CN115724433B - 一种石英砂等离子体气固反应提纯装置及提纯方法 - Google Patents
一种石英砂等离子体气固反应提纯装置及提纯方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115724433B CN115724433B CN202211476769.1A CN202211476769A CN115724433B CN 115724433 B CN115724433 B CN 115724433B CN 202211476769 A CN202211476769 A CN 202211476769A CN 115724433 B CN115724433 B CN 115724433B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- quartz
- pipe
- gas
- plasma
- quartz sand
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 178
- 239000006004 Quartz sand Substances 0.000 title claims abstract description 59
- 238000000746 purification Methods 0.000 title claims abstract description 32
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 26
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 title claims abstract description 20
- 239000007787 solid Substances 0.000 title claims abstract description 20
- 239000010453 quartz Substances 0.000 claims abstract description 111
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 69
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims abstract description 45
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims abstract description 36
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims abstract description 36
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 21
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 claims abstract description 17
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 15
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 13
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 13
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 claims abstract description 6
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims description 26
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 8
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 8
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 8
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 6
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 5
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims description 4
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 claims description 4
- 238000007599 discharging Methods 0.000 claims description 3
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000002203 pretreatment Methods 0.000 claims description 3
- 210000002381 plasma Anatomy 0.000 description 70
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 19
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 13
