採用懸浮熔煉提純物質的方法與流程
2023-08-22 18:37:36
本發明涉及提純技術領域，特別是涉及採用懸浮熔煉提純物質的方法。
背景技術：
隨著國民經濟的發展，高純物質(金屬和非金屬)的研究和生產也得到了迅猛的發展，同時對物質純度的要求也越來越高。傳統的提純物質的方法，製備的物質的純度不夠高，對於飽和蒸汽壓與待提純物質的飽和蒸汽壓接近的雜質，以及在真空度一定，而合金液溫度達不到雜質揮發的飽和蒸汽壓所需要的溫度時，雜質很難去除。物質的純度對物質的性能影響很大，因此，亟需一種能夠去除待提純物質原材料中飽和蒸汽壓與待提純物質相近的雜質的方法。
技術實現要素：
基於此，有必要針對傳統的提純方法製備的物質純度不夠高的問題，提供一種採用懸浮熔煉提純物質的方法。
一種採用懸浮熔煉提純物質的方法，包括以下步驟：
s100，提供真空懸浮熔煉裝置；
s200，將待提純物質原料及金屬置入所述真空懸浮熔煉裝置中，所述待提純物質原料中存在雜質，所述雜質與所述待提純物質的飽和蒸汽壓與溫度的關係曲線接近，所述金屬的熔點高於所述待提純物質；以及
s300，通過所述真空懸浮熔煉裝置加熱，使所述待提純物質蒸發，從而與所述雜質及所述金屬分離。
在其中一個實施例中，所述金屬包括鎢、鉭、鉬、鈮、鉿、鉻、釩、鋯及鈦中的至少一種。
在其中一個實施例中，所述待提純物質包括矽、鐵、鉿、錫。
在其中一個實施例中，所述雜質為鈦、磷、錫、銻或銅。
在其中一個實施例中，在所述步驟s200後及所述步驟s300前，還包括步驟s400：
對所述真空懸浮熔煉裝置進行氣壓調節處理，使所述真空懸浮熔煉裝置內氣壓為10-5～2×10-3pa；
對所述待提純物質原料進行粗提純，將所述真空懸浮熔煉裝置加熱到第一溫度，並持續抽氣，使低熔點雜質蒸發，從所述真空懸浮熔煉裝置中抽出去除；以及
冷卻所述真空懸浮熔煉裝置，使所述粗提純所得產物凝固。
在其中一個實施例中，所述氣壓調節處理包括，對所述真空懸浮熔煉裝置進行抽氣至氣壓為10-5～2×10-3pa，充入惰性氣體，再抽氣至氣壓為10-5～2×10-3pa。
在其中一個實施例中，步驟s300包括，在所述真空懸浮熔煉裝置內的氣壓為10-5～2×10-3pa時，對所述粗提純所得產物進行精提純，將所述真空懸浮熔煉裝置加熱到第二溫度，使所述待提純物質蒸發。
在其中一個實施例中，所述待提純物質為矽，所述第一溫度為600～800℃，所述第二溫度為3000～3500℃。
在其中一個實施例中，所述精提純，通過分次加熱，使所述真空懸浮熔煉裝置達到所述第二溫度。
在其中一個實施例中，所述真空懸浮熔煉裝置包括真空爐體，設置於所述真空爐體內的銅坩堝、蒸發收集罩、電磁感應線圈及冷卻水系統，所述蒸發收集罩罩設在所述銅坩堝的上方，所述電磁感應線圈設置在所述銅坩堝的外圍，所述冷卻水系統設置在所述銅坩堝的底部，所述銅坩堝為分瓣結構，分瓣數為24至30瓣，各分瓣結構均設置有冷卻水通道，所述待提純物質及所述金屬設置在所述銅坩堝內。
本發明的採用懸浮熔煉提純物質的方法，通過將金屬加入真空懸浮熔煉裝置中，提高待提純物質原料的熔液溫度，使雜質與待提純物質的飽和蒸汽壓與溫度的關係曲線差距增大，待提純物質與雜質的飽和蒸汽壓差值增大，使待提純物質易於與雜質分離，提高了所得物質的純度。
附圖說明
圖1為本發明實施例的採用懸浮熔煉提純物質的方法的流程圖；
圖2為本發明實施例所用提純裝置。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及技術效果更加清楚明白，以下結合附圖對本發明的具體實施例進行描述。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
