区域熔炼技术
区域熔炼制备高纯金属的理论及过程分析
引言
当金属中其他元素含量极低时，即为纯金属或高纯金属。纯金属在强度、硬度、韧性、 塑性、软磁性、导电性、导热性、耐腐蚀性方都有其独特性能[7]。近年来，随着科学技术的 发展，在原子能，电子，半导体等工业方面，对高纯金属的需求越来越大，对其纯度要求也 越来越高。所以提纯金属的方法近年来发展很快。金属提纯方法主要有区域熔炼RM(regional melting) 又 叫 浮 区 熔 炼 FRM(floating regional melting) 、 电 磁 悬 浮 熔 炼 ELM(electromagnetic levitation melting)、冷坩埚熔炼CCM(cole crucible melting)、 固态电迁移SSE(solid state electromigration)等，其中区域熔炼为制备纯金属提供了一 个有效易行的方法，通过区域熔炼提纯，目前 1/3 多的元素和数百种无机和有机化合物均可 获得其最高纯度[3]。
uiα ：组元 i 在 α 相中的化学势； uiβ ：组元 i 在 β 相中的化学势； dniα ：组元 i 在 α 相中的化学势的改变量；
dniβ ：组元 i 在 β 相中的化学势的改变量，
由于物质在两相间迁移，
所以有
dniα =- dniβ
所以
dG = (uiβ − uiα )dniβ
杂质组元的存在，会使主组元熔点发生改变，熔点降低或升高，降低或升高的数值由杂 质含量决定。熔点降低会使固溶体由熔融态到凝固态变化过程中，杂质由固相向液相迁移， 熔点升高则正好相反，杂质由液相向固相迁移。令 A 为主组元， i 为杂质组元，α 为液相， β 为固相，设在某一时刻达平衡状态，则有：
区域熔炼制备高纯金属的综述
区域熔炼制备高纯金属的综述一、综述介绍1.1 研究背景和意义1.2 研究目的和意义1.3 研究现状和发展趋势二、高纯金属制备技术概述2.1 区域熔炼制备技术2.2 区域熔炼制备高纯金属的优点2.3 区域熔炼制备高纯金属的主要问题三、区域熔炼制备高纯金属的关键工艺及控制方法3.1 区域熔炼反应机制3.2 区域熔炼工艺控制3.3 区域熔炼制备高纯金属的现有控制方法四、区域熔炼制备高纯金属的应用和发展趋势4.1 区域熔炼制备高纯金属的应用现状4.2 区域熔炼制备高纯金属的发展趋势4.3 区域熔炼制备高纯金属在未来的发展前景五、结论和建议5.1 研究结论5.2 未来研究方向5.3 关于区域熔炼制备高纯金属的建议和展望第一章综述介绍1.1 研究背景和意义作为高新技术的代表，高纯金属在各种领域中具有重要的应用，如半导体、光电、航天、电子等。
其制备技术也受到各界的关注和研究。
区域熔炼制备技术是一种重要的制备高纯金属的方法，在金属材料制备中具有广泛应用。
区域熔炼制备技术是通过对金属材料进行加热，并在特定环境条件下使其产生熔化，然后在熔体中进行某些化学反应或物理变化，最后从中分离出特定组成的金属材料制备方法。
区域熔炼制备高纯金属技术因其高纯度、高综合性能、可大规模生产等特点，广泛应用于高端材料领域。
1.2 研究目的和意义随着各行业技术的不断发展和追求材料的高性能需求，对高纯金属制备技术的发展提出了更高的要求。
本文旨在对区域熔炼制备高纯金属技术进行一次综述，总结区域熔炼制备高纯金属的关键工艺和控制方法，探讨区域熔炼制备高纯金属在现代制造中的应用和未来发展趋势，为高纯金属的制备技术研究提供重要参考。
1.3 研究现状和发展趋势目前，区域熔炼制备高纯金属技术已在高新技术行业中得到了广泛应用。
在微电子、半导体、医疗器械、光电、航天、电子等领域，高纯金属的应用越来越广泛。
因此，其研究和发展也得到了越来越多的关注。
随着新材料、先进制造技术的不断涌现，高纯金属制备技术也在不断发展。
悬浮区域熔炼法 区域熔炼法
悬浮区域熔炼法区域熔炼法区域熔炼法，又称悬浮区域熔炼法，是一种常用于冶炼金属的工艺方法。
