CN113735096A - 一种艾奇逊炉芯石墨粉制备超高纯碳粉的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种艾奇逊炉芯石墨粉制备超高纯碳粉的方法；该方法主要包括以下步骤：（1）取石墨粉原料添加于石墨舟皿中，将所述舟皿放于高温提纯设备中，对高温提纯设备进行抽真空处理后通入惰性气体吹扫；（2）吹扫一定时间后以5~15°C/min升温速率程序升温至1800~2000°C，保温1h~2h，然后抽真空处理；达到一定真空值后通入惰性气体进行升压处理；（3）达到一定升压值后以5~15°C/min升温速率进一步升温至2400~2600°C，保温1h~2h，再次进行抽真空处理；达到一定真空值后通入惰性气体再次进行升压处理；（4）达到一定升压值后以5~15°C/min升温速率进一步升温至3000~3100°C，保温1h~3h，然后降温至室温，获得高纯碳粉。本发明方法在工艺上简单易行，操作方便，成本低，获得的高纯碳粉的含碳量可达到99.999%以上。

Description

一种艾奇逊炉芯石墨粉制备超高纯碳粉的方法
技术领域
本发明属于高纯碳材料技术领域，具体涉及一种艾奇逊炉芯石墨粉制备超高纯碳粉的方法。
背景技术
高纯石墨（含碳量>99.999%）被广泛应用于各种领域中，如核反应器、及第三代半导体的晶圆所用碳粉原料。
高纯碳粉可以从天然石墨中提纯制备。但由于自然界中多种矿物的共生，天然石墨经常需要水洗、酸洗等繁琐的矿选步骤进行富集。石墨矿中所含片状石墨尺寸越大，纯度越高。经过粗选的天然石墨的纯度可达97%左右。然而，高品质的天然石墨矿储量有限，且主要分布在斯里兰卡、莫桑比克等地区。
高纯碳粉也可以通过基于石油、煤系的针状焦制备，或者利用其进一步加工产物人造石墨进行制备。人造石墨常用艾奇逊/串接炉或者箱式炉对煅烧后的石油焦（或无烟煤）进行高温石墨化制备。化学处理步骤（碱洗、酸洗）可以去除其中的可能金属、非金属杂质。经过后续的一次或多次高温石墨化过程，不仅使碳材料的原子结构更加完善，而且可以有效去除产品中的杂质。
原材料中杂质的种类及含量，对高纯碳材料提纯方式的选择至关重要。在已有的高纯碳粉制备过程中，人造石墨或富集后的天然石墨需要通过大量化学处理步骤（碱洗、酸洗）去除其中的可能金属、非金属杂质，造成严重的生态环境污染压力。
在经典的艾奇逊炉工艺生产线中，石英砂与精细煤(或焦炭)在高温下发生固态化学反应产生碳化硅粉末材料（US492767, 1893）。产物碳化硅被广泛作为耐高温的隔热材料、研磨料以及冶炼炉中的增碳剂。在利用艾奇逊炉制备粉末碳化硅磨料的过程中，炉芯处未与石英砂反应的过量碳源，以及碳化硅在高温下分解而成的碳粉，均会发生石墨化。由于炉芯温度在2800°C以上，该炉芯石墨的含碳量最高可达99.9%以上。
气热提纯方法被广泛用于较低纯度的碳粉（<99.9%）制备过程中，目前被应用于高纯石墨碳粉的制备中（顶立科技，CN109292769A, 2019）。在高纯的含氟的特种气体环境下，可以显著降低石墨提纯时所需的环境温度。然而，气热提纯造成提纯工艺难度增加及导致相应的气体污染，造成最终提纯成本增加。
现有技术中缺少一种利用艾奇逊炉副产的石墨粉制备超高纯碳粉的工艺。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用艾奇逊炉副产的石墨粉提取超高纯碳粉的方法，该方法可提纯到99.999%以上高纯碳粉，且提纯工艺简单易行、成本低。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种艾奇逊炉芯石墨粉制备超高纯碳粉的方法，包括如下步骤：
（1）取石墨粉原料添加于石墨舟皿中，将所述舟皿放于高温提纯设备中，对高温提纯设备进行抽真空处理后通入惰性气体吹扫；
（2）吹扫一定时间后以5~15°C/min升温速率程序升温至1800~2000°C，保温1h~2h，然后抽真空处理；达到一定真空值后通入惰性气体进行升压处理；
