一种alsn合金的分离回收方法
技术领域
1.本发明涉及锡合金回收技术领域，具体而言，涉及一种alsn合金的分离回收方法。
背景技术：
2.随着我国经济的迅速增长，各类自然资源面临着巨大消耗和生态环境保护的双重约束。锡是一种稀缺和价值高的金属，在高新技术中的用量日益增加，应用范围不断扩大，产生的废弃锡的数量和种类越来越多，这就要求我们对资源树立新的认识和观念，采用新技术和新方法进行资源的有效开发与循环利用。
3.目前，锡合金中锡的回收方法主要有火法冶金、
湿法冶金和电解法。火法冶金中的电炉熔炼法适用于报废锡粉末的回收，加热熔析法适用于热镀锡废料的回收，结晶分离法适用回收铅锡合金废料中的锡，真空蒸馏法适用回收含锡量高于5％的铅锡合金废料。湿法冶金和电解法是典型的回收马口铁废料中锡的方法。以上三种方法综合利用起来就是回收焊锡渣中锡的综合回收法。
4.锡具有在表面滞留润滑油膜的性质和良好的耐腐蚀性能，铝锡合金是目前应用最为广泛的轴瓦材料之一，主要用于制造中高速、中负荷内燃机发动机上的轴瓦。铝锡合金有低锡
铝合金和高锡铝合金两种。低锡铝锡合金含sn为5％
?
7％，高锡铝合金的含sn为20％
?
40％。这类合金中锡回收的工艺不能只限于传统的火法、湿法以及电解法来对锡进行回收，要对回收的工艺有所突破。
5.鉴于此，特提出本发明。
技术实现要素：
6.本发明的目的在于提供alsn合金的分离回收方法。
7.本发明是这样实现的：
8.第一方面，本发明提供一种alsn合金的分离回收方法，其包括：向待回收的alsn合金中添加金属bi，升温至高于液相线温度30
?
40℃的温度后，获得混合合金熔液，将所述混合合金熔液置于液相线以下50
?
60℃的温度下，静置分层，分别获得上层的al液和下层的bisn合金液。
9.在可选的实施方式中，将获得的所述al液和所述bisn液冷却至室温，获得纯al以及bisn合金。
10.在可选的实施方式中，在加入所述金属bi之前，还包括对按照锡和铋形成共晶合金时的合金成分计算所述金属bi的加入量。
11.在可选的实施方式中，所述合金成分组成为albi40sn34 wt％。
12.在可选的实施方式中，所述金属bi的加入量为所述alsn合金中锡的重量的1
?
1.5倍。
13.在可选的实施方式中，所述金属bi的加入量为所述alsn合金中锡的重量的1.1
?
1.3倍。
14.在可选的实施方式中，所述混熔温度为800
?
850℃。
15.在可选的实施方式中，静置分层的时间为1
?
1.5h。
16.在可选的实施方式中，所述混合合金熔液于分离坩埚中进行分离，所述分离坩埚中上部设置有al液排出管，所述分离坩埚底部设置有bisn液排出管。
17.在可选的实施方式中，所述分离坩埚的高径比为2
?
3。
18.本发明具有以下有益效果：本技术提供的alsn合金的分离回收方法利用难混熔合金的凝固特点来分离提纯，向待回收的alsn合金中添加金属bi，使得相互熔和的alsn合金通过添加金属bi形成两液相难混熔合金，然后再利用其凝固特点实现分离回收，从而将报废alsn合金中的sn以bisn合金的方式分离出来，回收99％以上，bisn合金的价格以及应用价值远高于报废alsn合金，本技术通过将alsn合金中的sn转化为bisn合金，显著提高了sn的价值，同时还可以将alsn合金中的al以单质纯al的方式分离出来，大大提高了合金的价值。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
20.图1为本技术提供的alsn合金的分离回收方法的原理中涉及的难混熔合金相图；
21.图2为本技术提供的alsn合金的分离回收方法的原理中涉及的al
?
sn相图；
22.图3为本技术提供的alsn合金的分离回收方法的原理中涉及的al
?
bisn相图；
23.图4为本技术提供的alsn合金的分离回收方法的实验过程图。
24.图标：1
?
