一種製備6n高純鋁的方法
2023-05-02 14:32:01
一種製備6n高純鋁的方法
【專利摘要】本發明屬於材料製備領域，具體為真空揮發法和區域熔煉法製備6N高純鋁的方法。該方法為：將原料鋁在真空煅燒爐中融化後進行真空揮發，控制揮發溫度為800—850℃；在氬氣保護下進行水平區域熔煉提純，控制熔區寬度30—50mm；然後對鋁錠的表面進行處理；最後將清洗後的鋁錠裝入石英舟，在真空煅燒爐中加熱到450—550℃。本方法操作簡單，使用設備簡便，工藝成本低廉，可製備出6N高純鋁，填補國內6N高純鋁的空白。
【專利說明】一種製備6N高純鋁的方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬於材料製備領域，具體為一種採用真空揮發法和區域熔煉法製備6N高 純鋁的方法。
【背景技術】
[0002] 6N高純鋁主要應用於半導體工業及超導體，其中半導體工業約佔96%，用於超導 體約佔4%。主要應用包括：1、陰極濺鍍靶。2、集成電路配線。3、光電子存儲媒體。4、航空 航天領域。高純鋁的最大應用領域是生產電子鋁箔，用於製造鋁電解電容器，其消耗的高純 鋁量約為高純鋁總產量的80%。從高純鋁的應用方面以及市場需求情況考慮，開展6N高純 鋁的研製迫在眉睫。
[0003] 目前國內外生產高純鋁主要採用三層電解法以及偏析法。通過三層電解法可以達 到4N產品，通過偏析法可以提純5N以上的產品。本文是採用真空揮發法及區域熔煉法制 備6N商純錯。
[0004]
【發明內容】
[0005] 本發明的目的在於針對以上技術問題，提供一種操作簡單、成本較低，環境汙染小 的製備6N高純鋁的方法。
[0006] 本發明目的通過下述技術方案來實現： 一種製備6N高純鋁的方法，該方法以5N原料鋁作為原料，然後將原料鋁在真空煅燒爐 中融化後進行真空揮發，控制煅燒溫度為800- 850°C ;在氬氣保護下進行水平區域熔煉提 純，控制熔區寬度30- 50mm ;然後對鋁錠的表面進行處理；最後將清洗後的鋁錠裝入石英 舟，在真空煅燒爐中加熱到450- 550°C。
[0007] 製備6N高純鋁的方法，該方法以5N原料鋁作為原料，具體包括以下步驟： (1)首先將原料鋁在真空煅燒爐中融化後進行真空揮發 將圓柱狀錯澱，錯澱的Φ可以為35mm，每澱約1.6kg，裝入區溶石墨舟，石墨純度大於 4N，再將裝有鋁錠的石墨舟裝入煅燒爐的石英管內，進行真空揮發，真空度達到I X KT3Pa 及以上，控制揮發溫度800- 850°C，揮發時間120- 170h。這是由於鎂、鋅等雜質在鋁中的 分離係數Ktl分別為0. 5和0. 4,均接近於1，僅通過區域熔煉法，雜質鎂、鋅的含量分別只能 降低到lppm、0. 4ppm，均不滿足6N高純鋁質量標準，因此，雜質鎂、鋅難以通過後續的區域 熔煉分離出來，而它們在IX KT3Pa真空狀態下沸點較低，均低於500°C，因此，可以通過真 空揮發與主體金屬分離。
[0008] (2)在氬氣保護下進行區域熔煉提純。
[0009] a、將真空揮發後裝有鋁錠的石墨舟裝入區熔車的石英管內，將料舟送入水平區熔 管中部，套上石英管帽，用生膠帶包紮密封，然後將區熔車加熱器的主加熱區與行車向反方 向移至鋁錠頭端，並連接好氬氣管道系統。
[0010] b、開啟氬氣閥，通氬氣，調節氬氣流量為300-400mL/min，l小時後開啟加熱器進 行升溫，主加熱區溫度控制850- 870°C，兩側輔加熱區溫度控制560- 580°C，待形成熔區 後。調節三段加熱區的溫度，主加熱區溫度控制830-850°C，兩側輔加熱區溫度控制540- 560°C，控制熔區寬度為30-50mm，行車速度8± lmm/h。