- 230000008569 process Effects 0.000 description 10
- 238000005660 chlorination reaction Methods 0.000 description 8
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 8
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 7
- 239000002585 base Substances 0.000 description 7
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 7
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000011707 mineral Substances 0.000 description 7
- 239000000047 product Substances 0.000 description 7
- 229910052783 alkali metal Inorganic materials 0.000 description 6
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 6
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 6
- 238000002386 leaching Methods 0.000 description 6
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 6
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 150000001340 alkali metals Chemical class 0.000 description 5
- 239000002775 capsule Substances 0.000 description 5
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 description 5
- 238000003837 high-temperature calcination Methods 0.000 description 5
- IXCSERBJSXMMFS-UHFFFAOYSA-N hydrogen chloride Substances Cl.Cl IXCSERBJSXMMFS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910000041 hydrogen chloride Inorganic materials 0.000 description 5
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 description 5
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 4
- 238000007885 magnetic separation Methods 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 4
- 239000003238 silicate melt Substances 0.000 description 4
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052784 alkaline earth metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 3
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 3
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 3
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N Chlorine atom Chemical compound [Cl] ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 2
- 150000001342 alkaline earth metals Chemical class 0.000 description 2
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000012320 chlorinating reagent Substances 0.000 description 2
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 2
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 2
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 2
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 2
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 2
