CN107858523B

CN107858523B - 一种高纯铟的提纯装置及方法

Info

Publication number: CN107858523B
Application number: CN201711441250.9A
Authority: CN
Inventors: 何志达; 谭继军; 朱刘
Original assignee: Qingyuan Xiandao Materials Co Ltd
Current assignee: Qingyuan Xiandao Materials Co Ltd
Priority date: 2017-12-27
Filing date: 2017-12-27
Publication date: 2019-11-12
Anticipated expiration: 2037-12-27
Also published as: CN107858523A

Abstract

本发明提供了一种高纯铟的提纯装置，包括：石英管，所述石英管两端分别由左法兰套和右法兰套沿水平方向固定，所述石英管内放置有石墨舟；设置在所述石英管外侧的若干个电阻加热器，若干个所述电阻加热器沿石英管水平方向依次排列，相邻电阻加热器之间设置有冷却装置；固定所述电阻加热器的导轨，所述导轨设有左限位器、滑线槽和右限位器。与现有技术相比，本发明提供的高纯铟的提纯装置通过在石英管外侧沿水平方向依次排列若干电阻加热器，同时实现区域熔炼和定向凝固；通过控制若干所述电阻加热器的温度实现多级加热，保证加热温度梯度分布更加均匀、温场更稳定，从而使整个提纯过程更加高效，满足6N～7N超高纯铟的生产。

Description

一种高纯铟的提纯装置及方法

技术领域

本发明涉及稀散金属材料提纯技术领域，更具体地说，是涉及一种高纯铟的提纯装置及方法。

背景技术

铟(In)具有优异的物理化学性质，广泛应用于电子、能源、光电、国防军事、现代信息产业、航空航天等高科技领域，在国民经济中的作用日趋重要。铟纯度的提高可使其化学、电学、光磁性、力学性能得到增强，随着光电学、航空航天、原子能等领域高新行业的发展，对高纯铟纯度的要求也越来越高。超高纯铟是制备磷化铟半导体重要的原材料，而磷化铟晶体在红外探测、光磁器件、磁致电阻器以及太阳能转换器等方面有重要的应用。

高纯铟的制备方法主要有电解法、真空蒸馏法、区域熔炼法、离子交换法、低卤化合物法等。其中，真空蒸馏法的提纯能力有限，最高可达5N，且能耗高；区域熔炼法具有提纯周期长、能耗高、产能低等缺点；离子交换法除提纯能力最高为5N外，工艺复杂、效率低，不适合工业化生产；低卤化合物法工艺复杂、可控性差、成本高；而电解法以其工艺流程短、易于实现工业化等优势最为常用，目前国内4N铟基本上都是采用电解法；但是，电解法涉及电解液、阴极材料和电解槽的选择，工艺过程控制复杂，污染大，更重要的是，经多次点解等特殊工艺最高达到5N纯度，不能满足6N～7N超高纯铟的生产。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高纯铟的提纯装置及方法，该装置能够同时实现区域熔炼和定向凝固，满足6N～7N超高纯铟的生产。