[0011] c、行車至舟尾，停止加熱。熔區凝固後返車回首端，開始第二次區熔作業(參考b 步驟)，區熔進行10 -15次。
[0012] d、區熔完成10 -15次後進行第一次去頭尾，關閉氬氣閥，取下石英帽，取出鋁錠， 將鋁錠裝入去頭石墨舟中部(去頭石墨舟結構見附圖圖4)，鋁錠的頭尾在去頭石墨舟中處 於懸空狀態，再將裝有鋁錠的舟放入到區熔車石英管內，移動區熔車主加熱區至鋁錠端頭， 並連接好氬氣管道系統，開啟氬氣閥，通氬氣，調節氬氣流量為300-400mL/min，l小時後開 啟加熱器進行升溫，主加熱區溫度控制850- 870°C，兩側輔加熱區溫度控制560- 580°C， 由於鋁錠端頭懸空，待鋁錠端頭融化後，鋁液掉入石墨舟底部，完成去頭。移動區熔車主加 熱區至鋁錠端尾，採用與去頭同樣的方法去除鋁錠尾料。去頭尾量：15-20 (質量％)。
[0013] e、鋁錠完成第一次去頭尾後，冷卻到室溫，關閉氬氣閥，取下石英帽，取出鋁錠，將 去完頭尾料的鋁錠再次進行區熔(參考b、c步驟)，區熔進行8 -10次，進行第二次去頭尾， 方法同d步驟。
[0014] (1)鋁錠完成區熔及去頭後，對鋁錠的表面進行處理。將鋁錠放入事 先配好的清洗液中，水浴加熱至90- 100°C，3-5min後停止加熱，待冷卻後用去離子水 清洗鋁錠至中性。清洗液配製方法：磷酸(優級純)、硝酸(優級純)、硫酸(優級純）分別按 70-80%、10-15%、10-15% 的（體積）比例配製。
[0015] (2)將清洗後的鋁錠裝入石英舟在真空煅燒爐中加熱到450- 550°C，此時鋁錠沒有融化，恆溫時間為6- 8h後，待冷卻到室溫，取出鋁錠，進行真空 封裝。
[0016] 由於鎂、鋅等雜質在鋁中的分離係數Ktl接近於1，難以通過後續的區域熔煉分離出 來，在I X KT3Pa真空狀態下沸點較低，均低於500°C，因此，可以通過真空揮發與主體金屬 分離。
[0017] 鋁的物理性質決定了高熔點、導熱效果好，採用普通的區域熔煉的方式很難把鋁 熔化，或者熔化後很難快速凝固，無法達到區域熔煉提純效果。所以需要對水平區域熔煉所 採用的區熔車加熱器進行改進，具體改進加熱器的結構為：加熱器部分分為未熔區、熔化區 再凝固區，其中，在未熔區和再凝固區均設置輔助加熱設備進行輔助加熱，在熔化區設置主 加熱線圈進行主加熱。通過輔加熱抑制熔區範圍內的熱量向兩側進行擴散，以達到快速融 化的效果，通過合理設定兩側輔加熱區的溫度保證再凝固區快速凝固。
[0018] 本工藝中的區域熔煉法提純，也是提純至6N產品的難點所在，是由於鋁的物理性 質決定了高熔點、導熱效果好，採用普通的區域熔煉的方式很難把鋁熔化，或者熔化後很難 快速凝固，無法達到提純效果。該項目的創新點在於使用普通的區溶車對加熱器進行改進 的情況下進行水平區熔提純，同時將真空揮發法與區熔提純法交叉進行。加熱器中分為三 部分，中間為主加熱，兩側為輔加熱，通過輔加熱抑制熔區範圍內的熱量向兩側進行擴散， 以達到快速融化的效果，通過合理設定兩側輔加熱區的溫度保證再凝固區快速凝固，熔區 能夠穩定在30- 50mm。另一個關鍵點在於去頭石墨舟的設計以及去除頭尾料的方法，由於 鋁的延展性能較好，如果通過機械的方法進行去除頭尾料，既難以實現，又容易帶入新的雜 質。採用本專利設計的去頭石墨舟去除頭尾料，兩段鋁錠融化後，由於重力的作用，掉入石 墨舟底部，完成頭尾料的去除，且整個過程在區熔車上進行，加熱器可以水平移動，頭尾去 除量也可以較好的控制。本專利採用的去除頭尾料的方法，在氬氣保護狀態下進行，可以避 免帶入新的雜質。
