張厚源 錢國余 龐嘉晨 王 志

(1.濟(jì)南大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，濟(jì)南 250022；2.中國科學(xué)院過程工程研究所，中國科學(xué)院綠色過程與工程重點實驗室，戰(zhàn)略金屬資源綠色循環(huán)利用國家工程研究中心，北京 100190)

有色金屬作為我國國民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)之一，在航空航天、軍工、海洋船舶、建筑交通、電子通訊等領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用。隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，對有色金屬的需求也日益增多，有色金屬行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)也逐漸增多。一方面，我國礦產(chǎn)資源有限，對有色金屬的高需求導(dǎo)致礦產(chǎn)資源面臨加速耗盡的風(fēng)險[1]，迫使有色金屬礦產(chǎn)對外依存度高[2]。另一方面，金屬原礦開采過程存在能耗高、污染大的問題，無法滿足可持續(xù)化的需求[3]，金屬再生技術(shù)的開發(fā)迫在眉睫[4]。有色金屬的再生主要包括有色金屬回收以及雜質(zhì)元素的分離。在有色金屬的循環(huán)再生過程中，雜質(zhì)元素的含量是影響再生金屬品質(zhì)的重要因素[5]，目前再生有色金屬的核心問題是雜質(zhì)元素的有效分離。

現(xiàn)有雜質(zhì)分離技術(shù)主要以濕法和火法為主[6，7]。濕法分離是通過將廢舊金屬選擇性溶解于液相并從溶液中以鹽或化合物的形式來提取目標(biāo)金屬，從而達(dá)到目標(biāo)元素與雜質(zhì)元素的分離[8]?；鸱ㄖ饕峭ㄟ^重熔并逐步去除廢舊金屬中的氣體、夾雜和雜質(zhì)元素，從而實現(xiàn)高品質(zhì)金屬的再生。相對于濕法技術(shù)，火法回收提純廢舊金屬不會產(chǎn)生含酸堿廢液，同時操作相對簡單，具有環(huán)境友好的特點。目前火法回收提純方法主要有真空精煉法[9，10]、熔渣精煉法[11，12]、電解精煉法[13，14]、偏析法[15]等。真空精煉法通過雜質(zhì)元素在熔體中的飽和蒸汽壓不同來實現(xiàn)雜質(zhì)的選擇性去除[16]。這種方法無法去除留在金屬相中難揮發(fā)的雜質(zhì)，同時具有能耗高的生產(chǎn)障礙。熔渣精煉法可以去除廢舊金屬中的強氧化性金屬，去除效率高，但是存在電耗較高的問題。電解精煉法是通過利用不同元素的電位差異，來實現(xiàn)主元素在陽極溶解并且以離子形式進(jìn)入電解液，最后在陰極析出沉積，從而獲取目標(biāo)金屬并且去除雜質(zhì)的方法[17]。這些方法普遍的缺點就是能耗較高，無法滿足綠色發(fā)展的需求。偏析法因具有低能耗和不排放廢渣廢氣的特點受到廣泛關(guān)注。偏析法的主要缺點是動力學(xué)限制傳質(zhì)效率低，導(dǎo)致提純流程長，需要反復(fù)多次提純。目前偏析法主要以定向凝固法[18]和區(qū)域熔煉法[19]為主，其中定向凝固法需要控制較小的下拉速度來保證凈化效果，區(qū)域熔煉技術(shù)需要反復(fù)多次的重熔[20]。兩種方法都是利用雜質(zhì)原子對固液相的親和性不同，來實現(xiàn)元素在固液兩相的再分配。分配系數(shù)是衡量元素偏析能力的主要參數(shù)，他可以有效衡量凝固過程溶質(zhì)的分配能力。平衡分配系數(shù)是指雜質(zhì)元素在平衡凝固兩相間溶質(zhì)濃度的比值，有效分凝系數(shù)是指實際凝固過程兩相間溶質(zhì)濃度的比值[21]。目前主要采用電磁法[22]和機械攪拌法[23]進(jìn)行定向凝固，通過引入強制對流，增加雜質(zhì)元素在熔體中的遷移能力，減小遷移阻力，來實現(xiàn)邊界層的減薄，從而實現(xiàn)提高提純效率的目的[24]。通過增加對流可以實現(xiàn)提純的效果，但是由于目前的攪拌方法均是通過對整個熔池施加強制對流，忽視了生長界面處的流動。為此，作者所在課題組開發(fā)了一種新型旋轉(zhuǎn)偏析技術(shù)，通過機械攪拌控制生長界面處的流動行為，從而實現(xiàn)提高傳質(zhì)的目的[25]。目前，課題組已完成對旋轉(zhuǎn)偏析除雜過程的工業(yè)試驗，但未對旋轉(zhuǎn)偏析爐內(nèi)雜質(zhì)的運動情況以及雜質(zhì)分離機制進(jìn)行探究。本文研究在課題組已有研究基礎(chǔ)上設(shè)計開展水模型試驗，探究旋轉(zhuǎn)偏析過程雜質(zhì)的流動行為，分析旋轉(zhuǎn)偏析過程流場運動行為對雜質(zhì)元素分離的影響機制。