（3）达到一定升压值后以5~15°C/min升温速率进一步升温至2400~2600°C，保温1h~2h，再次进行抽真空处理；达到一定真空值后通入惰性气体再次进行升压处理；
（4）达到一定升压值后以5~15°C/min升温速率进一步升温至3000~3100°C，保温1h~3h，然后降温至室温，获得高纯碳粉。
进一步，所述步骤（1）、（2）、（3）和（4）中，通入的惰性气体为氩气，通入氩气的流速在10~40L/h，氩气的纯度大于99.999%。
进一步，所述步骤（1）、步骤（2）和步骤（3）中，高温提纯设备进行抽真空处理时均抽真空至10Pa。
进一步，所述步骤（2）和步骤（3）中，高温提纯设备升压处理时均升压至大于外界大气压2~5kPa。
进一步，所述步骤（1）中石墨粉原料为生产碳化硅磨料时传统艾奇逊炉中于炉芯副产的石墨粉。
进一步，所述高温提纯设备采用间歇式提纯设备。
本发明还提供一种超高纯碳粉，超高纯碳粉由上述制备方法获得，制得的高纯碳粉纯度在99.999%以上。
本发明的有益效果是：
1、本发明采用加热提纯方法进行高纯碳粉制备；在制备工艺上，通过隔绝空气程序渐变升温至特定温度，并通过升压与抽真空的交替处理，最终使传统艾奇逊炉副产的石墨粉原料固体中的杂质组分在气相中富集，并被在炉体中流动的惰性气体带走，实现高纯碳粉的制备，制备的高纯碳粉可达到99.999%以上，形成超高纯碳粉；
2、本发明所使用的石墨粉原料是生产碳化硅磨料时传统艾奇逊炉中于炉芯副产的石墨粉，原材料充足，实现了废料的回收再利用，同时也避免了环境污染；
3、以传统加热提纯方法为基础，配合升压与抽真空的交替处理进行提存操作，在工艺上简单易行，操作方便，成本低。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明优选实施例进行说明。
如图1所示，一种艾奇逊炉芯石墨粉制备超高纯碳粉的方法，具体包括如下步骤：
（1）取石墨粉原料添加于石墨舟皿中，将所述舟皿放于间歇式提纯设备（中频加热炉），将设备抽真空至10 Pa后通入氩气吹扫。石墨粉原料为生产碳化硅磨料时传统艾奇逊炉中于炉芯副产的石墨粉；
（2）吹扫一定时间后以5~15°C/min升温速率程序升温至1800~2000°C，保温1h~2h，然后抽真空至10 Pa；后通入氩气升压至大于外界大气压2~5kPa；
（3）以5~15°C/min升温速率进一步升温至2400~2600°C，保温1h~2h，再次进行抽真空至10 Pa；后通入氩气再次升压至大于外界大气压2~5kPa；
（4）以5~15°C/min升温速率进一步升温至3000~3100°C，保温1h~3h，然后降温至室温，获得高纯碳粉，制得的高纯碳粉纯度在99.999%以上。
步骤（1）、（2）、（3）和（4）中，通入氩气的流速在10~40L/h，氩气的纯度大于99.999%。
本申请实施例针对生产黑色碳化硅磨料用的传统艾奇逊炉，炉体电加热功率为12500kW，炉体生产碳化硅能力为15000吨/年。炉体加热完成后，炉芯石墨粉产物区域的直径~2米，重量在10吨左右。该石墨粉的纯度通过固体粉末X射线荧光（XRF）测定表明在99.5%左右，主要杂质为Si、 Fe、 Cu、Zr以及Cl、Se等，含量参看表一；下述实施例中所述石墨粉原料均为该传统艾奇逊炉产出的石墨粉。
表一
Figure 934597DEST_PATH_IMAGE001
表1：生产黑色碳化硅磨料用的传统艾奇逊炉中副产的石墨中的杂质种类及含量。
实施例一
（1）取石墨粉原料添加于石墨舟皿中，将舟皿放于中频加热炉的坩埚中，将提存设备抽真空至10Pa，然后通入氩气吹扫1~5min。
（2）氩气吹扫完成后以5~15°C/min升温速率程序升温至1800°C，保温1h后，将体系抽真空至10Pa。然后通入氩气至炉体压力大于外界大气压2kPa。
（3）以5~15°C/min升温速率进一步升温至2600°C，保温1h后，将体系抽真空至10Pa。然后通入氩气至炉体压力大于外界大气压2kPa。