[0019] 本發明的積極效果體現在： 本方法操作簡單，使用設備簡便，工藝成本低廉，可製備出6N高純鋁，填補國內6N高純 鋁的空白。
[0020]
【專利附圖】
【附圖說明】： 圖1為區熔車加熱器的結構示意圖； 其中，1-未熔區、2--熔化區、3--再凝固區、4--輔助加熱設備、5--主加熱 線圈。
[0021] 圖2為區熔石墨舟的結構示意圖； 圖3為去頭石墨舟的結構不意圖。
[0022]
【具體實施方式】
[0023] 本說明書(包括任何附加權利要求、摘要）中公開的任一特徵，除非特別敘述，均可 被其他等效或具有類似目的的替代特徵加以替換。即，除非特別敘述，每個特徵只是一系列 等效或類似特徵中的一個例子而已。
[0024] 實施例1 : (1)將原料鋁在真空煅燒爐中融化後進行真空揮發 將圓柱狀鋁錠，Φ35πιπι，每錠約1.6kg，裝入區熔石墨舟，區熔石墨舟中石墨純度大於 4N，區熔石墨舟圖紙見圖2,再將裝有鋁錠的石墨舟裝入煅燒爐的石英管內，進行真空揮發， 真空度達到1父10^^及以上，控制揮發溫度8101：，揮發時間14011。
[0025] (2)在氬氣保護下進行區域熔煉提純。
[0026] a、將真空揮發後裝有鋁錠的石墨舟裝入區熔車的石英管內，將料舟送入水平區熔 管中部，套上石英管帽，用生膠帶包紮密封，然後將區熔車加熱器的主加熱區與行車向反方 向移至鋁錠頭端，並連接好氬氣管道系統。
[0027] b、開啟氬氣閥，通氬氣，調節氬氣流量為350_380mL/min，l小時後開啟加熱器進 行升溫，主加熱區溫度控制850°C左右，兩側輔加熱區溫度控制560°C左右，待形成熔區後。 調節三段加熱區的溫度，主加熱區溫度控制845°C，兩側輔加熱區溫度控制560°C，控制熔 區寬度約為40mm，行車速度8 ± lmm/h。
[0028] c、行車至舟尾，停止加熱。熔區凝固後返車回首端，開始第二次區熔作業(參考b 步驟)，區熔進行13次。
[0029] d、區熔完成13次後進行第一次去頭尾，關閉氬氣閥，取下石英帽，取出鋁錠，將鋁 錠裝入去頭石墨舟中部(去頭石墨舟結構見圖3)，鋁錠的頭尾在去頭石墨舟中處於懸空狀 態，再將裝有鋁錠的舟放入到區熔車石英管內，移動區熔車主加熱區至鋁錠端頭，並連接好 氬氣管道系統，開啟氬氣閥，通氬氣，調節氬氣流量為350mL/min，l小時後開啟加熱器進行 升溫，主加熱區溫度控制860°C，兩側輔加熱區溫度控制560°C，由於鋁錠端頭懸空，待鋁錠 端頭融化後，鋁液掉入石墨舟底部，完成去頭。移動區熔車主加熱區至鋁錠端尾，採用與去 頭同樣的方法去除鋁錠尾料。頭尾總共去掉15% - 20%，重量比。
[0030] e、鋁錠完成第一次去頭尾後，冷卻到室溫，關閉氬氣閥，取下石英帽，取出鋁錠，將 去完頭尾料的鋁錠再次進行區熔(參考b、c步驟)，區熔進行8次，進行第二次去頭尾，方法 同d步驟。
[0031] (3)鋁錠完成區熔及去頭後，對鋁錠的表面進行處理。將鋁錠放入事 先配好的清洗液中，水浴加熱至90°C，3min後停止加熱，待冷卻後用去離子水清洗鋁 錠至中性。清洗液配製方法：磷酸(優級純)、硝酸(優級純)、硫酸(優級純）分別按7 :1. 5 : 1. 5的體積比配製。