- 210000003000 inclusion body Anatomy 0.000 description 2
- 238000009616 inductively coupled plasma Methods 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 125000004430 oxygen atom Chemical group O* 0.000 description 2
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 2
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 2
- 238000007670 refining Methods 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 2
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 description 2
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 2
- KZBUYRJDOAKODT-UHFFFAOYSA-N Chlorine Chemical compound ClCl KZBUYRJDOAKODT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical group [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003723 Smelting Methods 0.000 description 1
- OBNDGIHQAIXEAO-UHFFFAOYSA-N [O].[Si] Chemical compound [O].[Si] OBNDGIHQAIXEAO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 1
- 238000005280 amorphization Methods 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000001354 calcination Methods 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 1
- 238000001311 chemical methods and process Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 description 1
- 210000000805 cytoplasm Anatomy 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000005538 encapsulation Methods 0.000 description 1
- 238000005188 flotation Methods 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000002887 hydroxy group Chemical group [H]O* 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000960 laser cooling Methods 0.000 description 1
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 238000010309 melting process Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 239000012466 permeate Substances 0.000 description 1
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 description 1
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920005591 polysilicon Polymers 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000011435 rock Substances 0.000 description 1
- 239000004576 sand Substances 0.000 description 1
- 238000005201 scrubbing Methods 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 description 1
- 210000004127 vitreous body Anatomy 0.000 description 1
- 229910021489 α-quartz Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000500 β-quartz Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Silicon Compounds (AREA)
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