1 試驗方法及試驗過程

1.1 旋轉(zhuǎn)偏析強化除雜水模型試驗

為了提高金屬回收提純過程雜質(zhì)的分離效率，通過水模型試驗考察結(jié)晶器主要參數(shù)對雜質(zhì)傳輸情況的影響。水模型設(shè)備主體由旋轉(zhuǎn)結(jié)晶器、有機玻璃坩堝組成，本研究分別通過模擬流場內(nèi)溶質(zhì)循環(huán)運動模式和溶質(zhì)傳輸速率來探究旋轉(zhuǎn)偏析強化傳質(zhì)效果。

1.1.1 循環(huán)運動模式探究試驗

分別采用浮球試驗和紋影[26]方法確定旋轉(zhuǎn)偏析爐內(nèi)流場的循環(huán)運動模式。水模型試驗裝置示意圖如圖1所示。如圖1(a)所示，通過觀察浮球在坩堝內(nèi)的運動情況，了解溶質(zhì)在金屬熔體內(nèi)的運動規(guī)律。浮球試驗的步驟為：

圖1 旋轉(zhuǎn)偏析水模型裝置示意圖：(a)浮球試驗；(b)紋影法Fig.1 Equipment diagrams of rotary segregating water models：(a)float experiment；(b)schlieren method

1)向可視化坩堝內(nèi)注入10%的NaCl溶液，并將結(jié)晶器浸入在NaCl液池的1/2深度處；

2)取適量高吸水性小球，將其浸泡在去離子水中5 h，待其充分吸收水分后置于坩堝內(nèi)，使其懸浮在NaCl溶液中；

3)設(shè)定旋轉(zhuǎn)結(jié)晶器轉(zhuǎn)速，待流動穩(wěn)定后觀察浮球的運動流線并拍照記錄。

紋影法水模型試驗設(shè)備由旋轉(zhuǎn)偏析水模型設(shè)備、硫酸紙和相機組成，用高純水模擬金屬熔體，控制水深為100 mm，結(jié)晶器旋轉(zhuǎn)速度控制在300～800 r/min，在坩堝底部放置冷光光源作為點光源，坩堝上方放置投影屏，旋轉(zhuǎn)結(jié)晶器使流場穩(wěn)定之后進(jìn)行拍照記錄。通過陰影成像技術(shù)觀測結(jié)晶器旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的橫向波紋，確定溶質(zhì)在流場中的運動流線。

1.1.2 旋轉(zhuǎn)偏析流速測試試驗

確定流場循環(huán)運動模式后通過便攜式流量測速儀對坩堝內(nèi)不同位點流速分布進(jìn)行測量，探究結(jié)晶器旋轉(zhuǎn)對溶質(zhì)傳輸?shù)挠绊?，通過改變結(jié)晶器與坩堝的直徑比、結(jié)晶器浸入水深比例和結(jié)晶器旋轉(zhuǎn)速度重復(fù)測速。采用高純水模擬熔體，將水置于坩堝內(nèi)，分別在結(jié)晶器與坩堝的直徑比(d∶D)約為1∶7、1∶5、1∶3、1∶2四種條件下開展試驗，試驗過程結(jié)晶器的浸入深度比例(H)為1/2和4/5。結(jié)晶器與坩堝比例如圖2所示。轉(zhuǎn)速設(shè)置在200～800 r/min，測速在流場穩(wěn)定后進(jìn)行。

