CN113428844B - 一种6n级高纯碲的生产设备及生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种6N级高纯碲的生产设备，包括化料炉、加热炉和收集炉；所述化料炉位于加热炉的上方，并通过放料管与加热炉相连；所述加热炉通过管道与收集炉相连，所述管道位于加热炉侧为进气口，其位于收集炉侧为出气口；所述加热炉内设有高纯石英舟；所述收集炉内设有加热锥和保温区，所述保温区下方设有坩埚；所述加热锥的大部分锥体与管道处于同一水平面，其锥顶低于管道所处水平面。本结构的6N级高纯碲的生产设备，能够有效实现碲的高效提纯，同时实现连续投料连续生产，实现工业化大规模生产。本发明设备投资小，控制方便，实现连续生产的目的，延长单炉的运行时间，提升产能。

Description

一种6N级高纯碲的生产设备及生产工艺

技术领域

本发明涉及高纯碲的生产领域，具体涉及一种6N级高纯碲的生产设备及利用该设备生产高纯碲的生产工艺。

背景技术

高纯碲其最显著的性质是用它制成的二元、三元、四元合金具有很好的光电性能及温差电转换性能，可做温差电材料的合金组分。因此常用于太阳能电池、发光二极管、辐射探测器制造，如CdTe、HgCdTe、PbTe、BiTe等是生产太阳能电池、红外测材料、电光调制器、射线探测材料和制冷材料等的主要材料。由于即使很微量的杂质也会导致材料电性能变差。碲的纯度是直接影响材料性能的重要因素。

高纯碲制备方法主要有物理方法和化学方法。化学提纯法是通过氧化、还原的化学反应把碲从杂质中分离开，这种方法灵活性强、选择性大，具体包括苏打粉焙烧法、碱性高压浸出法、硫酸化焙烧法、氧化酸浸法、溶剂萃取法、液膜法、微生物法、电解精炼法等。物理法提纯是利用蒸发、凝固、结晶、扩散等方式，通过物理过程除去杂质，大多采用多次真空蒸馏和区熔组成物理提纯工艺来制备高纯碲。该工艺的效果取决碲的真空蒸馏提纯的效果，即碲与杂质在真空蒸馏过程中分离的程度。在理论上，碲为低熔点、高蒸汽压元素，真空蒸馏过程能与绝大多数杂质有效分离，获得纯度较高的气相沉积相的碲。但实践证明，碲真空蒸馏的提纯效果比预期的要低得多。

比如公开号为CN103183322B的中国发明专利提供一种高纯碲的制备方法，包括：将碲原料放置于石英舟内；将装有碲原料的石英舟水平放入区熔料管内，并封闭区熔料管；通入还原气体；使区熔加热管移至石英舟内的碲原料头部；加热并熔化石英舟内的碲原料的头部，以形成熔区，达到规定熔区宽度时，使区熔加热管以规定速率运动，以完成一次区熔作业；当一次区熔作业完成后，区熔加热管返回至石英舟内的碲原料的头部并按重复区熔作业；完成重复次数的区熔作业后，停车并使区熔作业后的碲原料冷却；将头部和尾部各切除规定长度，以完成一次循环操作，切除后剩余的碲原料作为下一次循环操作处理的碲原料，重复前述所有步骤八预定循环次数。使用该方法其不仅除杂工艺较为繁琐，同时除杂效果较差；同时由于其生产成本高，导致不利于大规模生产，更无法进行连续化大规模生产。

再比如公开号为CN111924811A的中国发明专利申请，公开一种超高纯碲的制备方法，将原料碲置于内部设有挡板的容器内，并使原料碲位于挡板的一侧，然后在保护气保护下将原料碲加热至完全熔化，控制原料碲所处侧的碲熔体的液面位于挡板的通孔的上方，以使原料碲内所含杂质碳粉和氧化物被拦截在挡板的一侧，确保通过通孔流向另一侧的碲熔体的杂质含量降低，将这部分碲熔体冷凝后用于制备超高纯碲，不仅提高了提纯效率，还使所得超高纯碲表面光亮，无氧化物，无需进行后续处理。采用上述技术方案，对于杂质的去除效率较低，同时该方法无法保证连续化大规模生产。

再比如中南大学冶金科学与工程学院发现碲粉在73OK的氢气中处理30分钟，其纯度由99.95％上升到99.9995％，能够制得5N级的高纯碲。但是对于6N级的高纯碲还是无法实现，关键在于对于重金属杂质及性质相近元素硒的分离在工业上还是无法快速简便的实现。