该方法通过在熔炉内形成一个悬浮的熔池区域，使金属在高温条件下熔化并分离出杂质，从而得到纯净的金属产品。
区域熔炼法的工艺流程通常包括以下几个步骤：预处理、熔炼、分离和提纯。
首先，原料经过预处理，如破碎、磨粉等，以便提高熔炼效果。
然后将预处理后的原料投入到熔炉中，加热至金属熔点以上，形成一个悬浮的熔池区域。
在高温下，金属会熔化并与杂质分离，形成上下两层，上层为纯净的金属，下层为杂质和非金属物质。
接下来，通过不同的分离方法，如离心分离、电磁分离等，将上下两层分离。
最后，对上层纯净的金属进行进一步的提纯处理，以获得所需的最终产品。
区域熔炼法具有以下几个优点。
首先，该方法适用于多种金属的熔炼，包括铁、铜、铝等。
其次，由于金属与杂质在高温下分离，因此可以获得高纯度的金属产品。
再次，该方法对原料的适应性较强，可以处理各种形式的原料，如固体、粉末、液体等。
此外，区域熔炼法的反应速度较快，可大大提高生产效率。
然而，区域熔炼法也存在一些不足之处。
首先，由于熔炉内温度较高，操作环境恶劣，对设备要求较高，投资成本较大。
其次，由于杂质和非金属物质会沉积在熔池底部，需要定期清理，增加了维护成本和工作量。
再次，区域熔炼法对原料的粒度要求较高，不同粒度的原料会影响熔炼效果。
在实际应用中，区域熔炼法被广泛应用于金属冶炼领域。
例如，在炼铁过程中，可以使用区域熔炼法将矿石中的铁与杂质分离，得到纯净的铁。
在铜冶炼中，区域熔炼法可以将含铜的矿石熔炼成纯铜。
此外，该方法还可以用于废旧金属的回收利用，将废旧金属熔炼成再生金属，实现资源的循环利用。
区域熔炼法是一种常用的金属冶炼工艺方法，通过形成悬浮的熔池区域，使金属与杂质分离，得到纯净的金属产品。
该方法具有熔炼效果好、金属纯度高等优点，被广泛应用于金属冶炼领域。
随着科技的不断发展，区域熔炼法将进一步完善和改进，为金属冶炼提供更高效、环保的解决方案。
区域熔炼法
区域熔炼法1．原理据科学家蒲凡等研究，晶体在进行区域熔炼生长过程中，物质的输运驱动力来自于一种物质固相和液相之间的密度差。
若液相密度大于固相的密度差（熔化时体积收缩），物质则向熔区方向输运；否则，物质向相反方向输运，因此，区域熔炼技术可以控制或重新分配原料中的可溶性杂质或相。
利用一个或数个熔区在同一方向上重复通过原料烧结以除去有害杂质，也可利用区域致匀过程（熔区在正、反两个方向上反复通过）有效地消除分凝效应，将所期望的杂质均匀地掺入到晶体中去，并可在一定程度上控制和消除位错、包裹体之类的结构缺陷。
2．工艺区域熔炼法分两种：一种是有容器的区域熔炼（图2－7），另一种是无容器的区域熔炼。
宝石晶体的生长，多采用无坩埚区域熔炼法，亦叫浮区法（FZM）。
浮区法工艺过程为：把晶体材料先烧结或压制成棒状，然后用两个卡盘固定好。
将烧结棒垂直的投入保温管内，旋转并下降（或移动加速器），使棒料熔化。
熔融区处于漂浮状态，仅靠表面张力支撑而不使液体下坠，由此可获得纯化或重结晶的单晶。
目前感应加热方式在浮区法合成宝石晶体中应用最多，它既可在真空中应用，也可在任何惰性氧化或还原气氛中进行。
熔区移动可采用两种方式，一是原料烧结棒不动，加热器移动；二是加热器不动，原料烧结棒移动。
熔区温度的实际分布往往取决于功率和热源的特性，散热装置，烧结棒的热导率和液相中溶质的含量等。
总的要求是，熔区内的温度应大于原料熔化温度，熔区以外温度则应小于原料熔化温度。
3．特点（1）晶体无坩埚杂质污染；（2）晶体质量好，很少有包裹体和生长纹；（3）纯度高，内部非常洁净；（4）在晶体生长过程中若工艺条件突变，可使晶体中出现生长纹混乱，颜色不均匀等。
悬浮区域熔炼法 区域熔炼法
悬浮区域熔炼法区域熔炼法区域熔炼法是一种常用的冶金炼金工艺，也是一种重要的金属提取方法。
它通过在悬浮区域内进行熔炼操作，将金属从矿石中提取出来，从而实现金属资源的有效利用。