[0032] (4)將清洗後的鋁錠裝入石英舟在真空煅燒爐中加熱到470°C，此時 鋁錠沒有融化，恆溫時間為7h後，待冷卻到室溫，取出鋁錠，進行真空封裝，即製備出 6N商純錯。
[0033] 實施例2 : (1)將原料鋁在真空煅燒爐中融化後進行真空揮發。
[0034] 將圓柱狀鋁錠，Φ 35mm，每錠約I. 6kg，裝入區熔石墨舟，區熔石墨舟中石墨純度大 於4N，區熔石墨舟圖紙見圖2,再將裝有鋁錠的石墨舟裝入煅燒爐的石英管內，進行真空揮 發，真空度達到1父10^^及以上，控制揮發溫度8301：，揮發時間17011。
[0035] (2)在氬氣保護下進行區域熔煉提純。
[0036] a、將真空揮發後裝有鋁錠的石墨舟裝入區熔車的石英管內，將料舟送入水平區熔 管中部，套上石英管帽，用生膠帶包紮密封，然後將區熔車加熱器的主加熱區與行車向反方 向移至鋁錠頭端，並連接好氬氣管道系統。
[0037] b、開啟氬氣閥，通氬氣，調節氬氣流量為380mL/min，l小時後開啟加熱器進行升 溫，主加熱區溫度控制870°C，兩側輔加熱區溫度控制570°C，待形成熔區後。調節三段加 熱區的溫度，主加熱區溫度控制845°C，兩側輔加熱區溫度控制560°C，控制熔區寬度約為 50mm，行車速度 8 土 lmm/h。
[0038] c、行車至舟尾，停止加熱。熔區凝固後返車回首端，開始第二次區熔作業(參考b 步驟)，區熔進行15次。
[0039] d、區熔完成15次後進行第一次去頭尾，關閉氬氣閥，取下石英帽，取出鋁錠，將鋁 錠裝入去頭石墨舟中部(去頭石墨舟結構見圖3)，鋁錠的頭尾在去頭石墨舟中處於懸空狀 態，再將裝有鋁錠的舟放入到區熔車石英管內，移動區熔車主加熱區至鋁錠端頭，並連接好 氬氣管道系統，開啟氬氣閥，通氬氣，調節氬氣流量為380mL/min，l小時後開啟加熱器進行 升溫，主加熱區溫度控制870°C，兩側輔加熱區溫度控制570°C，由於鋁錠端頭懸空，待鋁錠 端頭融化後，鋁液掉入石墨舟底部，完成去頭。移動區熔車主加熱區至鋁錠端尾，採用與去 頭同樣的方法去除鋁錠尾料。頭尾總共去掉15% - 20 (重量）％。
[0040] e、鋁錠完成第一次去頭尾後，冷卻到室溫，關閉氬氣閥，取下石英帽，取出鋁錠，將 去完頭尾料的鋁錠再次進行區熔(參考b、c步驟)，區熔進行10次，進行第二次去頭尾，方法 同d步驟。
[0041] (3)鋁錠完成區熔及去頭後，對鋁錠的表面進行處理。將鋁錠放入事 先配好的清洗液中，水浴加熱至l〇〇°C，3min後停止加熱，待冷卻後用去離子水清洗鋁 錠至中性。清洗液配製方法：磷酸(優級純)、硝酸(優級純)、硫酸(優級純)分別按8 :1 :1的 體積比配製。
[0042] (4)將清洗後的鋁錠裝入石英舟在真空煅燒爐中加熱到550°C，此時 鋁錠沒有融化，恆溫時間為8h後，待冷卻到室溫，取出鋁錠，進行真空封裝，即得6N高 純鋁。
[0043] 將實施例1和實施例2中製備的6N 1?純錯進彳丁檢測，其結構如下表：
【權利要求】
1. 一種製備6N高純鋁的方法，其特徵在於包括以下步驟： 將原料鋁在真空煅燒爐中融化後進行真空揮發，控制揮發溫度為800- 850°C ;在氬氣 保護下進行水平區域熔煉提純，控制熔區寬度30- 50mm ;然後對鋁錠的表面進行處理；最 後將清洗後的鋁錠裝入石英舟，在真空煅燒爐中加熱到450- 550°C。