本发明公开一种石英砂等离子体气固反应提纯装置及提纯方法，包括用于输送惰性气体和等离子体源气体的气体输送装置，所述气体输送装置输出端与输送管一端连接，输送管另一端通过第一旋转接头与引入管连通，所述引入管通过可拆装的第一密封盘安装于石英管内，第一密封盘与石英管一端配合，所述石英管另一端与第二密封盘配合，引出管一端穿装于第二密封盘内，另一端通过第二旋转接头与排料管一端连接，所述石英管前侧和后侧外围分别设有低温等离子体发生器和加热炉体，所述石英管驱动输入端与旋转装置输出端连接；本发明能够对石英砂晶体颗粒深部包裹体及晶格内的金属杂质元素进行清除，提高石英砂的纯度，为制备超高纯石英砂提供技术参考。
Description
技术领域
本发明涉及非金属矿物粉体材料气固反应技术领域，具体地指一种石英砂等离子体气固反应提纯装置及提纯方法。
背景技术
高纯石英砂是一种新型的无机非金属材料，主要用于制造大规格光刻基板、光纤支架、全透紫外光学器件、石英坩埚、扩散炉管等高纯石英玻璃，是光通讯、半导体、芯片、光伏太阳能电池、大规模及超大规模集成电路等高技术领域不可缺少的基础材料之一。
天然石英矿石是制备高纯石英砂的主要原料，一般要经过破碎、色选、研磨、分级、擦洗、光选、电选、磁选、浮选及酸浸、高温煅烧、氯化等诸多物理及化学过程。其中酸浸和高温氯化工艺是石英砂高纯度的重要保证。现有对石英砂/石英粉的精炼提纯技术，通常是先经过前期处理如酸洗、水洗、高温煅烧等过程之后，再在高温煅烧过程中通入大量氯气/氯化氢等高腐蚀性气体进行高温氯化处理，如专利号为201810878710.2高温氯化技术。现行所有酸浸及氯化方式对于石英砂深层次清除能力十分有限，能耗高、效果差是目前石英砂精细化提纯亟待解决的共性问题。现有高温氯化技术的缺点有两点：一是在高温状态下需要使用大量腐蚀性气体，对设备防腐性和抗压性要求高，操作不当会对带来潜在威胁；二是仅能清除表面及微裂隙中微量可挥发性金属杂质，而对于晶体矿物存在于晶格内和包裹体内的金属杂质清除则无能为力。
另外，也有公开号为CN101503192A和CN104310405A专利是在1450℃以上引入等离子体对高温熔炼状态的多晶硅进行提纯，通入Ar、N2、H2、H2O、CO2或HCl气体以清除其中杂质P、B、C、Fe、Al、Ca，作用过程都是在一种静态坩埚中完成，其提纯效果有限，特别是对于晶体矿物存在于晶格内和包裹体内的金属杂质清除效果欠佳。
理想的石英晶体是一种由氧原子和硅原子组成的连续四面体结构矿物，每个氧原子由两个四面体共享，形成无限延伸的架状结构。天然石英晶体在自然环境下成矿时往往受到周围环境物质的浸蚀，由于Al3+、Fe3+、B3+、Ti4+、Ge4+、P5+离子与Si4+半径相近，在硅氧四面体晶体结构(即晶格)中极少量的Si4+被Al3+等取代，为了达到电价平衡使晶体结构处于稳定状态，Li+、K+、Na+、H+、Fe2+等离子直接进入平衡空位引起的电子缺陷，达到电荷中性。最常见的晶格杂质元素为Al、Ti、Na、K、Li等。这些晶格杂质是目前的磁选、重选、电选、浮选、酸浸、微波、高温煅烧、氯化焙烧等工艺方法无法除去的。
如图2和3所示，天然的石英晶体通常包含流体、硅酸盐熔体和矿物包裹体(＞1μm)，这些包裹体可以在普通的光学显微镜下观察。包裹的种类和丰度取决于结晶环境、结晶后的蚀变和变形。如果在石英晶体中包裹体大量存在，那么它们会对石英原材料的化学纯度和质量有很大影响。流体包裹体是石英中最常见、最丰富的包裹体杂质。它们既可以在石英晶体生长时，为石英所捕获，形成原生流体包裹体；也可以在后期流体沿石英的微裂缝渗透、石英晶体愈合时形成，称之为次生包裹体。流体包裹体分为单相盐水为溶液、单相气相、两相盐水溶液、富含CO2气液两相、富含CO2气液液三相等，主要成分多为H2O、CO2、H2、CH4、NaCl、KCl、CaCl2、MgCl2等。这些包裹体杂质采用通常的磁选、重选、电选、浮选、酸浸等工艺方法无法除去。采用微波、高温煅烧方法仅能使晶体浅表面层包裹体爆裂，清除少量气体及高温可挥发性杂质。高温氯化焙烧工艺也是仅能除去浅表面层包裹体及微裂隙中少量的羟基、碱金属等微量杂质，不能清除深层次包裹体及晶格中的杂质元素。
硅酸盐熔体包裹体常常出现在岩浆岩，常表现为小的玻璃质或结晶质“气泡”(约1～300μm)。相比于流体包裹体，它们在石英晶体中的数量相对稀少。熔体包裹体的成分与石英捕获的硅酸盐熔体成分相对应，主要由Si、Al、Fe、Ca、Na和K等组成。在岩浆演化晚期形成的伟晶岩中，石英中的熔体包裹体常常包含大量的碱金属元素(如Li、Na、K、Rb、Cs)、挥发性元素(如B、P、F、Cl)，以及一些稀有元素。这些熔体包裹体中的杂质元素会影响石英的化学纯度，是一个主要的污染源。现阶段，经研磨、分选、磁选、重选、电选、浮选、酸浸、加热、焙烧等矿物提纯工艺，可以将石英晶体大部分的表面附着硅酸盐熔体、与石英嵌布的矿物、以及石英晶体中大部分浅表显微包裹体(＞10μm)除去。但对于石英内部的隐形熔体、亚微米级(＜10μm)和纳米级(100nm～1μm)包裹体、深层显微包裹体(＞10μm)，现有手段难以将它们完全地除去，它们的存在将会极大地影响石英的化学纯度和质量。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种石英砂等离子体气固反应提纯装置及提纯方法，能够对石英砂晶体颗粒深部包裹体及晶格内的金属杂质元素进行清除，提高石英砂的纯度，为制备超高纯石英砂提供技术参考。
本发明为解决上述技术问题，所采用的技术方案是：一种石英砂等离子体气固反应提纯装置，包括用于输送惰性气体和等离子体源气体的气体输送装置，所述气体输送装置输出端与输送管一端连接，输送管另一端通过第一旋转接头与引入管连通，所述引入管通过可拆装的第一密封盘安装于石英管内，第一密封盘与石英管一端配合，所述石英管另一端与第二密封盘配合，引出管一端穿装于第二密封盘内，另一端通过第二旋转接头与排料管一端连接，所述石英管前侧和后侧外围分别设有低温等离子体发生器和加热炉体，所述石英管驱动输入端与旋转装置输出端连接。