悬浮区域熔炼法是一种将金属从矿石中提取的方法。
它的原理是利用矿石中金属矿物的物理和化学性质的差异，通过加热熔融的方式，将金属从矿石中分离出来。
在悬浮区域熔炼法中，首先需要将矿石破碎成适当的粒度，并进行预处理。
预处理的目的是去除矿石中的杂质和非金属矿物，以提高金属的纯度和回收率。
常用的预处理方法包括矿石破碎、磁选、浮选等。
在熔炼过程中，需要将经过预处理的矿石与熔剂一起放入冶炼设备中，加热至一定温度。
熔剂的选择要根据矿石中金属的性质和熔点来确定，常用的熔剂有氧化铅、氧化铜等。
熔剂的作用是将金属从矿石中分离出来，并提高金属的纯度。
在悬浮区域熔炼法中，矿石和熔剂在冶炼设备中形成一种悬浮状态，这样可以有效地将金属从矿石中分离出来。
在悬浮的过程中，金属会因为自身的密度和重力的作用而下沉，而非金属矿物则会浮在悬浮区域的表面。
通过调整熔炼的温度和时间，可以控制金属的分离和回收效果。
一般情况下，金属的熔点较高，而非金属矿物的熔点较低，因此在熔炼过程中，金属会先熔化并下沉，而非金属矿物则会保持在悬浮区域的表面。
在熔炼结束后，需要对悬浮区域进行分离和处理。
一般情况下，金属会通过重力沉降到底部，而非金属矿物则会浮在悬浮区域的表面。
通过合理的分离设备和方法，可以将金属和非金属矿物分离开来，从而实现金属的回收和利用。
悬浮区域熔炼法具有操作简便、生产效率高、资源利用率高等优点。
它可以有效地提取金属资源，并减少对自然环境的影响。
因此，悬浮区域熔炼法在冶金、矿业等领域得到了广泛应用。
悬浮区域熔炼法是一种重要的金属提取方法，通过在悬浮区域内进行熔炼操作，将金属从矿石中提取出来。
它具有操作简便、生产效率高、资源利用率高等优点，对于金属资源的回收和利用具有重要意义。
区域熔炼的理论分析及实际应用
区域熔炼的理论分析及实际应用近年来，随着科技的发展，区域熔炼技术得到了持续的完善和发展，并逐步用于实际工业应用中。
区域熔炼技术是一种新型焊接技术，它通过聚焦激光源来熔化金属表面，从而实现熔炼焊接。
区域熔炼技术具有良好的焊接特性，其中包括高精度的熔深度控制、紧凑的焊缝性能、易焊材料、高焊接速度等特点。
区域熔炼技术是一种特殊的熔焊技术，该技术要求严格控制参数。
激光作用下，产生的高热能熔融焊接面，使得焊接质量受到极大的影响。
因此，对区域熔炼技术进行理论分析和合理设计是实际应用该技术时非常重要的。
首先，要分析区域熔炼技术的热过程，也就是焊接前后金属的温度分布。
焊接前后的温度分布情况，将直接影响焊接的质量，影响焊接的性能。
需要综合考虑激光束的质量和能量、焊接熔深度、坩埚形状以及焊接速度等参数，以便在焊接过程中获得最佳的焊接熔深度和焊接质量。
其次，要分析区域熔炼技术的拉伸强度，即金属表面熔化前后的强度变化情况。
在熔化焊接过程中，由于有熔深度和焊缝宽度这两个参数，使得材料的拉伸强度发生变化，这种变化也会直接影响焊接性能。
最后，要分析区域熔炼技术的弹性模量。
弹性模量是焊接后材料的强度，也是材料的刚度和变形行为的测试参数。
这是一个极为复杂的理论分析，必须根据材料表面的熔深度、焊缝宽度和焊接速度等参数来分析，从而得出最终的结论。
区域熔炼技术在实际工业应用中也受到了非常多的关注。
在航空、船舶、电力、汽车等领域，它都有着丰富的应用场景。
例如，它在航空航天领域被广泛用于飞机机舱和发动机的结构构件。
它也可以用于船舶的钢船结构，例如船舱、船底板等，以及用于汽车的发动机缸盖、火花塞和进气门等结构构件，也可以用于电力行业的压力容器和锅炉等高耐热件装配及焊接。
以上就是有关区域熔炼技术的理论分析及实际应用的全部内容。
可以看出，区域熔炼技术综合性强，具有许多特点，在实际工业应用中也有着极大的优势，可以让不同的材料焊接，可大大减少焊接工作量，提高焊接质量和效率。
区域熔炼原理
区域熔炼原理区域熔炼是一种重要的金属材料加工方法，通过在局部区域升高温度，使金属材料部分熔化，从而实现对金属材料的改性和加工。