圖2 結(jié)晶器與坩堝尺寸比例：(a)直徑比1∶7；(b)直徑比1∶4；(c)直徑比1∶3；(d)直徑比1∶2Fig.2 Crystallizer to crucible size ratio：(a)diameter ratio 1∶7；(b)diameter ratio 1∶4；(c)diameter ratio 1∶3；(d)diameter ratio 1∶2

1.2 高溫除雜試驗

為驗證旋轉(zhuǎn)偏析技術(shù)除雜的可行性，確定旋轉(zhuǎn)偏析工藝對提純的影響，開展旋轉(zhuǎn)偏析除雜試驗。為了保證水模型設(shè)備與試驗設(shè)備的相似性，確定幾何相似與動力相似并搭建旋轉(zhuǎn)偏析高溫試驗平臺，計算方法見式(1)、式(2)。

(1)

(2)

其中r代表坩堝直徑，m；d代表結(jié)晶器直徑，m；h代表熔體高度，m；n代表結(jié)晶器轉(zhuǎn)速，r/min；v代表熔體黏度，mm2/s；上角標(biāo)a代表高溫旋轉(zhuǎn)偏析裝備。

選取鋁錠為原料，樣品純度大于97%，主要雜質(zhì)含量(%)：Pb 0.33、Cu 0.39、Mg 0.57、Zn 0.53、Mn 0.26。用電阻爐進(jìn)行試驗，以3 ℃/min的升溫速率加熱至鋁熔點溫度后保溫2 h。將結(jié)晶器以400 r/min的轉(zhuǎn)速伸入鋁液，向結(jié)晶器內(nèi)以10 L/min的流速通入冷卻介質(zhì)。提純后樣品采用電感耦合等離子光譜發(fā)射儀分析確定雜質(zhì)元素含量，根據(jù)分析數(shù)據(jù)計算雜質(zhì)去除率。

2 結(jié)果與討論

2.1 旋轉(zhuǎn)驅(qū)動流場變化規(guī)律

結(jié)晶器轉(zhuǎn)速對熔體中雜質(zhì)的運動行為具有重要意義，是旋轉(zhuǎn)偏析技術(shù)中的關(guān)鍵控制參數(shù)。在300～800 r/min進(jìn)行不同轉(zhuǎn)速下的水模型模擬研究。采用紋影法觀測到的運動流線如圖3所示。從圖3可以看出，結(jié)晶器旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的強制對流以螺旋波形式存在，表明結(jié)晶器的旋轉(zhuǎn)可以使熔體中的雜質(zhì)向遠(yuǎn)離生長界面處運動；當(dāng)結(jié)晶器轉(zhuǎn)速從300 r/min提高到800 r/min時，流場強度逐漸增加，表面螺旋波的數(shù)量隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加；轉(zhuǎn)速較小時，螺旋波折疊度較低，流體緩慢向坩堝壁運動，隨著轉(zhuǎn)速的增加，螺旋波流動被切向運動主導(dǎo)，轉(zhuǎn)速增加到600 r/min時，流體切向流動強度明顯增加，流場趨于紊亂。上述結(jié)果說明，隨著結(jié)晶器轉(zhuǎn)速的增加，熔體的攪拌能力和溶質(zhì)的傳輸能力增強，結(jié)晶器的旋轉(zhuǎn)有利于將生長界面處富集的雜質(zhì)沿切向排出，但過高的轉(zhuǎn)速不利于溶質(zhì)有序傳輸。

圖3 不同轉(zhuǎn)速下紋影法流場圖像：(a)300 r/min；(b)400 r/min；(c)500 r/min；(d)600 r/min；(e)700 r/min；(f)800 r/minFig.3 Flow field images of Schlieren method at different speed：(a)300 r/min；(b)400 r/min；(c)500 r/min；(d)600 r/min；(e)700 r/min；(f)800 r/min

坩堝內(nèi)的模擬熔體在旋轉(zhuǎn)結(jié)晶器的旋轉(zhuǎn)作用下繞結(jié)晶器運動，從流動方向上看，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動產(chǎn)生的螺旋波可以帶動溶質(zhì)原子遠(yuǎn)離生長界面，同時隨著轉(zhuǎn)速的增加，螺旋波的強度增加，可以加速溶質(zhì)的外排，平衡溶質(zhì)在界面與主流區(qū)的濃度差。轉(zhuǎn)速在200～500 r/min條件時，可以迅速地使溶質(zhì)均勻，有效改善由于生長界面液相區(qū)溶質(zhì)濃度過高帶來的動力學(xué)限制，有效提高旋轉(zhuǎn)偏析回收廢舊金屬過程的傳質(zhì)效率。