本发明提供了一种高纯铟的提纯装置，包括：

石英管，所述石英管两端分别由左法兰套和右法兰套沿水平方向固定，所述石英管内放置有石墨舟；

设置在所述石英管外侧的若干个电阻加热器，若干个所述电阻加热器沿石英管水平方向依次排列，相邻电阻加热器之间设置有冷却装置；

固定所述电阻加热器的导轨，所述导轨设有左限位器、滑线槽和右限位器。

优选的，所述石英管的长度为2.1m～3m。

优选的，所述电阻加热器的个数为7个～10个。

优选的，所述电阻加热器在石英管上产生的加热段的长度为7cm～9cm，相邻电阻加热器的间隔为7cm～9cm。

本发明还提供了一种上述技术方案所述的提纯装置提纯高纯铟的方法，包括以下步骤：

a)将5N铟原料置于石英管内的石墨舟中进行熔化，再移动导轨进行定向凝固，得到待熔炼铟；

b)将步骤a)得到的待熔炼铟在若干个电阻加热器的加热下，进行区域熔炼，得到高纯铟。

优选的，所述步骤a)还包括：

将5N铟原料置于石英管内的石墨舟中后，排尽所述石英管内的空气后，通入氩气或氢气进行保护。

优选的，步骤a)中所述熔化的温度为240℃～260℃；所述熔化后的恒温时间为1.5h～2.5h。

优选的，步骤a)中所述移动导轨的速度为10mm/h～15mm/h；所述定向凝固的温度为145℃～155℃，级数为1级～4级。

优选的，所述步骤b)具体为：

将步骤a)得到的待熔炼铟置于若干所述电阻加热器的加热段内，设置好前段加热温度和后段加热温度，再移动导轨进行区域熔炼，得到高纯铟。

优选的，所述前段加热温度为260℃～270℃；所述后段加热温度为145℃～155℃；所述移动导轨的速度为15mm/h～30mm/h；所述区域熔炼的次数为3次～6次，倾斜角度为0°～5°。

另外，本发明提供的高纯铟的提纯方法易于控制、提纯周期短、产能高，安全经济环保，适合工业化生产。

附图说明

图1为本发明实施例提供的高纯铟的提纯装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种高纯铟的提纯装置，包括：

请参阅图1，图1为本发明实施例提供的高纯铟的提纯装置的结构示意图。其中，1为左法兰套，2为冷却装置，3为电阻加热器，4为石墨舟，5为石英管，6为右法兰套，7为左限位器，8为滑线槽，9为导轨，10为右限位器。

在本发明中，所述高纯铟的提纯装置包括石英管、若干个电阻加热器和导轨。在本发明中，所述石英管两端分别由左法兰套和右法兰套沿水平方向固定，其中，所述左法兰套和右法兰套用于支撑和固定石英管，并且能够调节石英管在水平方向上的倾斜角度。在本发明中，所述石英管的长度优选为2.1m～3m，更优选为2.7m～2.8mm。在本发明中，所述石英管越长，在其外侧设置电阻加热器的数量越多，进行区域熔炼的提纯效率越高；但是，所述石英管的长度超过上述限定，一方面需要延长提纯装置，从而对放置该提纯装置的场地的面积提出一定的要求，第二对石英管的加工工艺和性能提出了更高的要求，第三整个石英管的重量完全靠两端的左、右法兰套支撑，长度过长，承重较大，重心偏移或对中不好，可能导致石英管破损。

在本发明中，所述石英管内放置有石墨舟，用于放置5N铟原料。本发明对此没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的高纯石墨舟即可。在本发明中，所述石墨舟的长度优选为0.8m～1.2m，更优选为0.9m～1.0m。

在本发明中，所述电阻加热器设置在所述石英管外侧，用于进行电阻加热。由于高纯铟的熔点较低，仅为156.6℃，本发明选择电阻加热器进行电阻加热，相比现有技术中的非中频感应加热，有利于控制温度，并且能够降低能耗。

在本发明中，所述石英管外侧沿水平方向依次排列若干个所述电阻加热器。在本发明中，所述电阻加热器的个数优选为7个～10个，更优选为9个。每个电阻加热器能够在其加热范围内在石英管上产生加热段，从而实现多级加热。在本发明中，相邻电阻加热器之间设置有冷却装置，从而使相邻电阻加热器的间隔具有可控温度段。在本发明中，所述冷却装置优选为内通冷却循环水的冷却铜管，一方面可以作为定向凝固阶段的冷却源，另一方面可以作为区域熔炼阶段的加热和冷却装置。在本发明中，所述电阻加热器在石英管上产生的加热段的长度优选为7cm～9cm，更优选为8cm；相邻电阻加热器的间隔优选为7cm～9cm，更优选为8cm。