区域熔炼原理是基于金属材料的熔点和热传导性质，利用热源对金属材料局部区域进行加热，使其达到熔化温度，并在一定条件下对熔化区域进行控制和加工。
首先，区域熔炼原理基于金属材料的熔点特性。
金属材料的熔点是指在一定压力下，金属材料由固态转变为液态的温度。
不同金属材料的熔点各不相同，对于同一种金属材料来说，其熔点也是一个固定的数值。
通过对金属材料局部区域的加热，可以使其达到熔点以上的温度，从而实现局部区域的熔化。
其次，区域熔炼原理还基于金属材料的热传导性质。
金属材料具有很好的热传导性，即热量在金属材料内部能够快速传播。
利用金属材料的热传导性，可以通过外部热源对金属材料局部区域进行加热，使热量迅速传导到整个材料内部，从而实现对局部区域的熔化。
在实际应用中，区域熔炼原理可以通过多种方式实现。
常见的方法包括激光熔化、电子束熔化、电弧熔化等。
这些方法都是通过对金属材料局部区域施加高能热源，使其达到熔点以上的温度，从而实现局部区域的熔化和加工。
在熔化过程中，可以通过控制热源的能量和加工条件，对熔化区域的温度、形状和结构进行精确控制，实现对金属材料的定向加工和改性。
区域熔炼原理在金属材料加工领域具有重要的应用价值。
通过区域熔炼，可以实现对金属材料局部区域的精确加工和改性，提高材料的性能和加工精度。
同时，区域熔炼还可以实现对金属材料的局部修复和再制造，延长材料的使用寿命，减少资源浪费。
因此，区域熔炼原理在航空航天、汽车制造、电子器件等领域具有广泛的应用前景。
总之，区域熔炼原理是基于金属材料的熔点和热传导性质，利用外部热源对金属材料局部区域进行加热，实现局部区域的熔化和加工的重要原理。
通过对区域熔炼原理的深入理解和应用，可以实现对金属材料的精确加工和改性，推动金属材料加工技术的发展和进步。
区域熔炼原理
区域熔炼原理
区域熔炼是一种重要的金属材料加工方法，它通过局部加热金
属材料，使其达到熔点并在熔化状态下进行加工。
区域熔炼原理是
基于热力学和物理学的基本原理，下面将详细介绍区域熔炼的原理
及其应用。
首先，区域熔炼的原理基于热传导和热平衡的基本规律。
当金
属材料受到局部加热时，热量会向周围传导，使得局部区域的温度
升高。
当温度达到金属材料的熔点时，金属材料就会开始熔化。
在
熔化状态下，金属材料的性质发生了变化，变得更加易于加工和塑
性变形。
其次，区域熔炼的原理还涉及到热力学的基本原理。
根据热力
学第一定律，能量守恒的原理，局部加热金属材料时，所施加的热
量会被转化为金属材料内部的热能，使得其温度升高。
而根据热力
学第二定律，热量会自高温区传导到低温区，直到达到热平衡。
因此，区域熔炼的原理是基于热量传导和热平衡的基本规律来实现的。
最后，区域熔炼原理的应用非常广泛。
在金属材料加工领域，
区域熔炼被广泛应用于焊接、热处理、表面改性等工艺中。
通过局
部加热金属材料，可以实现对焊接接头的精确控制，提高焊接质量
和效率；通过局部加热金属材料，可以实现对金属材料的局部调质、淬火等热处理工艺；通过局部加热金属材料，可以实现对金属材料
表面的改性，提高其硬度、耐磨性等性能。
总之，区域熔炼原理是基于热传导、热平衡和热力学的基本原
理来实现的，它在金属材料加工领域有着重要的应用价值。
通过对
区域熔炼原理的深入理解，可以更好地指导实际工程中的加工操作，提高金属材料加工的质量和效率。
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Hale Waihona Puke 1a目录简介 区域熔炼技术的原理 区域熔炼的影响因素 区域熔炼的设备 区域熔炼技术的应用 结语
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a
简介
区域熔炼法，又称区域提纯。是一种提纯金属、半 导体、有机化合物的方法。
