CN107287435B - 采用悬浮熔炼提纯物质的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种采用悬浮熔炼提纯物质的方法，包括：S100，提供真空悬浮熔炼装置；S200，将待提纯物质原料及金属置入真空悬浮熔炼装置中，待提纯物质原料中存在杂质，杂质与待提纯物质的饱和蒸汽压与温度的关系曲线接近，金属的熔点高于待提纯物质；以及S300，通过真空悬浮熔炼装置加热，使待提纯物质蒸发，从而与杂质及金属分离。

Description

采用悬浮熔炼提纯物质的方法
技术领域
本发明涉及提纯技术领域，特别是涉及采用悬浮熔炼提纯物质的方法。
背景技术
随着国民经济的发展，高纯物质(金属和非金属)的研究和生产也得到了迅猛的发展，同时对物质纯度的要求也越来越高。传统的提纯物质的方法，制备的物质的纯度不够高，对于饱和蒸汽压与待提纯物质的饱和蒸汽压接近的杂质，以及在真空度一定，而合金液温度达不到杂质挥发的饱和蒸汽压所需要的温度时，杂质很难去除。物质的纯度对物质的性能影响很大，因此，亟需一种能够去除待提纯物质原材料中饱和蒸汽压与待提纯物质相近的杂质的方法。
发明内容
基于此，有必要针对传统的提纯方法制备的物质纯度不够高的问题，提供一种采用悬浮熔炼提纯物质的方法。
一种采用悬浮熔炼提纯物质的方法，包括以下步骤：
S100，提供真空悬浮熔炼装置；
S200，将待提纯物质原料及金属置入所述真空悬浮熔炼装置中，所述待提纯物质原料中存在杂质，所述杂质与所述待提纯物质的饱和蒸汽压与温度的关系曲线接近，所述金属的熔点高于所述待提纯物质；以及
S300，通过所述真空悬浮熔炼装置加热，使所述待提纯物质蒸发，从而与所述杂质及所述金属分离。
在其中一个实施例中，所述金属包括钨、钽、钼、铌、铪、铬、钒、锆及钛中的至少一种。
在其中一个实施例中，所述待提纯物质包括硅、铁、铪、锡。
在其中一个实施例中，所述杂质为钛、磷、锡、锑或铜。
在其中一个实施例中，在所述步骤S200后及所述步骤S300前，还包括步骤S400：
对所述真空悬浮熔炼装置进行气压调节处理，使所述真空悬浮熔炼装置内气压为10-5～2×10-3Pa；
对所述待提纯物质原料进行粗提纯，将所述真空悬浮熔炼装置加热到第一温度，并持续抽气，使低熔点杂质蒸发，从所述真空悬浮熔炼装置中抽出去除；以及
冷却所述真空悬浮熔炼装置，使所述粗提纯所得产物凝固。
在其中一个实施例中，所述气压调节处理包括，对所述真空悬浮熔炼装置进行抽气至气压为10-5～2×10-3Pa，充入惰性气体，再抽气至气压为10-5～2×10-3Pa。
在其中一个实施例中，步骤S300包括，在所述真空悬浮熔炼装置内的气压为10-5～2×10-3Pa时，对所述粗提纯所得产物进行精提纯，将所述真空悬浮熔炼装置加热到第二温度，使所述待提纯物质蒸发。
在其中一个实施例中，所述待提纯物质为硅，所述第一温度为600～800℃，所述第二温度为3000～3500℃。
在其中一个实施例中，所述精提纯，通过分次加热，使所述真空悬浮熔炼装置达到所述第二温度。
在其中一个实施例中，所述真空悬浮熔炼装置包括真空炉体，设置于所述真空炉体内的铜坩埚、蒸发收集罩、电磁感应线圈及冷却水系统，所述蒸发收集罩罩设在所述铜坩埚的上方，所述电磁感应线圈设置在所述铜坩埚的外围，所述冷却水系统设置在所述铜坩埚的底部，所述铜坩埚为分瓣结构，分瓣数为24至30瓣，各分瓣结构均设置有冷却水通道，所述待提纯物质及所述金属设置在所述铜坩埚内。