熔化炉；2
?
混合合金熔液；3
?
al液；4
?
分离坩埚；5
?
al液排出管；6
?
bisn液排出管；7
?
bisn液。
具体实施方式
25.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
26.本发明提供了一种alsn合金的分离回收方法，其包括如下步骤：
27.s1、合金设计
28.按照锡和铋形成共晶合金时的合金成分计算金属bi的加入量。
29.根据al
?
bisn合金相图，当合金中bi:sn＝13.5:20(摩尔比)，凝固时锡和铋形成共晶合金，此时熔点最低141.39℃(共晶点)，成分越接近该比值bisn凝固点越接近最低点。换算成质量百分数，最低点的合金成分为albi40sn34 wt％，也即是，合金成分组成包括质量百分比为16：40：34的al元素、bi元素和sn元素。
30.按上述成分，添加bi将待回收alsn配制成bisn共晶点附近成分的albisn合金。拟回收alsnx wt％合金中需添加bi的质量为：
31.w
bi
＝40/34*q*x％；
32.式中，q为铝锡合金的重量，x为合金中锡的质量百分数。
33.通过上述计算，合金成分为albi40sn34 wt％，金属bi的加入量为alsn合金中锡的重量的1.2倍。应理解，当本技术中控制金属bi的加入量为alsn合金中锡的重量的1
?
1.5倍。优选地，金属bi的加入量为alsn合金中锡的重量的1.1
?
1.3倍时，也可以获得较佳的效果。
34.s2、获得混合合金熔液2
35.向待回收的alsn合金中添加金属bi，升温至液相线温度以上30
?
40℃，获得混合合金熔液2。
36.称量所要回收的铝锡合金的重量，计算合金中锡的重量，按照步骤s1获得的锡重量进行称取。把铝锡合金和金属铋放入熔化炉1内，温度升至液相线温度以上30℃，本技术中，液相线温度为800
?
850℃。
37.s3、分离回收
38.将混合合金熔液2置于包晶反应铝析出温度tm以上50
?
60℃，静置分层1
?
1.5h，分别获得上层的al液3和下层的bisn液7，导出后将获得的al液3和bisn液7冷却至室温，获得纯al以及bisn合金。本技术中合金的tm为600
?
650℃。
39.本技术中，混合合金熔液2于分离坩埚4中进行分离，分离坩埚4中上部设置有al液排出管5，分离坩埚4底部设置有bisn液排出管6，分离坩埚4的高径比为2
?
3。本技术采用细长的分离坩埚4，能够使al液3和bisn液7累积高度更高，便于分离。
40.本技术提供的alsn合金的分离回收方法是利用难混熔合金的特点实现分离并回收锡，将报废alsn合金中的sn以bisn合金的方式分离出来，回收99％以上，大大提高了合金的价值。
41.本技术提供的alsn合金的分离回收方法的原理依据如下：
42.难混熔合金是一种在高温区完全混合、温度降至某区间会由单一的液相转变为互不相溶的两液相的合金。这类合金显著的特点是在相图中存在一个稳定或亚稳的两液相不混熔区，在不混熔区中两液相互不相溶、平衡共存。
43.图1为典型的难混熔合金相图。从相图中可以看出，在组元互溶温度线mcb曲线以上，两液相完全混合。随着温度降低至mcb曲线以下，液相分离产生(l
→
l1+l2)，熔体由单一液相分解成两互不相溶的液相。
44.难混熔合金的液相分离过程主要包括第二相的形核、扩散长大、ostwald熟化、marangoni迁移以及stokes运动。液相分离之后的两种难混熔液相会存在一定的密度差异，重力在液
?