在本发明优选的实施例中，所述电阻加热器的个数为9个；对此进行具体说明：

9个电阻加热器由左向右依次为第一电阻加热器、第二电阻加热器、第三电阻加热器、第四电阻加热器、第五电阻加热器、第六电阻加热器、第七电阻加热器、第八电阻加热器和第九电阻加热器；其中，第一电阻加热器和第二电阻加热器之间设有冷却装置，第二电阻加热器和第三电阻加热器之间设有冷却装置。

本发明在此基础上能够实现九级电阻加热，从而使区域熔炼和定向凝固能够在本发明提供的提纯装置中同时实现。其中，在定向凝固的提纯阶段，通过六个电阻加热器(第四电阻加热器、第五电阻加热器、第六电阻加热器、第七电阻加热器、第八电阻加热器和第九电阻加热器)保证整个石墨舟内铟的物料完全熔化，这六个电阻加热器在石英管上产生的加热段的总长度与石英管内的石墨舟的长度基本一致；同时，在这六个电阻加热器左侧还设置有三个电阻加热器(第一电阻加热器、第二电阻加热器和第三电阻加热器)，并且这三个电阻加热器之间设有冷却装置，一方面可以用于区熔熔炼过程中形成三段独立的互不相连的熔区，从而使一次区熔过程相当于其他区熔设备三次区熔的效果，缩短了提纯的时间，提高了生产的效率，另一方面可以在定向凝固过程中对前端进行冷却，保证定向凝固的效率。

此外，在区域熔炼的提纯阶段，设置的电阻加热器越多，提纯的效率越高。一般来讲，有N个电阻加热器，就有N个加热级数，那么一次区域熔炼相当于只有1个加热级数的设备N次区域熔炼的效果；在本发明上述优选的实施例中，相当于设置了3个加热级数，其区域熔炼的提纯效率是1个加热级数的三倍。同时，在上述3个加热级数的中间设置冷却装置，是由于高纯铟的熔点较低，仅为156.6℃，并且石墨的导热性很好，没有冷却，这三段铟熔区很容易熔在一起形成一个很长的熔区，从而影响区域熔炼的效果。

综上所述，本发明提供的提纯装置要实现区域熔炼和定向凝固同时进行，至少需要7个电阻加热器，即7级电阻加热方式，加热级数越多，区域熔炼阶段的提纯效率越高，但加热级数过长，相求石英管越长，上述内容中具体分析，因此，采用9个电阻加热器进行九级电阻加热为最优选实施例。

本发明首先将5N铟原料置于石英管内的石墨舟中进行熔化，再移动导轨进行定向凝固，得到待熔炼铟。本发明对所述5N铟原料的来源没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的5N铟原料即可。

在本发明中，所述步骤a)优选还包括：

将5N铟原料置于石英管内的石墨舟中后，排尽所述石英管内的空气后，通入氩气或氢气进行保护。本发明在定向凝固及后续区域熔炼的过程中，通入惰性气体氩气或具有还原性质的氢气介质，可避免熔体表面形成氧化物薄膜而带来的杂质富集；此外，选择还原性质的氢气还可避免氧化物形成。

在本发明中，所述石墨舟的长度小于若干个电阻加热器在石英管上产生的加热段的总长度，与所述石墨舟的长度相等的加热段通过设置电阻加热器的温度为熔化的温度，用于进行熔化；其他加热段通过设置电阻加热器的温度为定向凝固的温度，用于定向凝固，其中定向凝固的过程通过移动导轨实现，移动方向为使石墨舟由进行熔化的加热段向定向凝固的加热段移动。

在本发明中，所述熔化的温度优选为240℃～260℃，更优选为250℃；所述熔化后的恒温时间优选为1.5h～2.5h，更优选为1h。

在本发明中，所述移动导轨的速度优选为10mm/h～15mm/h，更优选为10mm/h；所述定向凝固的温度优选为145℃～155℃，更优选为150℃；所述定向凝固的级数优选为1级～4级，更优选为3级。