本发明的采用悬浮熔炼提纯物质的方法，通过将金属加入真空悬浮熔炼装置中，提高待提纯物质原料的熔液温度，使杂质与待提纯物质的饱和蒸汽压与温度的关系曲线差距增大，待提纯物质与杂质的饱和蒸汽压差值增大，使待提纯物质易于与杂质分离，提高了所得物质的纯度。
附图说明
图1为本发明实施例的采用悬浮熔炼提纯物质的方法的流程图；
图2为本发明实施例所用提纯装置。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及技术效果更加清楚明白，以下结合附图对本发明的具体实施例进行描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，本发明提供一种采用悬浮熔炼提纯物质的方法，包括
S100，提供真空悬浮熔炼装置；
S200，将待提纯物质原料及金属置入真空悬浮熔炼装置中，待提纯物质原料中存在杂质，杂质与待提纯物质的饱和蒸汽压与温度的关系曲线接近，金属的熔点高于待提纯物质；以及
S300，通过真空悬浮熔炼装置加热，使待提纯物质蒸发，从而与杂质及金属分离。
待提纯物质原料中存在杂质，杂质与所述待提纯物质存在饱和蒸汽压差异和沸点差异。杂质包括难除杂质，由于难除杂质的饱和蒸汽压与温度的关系曲线(lgP-T)与待提纯物质的lgP-T关系曲线接近，当待提纯物质原料熔液的温度，使待提纯物质达到饱和蒸汽压后，待提纯物质逐渐蒸发，在待提纯物质挥发前或/和逐渐蒸发的过程中，难除杂质也会逐渐蒸发，因此，很难实现难除杂质与待提纯物质的分离。
悬浮熔炼中，通过坩埚外围的感应线圈产生磁场，磁场切割待提纯物质原料产生感应电流，使待提纯物质原料自身加热并熔化，由于待提纯物质原料自身的电阻是一定的，因此，待提纯物质原料熔液的温度取决于待提纯物质原料中最高熔点的金属的温度。本发明采用悬浮熔炼提纯物质的方法，在提纯过程中，加入金属，随着金属的逐渐融化，可以提高待提纯物质原料的熔液温度，可以增大待提纯物质的饱和蒸汽压，进而使待提纯物质更容易蒸发；同时使待提纯物质与杂质的饱和蒸汽压差值增大、饱和蒸汽压与温度的关系曲线相离变远，待提纯物质与杂质的蒸发过程不重合，从而提高待提纯物质被提纯后的纯度。
步骤S200中，金属为难熔金属，难熔金属可以为钨、钽、钼、铌、铪、铬、钒、锆及钛中的至少一种。
待提纯物质可以为硅、铁、铪或锡等活性金属；对应地，杂质为难除杂质，难除杂质为钛、磷、锡、锑或铜。
优选地，步骤S200中，包括对待提纯物质原料进行预处理，以除去待提纯物质原料表面的灰尘等杂质。预处理可以为清洗。具体地，可以用有机溶剂例如酒精、丙酮等，对待提纯物质原料进行清洗。清洗之后，还可将待提纯物质原料切割，切割为多个块状。
采用悬浮熔炼提纯物质的方法，还可以包括：在步骤S200后，步骤S300前，还包括步骤S400：对真空悬浮熔炼装置进行气压调节处理，使真空悬浮熔炼装置内气压为10-5～2×10-3Pa；
对待提纯物质原料进行粗提纯，将真空悬浮熔炼装置加热到第一温度，并持续抽气，使低熔点杂质蒸发，从所述真空悬浮熔炼装置中抽出去除；以及
冷却真空悬浮熔炼装置，使粗提纯所得产物凝固。
优选地，气压调节处理为，对真空悬浮熔炼装置进行抽气至气压为10-5～2×10- 3Pa后，进行洗气操作。洗气操作包括，冲入一个大气压的惰性气体，再抽真空至气压为10-5～2×10-3Pa。冲入惰性气体可以进行熔炼保护，防止硅原料熔化过程中液体飞溅。优选的，惰性气体为氮气或氩气。