将材料制成细棒，用高频感应加热，使一小段固体 熔融成液态。熔融区慢慢从放置材料的一端向另一 端移动。在熔融区的末端，固体重结晶，而含杂质 部分因比纯质的熔点略低，较难凝固，便富集于前 端。
4
a
区域熔炼的第一个重要应用是W．G．Pfann纯化在 晶体管所用的元素锗，经过50多年的发展，区域熔 炼已经发展成为制备高纯材料的重要方法。目前1 ／3的元素和数百种无机、有机化合物都能通过区 域熔炼提纯到很高的纯度。
事实上，任何晶状物质只要能稳定的熔化，并且在 液体与凝固的固体之间能显示出不同的杂质浓度都 可以应用区域熔炼方法进行提纯。
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a
区域熔炼技术的原理
一次区域提纯往往不能达到所要求的纯度，提纯过 程需要重复多次或者用一系列的加热器，在一个锭 条上产生多个熔区，让这些熔区在一次操作中先后 通过锭料。经过熔区多次通过以后，区域纯化的效 率将会越来越低，直至溶质的分布达到一个恒稳状 态或极限分布，这就表示所能获得的最大分离。
7
a
区域熔炼技术的原理
由于从熔区右端熔化面熔入的杂质大于左端凝固面 进入固相的杂质而右端又慢慢熔化，则熔区中的杂 质浓度就会随着熔区移动不断增加，相应析出得固 相杂质浓度也增加。
当熔区杂质浓度增加到CL=C0／K时，进入熔区和离 开熔区杂质是相等的，这样区熔就进入一个浓度均 匀区，直到最后一个熔区中杂质急剧增加，一次通 过后锭料的杂质浓度分布如图2所示。
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区域熔炼技术的原理
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a
区域熔炼技术的原理
单熔区一次通过沿锭长的杂质分布，由瑞德方程得 出
式中：C-固体中的杂质浓度，x-从开始端算起的距 离。
除最后一个熔区长度以外，这个方程在原料所有的 地方都是有效的。不同分布系数的杂质经过一次区 熔后锭料的各部分杂质分布可以从图3看出。
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a
区域熔炼技术的原理
在决定熔区的速率f时，必须同时从理论上和经济 上加以考虑。一般来说，大的f值可使每次通过的 时间少；但是增加f也会引起分布系数K接近于1， 因而降低熔区通过的效率。反之，小的f值可使Keff 一K0，有利于杂质的分凝和提纯，但速度慢，会降 低生产效率。因此，为了最有效的提纯，必须同时 考虑熔化次数n和移动速率f，使得n／f的值最小， 它的意义就是：用尽可能少的次数和尽快的速度进 行区域熔炼，已达到最佳的效果。
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区域熔炼技术的原理总结
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区域熔炼技术的原理总结
对于k＞1的情况，杂志由固相向液相迁移。在熔区 向右移动过程中，熔区左侧金属凝固，熔区内的杂 质在固相中富集，由于杂质在固相内不能随熔区右 移，也不能向次左侧凝固区迁移，因此熔区通过棒 锭一次后，相当于把棒锭最右侧L（熔区宽）长度 内杂质均匀分布在左侧x-L长度内范围内。
高纯材料的制备分为物理精炼和化学精炼。物理精炼主 要有区域熔炼法、结晶法等；化学精炼主要有电解法、 真空蒸馏、离子交换法等。化学精炼提纯法由于容器与 材料中杂质的污染，使得到的金属纯度受到一定的限制， 只有用化学方法将金属提纯到一定纯度之后，再用物理 方法如区熔提纯，才能将金属纯度提到一个新的高度。
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区域熔炼的影响因素