发明内容

本发明解决的一个技术问题是现有技术中，生产高纯碲设备成本高、工艺复杂，无法实现工业连续生产的要求，提供一种能够实现连续化生产的高纯碲生产设备及生产工艺，具有成本低、产能高、纯度高、连续化生产的优点。

本发明采用的技术方案是：一种6N级高纯碲的生产设备，其特征是包括化料炉、加热炉和收集炉；所述化料炉位于加热炉的上方，并通过放料管与加热炉相连；所述加热炉通过管道与收集炉相连，所述管道位于加热炉侧为进气口，其位于收集炉侧为出气口；所述加热炉内设有高纯石英舟；所述收集炉内设有加热锥和保温区，所述保温区下方设有坩埚；所述加热锥的大部分锥体与管道处于同一水平面，其锥顶低于管道所处水平面。

高纯碲的生产工艺，包括如下步骤：S1，将4N精碲破碎，投入化料炉中；S2，化料炉开始升温，将精碲融化成溶体；S3，加热炉开始升温，并通过管道向加热炉内通入氢气；S4，加热炉内温度升温至600～900℃，氢气流速控制在3L/min～5L/min，并保持氢气流速稳定；S5，打开化料炉底部放料阀，将熔体放入高纯石英舟中；S6，加热锥开始升温，升温至其后端测温孔温度保持在380～430℃；S7，停止加热炉升温，待加热炉内温度降至室温后，从其炉内取出高纯石英舟，换新高纯石英舟，重新开始生产；S8，打开保温区底部放料阀，将产品放出在坩埚内浇铸。

作为本发明的进一步改进，所述加热炉为水平管式加热炉，其炉膛为高纯石英管。

作为本发明的进一步改进，所述加热锥内部设有加热电阻丝，所述保温区的内部设有加热电阻丝，所述化料炉内设有加热电阻丝，所述加热炉内设有加热电阻丝。

作为本发明的进一步改进，所述加热锥和保温区的材质为哈氏合金。

作为本发明的进一步改进，所述化料炉的底部设有放料阀，所述保温区的底部设有放料阀。

作为本发明的更进一步改进，所述S1中，4N碲原料碎成直径小于1厘米的碎粒。

作为本发明的更进一步改进，所述化料炉温度维持在470～500℃。

本发明具有的有益效果：本结构的高纯碲的生产设备，能够有效实现碲的高效提纯，同时实现连续投料连续生产，实现工业化大规模生产。本发明设备投资小，控制方便，实现连续生产的目的，延长单炉的运行时间，提升产能。

附图说明

图1为本发明公开的一个实施例的示意图。

图中所示：1出气阀，2保温区，3加热电阻丝，4测温套管，5加热锥，7放料阀，8管道，9坩埚，11化料炉，13放料管，14加热炉，15高纯石英舟，17进气阀。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做进一步的说明。

如图所示，一种6N级高纯碲的生产设备，包括化料炉11、加热炉14和收集炉；所述化料炉位于加热炉的上方，并通过放料管13与加热炉相连；所述加热炉通过管道8与收集炉相连，所述管道8位于加热炉侧为进气口设有进气阀17，其位于收集炉侧为出气口设有出气阀1；所述加热炉内设有高纯石英舟15；所述收集炉内设有加热锥5和保温区2，所述保温区下方设有坩埚9；所述加热锥的大部分锥体与管道处于同一水平面，其锥顶低于管道所处水平面。

加热炉为水平管式加热炉，其炉膛为高纯石英管8，其内放置一个高纯石英舟15。化料炉11和水平管式加热炉通过放料管13连接，化料炉11起到将4N精碲熔化成熔体，通过控制化料炉底部的放料阀12将熔体碲放入水平管式加热炉14中的高纯石英舟15中，实现连续投料的目的，延长单炉的运行时间，提升产能。

为保证整个装置的提纯效果，所述加热锥内部设有加热电阻丝，所述保温区的内部设有加热电阻丝，所述化料炉内设有加热电阻丝，所述加热炉内设有加热电阻丝。加热锥5材质为哈氏合金，内部铺有加热电阻丝6，起到温度补偿的作用，确保碲蒸汽在锥上变成熔体流入下方保温区2中，而硒化氢等低熔点杂质顺着气流从出气阀1排出，从而实现碲的提纯。