具体地，根据待提纯物质原料中低熔点杂质和待提纯金属的饱和蒸气压与温度(lgP-T)的关系曲线，确定第一温度。
步骤S300包括，在真空悬浮熔炼装置内气压为10-5～2×10-3Pa，对粗提纯所得产物进行精提纯，将真空悬浮熔炼装置加热到第二温度，使待提纯物质蒸发，与难除杂质及难熔金属分离。
具体地，根据待提纯物质原料中难除杂质和待提纯物质的饱和蒸气压与温度(lgP-T)的关系曲线，确定第二温度。根据第二温度以及难熔金属的熔点，选择难熔金属的种类和添加质量。
优选地，第二温度可以分次均匀增加。分次均匀增加温度，可以使待提纯物质原料均匀受热，防止温度增加过大使待提纯物质原料在熔化过程中飞溅。根据待提纯物质原料熔液的熔化情况和悬浮情况来调节单次温度的增加量。
精提纯操作可以分多次进行，例如3-5次。单次加热完成之后需冷却提纯装置，使待提纯物质原料冷却，再进行下一次加热。多次加热可以更好地实现待提纯物质的蒸发，提高待提纯物质被提纯后的纯度。
在其中一个实施例中，待提纯物质为硅，难熔金属可以为铌。具体地，在步骤S400中，第一温度为800℃；对应地，步骤S300中，难除杂质为钛，第二温度为3500℃。
优选地，精提纯操作中，加热所用的电流强度可以从0开始，分次均匀增加，每次增加10-20A，从0增加至100A。待硅原料熔液温度达到第二温度后，加热2-3min，并冷却真空悬浮熔炼装置，待硅原料冷却后，重复精提纯3-5次，以使硅蒸发，并以蒸汽状态被收集。
请参阅图2，本发明所用的真空悬浮熔炼装置包括真空炉体1，设置于真空炉体1内的铜坩埚2、蒸发收集罩3、电磁感应线圈4、冷却水系统，蒸发收集罩3罩设在铜坩埚2的上方，电磁感应线圈4设置在铜坩埚2的外围，冷却水系统设置在铜坩埚的底部。其中，铜坩埚2为分瓣结构，分瓣数为24至30瓣，各分瓣结构均设置有冷却水通道。具体地，待提纯物质原料及难熔金属设置在铜坩埚2内。
冷却水系统包括坩埚瓣进水管51，坩埚瓣出水管52，冷却水套53，水套进水管54，水套出水管55。
本发明所用的铜坩埚的瓣数高于传统的坩埚，可达24至30瓣，且每个坩埚分瓣结构内均有冷却水通道，坩埚瓣冷却水通道相互独立，提高了冷却效果，耐受难熔金属的熔化温度，可以防止提纯过程中坩埚熔化，提高提纯效率。
实施例
提供纯度为99.80wt.％的工业硅原料以及难熔金属铌，工业硅原料包括低熔点杂质P、Al、Ga，以及难除杂质Ti。采用丙酮清洗该工业硅原料及难熔金属，将清洗过的硅原料和难熔金属切割成小块，放置到铜坩埚内，关闭炉体，调节炉体内气压。当炉体内气压达到2.0×10-3Pa后，停止抽真空，并充入一个大气压的氩气，再抽真空至炉体内气压达到2.0×10-3Pa。调整电流强度，使硅原料能够悬浮或准悬浮在铜坩埚中。采用30A的电流加热炉内料块，使料块温度到达第一温度800℃，使P、Al、Ga和清洗残留的丙酮达到饱和蒸汽压，以该电流加热料块2min，直至P、Al、Ga和丙酮逐渐蒸发完毕，并被真空系统抽走，完成对硅原料的粗提纯。关闭电源并冷却铜坩埚，使粗提纯所得产物凝固。