請參閱圖1，本發明提供一種採用懸浮熔煉提純物質的方法，包括
s100，提供真空懸浮熔煉裝置；
s200，將待提純物質原料及金屬置入真空懸浮熔煉裝置中，待提純物質原料中存在雜質，雜質與待提純物質的飽和蒸汽壓與溫度的關係曲線接近，金屬的熔點高於待提純物質；以及
s300，通過真空懸浮熔煉裝置加熱，使待提純物質蒸發，從而與雜質及金屬分離。
待提純物質原料中存在雜質，雜質與所述待提純物質存在飽和蒸汽壓差異和沸點差異。雜質包括難除雜質，由於難除雜質的飽和蒸汽壓與溫度的關係曲線(lgp-t)與待提純物質的lgp-t關係曲線接近，當待提純物質原料熔液的溫度，使待提純物質達到飽和蒸汽壓後，待提純物質逐漸蒸發，在待提純物質揮發前或/和逐漸蒸發的過程中，難除雜質也會逐漸蒸發，因此，很難實現難除雜質與待提純物質的分離。
懸浮熔煉中，通過坩堝外圍的感應線圈產生磁場，磁場切割待提純物質原料產生感應電流，使待提純物質原料自身加熱並熔化，由於待提純物質原料自身的電阻是一定的，因此，待提純物質原料熔液的溫度取決於待提純物質原料中最高熔點的金屬的溫度。本發明採用懸浮熔煉提純物質的方法，在提純過程中，加入金屬，隨著金屬的逐漸融化，可以提高待提純物質原料的熔液溫度，可以增大待提純物質的飽和蒸汽壓，進而使待提純物質更容易蒸發；同時使待提純物質與雜質的飽和蒸汽壓差值增大、飽和蒸汽壓與溫度的關係曲線相離變遠，待提純物質與雜質的蒸發過程不重合，從而提高待提純物質被提純後的純度。
步驟s200中，金屬為難熔金屬，難熔金屬可以為鎢、鉭、鉬、鈮、鉿、鉻、釩、鋯及鈦中的至少一種。
待提純物質可以為矽、鐵、鉿或錫等活性金屬；對應地，雜質為難除雜質，難除雜質為鈦、磷、錫、銻或銅。
優選地，步驟s200中，包括對待提純物質原料進行預處理，以除去待提純物質原料表面的灰塵等雜質。預處理可以為清洗。具體地，可以用有機溶劑例如酒精、丙酮等，對待提純物質原料進行清洗。清洗之後，還可將待提純物質原料切割，切割為多個塊狀。
採用懸浮熔煉提純物質的方法，還可以包括：在步驟s200後，步驟s300前，還包括步驟s400：對真空懸浮熔煉裝置進行氣壓調節處理，使真空懸浮熔煉裝置內氣壓為10-5～2×10-3pa；
對待提純物質原料進行粗提純，將真空懸浮熔煉裝置加熱到第一溫度，並持續抽氣，使低熔點雜質蒸發，從所述真空懸浮熔煉裝置中抽出去除；以及
冷卻真空懸浮熔煉裝置，使粗提純所得產物凝固。
優選地，氣壓調節處理為，對真空懸浮熔煉裝置進行抽氣至氣壓為10-5～2×10-3pa後，進行洗氣操作。洗氣操作包括，衝入一個大氣壓的惰性氣體，再抽真空至氣壓為10-5～2×10-3pa。衝入惰性氣體可以進行熔煉保護，防止矽原料熔化過程中液體飛濺。優選的，惰性氣體為氮氣或氬氣。
具體地，根據待提純物質原料中低熔點雜質和待提純金屬的飽和蒸氣壓與溫度(lgp-t)的關係曲線，確定第一溫度。
步驟s300包括，在真空懸浮熔煉裝置內氣壓為10-5～2×10-3pa，對粗提純所得產物進行精提純，將真空懸浮熔煉裝置加熱到第二溫度，使待提純物質蒸發，與難除雜質及難熔金屬分離。
具體地，根據待提純物質原料中難除雜質和待提純物質的飽和蒸氣壓與溫度(lgp-t)的關係曲線，確定第二溫度。根據第二溫度以及難熔金屬的熔點，選擇難熔金屬的種類和添加質量。
優選地，第二溫度可以分次均勻增加。分次均勻增加溫度，可以使待提純物質原料均勻受熱，防止溫度增加過大使待提純物質原料在熔化過程中飛濺。根據待提純物質原料熔液的熔化情況和懸浮情況來調節單次溫度的增加量。