保温区2材质为哈氏合金，底部装有放料阀7，通过阀门控制产品的放出浇铸。

本发明采用的技术原理是：常压蒸馏与氢气脱杂结合一步生产6N高纯碲。常压蒸馏作为一种常规物理分离手段，在石油化工领域应用广泛，适合分离蒸汽压区别较大的物质。若单纯采用常压蒸馏，因硒与碲在常压下的蒸汽压接近，无法实现硒碲的分离，产品纯度达不到要求；在高温下，由于氢气会与硒形成硒化氢气体，而碲几乎不与氢气反应，所以可以利用氢气脱杂来实现硒碲的分离，但由于此法无法实现重金属杂质的分离，仅可制备5N高纯碲，后续生产6N高纯碲仍需蒸馏脱杂。利用上述方法的优点，将常压蒸馏结合氢气脱杂，一方面减少了真空系统的投资，降低了设备的采购成本，另一方面由于将氢气脱硒与常压蒸馏结合，省去了蒸馏过程的热损，降低了生产成本，同时此工艺可以实现4N精碲短流程大规模生产6N高纯碲，大大提高了生产效率。其中重金属杂质的分离通过收集炉来实现。

本发明的高纯碲的生产设备，其生产高纯碲的生产工艺是：

S1，将4N精碲破碎，投入化料炉中；

S2，化料炉开始升温，将精碲融化成溶体；

S3，加热炉开始升温，并通过管道向加热炉内通入氢气；

S4，加热炉内温度升温至600～900℃，氢气流速控制在3L/min～5L/min，并保持氢气流速稳定；

S5，打开化料炉底部放料阀，将熔体放入高纯石英舟中；

S6，加热锥开始升温，升温至其后端测温孔温度保持在380～430℃；

S7，停止加热炉升温，待加热炉内温度降至室温后，从其炉内取出高纯石英舟，换新高纯石英舟，重新开始生产；

S8，打开保温区底部放料阀，将产品放出在坩埚内浇铸。

为保证整个装置配合加热锥实现上述功能，连接加热炉和收集炉的之间的管道进行特别设计，该管道与加热炉的炉内腔体平行，与加热锥的大部分椎体平行，从而保证由加热炉过来的气体和加热锥的椎体进行充分接触。但同时，加热锥的锥顶低于管道平面，从而确保碲蒸汽在椎体上变成溶体，通过锥顶流入保温区，此时锥顶的碲溶液不会接触到从管道过来的蒸汽，有效保证碲的纯度。与此同时，碲中的杂质比如硒化氢等低熔点杂质会被管道中的气体驱动，顺着气流从出气阀1排出。为实施监测整个设备的温度，提高蹄的纯化效果，在管道的出气阀附近增加测温套管4，便于实施检测。氢气不仅作为推动碲蒸汽的气流使用，同时也作为除杂气体，与碲蒸汽中的硒反应，生成硒化氢，从而保证碲能够达到6N级的高纯碲。

最后给出本发明的高纯碲的生产方法的实施例。

实施例1

步骤一，将4N精碲破碎成1cm小块，投入化料炉11中；步骤二，化料炉11开始升温至480℃，将精碲融化成熔体；步骤三，水平管式加热炉14开始通入氢气，氢气流速控制在3L/min，升温至700℃；步骤四，等到氢气流速稳定在3L/min，管内温度维持在700℃；步骤五，打开化料炉11底部放料阀12，将熔体放入高纯石英舟15中；步骤六，加热锥6开始升温至后端测温孔温度稳定在400℃；步骤七停止生产，待水平加热炉14内温度降至室温后，从炉内取出高纯石英舟15，换新高纯石英舟重新开始生产。

实施例2

步骤一，将4N精碲破碎成1cm小块，投入化料炉11中；步骤二，化料炉11开始升温至480℃，将精碲融化成熔体；步骤三，水平管式加热炉14开始通入氢气，氢气流速控制在4L/min，升温至750℃；步骤四，等到氢气流速稳定在4L/min，管内温度维持在750℃；步骤五，打开化料炉11底部放料阀12，将熔体放入高纯石英舟15中；步骤六，加热锥6开始升温至后端测温孔温度稳定在410℃；步骤七停止生产，待水平加热炉14内温度降至室温后，从炉内取出高纯石英舟15，换新高纯石英舟重新开始生产。