液相分离过程起着很重要的作用。密度较大的液相在重力的作用下向下迁移，第二相上浮，极易产生上下分层的现象。其次，两液相间的界面效应在其分离过程中也起着重要的作用。当熔体内部产生温度梯度或浓度梯度时，少数相液滴会在界面张力的作用下向界面张力小的区域运动，即向高温区或高浓度区运动。最后，stokes效应、marangoni迁移和凝固过程中的对流均会促使第二相液滴发生迁移，第二相液滴的迁移过程中发生碰撞、凝并进而发生液滴长大。这种情况的长大速度要远大于纯扩散情况下的液滴长大速度。
45.本技术发明人根据上述理论，将两液相互相溶合的合金，通过添加另外一种金属使之形成两液相难混熔合金，利用其凝固特点可以实现分离回收。
46.经发明人研究发现，根据铝锡合金相图(图2)，绝大部分铝锡合金不属于难混熔合
金，无法利用以上所述难混熔合金的凝固特点来分离提纯。研究alsn与其他元素的相图发现，alsnbi是一种难混熔合金(图4)。alsn合金中添加bi，在800℃以上，alsnbi合金的熔液al液相和bisn液7相互相溶合。在800℃
?
600℃近200℃的区间范围内，发生液
?
液相分离，大量的单相均一液体分解成两个难混熔的液相，即l
→
l1(富al)+l2(富bi
?
sn)。随后，al液3滴和bisn液7滴通过扩散、布朗运动、marangoni运动和stokes沉积等方式进行生长长大。纯al、bi、sn三种物质的密度分为2.70g/cm3、9.78g/cm3和7.28g/cm3，bi和sn的密度要远大于al的密度，当液滴长大到一定程度的时候在重力的作用下，较重的富bisn液7滴下沉，而较轻的富al的液滴上浮，而且较大的液滴在运动的过程中会吞并途中碰撞到的小液滴。最终bi
?
sn相下沉至底部，使得合金熔液在宏观上呈现出上下分层。
47.本技术中通过al
?
bisn合金相图和待处理的alsn，设计合金成分，并利用上述原理向alsn合金中添加金属bi，按照本技术提供的方法进行分离回收。
48.采用本技术提供的alsn合金的分离回收方法，可将报废alsn合金中的sn回收99％以上，大大提高了合金的价值。
49.以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
50.实施例1
51.本实施例提供了一种alsn合金(alsn20 wt％)的分离回收方法，其包括如下步骤：
52.1)根据al
?
bisn合金相图(图3)，当bi:sn＝13.5:20(摩尔比)，凝固时锡和铋形成共晶合金，此时熔点最低141.39℃，换算成质量百分数，合金成分为albi40sn34。按上述成分，将alsn待回收合金配制成albi40sn34合金。
53.500kg alsn20 wt％合金中含锡：500*0.20＝100kg，需添加bi的重量为：w
bi
＝40/34*500*20％＝117.6kg。称量118kg金属bi，与500kg alsn合金一同放入熔化炉1内。熔化后，熔液温度升至850℃。
54.2)将步骤1)的混合合金熔液2倒入分离坩埚4内，分离坩埚4呈细长形(高径比＝2.618)，温度保持在700℃，静置1小时。
55.3)打开al液排出管5，将上层的al液3放出。然后再打开底部的bisn液排出管6，将bisn液7放出。
56.4)冷却室温后，获得纯al重量402kg，获得bisn合金重量216kg，bisn含量99％以上。
57.实施例2
58.本实施例提供了一种alsn合金(alsn20 wt％)的分离回收方法，其包括如下步骤：
59.1)配制成albi37sn34合金。
60.500kg alsn20 wt％合金中含锡：500*0.20＝100kg，需添加bi的重量为：w
bi
＝37/34*500*20％＝108.8kg。称量110kg bi，与500kg alsn合金一同放入熔化炉1内。熔化后，熔液温度升至830℃。
61.2)将步骤1)的混合合金熔液2倒入分离坩埚4内，分离坩埚4呈细长形(高径比＝2.618)，温度保持在700℃，静置1小时。
62.3)打开al液排出管5，将上层的al液3放出。然后再打开底部的bisn液排出管6，将bisn液7放出。
63.4)冷却室温后，获得纯al重量401kg，获得bisn合金重量209kg，bisn含量99％以