精提純操作可以分多次進行，例如3-5次。單次加熱完成之後需冷卻提純裝置，使待提純物質原料冷卻，再進行下一次加熱。多次加熱可以更好地實現待提純物質的蒸發，提高待提純物質被提純後的純度。
在其中一個實施例中，待提純物質為矽，難熔金屬可以為鈮。具體地，在步驟s400中，第一溫度為800℃；對應地，步驟s300中，難除雜質為鈦，第二溫度為3500℃。
優選地，精提純操作中，加熱所用的電流強度可以從0開始，分次均勻增加，每次增加10-20a，從0增加至100a。待矽原料熔液溫度達到第二溫度後，加熱2-3min，並冷卻真空懸浮熔煉裝置，待矽原料冷卻後，重複精提純3-5次，以使矽蒸發，並以蒸汽狀態被收集。
請參閱圖2，本發明所用的真空懸浮熔煉裝置包括真空爐體1，設置於真空爐體1內的銅坩堝2、蒸發收集罩3、電磁感應線圈4、冷卻水系統，蒸發收集罩3罩設在銅坩堝2的上方，電磁感應線圈4設置在銅坩堝2的外圍，冷卻水系統設置在銅坩堝的底部。其中，銅坩堝2為分瓣結構，分瓣數為24至30瓣，各分瓣結構均設置有冷卻水通道。具體地，待提純物質原料及難熔金屬設置在銅坩堝2內。
冷卻水系統包括坩堝瓣進水管51，坩堝瓣出水管52，冷卻水套53，水套進水管54，水套出水管55。
本發明所用的銅坩堝的瓣數高於傳統的坩堝，可達24至30瓣，且每個坩堝分瓣結構內均有冷卻水通道，坩堝瓣冷卻水通道相互獨立，提高了冷卻效果，耐受難熔金屬的熔化溫度，可以防止提純過程中坩堝熔化，提高提純效率。
實施例
提供純度為99.80wt.％的工業矽原料以及難熔金屬鈮，工業矽原料包括低熔點雜質p、al、ga，以及難除雜質ti。採用丙酮清洗該工業矽原料及難熔金屬，將清洗過的矽原料和難熔金屬切割成小塊，放置到銅坩堝內，關閉爐體，調節爐體內氣壓。當爐體內氣壓達到2.0×10-3pa後，停止抽真空，並充入一個大氣壓的氬氣，再抽真空至爐體內氣壓達到2.0×10-3pa。調整電流強度，使矽原料能夠懸浮或準懸浮在銅坩堝中。採用30a的電流加熱爐內料塊，使料塊溫度到達第一溫度800℃，使p、al、ga和清洗殘留的丙酮達到飽和蒸汽壓，以該電流加熱料塊2min，直至p、al、ga和丙酮逐漸蒸發完畢，並被真空系統抽走，完成對矽原料的粗提純。關閉電源並冷卻銅坩堝，使粗提純所得產物凝固。
抽氣至爐體內氣壓為2.0×10-3pa後停止，再充入一個大氣壓的氬氣，再抽真空至爐體內氣壓達到2.0×10-3pa。逐步增加電流值從0～100a，每次調節20a，至矽原料熔液溫度均勻。再逐步增加電流至170a，矽原料熔液溫度達到3500℃，以該電流加熱3min；再關閉電源，使矽原料冷卻凝固，重複加熱3次，至矽完全蒸發，蒸發的矽元素凝固在蒸發收集罩上，完成對矽原料的精提純。所得矽的純度為99.98wt.％，ti雜質小於0.1wt.％，p雜質小於0.0001wt.％，al雜質小於0.0001wt.％，ca雜質小於0.0001wt.％。
以上所述實施例的各技術特徵可以進行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各個技術特徵所有可能的組合都進行描述，然而，只要這些技術特徵的組合不存在矛盾，都應當認為是本說明書記載的範圍。
以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但並不能因此而理解為對發明專利範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保護範圍。因此，本發明專利的保護範圍應以所附權利要求為準。