实施例3

步骤一，将4N精碲破碎成1cm小块，投入化料炉11中；步骤二，化料炉11开始升温至500℃，将精碲融化成熔体；步骤三，水平管式加热炉14开始通入氢气，氢气流速控制在5L/min，升温至900℃；步骤四，等到氢气流速稳定在5L/min，管内温度维持在900℃；步骤五，打开化料炉11底部放料阀12，将熔体放入高纯石英舟15中；步骤六，加热锥6开始升温至后端测温孔温度稳定在420℃；步骤七停止生产，待水平加热炉14内温度降至室温后，从炉内取出高纯石英舟15，换新高纯石英舟重新开始生产。

最后给出实施例1至3中的产品的检测结果，通过GDMS检测分析后，化学成分见下表(单位：ppm)。

	实施例1	实施例2	实施例3
				Te	99.9999+％	99.9999+％	99.9999+％
Mg	＜0.001	0.005	0.01
				Al	0.008	0.02	0.02
Ca	＜0.01	0.01	＜0.01
				Fe	＜0.005	0.03	0.01
Ni	0.02	0.03	0.01
				Cu	0.004	0.02	0.03
Zn	＜0.005	0.03	0.03
				Se	＜0.01	0.04	＜0.01
Ag	＜0.005	＜0.005	＜0.005
				Cd	＜0.01	0.04	＜0.01
Pb	＜0.005	0.03	0.05

通过上述检测可知，Te的提纯效果好，能够达到高纯碲的品味，其内各杂质的得到很好的去除，更重要的是，上述设备不仅投资小，同时能够实现整个高出碲的连续投料生产，大大提高生产效率和降低成本。

本领域技术人员应当知晓，本发明的保护方案不仅限于上述的实施例，还可以在上述实施例的基础上进行各种排列组合与变换，在不违背本发明精神的前提下，对本发明进行的各种变换均落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种6N级高纯碲的生产设备，其特征是包括化料炉、加热炉和收集炉；所述化料炉位于加热炉的上方，并通过放料管与加热炉相连；所述加热炉通过管道与收集炉相连，所述管道位于加热炉侧为氢气进气口，其位于收集炉侧为出气口；所述加热炉内设有高纯石英舟；所述收集炉内设有加热锥和保温区，所述保温区下方设有坩埚；所述加热锥的大部分锥体与管道处于同一水平面，其锥顶低于管道所处水平面，确保碲蒸汽在锥体上变成熔体，通过锥顶流入保温区，锥顶的碲溶液不会接触到从管道过来的蒸汽。

2.根据权利要求1所述的一种6N级高纯碲的生产设备，其特征是所述加热炉为水平管式加热炉，其炉膛为高纯石英管。

3.根据权利要求1所述的一种6N级高纯碲的生产设备，其特征是所述加热锥内部设有加热电阻丝，所述保温区的内部设有加热电阻丝，所述化料炉内设有加热电阻丝，所述加热炉内设有加热电阻丝。

4.根据权利要求1所述的一种6N级高纯碲的生产设备，其特征是所述加热锥和保温区的材质为哈氏合金。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的一种6N级高纯碲的生产设备，其特征是所述化料炉的底部设有放料阀，所述保温区的底部设有放料阀。

6.一种使用如权利要求1至5中任意一项所述6N级高纯碲的生产设备的生产工艺，其特征是包括如下步骤：

S1，将4N精碲破碎，投入化料炉中；

S2，化料炉开始升温，将精碲熔化成熔体；

S3，加热炉开始升温，并通过管道向加热炉内通入氢气；

S4，加热炉内温度升温至600～900℃，氢气流速控制在3L/min～5L/min，并保持氢气流速稳定；

S5，打开化料炉底部放料阀，将熔体放入高纯石英舟中；

S6，加热锥开始升温，升温至其后端测温孔温度保持在380～430℃；

S7，停止加热炉升温，待加热炉内温度降至室温后，从其炉内取出高纯石英舟，换新高纯石英舟，重新开始生产；

S8，打开保温区底部放料阀，将产品放出在坩埚内浇铸。

7.根据权利要求6所述6N级高纯碲的生产设备的生产工艺，其特征是所述S1中，4N碲原料碎成直径小于1厘米的碎粒。

8.根据权利要求6或7所述6N级高纯碲的生产设备的生产工艺，其特征是所述化料炉温度维持在470～500°C。