旋轉(zhuǎn)偏析過程流場的循環(huán)流動模式對選擇性回收廢舊金屬過程中溶質(zhì)元素的去除效率和溶質(zhì)原子在晶體中的分布有直接的影響。低轉(zhuǎn)速條件(200～400 r/min)下不同時刻流場循環(huán)運動軌跡如圖4所示。從圖4可以看出，在轉(zhuǎn)速為200～400 r/min時，結(jié)晶器旋轉(zhuǎn)過程小球圍繞結(jié)晶器做循環(huán)運動，小球的運動軌跡為在液面處從結(jié)晶器附近順著結(jié)晶器旋轉(zhuǎn)方向周向拋出，延周向回落到坩堝角部，在坩堝底部向靠近結(jié)晶器方向回流，整體呈現(xiàn)由旋轉(zhuǎn)結(jié)晶器向外的循環(huán)流動。這種流動模式在實際除雜過程可以將溶質(zhì)從生長界面向液相輸送，有利于溶質(zhì)的排出，良好的循環(huán)流動可以高效快速的混合液相區(qū)溶質(zhì)濃度，削弱邊界層內(nèi)高溶質(zhì)濃度帶來的傳質(zhì)阻力。

圖4 低轉(zhuǎn)速條件下流場循環(huán)運動模式Fig.4 Circulation mode of downflow field under low speed condition

提高結(jié)晶器旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速至600 r/min時，原本的循環(huán)流動被破環(huán)，小球圍繞結(jié)晶器附近上下轉(zhuǎn)動，但很難向靠近坩堝側(cè)壁的方向運動，如圖5所示。

圖5 高轉(zhuǎn)速條件下流場循環(huán)運動模式Fig.5 Circulation mode of downflow field under high speed conditions

實際提純過程，借助結(jié)晶器產(chǎn)生的向外的法相分速度可以促使生長界面處高濃度的溶質(zhì)向遠(yuǎn)離生長界面方向運動，從而提高提純效率。但是通過水模型試驗發(fā)現(xiàn)，結(jié)晶器旋轉(zhuǎn)速度過大時，法相傳輸被破壞，過大的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動力導(dǎo)致流動趨于紊亂，不利于提純的進(jìn)行。

通過分析，轉(zhuǎn)速低于400 r/min時，可以維持良好的循環(huán)流動，隨著轉(zhuǎn)速的增加，循環(huán)流動能力增加，低速區(qū)減少，有效降低固液界面?zhèn)髻|(zhì)阻力，提高傳質(zhì)效率。轉(zhuǎn)速高于400 r/min時，由于旋轉(zhuǎn)驅(qū)動力過大，破壞了流場循環(huán)運動，溶質(zhì)無法有效脫離生長界面，無法降低界面處高濃度溶質(zhì)。綜合考慮，轉(zhuǎn)速在400 r/min為最優(yōu)轉(zhuǎn)速。

2.2 流體流速調(diào)控及對邊界層厚度的影響

結(jié)晶器的轉(zhuǎn)速和結(jié)晶器的浸入深度是旋轉(zhuǎn)偏析過程分離雜質(zhì)的關(guān)鍵工藝參數(shù)，分別選取200、400、600、800 r/min四種轉(zhuǎn)速，在浸入水深4/5和浸入水深1/2兩種浸入深度比例下進(jìn)行初步探究。