得到所述待熔炼铟后，本发明将得到的待熔炼铟在若干个电阻加热器的加热下，进行区域熔炼，得到高纯铟。

在本发明中，所述步骤b)优选具体为：

将得到的待熔炼铟置于若干所述电阻加热器的加热段内，设置好前段加热温度和后段加热温度，再移动导轨进行区域熔炼，得到高纯铟。

在本发明中，所述前段加热温度优选为260℃～270℃，更优选为165℃；所述后段加热温度优选为145℃～155℃，更优选为150℃。

在本发明中，所述移动导轨的速度优选为15mm/h～30mm/h，更优选为15mm/h；慢速有利于杂质在固液界面分的梯度分步。

在本发明中，所述区域熔炼的次数优选为3次～6次，更优选为6次；次数越多区熔效果越好，但超过一定次数效果提升不明显。

在本发明中，所述区域熔炼的倾斜角度优选为0°～5°，更优选为5°；有倾斜角度更利于杂质分配。

本发明采用先一次定向凝固，再多次区域熔炼的方式对5N铟原料进行提纯，提纯后的高纯铟纯度可以到达7N甚至更高。

为了进一步说明本发明，下面通过以下实施例进行详细说明。本发明以下实施例所用的高纯铟的提纯装置的结构示意图参见图1所示；其中，1为左法兰套，2为冷却铜管(内通冷却循环水)，3为电阻加热器(从左至右共9个，依次为第一电阻加热器、第二电阻加热器、第三电阻加热器、第四电阻加热器、第五电阻加热器、第六电阻加热器、第七电阻加热器、第八电阻加热器和第九电阻加热器)，4为高纯石墨舟，5为石英管，6为右法兰套，7为左限位器，8为滑线槽，9为导轨，10为右限位器。

实施例1

(1)将装有5N铟原料的高纯石墨舟放入石英管内，其前端(左端)位置与第三电阻加热器右端齐平，排尽石英管内空气后，通入高纯氩气，开启第一电阻加热器、第二电阻加热器和第三电阻加热器，温度设置为150℃，冷却循环水温度为30℃～40℃，其他电阻加热器的温度设置为250℃，高纯石墨舟内的5N铟原料熔化后恒温2h，开启导轨，移动导轨的速度为10mm/h，先进行1次定向凝固至高纯石墨舟后端(右端)位置，得到待熔炼铟；

(2)将第四电阻加热器、第五电阻加热器、第六电阻加热器、第七电阻加热器、第八电阻加热器和第九电阻加热器的温度设置为150℃，待温度恒定后将导轨调回，调回位置为高纯石墨舟前端(左端)位置与第一电阻加热器左端齐平，再将第一电阻加热器、第二电阻加热器和第三电阻加热器的温度设定为265℃，待出现三段温区后，静置1h开始做区域熔炼，区熔熔炼过程中倾斜角度为0°，移动导轨的速度为30mm/h，区熔熔炼次数为3次，区熔熔炼结束后将得到的铟棒首尾祛除后，中间物即为最终铟产品7N超高纯铟，其杂质含量参见表1所示。

实施例2

(2)将第四电阻加热器、第五电阻加热器、第六电阻加热器、第七电阻加热器、第八电阻加热器和第九电阻加热器的温度设置为150℃，待温度恒定后将导轨调回，调回位置为高纯石墨舟前端(左端)位置与第一电阻加热器左端齐平，再将第一电阻加热器、第二电阻加热器和第三电阻加热器的温度设定为265℃，待出现三段温区后，静置1h开始做区域熔炼，区熔熔炼过程中倾斜角度为0°，移动导轨的速度为30mm/h，区熔熔炼次数为6次，区熔熔炼结束后将得到的铟棒首尾祛除后，中间物即为最终铟产品7N超高纯铟，其杂质含量参见表1所示。

实施例3

(1)将装有5N铟原料的高纯石墨舟放入石英管内，其前端(左端)位置与第三电阻加热器右端齐平，排尽石英管内空气后，通入高纯氢气，开启第一电阻加热器、第二电阻加热器和第三电阻加热器，温度设置为150℃，冷却循环水温度为30℃～40℃，其他电阻加热器的温度设置为250℃，高纯石墨舟内的5N铟原料熔化后恒温2h，开启导轨，移动导轨的速度为10mm/h，先进行1次定向凝固至高纯石墨舟后端(右端)位置，得到待熔炼铟；