上。
64.实施例3
65.本实施例提供了一种alsn合金(alsn30 wt％)的分离回收方法，其包括如下步骤：
66.1)配制成albi40sn34合金。
67.500kg alsn30 wt％合金中含锡：500*0.30＝150kg，需添加bi的重量为：w
bi
＝40/34*500*30％＝176.5kg。称量177kg金属bi，与500kg alsn合金一同放入熔化炉1内。熔化后，熔液温度升至880℃。
68.2)将步骤1)的混合合金熔液2倒入分离坩埚4内，分离坩埚4呈细长形(高径比＝2.618)，温度保持在710℃，静置1.5小时。
69.3)打开al液排出管5，将上层的al液3放出。然后再打开底部的bisn液排出管6，将bisn液7放出。
70.4)冷却室温后，获得纯al重量353kg，获得bisn合金重量324kg，bisn含量99％以上。
71.实施例4
72.实施例4与实施例1基本相同，区别在于：分离坩埚4的高径比不同。本实施例中分离坩埚4为1.5。
73.综上所述，本技术提供的alsn合金的分离回收方法利用难混熔合金的凝固特点来分离提纯，向待回收的alsn合金中添加金属bi，使得相互熔和的alsn合金通过添加金属bi形成两液相难混熔合金，然后再利用其凝固特点实现分离回收，从而将报废alsn合金中的sn以bisn合金的方式分离出来，回收99％以上，bisn合金的价格以及应用价值远高于报废alsn合金，本技术通过将alsn合金中的sn转化为bisn合金，显著提高了sn的价值，同时还可以将alsn合金中的al以单质纯al的方式分离出来，大大提高了合金的价值。
74.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。技术特征：
1.一种alsn合金的分离回收方法，其特征在于，其包括：向待回收的alsn合金中添加金属bi，升温至高于混熔温度30
?
40℃的温度后，获得混合合金熔液，将所述混合合金熔液置于高于铝凝固温度50
?
60℃的温度下，静置分层，分别获得上层的al液和下层的bisn液。2.根据权利要求1所述的alsn合金的分离回收方法，其特征在于，将获得的所述al液和所述bisn液冷却至室温，获得纯al以及bisn合金。3.根据权利要求1所述的alsn合金的分离回收方法，其特征在于，在加入所述金属bi之前，还包括对按照锡和铋形成共晶合金时的合金成分组成计算所述金属bi的加入量。4.根据权利要求3所述的alsn合金的分离回收方法，其特征在于，所述合金成分组成为albi40sn34 wt％。5.根据权利要求4所述的alsn合金的分离回收方法，其特征在于，所述金属bi的加入量为所述alsn合金中锡的重量的1
?
1.5倍。6.根据权利要求4所述的alsn合金的分离回收方法，其特征在于，所述金属bi的加入量为所述alsn合金中锡的重量的1.1
?
1.3倍。7.根据权利要求1所述的alsn合金的分离回收方法，其特征在于，所述混熔温度为800
?
850℃。8.根据权利要求1所述的alsn合金的分离回收方法，其特征在于，静置分层的时间为1
?
1.5h。9.根据权利要求1所述的alsn合金的分离回收方法，其特征在于，所述混合合金熔液于分离坩埚中进行分离，所述分离坩埚中上部设置有al液排出管，所述分离坩埚底部设置有bisn液排出管。10.根据权利要求9所述的alsn合金的分离回收方法，其特征在于，所述分离坩埚的高径比为2
?
3。
技术总结
本发明公开了一种AlSn合金的分离回收方法，涉及锡合金回收技术领域。该回收方法包括：向待回收的AlSn合金中添加金属Bi，升温至高于混熔温度30
技术研发人员：张佼 万祥辉 王永利
受保护的技术使用者：临沂利信铝业有限公司
技术研发日：2021.08.06
技术公布日：2021/11/14
声明：
“AlSn合金的分离回收方法与流程” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：临沂利信铝业有限公司
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2024年07月26日 ~ 28日 