不同轉(zhuǎn)速下結(jié)晶器浸入深度對流速分布的影響如圖6所示。從圖6可以看出，坩堝內(nèi)流速分布由結(jié)晶器至坩堝壁、由液面至底部呈逐漸減小趨勢，當(dāng)結(jié)晶器轉(zhuǎn)速從200 r/min增大到800 r/min時，流場內(nèi)流速分布趨勢沒有變化，整體流場強度呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，證明轉(zhuǎn)速的增加有利于均勻溶質(zhì)場，也會提高溶質(zhì)的傳輸效率；在結(jié)晶器轉(zhuǎn)速為200～800 r/min時，改變結(jié)晶器的浸入深度，沒有改變流速的分布規(guī)律，坩堝內(nèi)部流場強度呈現(xiàn)增強的趨勢，流速平均增加了1倍多，說明此時結(jié)晶器對周圍液體的攪拌能力增強。從圖6(a)可以看出，在結(jié)晶器轉(zhuǎn)速為200 r/min時，距離結(jié)晶器最遠(yuǎn)端的流速分布接近0，增大結(jié)晶器的浸入深度，該位點流速幾乎沒有增加，證明此時旋轉(zhuǎn)提供的動量不足，流場內(nèi)存在弱流動區(qū)，不利于溶質(zhì)場以及溫度場的均勻化，存在樣品晶粒粗大的風(fēng)險。

圖6 不同轉(zhuǎn)速下結(jié)晶器浸入深度對流速分布的影響：(a)200 r/min；(b)400 r/min；(c)600 r/min；(d)800 r/minFig.6 Effects of immersion depth of crystallizer on velocity distribution at different speed：(a)200 r/min；(b)400 r/min；(c)600 r/min；(d)800 r/min

為了了解結(jié)晶器與坩堝尺寸比例對流場的影響，在原設(shè)備的基礎(chǔ)上改變結(jié)晶器尺寸，對坩堝內(nèi)不同位點進(jìn)行測速，考察結(jié)晶器與坩堝直徑比對流速分布的影響。改變結(jié)晶器直徑使結(jié)晶器直徑與坩堝直徑比為1∶4，流速結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出，在不改變轉(zhuǎn)速的情況下，與原有結(jié)晶器尺寸下的試驗數(shù)據(jù)對比，坩堝附近的流速明顯提高，各個位點的流速增大1倍左右，證明增大結(jié)晶器的直徑可以有效改善原有結(jié)晶器旋轉(zhuǎn)驅(qū)動力不足的問題，同時整體流速分布規(guī)律與原始條件下保持一致。流場內(nèi)弱流動區(qū)消失，消除了弱流動區(qū)內(nèi)雜質(zhì)傳輸緩慢的問題，證明增大結(jié)晶器與坩堝的直徑比例可以有效提高溶質(zhì)場、溫度場的均勻化效率，強化溶質(zhì)傳輸效率。

圖7 結(jié)晶器與坩堝直徑比1∶4時流速分布情況：(a)200 r/min；(b)400 r/min；(c)600 r/min；(d)800 r/minFig.7 Flow velocity distribution at 1∶4 diameter ratio of crystallizer to crucible：(a)200 r/min；(b)400 r/min；(c)600 r/min；(d)800 r/min

結(jié)晶器與坩堝直徑比例為1∶3時的流速分布如圖8所示。對比圖7和圖8可知，結(jié)晶器與坩堝直徑比例為1∶3時的流速分布與比例為1∶4時的相似，同時流場相對穩(wěn)定，滿足生產(chǎn)的初步需求，液位波動小，循環(huán)流動穩(wěn)定。對結(jié)晶器浸入深度對流場的影響展開進(jìn)一步探究發(fā)現(xiàn)，在直徑比為1∶3的條件下，當(dāng)結(jié)晶器浸入深度為水深的1/2時，在距離結(jié)晶器最遠(yuǎn)的三個測速位點(液面、中部、底部)的流速分布特點為底部流速較大，中部、液面流速相近；但是增大結(jié)晶器浸入深度，流速分布大小依次是液面、中部、底部。推測坩堝角部處可能產(chǎn)生漩渦，因此冷卻體浸入深度的改變是會對坩堝內(nèi)的局部的流動模式造成影響。參考循環(huán)流動模式可知，結(jié)晶器浸入深度的增加可以有效改善坩堝底部弱流區(qū)，使溶質(zhì)場分布更均勻，有利于控制生長界面處溶質(zhì)場的穩(wěn)定。

圖9為結(jié)晶器與坩堝直徑比為1∶2的速度分布圖。從圖9可以看出，當(dāng)結(jié)晶器浸入深度為水深的1/2時，增大結(jié)晶器的轉(zhuǎn)速對整個流場的流速分布影響較小。結(jié)合試驗過程中觀測到的現(xiàn)象，此時流動紊亂，結(jié)晶器周圍出現(xiàn)肉眼可見的漩渦，循環(huán)流動被破壞，流場失穩(wěn)，不利于溶質(zhì)相向遠(yuǎn)離生長界面處傳輸，會造成晶體雜質(zhì)濃度高的問題。