抽气至炉体内气压为2.0×10-3Pa后停止，再充入一个大气压的氩气，再抽真空至炉体内气压达到2.0×10-3Pa。逐步增加电流值从0～100A，每次调节20A，至硅原料熔液温度均匀。再逐步增加电流至170A，硅原料熔液温度达到3500℃，以该电流加热3min；再关闭电源，使硅原料冷却凝固，重复加热3次，至硅完全蒸发，蒸发的硅元素凝固在蒸发收集罩上，完成对硅原料的精提纯。所得硅的纯度为99.98wt.％，Ti杂质小于0.1wt.％，P杂质小于0.0001wt.％，Al杂质小于0.0001wt.％，Ca杂质小于0.0001wt.％。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种采用悬浮熔炼提纯物质的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S100，提供真空悬浮熔炼装置；
S200，将待提纯物质原料及金属置入所述真空悬浮熔炼装置中，所述待提纯物质原料中存在杂质，所述杂质与所述待提纯物质的饱和蒸汽压与温度的关系曲线接近，所述待提纯物质为硅、铁、铪或锡，所述杂质为钛、锡、锑或铜，所述金属的熔点高于所述待提纯物质，使得所述待提纯物质与所述杂质的蒸汽压差值增大；以及
S300，通过所述真空悬浮熔炼装置加热，使所述待提纯物质蒸发，从而与所述杂质及所述金属分离。
2.根据权利要求1所述的采用悬浮熔炼提纯物质的方法，其特征在于，所述金属包括钨、钽、钼、铌、铪、铬、钒、锆及钛中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的采用悬浮熔炼提纯物质的方法，其特征在于，在所述步骤S200后及所述步骤S300前，还包括步骤S400：
对所述真空悬浮熔炼装置进行气压调节处理，使所述真空悬浮熔炼装置内气压为10-5～2×10-3Pa；
对所述待提纯物质原料进行粗提纯，将所述真空悬浮熔炼装置加热到第一温度，并持续抽气，使低熔点杂质蒸发，从所述真空悬浮熔炼装置中抽出去除；以及
冷却所述真空悬浮熔炼装置，使所述粗提纯所得产物凝固。
4.根据权利要求3所述的采用悬浮熔炼提纯物质的方法，其特征在于，所述气压调节处理包括，对所述真空悬浮熔炼装置进行抽气至气压为10-5～2×10-3Pa，充入惰性气体，再抽气至气压为10-5～2×10-3Pa。
5.根据权利要求3所述的采用悬浮熔炼提纯物质的方法，其特征在于，所述步骤S300包括，在所述真空悬浮熔炼装置内的气压为10-5～2×10-3Pa时，对所述粗提纯所得产物进行精提纯，将所述真空悬浮熔炼装置加热到第二温度，使所述待提纯物质蒸发。
6.根据权利要求5所述的采用悬浮熔炼提纯物质的方法，其特征在于，所述待提纯物质为硅，所述第一温度为600～800℃，所述第二温度为3000～3500℃。
7.根据权利要求5所述的采用悬浮熔炼提纯物质的方法，其特征在于，所述精提纯，通过分次加热，使所述真空悬浮熔炼装置达到所述第二温度。
8.根据权利要求1所述的采用悬浮熔炼提纯物质的方法，其特征在于，所述真空悬浮熔炼装置包括真空炉体，设置于所述真空炉体内的铜坩埚、蒸发收集罩、电磁感应线圈及冷却水系统，所述蒸发收集罩罩设在所述铜坩埚的上方，所述电磁感应线圈设置在所述铜坩埚的外围，所述冷却水系统设置在所述铜坩埚的底部，所述铜坩埚为分瓣结构，分瓣数为24至30瓣，各分瓣结构均设置有冷却水通道，所述待提纯物质及金属设置在所述铜坩埚内。
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