优选地，所述输送管或排料管通过连接管与真空泵连接。
优选地，所述引入管后侧表面开设有多个气孔。
优选地，所述气体输送装置包括惰性气体储气罐和等离子体源气体储气罐，惰性气体储气罐和等离子体源气体储气罐分别通过相应出气管路与输送管连接，管路上设有阀门。
优选地，所述排料管另一端与尾气吸收装置连接。
优选地，所述低温等离子体发生器和加热炉体均安装于支撑板顶部，所述石英管两侧设有限位轴承，所述限位轴承通过轴承座安装于支撑板顶部，所述支撑板一端与基座顶部铰接，另一端通过伸缩装置与基座顶部铰接。
优选地，所述旋转装置包括固定设于基座顶部的旋转电机，所述旋转电机输出轴设有直齿轮，所述直齿轮与套装固定于石英管表面的环形齿轮啮合。
优选地，所述低温等离子体发生器上还设有用于对其耦合线圈进行冷却的制冷装置，低温等离子体发生器激发产生的等离子体温度为10℃-50℃。
优选地，所述第一密封盘或第二密封盘表面还穿装有气压平衡管，气压平衡管上设有阀门。
另外，本发明还公开上述石英砂等离子体气固反应提纯装置的提纯方法，它包括如下步骤：
S1、将经过前序处理后的石英砂导入到石英管内，然后分别将第一密封盘和第二密封盘安装到石英管两端，完成管路的连接后，开启真空泵使得石英管内达到一定负压状态后停止运行，开启旋转装置，使得石英管保持旋转状态；
S2、开启低温等离子体发生器，然后开启气体输送装置上等离子体源气体储气罐所在出气管路的阀门，向石英管内通入等离子体源气体，从而在低温等离子体发生器作用下，产生辉光放电并形成低温等离子体，等离子体和石英砂接触，并瞬时与石英砂晶体颗粒深部包裹体及晶格内的金属杂质元素结合，形成低温等离子结合体；
S3、待等离子体和石英砂充分接触一段时间后，开启加热炉体，对石英管进行加热，此时低温等离子结合体迅速从石英晶颗粒深部包裹体及晶格中逸散而出；
S4、关闭气体输送装置上等离子体源气体储气罐所在出气管路的阀门，打开气体输送装置上惰性气体储气罐所在出气管路的阀门，向石英管内通入惰性气体，并打开排料管上阀门，从而将石英管内的等离子结合体杂质及残余气体驱逐除尽并排放至尾气吸收装置内；
S5、关闭加热炉体和旋转装置，关闭气体输送装置上惰性气体储气罐所在出气管路的阀门，待石英管内温度降低到规定值后，拆卸石英管两端的第一密封盘和第二密封盘，启动伸缩装置，使得石英管发生倾斜，经过除杂的石英砂从石英管末端滑出而进入到下方的收集装置内。
本发明的有益效果：
1、本发明技术环保优势明显：本发明中危险气体如氯气、氯化氢等气体通入量极少，不到现有技术用气量的1％，炉膛(石英管)内气氛压力很小，气体外泄风险小，安全系数高。
2、发明技术制备的石英砂纯度高，可达5N以上，Al、K、Na、Li、Ca、Mg、Fe、Cu、Co、Ni、Mn、Cr、Ti、B等十四项杂质元素含量总量可达7ppm以下，其中Al含量可达6ppm以下，碱金属、过渡金属含量小于0.1ppm，产品可用于高端半导体及超大规模集成电路领域。
3、本发明在常温状态下引入等离子体，使石英晶体颗粒深部包裹体及晶体结构中的杂质与等离子体于常温下瞬息结合，再通过加热炉体的中高温热场时迅速逸出，极大地提高了除杂效率，减少了能耗，降低了成本。
4、本发明重点是清除石英晶体内部包裹体及晶格中极其微量的碱金属如Li、Na、K等元素，碱土金属如Ca、Mg、Ba等元素，以及过渡金属如Fe、Cr、Mn、Ni、Co、Cu、Ti等元素；同时对金属元素Al也有一定清除作用，即本发明能够对石英砂晶体颗粒深部包裹体及晶格内的金属杂质元素进行清除，提高了石英砂的纯度，为制备超高纯石英砂提供技术参考。
附图说明
图1为一种石英砂等离子体气固反应提纯装置的结构示意图；
图2为提纯前石英砂的显微镜图片(低倍)；
图3为提纯前石英砂的显微镜图片(高倍)；
图4为提纯后石英砂的显微镜图片(低倍)；
图5为提纯后石英砂的显微镜图片(高倍)。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
如图1所示，一种石英砂等离子体气固反应提纯装置，包括用于输送惰性气体和等离子体源气体的气体输送装置1，所述气体输送装置1输出端与输送管2一端连接，输送管2另一端通过第一旋转接头3与引入管4连通，所述引入管4通过可拆装的第一密封盘5安装于石英管6内，第一密封盘5与石英管6一端配合，所述石英管6另一端与第二密封盘7配合，引出管8一端穿装于第二密封盘7内，另一端通过第二旋转接头9与排料管10一端连接，所述石英管6前侧和后侧外围分别设有低温等离子体发生器11和加热炉体12，所述石英管6驱动输入端与旋转装置输出端连接。
优选地，所述输送管2或排料管10通过连接管13与真空泵14连接。通过真空泵14可以使得石英管6内部呈负压状态。
优选地，所述引入管4后侧表面开设有多个气孔15。在本实施例中，等离子体源气体先进入到引入管4内，在低温等离子体发生器11作用下，形成等离子体，然后从气孔15出来后与石英砂接触。
优选地，所述气体输送装置1包括惰性气体储气罐和等离子体源气体储气罐，惰性气体储气罐和等离子体源气体储气罐分别通过相应出气管路与输送管2连接，管路上设有阀门。在本实施例中，惰性气体储气罐内储存有高压状态的惰性气体，例如氮气、氩气等，主要作用是驱赶气路和炉膛中的空气或残余等离子源气体，或者是作为保护气体；而等离子体源气体储气罐内储存有高压状态的等离子体源气体，如氧气、氯气、氯化氢、氢气等气体。
优选地，所述排料管10另一端与尾气吸收装置16连接。通过尾气吸收装置16可以将杂质气体吸收，以满足环保排放要求。