圖9 結(jié)晶器與坩堝直徑比1/2時流速分布情況：(a)200 r/min；(b)400 r/min；(c)600 r/min；(d)800 r/minFig.9 Flow velocity distribution at 1/2 diameter ratio of crystallizer to crucible：(a)200 r/min；(b)400 r/min；(c)600 r/min；(d)800 r/min

試驗過程中發(fā)現(xiàn)，結(jié)晶器直徑越大，其旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的驅(qū)動力越大，流速越大。同時結(jié)晶器的尺寸過大會引發(fā)流場紊亂，導(dǎo)致流場內(nèi)出現(xiàn)劇烈的液位波動，破壞流場的穩(wěn)定性。通過對比發(fā)現(xiàn)，結(jié)晶器轉(zhuǎn)速為200～400 r/min、結(jié)晶器與坩堝比例為1∶3、結(jié)晶器浸入深度為4/5為最佳的旋轉(zhuǎn)偏析結(jié)晶器控制參數(shù)條件，該條件下，可以有效地將近生長界面端的溶質(zhì)排出并且快速實現(xiàn)溶質(zhì)場和溫度場的均勻化。

2.3 再生金屬旋轉(zhuǎn)偏析過程雜質(zhì)分離規(guī)律

有效分凝系數(shù)會受到凝固速率、邊界層厚度以及擴(kuò)散系數(shù)的影響，減小凝固速率可以有效減小有效分凝系數(shù)，但是過低的凝固速率會導(dǎo)致分離過程能耗高、時間長、效率低，因此調(diào)控邊界層參數(shù)是本研究的重點。邊界層厚度可以通過轉(zhuǎn)速調(diào)控，見式(3)[27]。分別在200～800 r/min的條件下計算邊界層厚度，結(jié)果如圖10所示。從圖10可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速從200 r/min增加到800 r/min時，邊界層厚度減薄。當(dāng)轉(zhuǎn)速從200 r/min增加到400 r/min時邊界層厚度減小一個數(shù)量級。

圖10 結(jié)晶器轉(zhuǎn)速對邊界層厚度的影響Fig.10 Effect of mold speed on boundary layer thickness

δ=1.1ω-0.66

(3)

式中，δ代表邊界層厚度，mm；ω代表轉(zhuǎn)速，r/min。

選取Al、Cu、Zn、Mn四種具有代表性的有色金屬，以其中的典型雜質(zhì)為例，通過斯托克斯定理計算不同有色金屬內(nèi)雜質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)，公式見式(4)[28]。假定凝固速率為0.1 mm/min，根據(jù)式(5)計算有效分凝系數(shù)隨邊界層厚度的變化，獲得典型有色金屬中雜質(zhì)的有效分凝系數(shù)。

(4)

(5)

其中，KB代表玻爾茲曼常數(shù)為1.38×10-23；T代表熔體溫度，K；η代表熔體的黏度，mm2·s-1；ri代表雜質(zhì)的原子半徑，mm；k0代表溶質(zhì)的平衡分配系數(shù)值，k0值越小代表溶質(zhì)的偏析效果越好，雜質(zhì)的分離效率越高；v代表凝固速率，mm/s；D代表擴(kuò)散系數(shù)，mm2/s。

不同雜質(zhì)在集中典型有色金屬中的有效分凝系數(shù)如圖11所示。從圖11可以看出，邊界層厚度從0.1 mm減小到0.001 mm時，雜質(zhì)的有效分凝系數(shù)有明顯降低趨勢，并且接近平衡分配系數(shù)。隨著邊界層厚度的進(jìn)一步減小，有效分凝系數(shù)減小趨勢變得十分緩慢，證明此時對邊界層厚度的調(diào)控受限。