实施例4

(2)将第四电阻加热器、第五电阻加热器、第六电阻加热器、第七电阻加热器、第八电阻加热器和第九电阻加热器的温度设置为150℃，待温度恒定后将导轨调回，调回位置为高纯石墨舟前端(左端)位置与第一电阻加热器左端齐平，再将第一电阻加热器、第二电阻加热器和第三电阻加热器的温度设定为265℃，待出现三段温区后，静置1h开始做区域熔炼，区熔熔炼过程中倾斜角度为5°，移动导轨的速度为30mm/h，区熔熔炼次数为6次，区熔熔炼结束后将得到的铟棒首尾祛除后，中间物即为最终铟产品7N超高纯铟，其杂质含量参见表1所示。

实施例5

(2)将第四电阻加热器、第五电阻加热器、第六电阻加热器、第七电阻加热器、第八电阻加热器和第九电阻加热器的温度设置为150℃，待温度恒定后将导轨调回，调回位置为高纯石墨舟前端(左端)位置与第一电阻加热器左端齐平，再将第一电阻加热器、第二电阻加热器和第三电阻加热器的温度设定为265℃，待出现三段温区后，静置1h开始做区域熔炼，区熔熔炼过程中倾斜角度为5°，移动导轨的速度为15mm/h，区熔熔炼次数为6次，区熔熔炼结束后将得到的铟棒首尾祛除后，中间物即为最终铟产品7N超高纯铟，其杂质含量参见表1所示。

表1实施例1～5提供的铟产品的杂质含量数据(单位ppba)

	Al	Si	Fe	Ni	Cu	As	Cd	Sn	Sb	Pb	Bi
												实施例1	5	13	10	8	11	5	30	20	18	11	8
实施例2	2	8	7	6	10	5	30	13	10	8	6
												实施例3	3	6	7	5	7	5	27	13	11	8	5
实施例4	2	5	5	4	5	5	20	12	8	7	5
												实施例5	2	5	3	4	3	5	18	12	5	5	5

表1为实施例1～5提供的铟产品的GDMS分析结果。由表1可以看出，经过1次定向凝固和若干次区域熔炼后，铟的杂质含量都可以控制在60-150ppb之间，完全符合超高纯铟杂质含量要求。

所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种高纯铟的提纯装置，包括：

设置在所述石英管外侧的若干个电阻加热器，若干个所述电阻加热器沿石英管水平方向依次排列，相邻电阻加热器之间设置有冷却装置；所述电阻加热器的个数为7个～10个；所述电阻加热器在石英管上产生的加热段的长度为7cm～9cm，相邻电阻加热器的间隔为7cm～9cm；

固定所述电阻加热器的导轨，所述导轨设有左限位器、滑线槽和右限位器；

所述高纯铟的提纯装置提纯高纯铟的方法，包括以下步骤：

b)将步骤a)得到的待熔炼铟置于若干所述电阻加热器的加热段内，设置好前段加热温度和后段加热温度，再移动导轨进行区域熔炼，得到高纯铟；

所述前段加热温度为260℃～270℃；所述后段加热温度为145℃～155℃；所述移动导轨的速度为15mm/h～30mm/h；所述区域熔炼的次数为3次～6次，倾斜角度为0°～5°。

2.根据权利要求1所述的提纯装置，其特征在于，所述石英管的长度为2.1m～3m。

3.根据权利要求1所述的提纯装置，其特征在于，所述步骤a)还包括：

4.根据权利要求1所述的提纯装置，其特征在于，步骤a)中所述熔化的温度为240℃～260℃；所述熔化后的恒温时间为1.5h～2.5h。

5.根据权利要求1所述的提纯装置，其特征在于，步骤a)中所述移动导轨的速度为10mm/h～15mm/h；所述定向凝固的温度为145℃～155℃，级数为1级～4级。