优选地，所述低温等离子体发生器11和加热炉体12均安装于支撑板17顶部，所述石英管6两侧设有限位轴承18，所述限位轴承18通过轴承座19安装于支撑板17顶部，所述支撑板17一端与基座20顶部铰接，另一端通过伸缩装置21与基座20顶部铰接。在本实施例中，伸缩装置21可以选用液压伸缩杆结构，通过其伸缩过程，可以使得支撑板17发生倾斜，进而使得整个石英管6、低温等离子体发生器11和加热炉体12一起发生倾斜。另外通过在石英管6两侧设置限位轴承18，可以使得石英管6的旋转运动平稳。
在本实施例中，低温等离子体发生器11内含金属(优选银、铜)螺旋耦合线圈。耦合线圈通过耦合电极与激磁射频电源相连，石英管6从耦合线圈轴心穿过，通过调节射频电源控制器的相关旋扭来产生不同强度的等离子体，功率范围为0-2000W连续可调。
加热炉体12控温模块采用智能化多段可编程控制方式分段升温，使得升温速率可调、升温平稳，炉膛受热均匀，在本实施例中，加热炉体12产生的热场温度范围优选地在500-1300℃，更为优选地，在1000－1200℃。
优选地，所述旋转装置包括固定设于基座20顶部的旋转电机22，所述旋转电机22输出轴设有直齿轮23，所述直齿轮23与套装固定于石英管6表面的环形齿轮27啮合。当旋转电机22工作时，可以带动直齿轮23转动，进而使得环形齿轮27发生转动，从而使得石英管6发生转动，其转速可在0－30r/min连续可调，最佳转速控制在3－5r/min。
另外，在本实施例中，基座20内部可以设置低温等离子体发生器11的射频电源及其控制器，设置加热炉体12的控制器，方便归纳，布局合理。
优选地，所述低温等离子体发生器11上还设有用于对其耦合线圈进行冷却的制冷装置25，低温等离子体发生器11激发产生的等离子体温度为10℃-50℃。更为优选地，可选用25℃-30℃；通过制冷装置25可以对低温等离子体发生器11的耦合线圈进行冷却，以确保其在低温下工作，制冷方式不限，可以是循环冷却水箱、激光制冷或其他制冷装置。
优选地，所述第一密封盘5或第二密封盘7表面还穿装有气压平衡管26，气压平衡管26上设有阀门。在拆卸掉第一密封盘5和第二密封盘7前，需要使得石英管6内外压力保持平衡，此时通过打开气压平衡管26上设有阀门，可以快速平衡气压，以利于拆卸过程。
另外，本发明还公开上述石英砂等离子体气固反应提纯装置的提纯方法，它包括如下步骤：
S1、将经过前序处理后的石英砂导入到石英管6内，然后分别将第一密封盘5和第二密封盘7安装到石英管6两端，完成管路的连接后，开启真空泵14使得石英管6内达到一定负压状态后停止运行，开启旋转装置，使得石英管6保持旋转状态；
S2、开启低温等离子体发生器11，然后开启气体输送装置1上等离子体源气体储气罐所在出气管路的阀门，向石英管6内通入等离子体源气体，从而在低温等离子体发生器11作用下，产生辉光放电并形成低温等离子体，等离子体和石英砂接触，并瞬时与石英砂晶体颗粒深部包裹体及晶格内的金属杂质元素结合，形成低温等离子结合体；在该步骤中，形成低温等离子体时，其温度为25℃-30℃，即常温状态，之所以选择这一常温状态，有以下原因：
众所周知，石英晶体从室温至熔化成玻璃态要经过多次不同的晶型转变，要经过α-石英→β-石英→鳞石英→方石英→非晶质化→玻璃体的转化过程。第一个转变温度约为573℃，第二个转变温度约为870℃，第三个转变温度约为1400℃，第四个转变温度约为1600℃，第五个转变温度约为1713℃，每经过一次转变其理化性质都会发生变化，其所含杂质组分的性质也会随之改变。研究结果表明，由射频电源激发产生的低温等离子体在常温下具有高反应活性和和强渗透能力，可瞬时与石英晶体颗粒深部包裹体及晶格金属杂质元素结合，然后在后续的高温热场作用下(步骤S3)，这种低温等离子结合体会迅速从石英晶颗粒深部包裹体及晶格中逃逸而出，从而达到高效清除石英晶体颗粒包裹体及结构性杂质的目的。如果在1200℃及以上高温状态下引入等离子体，高速运动的等离子体处于极不稳定的逃逸状态，其与石英晶体内部杂质元素的结合能力大大削弱；并且还由于温度过高，会改变石英的晶体结构特征，对其使用性能产生不良影响，在熔制过程中会降低石英熔点，从而影响石英坩埚等石英制品的耐温性、透明度和强度，在高温应用时会软化、塌陷、析晶，造成不良后果。
S3、待等离子体和石英砂充分接触一段时间后，开启加热炉体12，对石英管6进行加热，此时低温等离子结合体迅速从石英晶颗粒深部包裹体及晶格中逸散而出；
S4、关闭气体输送装置1上等离子体源气体储气罐所在出气管路的阀门，打开气体输送装置1上惰性气体储气罐所在出气管路的阀门，向石英管6内通入惰性气体，并打开排料管10上阀门，从而将石英管6内的等离子结合体杂质及残余气体驱逐除尽并排放至尾气吸收装置16内；
S5、关闭加热炉体12和旋转装置，关闭气体输送装置1上惰性气体储气罐所在出气管路的阀门，待石英管6内温度降低到规定值后，拆卸石英管6两端的第一密封盘5和第二密封盘7，启动伸缩装置21，使得石英管6发生倾斜，经过除杂的石英砂从石英管6末端滑出而进入到下方的收集装置内。
相关试验及对比数据如下：
取四份同批次经过前期提纯处理样品进行对比试验及分析。样品粒度分布范围60-220目。
试验0：原始样品，编号T0。
试验1：参照现有专利号为201810878710.2高温氯化技术中效果最好的实施例2所述方法及参数进行试验，即加热温度1300℃、氯化剂采用混合气体Cl2：HCl质量比为1：1，混合气体用量为至炉膛内压力为0.10MPa(约1个大气压)，氯化时间为120min。所得产品编号T1。
试验2：采用本发明如前所述具体实施方法执行。试验参数分别为，低温等离子体发生器射频功率调节为100W，热场温度1150℃、气源Cl2，用量约为试验1中混合氯化剂用量的1‰，炉膛(即石英管内部)压力约为10Pa(微压状态)，处理时间20min。所得产品编号T2。