圖11 邊界層厚度對典型有色金屬中雜質(zhì)有效分凝系數(shù)的影響：(a)雜質(zhì)在鋁中的有效分凝系數(shù)；(b)雜質(zhì)在銅中的有效分凝系數(shù)；(c)雜質(zhì)在鎂中的有效分凝系數(shù)；(d)雜質(zhì)在鋅中的有效分凝系數(shù)Fig.11 Effects of boundary layer thickness on effective separation coefficient of impurities in typical non-ferrous metals：(a)the effective separation coefficient of impurities in Al；(b)the effective separation coefficient of impurities in Cu；(c)the effective separation coefficient of impurities in Mg，and(d)the effective separation coefficient of impurities in Zn

在上述研究基礎(chǔ)上，針對性設(shè)計高溫旋轉(zhuǎn)偏析分離鋁中雜質(zhì)的試驗，對經(jīng)過旋轉(zhuǎn)偏析提純后得到的鋁錠中五種典型雜質(zhì)Pb、Cu、Mg、Zn、Mn進(jìn)行分析，樣品形貌及雜質(zhì)的含量如圖12所示。從圖12(a)可以看出，旋轉(zhuǎn)偏析技術(shù)可以有效改善傳統(tǒng)偏析法流程長的問題，3 min內(nèi)可以完成樣品的提取，樣品形貌呈現(xiàn)上寬下窄特點。結(jié)合流場的循環(huán)運動模式，推測樣品底部流速較小，傳熱較慢，使樣品中下部長晶體生長速率低于上部。從圖12(b)可以看出，旋轉(zhuǎn)偏析作用對于平衡分配系數(shù)較小的Pb、Cu、Mg具有非常顯著的去除能力，其中Pb的去除率達(dá)到66%、Cu的去除率達(dá)到58%、Mg的去除率達(dá)到45%，而對于Mn和Zn元素的去除效果較弱，只有少部分被去除。這是因為Mn和Zn在鋁熔體中的平衡分配系數(shù)分別為0.76和0.43，較高的平衡分配系數(shù)導(dǎo)致實際凝固過程有效分凝系數(shù)較高，無法通過偏析實現(xiàn)雜質(zhì)元素的分離。這些結(jié)果表明，旋轉(zhuǎn)偏析技術(shù)可以實現(xiàn)有色金屬中雜質(zhì)的選擇性深度去除，從而實現(xiàn)金屬資源的二次利用。

圖12 旋轉(zhuǎn)偏析提純鋁的高溫試驗：(a)樣品；(b)雜質(zhì)含量Fig.12 High temperature experiment of aluminum purification by rotational segregation：(a)sample；(b)impurity content

3 結(jié)論

1)水模型的試驗結(jié)果表明，在結(jié)晶器轉(zhuǎn)速為200～400 r/min，結(jié)晶器旋轉(zhuǎn)驅(qū)動的渦流，可以有效促進(jìn)雜質(zhì)從生長界面向熔體內(nèi)的遷移，熔體流動速度從液面至坩堝底部逐漸降低，并且隨著轉(zhuǎn)速的增加，流場運動強度增加，對熔體的攪拌能力也增加，旋轉(zhuǎn)偏析強化傳質(zhì)可行。

2)增大結(jié)晶器的浸入深度可以有效提高流場中各點的平均流速，隨著結(jié)晶器的浸入深度從水深的1/2增加到4/5，流場內(nèi)平均流速增加了約1倍。提高結(jié)晶器與坩堝直徑比可以有效提高流場內(nèi)的平均流速，在浸入深度為4/5時，當(dāng)結(jié)晶器與坩堝直徑比從1∶7增加到1∶3，流場內(nèi)平均流速增加了1倍多。結(jié)晶器浸入深度和結(jié)晶器與坩堝直徑比的增加可以有效改善低轉(zhuǎn)速條件下傳質(zhì)速率低的問題，同時可以消除坩堝底部弱流區(qū)，提高溶質(zhì)場的均勻化。

3)增加結(jié)晶器的旋轉(zhuǎn)速率可以有效減小邊界層厚度。當(dāng)邊界層厚度小于0.001 mm時，雜質(zhì)的有效分凝系數(shù)接近平衡分配系數(shù)。提高結(jié)晶器轉(zhuǎn)速，可以降低有效分凝系數(shù)。

4)選取純度約97%的鋁為試驗原料開展旋轉(zhuǎn)偏析除雜試驗，結(jié)果表明，旋轉(zhuǎn)偏析法及設(shè)備可實現(xiàn)再生鋁中主要雜質(zhì)的去除，其中Pb的去除率可以達(dá)到66%。