在区域熔炼提纯中，主要有两种参数，一种是材料 的参量如物质的分配系数K，分配系数对于区域熔 炼是一个非常重要的参量。它的大小是与凝固速度 有关，凝固速度越快，杂质就越没有充分的机会往 溶液中扩散，于是就较多地停留在凝固的金属中。 如果凝固速度很慢，固液两相中杂质均可以充分扩 散；在所谓的平衡条件下凝固，此时，杂质的分配 系数称为平衡分配系数，用K0表示。而在实际过程 中，凝固不会很慢，即不可能达到平衡状态，此时 的分配系数称为有效分配系数，用Keff表示。
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区域熔炼的影响因素
1953年伯顿(Burton)、普里(Prim)斯里奇特(Slichter) 分析讨论，推出Keff和K0的关系，即BPS公式。
在实际的区熔过程中分配系数不是恒定不变的。
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区域熔炼的影响因素
另一种是仪器的参量如熔区的移动速率f、熔区长 度l、熔化次数n、熔区间距i、锭料长度L等。
进行一次提纯后，提纯区域为最右侧L长度范围， 进行两次提纯后，提纯区域为最右侧L+θ（θ＜L） 长度范围，进行三次提纯后，提纯区域为最右侧 2L+θ’ (θ’＜L)长度范围，依次类推，因此至少被提 纯S/L次才能将杂质富集于最左端。
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区域熔炼技术的原理总结
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区域熔炼的影响因素
区域熔炼的实际过程面临很多问题，这个方法需要 不断的熔化、凝固、分离，再熔化、再凝固、再分 离等许多重复的操作。而这些的操作既要方便、高 效，还应该避免锭料受到污染。
此法可生产纯度达99.999%的材料，且一次达不到 要求，可以重复操作。此法设备与操作简单，且可 自动化。
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当今科学技术的飞速发展，电子工业、半导体行业等尖 端技术对材料的要求越来越高，尤其对所使用的基本材 料的纯度要求特别高。就材料本身而言，一直认为材料 的某种独特性质是取决于杂质的含量，纯度越高的金属 往往改变材料的性质。因此为了发现有色金属及其化合 物的光、电、磁等潜在性质，也需要更高纯度的金属。
极限分布方程可由 常数
表示，其中A和B都是
式中：C0-平均杂质浓度；L-锭长；l-熔区长度。
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区域熔炼技术的原理总结
对于K＜1的情况，此时析出的固相中杂质的含量比 原来的少，同时杂质在熔化区富集。这样，当加热 环均匀的移动到右端以后，杂质富集在右端。然后 将加热环放到左端再重复以上过程，如此多次操作， 则棒锭中的杂质就会被定向的“赶”到右端，从而 使棒锭金属达到提纯的目的。
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区域熔炼技术的原理
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区域熔炼技术的原理
区域熔炼是利用杂质在金属的凝固态和熔融态中溶 解度的差别，使杂质析出或改变其分布的一种方法。 当固液共存时，杂质在固相中的浓度C0和液相中的 浓度CL是不相同的，两者之比称为分布系数，即K= C0／ CL
假设锭料的初始浓度为C0，在锭料中保持一个(或数 个)熔区，并使熔区从一端缓慢移动到另一端。在 熔区从左端向右端移动过程中，左端慢慢凝固，而 凝固出来的固相杂质浓度为CS，最左端熔区中CL=Co， 如果K<1，则固态杂质浓度为CS=KCL<C0，可见，开 始凝固部分的纯度有所提高。