试验3：采用本发明如前所述具体实施方法执行。试验参数分别为，低温等离子体发生器射频功率调节为80W，热场温度1000℃、气源Cl2+HCl，二者质量比为1：1，总用气与试验2同，炉膛(即石英管内部)压力约为10Pa(微压状态)，处理时间20min。所得产品编号T3。
试验4：参照试验3。除不开启等离子体发生系统外，其他工艺参数均与试验3同。所得产品编号T4。
五份样品采用高精度的电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP)进行分析，结果列于表1。
表1不同方法处理后石英砂中杂质含量*
*表中元素含量结果以“＜”表示，说明该元素含量以达到检测下限无法检测出。
对比试验结果显示，T2与T3结果基本一致，杂质含量最低，石英砂纯度最高，效果最好。二者对碱金属、碱土金属及过渡金属元素均具有极佳的清除效果；对难除金属Al元素有近20％的清除效果；对Ti元素有过40％的清除效果。试验T1结果次之，对碱金属及碱土金属元素和Fe具有较明显的清除作用，但对Al、Ti及过渡金属元素无能为力；T4与T0无明显差异，尽管与试验1条件相似，但温度较，气量太少，因而没有达到试验T1的效果。
此对比试验充分证明本发明技术对石英砂除去微量杂质(主要是晶格及包裹体内)优势明显，适合制备超高纯石英砂。同时从图4和5所示，经过本发明方法提纯后的石英砂颗粒透亮，杂质去除明显。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种石英砂等离子体气固反应提纯装置，包括用于输送惰性气体和等离子体源气体的气体输送装置（1），其特征在于：所述气体输送装置（1）输出端与输送管（2）一端连接，输送管（2）另一端通过第一旋转接头（3）与引入管（4）连通，所述引入管（4）通过可拆装的第一密封盘（5）安装于石英管（6）内，第一密封盘（5）与石英管（6）一端配合，所述石英管（6）另一端与第二密封盘（7）配合，引出管（8）一端穿装于第二密封盘（7）内，另一端通过第二旋转接头（9）与排料管（10）一端连接，所述石英管（6）前侧和后侧外围分别设有低温等离子体发生器（11）和加热炉体（12），所述石英管（6）驱动输入端与旋转装置输出端连接；所述低温等离子体发生器（11）上还设有用于对其耦合线圈进行冷却的制冷装置（25），低温等离子体发生器（11）激发产生的等离子体温度为10℃-50℃。
2.根据权利要求1所述的一种石英砂等离子体气固反应提纯装置，其特征在于：所述输送管（2）或排料管（10）通过连接管（13）与真空泵（14）连接。
3.根据权利要求1所述的一种石英砂等离子体气固反应提纯装置，其特征在于：所述引入管（4）后侧表面开设有多个气孔（15）。
4.根据权利要求1所述的一种石英砂等离子体气固反应提纯装置，其特征在于：所述气体输送装置（1）包括惰性气体储气罐和等离子体源气体储气罐，惰性气体储气罐和等离子体源气体储气罐分别通过相应出气管路与输送管（2）连接，管路上设有阀门。
5.根据权利要求1所述的一种石英砂等离子体气固反应提纯装置，其特征在于：所述排料管（10）另一端与尾气吸收装置（16）连接。
6.根据权利要求1所述的一种石英砂等离子体气固反应提纯装置，其特征在于：所述低温等离子体发生器（11）和加热炉体（12）均安装于支撑板（17）顶部，所述石英管（6）两侧设有限位轴承（18），所述限位轴承（18）通过轴承座（19）安装于支撑板（17）顶部，所述支撑板（17）一端与基座（20）顶部铰接，另一端通过伸缩装置（21）与基座（20）顶部铰接。
7.根据权利要求3所述的一种石英砂等离子体气固反应提纯装置，其特征在于：所述旋转装置包括固定设于基座（20）顶部的旋转电机（22），所述旋转电机（22）输出轴设有直齿轮（23），所述直齿轮（23）与套装固定于石英管（6）表面的环形齿轮（27）啮合。
8.根据权利要求1所述的一种石英砂等离子体气固反应提纯装置，其特征在于：所述第一密封盘（5）或第二密封盘（7）表面还穿装有气压平衡管（26），气压平衡管（26）上设有阀门。
9.一种权利要求1至8任一项所述石英砂等离子体气固反应提纯装置的提纯方法，其特征在于：它包括如下步骤：
S1、将经过前序处理后的石英砂导入到石英管（6）内，然后分别将第一密封盘（5）和第二密封盘（7）安装到石英管（6）两端，完成管路的连接后，开启真空泵（14）使得石英管（6）内达到一定负压状态后停止运行，开启旋转装置，使得石英管（6）保持旋转状态；
S2、开启低温等离子体发生器（11），然后开启气体输送装置（1）上等离子体源气体储气罐所在出气管路的阀门，向石英管（6）内通入等离子体源气体，从而在低温等离子体发生器（11）作用下，产生辉光放电并形成低温等离子体，等离子体和石英砂接触，并瞬时与石英砂晶体颗粒深部包裹体及晶格内的金属杂质元素结合，形成低温等离子结合体；
S3、待等离子体和石英砂充分接触一段时间后，开启加热炉体（12），对石英管（6）进行加热，此时低温等离子结合体迅速从石英晶颗粒深部包裹体及晶格中逸散而出；
S4、关闭气体输送装置（1）上等离子体源气体储气罐所在出气管路的阀门，打开气体输送装置（1）上惰性气体储气罐所在出气管路的阀门，向石英管（6）内通入惰性气体，并打开排料管（10）上阀门，从而将石英管（6）内的等离子结合体杂质及残余气体驱逐除尽并排放至尾气吸收装置（16）内；