（4）以5~15°C/min升温速率进一步升温至3000°C，保温1h后，降温至室温，获得纯度在99.999%以上的高纯碳粉。
实施例二
（1）取石墨粉原料添加于石墨舟皿中，将舟皿放于中频加热炉的坩埚中，将提存设备抽真空至10Pa，然后通入氩气吹扫1~5min。
（2）氩气吹扫完成后以5~15°C/min升温速率程序升温至2800°C，保温2h后，将体系抽真空至10Pa。然后通入氩气至炉体压力大于外界大气压4.8kPa。
（3）以5~15°C/min升温速率进一步升温至2400°C，保温2h后，将体系抽真空至10Pa。然后通入氩气至炉体压力大于外界大气压4.8kPa。
（4）以5~15°C/min升温速率进一步升温至3100°C，保温2h后，降温至室温，获得纯度在99.999%以上的高纯碳粉。
实施例三
（1）取石墨粉原料添加于石墨舟皿中，将舟皿放于中频加热炉的坩埚中，将提存设备抽真空至10Pa，然后通入氩气吹扫1~5min。
（2）氩气吹扫完成后以5~15°C/min升温速率程序升温至1800°C，保温2h后，将体系抽真空至10Pa。然后通入氩气至炉体压力大于外界大气压3kPa。
（3）以5~15°C/min升温速率进一步升温至2500°C，保温2h后，将体系抽真空至10Pa。然后通入氩气至炉体压力大于外界大气压3kPa。
（4）以5~15°C/min升温速率进一步升温至3100°C，保温2h后，降温至室温，获得纯度在99.999%以上的高纯碳粉。
上述实施例三制得的超高纯石墨的纯度通过辉光放电-质谱（GDMS，上海艾文思公司）测定。在不考虑O、N、H杂质元素及可能含量的情况下，杂质主要为B、Al 、Si、S、 Cl、Ti、Fe、 Ni、Zr等元素。高纯碳粉的含碳量为99.99981%。
检测报告如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE001

Claims (7)

1.一种艾奇逊炉芯石墨粉制备超高纯碳粉的方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）取石墨粉原料添加于石墨舟皿中，将所述舟皿放于高温提纯设备中，对高温提纯设备进行抽真空处理后通入惰性气体吹扫；
（2）吹扫一定时间后以5~15°C/min升温速率程序升温至1800~2000°C，保温1h~2h，然后抽真空处理；达到一定真空值后通入惰性气体进行升压处理；
（3）达到一定升压值后以5~15°C/min升温速率进一步升温至2400~2600°C，保温1h~2h，再次进行抽真空处理；达到一定真空值后通入惰性气体再次进行升压处理；
（4）达到一定升压值后以5~15°C/min升温速率进一步升温至3000~3100°C，保温1h~3h，然后降温至室温，获得高纯碳粉。
2.如权利要求1所述的一种艾奇逊炉芯石墨粉制备超高纯碳粉的方法，其特征在于，所述步骤（1）、（2）、（3）和（4）中，通入的惰性气体为氩气，通入氩气的流速在10~40L/h，氩气的纯度大于99.999%。
3.如权利要求1所述的一种艾奇逊炉芯石墨粉制备超高纯碳粉的方法，其特征在于，所述步骤（1）、步骤（2）和步骤（3）中，高温提纯设备进行抽真空处理时均抽真空至10Pa。
4.如权利要求1所述的一种艾奇逊炉芯石墨粉制备超高纯碳粉的方法，其特征在于，所述步骤（2）和步骤（3）中，高温提纯设备升压处理时均升压至大于外界大气压2~5kPa。
5.如权利要求1至4任意一项所述的一种艾奇逊炉芯石墨粉制备超高纯碳粉的方法，其特征在于，所述步骤（1）中石墨粉原料为生产碳化硅磨料时传统艾奇逊炉中于炉芯副产的石墨粉。
6.如权利要求1至4任意一项所述的一种艾奇逊炉芯石墨粉制备超高纯碳粉的方法，其特征在于，所述高温提纯设备采用间歇式提纯设备。
7.一种超高纯碳粉，其特征在于，所述超高纯碳粉由权利要求1至4任意一项所述的制备方法获得，所述步骤（4）制得的高纯碳粉纯度在99.999%以上。
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