2. 根據權利要求1所述的製備6N高純鋁的方法，其特徵在於該方法具體包括以下步 驟： (1) 將原料鋁在真空煅燒爐中融化後進行真空揮發 將圓柱狀鋁錠裝入區熔石墨舟，再將裝有鋁錠的石墨舟裝入煅燒爐的石英管內，進行 真空揮發，真空度達到IXKT3Pa以上，控制揮發溫度800- 850°C，揮發時間為120- 170h ; (2) 在氬氣保護下進行水平區域熔煉提純 a、 將進行真空揮發後裝有鋁錠的石墨舟裝入區熔車的石英管內，將料舟送入水平區熔 管中部，套上石英管帽後密封，然後將區熔車加熱器的主加熱區與行車向反方向移至鋁錠 頭端，並連接好氬氣管道系統； b、 開啟氬氣閥，通氬氣，調節氬氣流量為300-400mL/min，l小時後開啟加熱器進行升 溫，主加熱區溫度控制850- 870°C，兩側輔加熱區溫度控制560- 580°C，待形成熔區後，調 節三段加熱區的溫度； c、 行車至舟尾，停止加熱，熔區凝固後返車回首端，開始第二次區熔作業，與b步驟相 同，區熔進行10 -15次； d、 區熔完成10 -15次後進行第一次去頭尾，關閉氬氣閥，取下石英帽，取出鋁錠，將鋁 錠裝入去頭石墨舟中部，鋁錠的頭尾在去頭石墨舟中處於懸空狀態，再將裝有鋁錠的舟放 入到區熔車石英管內，移動區熔車主加熱區至鋁錠端頭，並連接好氬氣管道系統，開啟氬氣 閥，通氬氣，調節氬氣流量為300-400mL/min，l小時後開啟加熱器進行升溫，主加熱區溫度 控制850-870°C，兩側輔加熱區溫度控制560-580°C，由於鋁錠端頭懸空，待鋁錠端頭融 化後，鋁液掉入石墨舟底部，完成去頭，移動區熔車主加熱區至鋁錠端尾，採用與去頭同樣 的方法去除鋁錠尾料； e、 鋁錠完成第一次去頭尾後，冷卻到室溫，關閉氬氣閥，取下石英帽，取出鋁錠，將去完 頭尾料的鋁錠再次進行區熔，區熔步驟與b、c步驟相同，區熔進行8 -10次，進行第二次去 頭尾，方法同d步驟； (3) 鋁錠完成區熔及去頭後，對鋁錠的表面進行處理 將鋁錠放入事先配好的清洗液中，水浴加熱至90- 100°C，3-5min後停止加熱，待冷卻 後用去離子水清洗鋁錠至中性； (4) 將清洗後的鋁錠裝入石英舟，在真空煅燒爐中加熱到450- 550°C，恆溫時間為6- 8h後，待冷卻到室溫，取出鋁錠，進行真空封裝。
3. 根據權利要求1或權利要求2所述的製備6N高純鋁的方法，其特徵在於：所述的原 料鋁為5N原料鋁。
4. 根據權利要求2所述的製備6N高純鋁的方法，其特徵在於：步驟（2) b中所述的 調節三段加熱區的溫度，主加熱區溫度控制為830- 850°C，兩側輔加熱區溫度控制540- 560°C，控制熔區寬度為30-50mm，行車速度8±lmm/h。
5. 根據權利要求2所述的製備6N高純鋁的方法，其特徵在於：步驟（3)中所述清洗液 的配製方法為：優級純的磷酸、硝酸、硫酸分別按7- 8 :1 - I. 5 :1. O- I. 5的體積比配製。
6. 根據權利要求1或權利要求2所述的製備6N高純鋁的方法，其特徵在於所述的水 平區域熔煉所採用的加熱器的結構為：加熱器部分分為未熔區（1)、熔化區（2)和再凝固區 (3)，其中，在未熔區（1)和再凝固區（3)均設置輔助加熱設備（4)進行輔助加熱，在熔化區 (2 )設置主加熱線圈（5 )進行主加熱。
7. 採用如權利要求1-6中任意一項權利要求所述的製備6N高純鋁的方法製備的6N 鋁，其特徵在於各物質的參數為：
【文檔編號】C22B21/06GK104388697SQ201410599866
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年10月31日 優先權日:2014年10月31日
【發明者】詹科, 曹昌威, 種娜, 楊旭 申請人:峨嵋半導體材料研究所