启动冷却单元，控制冷却套6内的温度低于待结晶稀散金属的熔点10-50℃；

S2：当旋转冷却器2的转盘3外缘温度低于待结晶稀散金属的熔点10-50℃后，开启旋转冷却器2，启动刮料系统，将位于结晶凹槽5内的结晶稀散金属刮下并进入收料系统，即完成待结晶稀散金属的结晶提纯。

实施例1：

本实施例的利用上述如图1所示的稀散金属连续结晶提纯装置(采用两级冷却结晶系统串联)的结晶提纯方法，包括以下步骤：

(1)向密闭保护箱25中通入超高纯氩气；

(2)向每个旋转冷却器2的结晶凹槽5上涂抹一层纯度7N的高纯镓，并使其冷却凝固吸附在结晶凹槽5上；

(3)通过各温度控制系统，控制冷却套6中冷却液温度为10℃，控制结晶槽1温度35℃，控制重熔溜槽14温度45℃；

(4)启动加料系统，加入纯度为4N的镓结晶母液，待镓结晶母液的体积为结晶槽1体积的2/3时，启动冷却单元，待测得旋转冷却器2的温度稳定为10℃时，让旋转冷却器2以0.5r/min的旋转；

(5)启动前刮板7、后刮板8，前刮板7刮去位于结晶凹槽5外(即台阶9上)的晶体使其回到结晶槽1中，后刮板8刮掉结晶凹槽5内的晶体经过重熔溜槽14进入下一冷却结晶系统；

(6)下一冷却结晶系统中结晶晶体通过后刮板8刮下后，最终通过重熔溜槽14进入收料槽15即得到结晶产品，测得其纯度为6N镓。

实施例2：

本实施例的利用上述如图1所示的稀散金属连续结晶提纯装置(但采用三级冷却结晶系统串联)的结晶提纯方法，包括以下步骤：

(1)向密闭保护箱25中通入超高纯氩气；

(2)向每个旋转冷却器2的结晶凹槽5上涂抹一层纯度7N的高纯镓，并使其冷却凝固吸附在结晶凹槽5上；

(3)通过各温度控制系统，控制冷却套6中冷却液温度为10℃，控制结晶槽1温度35℃，控制重熔溜槽14温度45℃；

(4)启动加料系统，加入纯度为4N的镓结晶母液，待镓结晶母液的体积为结晶槽1体积的2/3时，启动冷却单元，待测得旋转冷却器2的温度稳定为10℃时，让旋转冷却器2以0.5r/min的旋转；

(5)启动前刮板7、后刮板8，前刮板7刮去位于结晶凹槽5外(即台阶9上)的晶体使其回到结晶槽1中，后刮板8刮掉结晶凹槽5内的晶体经过重熔溜槽14进入下一冷却结晶系统；

(6)下一冷却结晶系统中结晶晶体通过后刮板8刮下后，最终通过重熔溜槽14进入收料槽15即得到结晶产品，测得其纯度为7N镓。

实施例3：

本实施例的利用上述如图1所示的稀散金属连续结晶提纯装置(采用两级冷却结晶系统串联)的结晶提纯方法，包括以下步骤：

(1)向密闭保护箱25中通入超高纯氩气；

(2)向每个旋转冷却器2的结晶凹槽5上涂抹一层纯度6N的高纯铟，并使其冷却凝固吸附在结晶凹槽5上；

(3)通过各温度控制系统，控制冷却套6中冷却液温度为25℃，控制结晶槽1温度180℃，控制重熔溜槽14温度170℃；

(4)启动加料系统，加入纯度为4N的铟结晶母液，待铟结晶母液的体积为结晶槽1体积的2/3时，启动冷却单元，待测得旋转冷却器2的温度稳定为25℃时，让旋转冷却器2以1r/min的旋转；

(5)启动前刮板7、后刮板8，前刮板7刮去位于结晶凹槽5外(即台阶9上)的晶体使其回到结晶槽1中，后刮板8刮掉结晶凹槽5内的晶体经过重熔溜槽14进入下一冷却结晶系统；

(6)下一冷却结晶系统中结晶晶体通过后刮板8刮下后，最终通过重熔溜槽14进入收料槽15即得到结晶产品，测得其纯度为6N铟。

实施例4：

本实施例的利用上述如图1所示的稀散金属连续结晶提纯装置(采用两级冷却结晶系统串联)的结晶提纯方法，包括以下步骤：

(1)向密闭保护箱25中通入超高纯氩气；

(2)向每个旋转冷却器2的结晶凹槽5上涂抹一层纯度6N的高纯铟，并使其冷却凝固吸附在结晶凹槽5上；

(3)通过各温度控制系统，控制冷却套6中冷却液温度为5℃，控制结晶槽1温度180℃，控制重熔溜槽14温度170℃；

(4)启动加料系统，加入纯度为4N的铟结晶母液，待铟结晶母液的体积为结晶槽1体积的2/3时，启动冷却单元，待测得旋转冷却器2的温度稳定为5℃时，让旋转冷却器2以2r/min的旋转；

(5)启动前刮板7、后刮板8，前刮板7刮去位于结晶凹槽5外(即台阶9)的晶体使其回到结晶槽1中，后刮板8刮掉结晶凹槽5内的晶体经过重熔溜槽14进入下一冷却结晶系统；

(6)下一冷却结晶系统中结晶晶体通过后刮板8刮下后，最终通过重熔溜槽14进入收料槽15即得到结晶产品，测得其纯度为6N铟。