S5、关闭加热炉体（12）和旋转装置，关闭气体输送装置（1）上惰性气体储气罐所在出气管路的阀门，待石英管（6）内温度降低到规定值后，拆卸石英管（6）两端的第一密封盘（5）和第二密封盘（7），启动伸缩装置（21），使得石英管（6）发生倾斜，经过除杂的石英砂从石英管（6）末端滑出而进入到下方的收集装置内。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211476769.1A CN115724433B (zh) | 2022-11-23 | 2022-11-23 | 一种石英砂等离子体气固反应提纯装置及提纯方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211476769.1A CN115724433B (zh) | 2022-11-23 | 2022-11-23 | 一种石英砂等离子体气固反应提纯装置及提纯方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115724433A CN115724433A (zh) | 2023-03-03 |
| CN115724433B true CN115724433B (zh) | 2023-06-23 |
Family
ID=85297696
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211476769.1A Active CN115724433B (zh) | 2022-11-23 | 2022-11-23 | 一种石英砂等离子体气固反应提纯装置及提纯方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115724433B (zh) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB9108891D0 (en) * | 1991-04-25 | 1991-06-12 | Tetronics Research & Dev Co Li | Silica production |
| CN112479216A (zh) * | 2021-01-24 | 2021-03-12 | 刘冠诚 | 一种节能环保纳米二氧化硅生产装置及工艺 |
| CN215048693U (zh) * | 2021-01-13 | 2021-12-07 | 山东阿莫斯新材料科技有限公司 | 一种高纯二氧化硅球形超微粉的制备装置 |
Family Cites Families (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU543248A1 (ru) * | 1975-02-19 | 1986-03-15 | Предприятие П/Я А-7815 | Способ получени тонкодисперсной двуокиси кремни |
| AU2001256753A1 (en) * | 2000-05-16 | 2001-11-26 | Tohoku Electric Power Company Incorporated | Method and apparatus for production of high purity silicon |
| CN100406110C (zh) * | 2004-12-21 | 2008-07-30 | 广西工学院 | 粉粒纯化装置 |
| CN101723377A (zh) * | 2008-10-28 | 2010-06-09 | 刘铁林 | 硅提纯方法及装置 |
| CN102381710A (zh) * | 2011-07-05 | 2012-03-21 | 兰州大学 | 一种混合气体微波等离子体提纯冶金级多晶硅的方法 |
| CN112062131B (zh) * | 2020-09-07 | 2021-06-08 | 齐鲁工业大学 | 一种高纯石英原料的生产系统及生产工艺 |
| CN112452507A (zh) * | 2020-11-06 | 2021-03-09 | 华南理工大学 | 一种连续低温等离子体粉末处理和球磨生产装置及其方法 |
| CN112978731B (zh) * | 2021-05-20 | 2021-08-20 | 浙江大学杭州国际科创中心 | 一种高纯碳化硅颗粒的反应装置及制备方法 |
-
2022
- 2022-11-23 CN CN202211476769.1A patent/CN115724433B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB9108891D0 (en) * | 1991-04-25 | 1991-06-12 | Tetronics Research & Dev Co Li | Silica production |
| CN215048693U (zh) * | 2021-01-13 | 2021-12-07 | 山东阿莫斯新材料科技有限公司 | 一种高纯二氧化硅球形超微粉的制备装置 |
| CN112479216A (zh) * | 2021-01-24 | 2021-03-12 | 刘冠诚 | 一种节能环保纳米二氧化硅生产装置及工艺 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115724433A (zh) | 2023-03-03 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102120583B (zh) | 电子工业用坩埚及内衬材料的高纯石英砂的提纯方法 | |
| CN101948235B (zh) | 制备高纯石英砂的方法 | |
| CN101481111B (zh) | 一种利用高温气-固反应制备高纯度硅的方法 | |
| Wu et al. | Boron removal in purifying metallurgical grade silicon by CaO–SiO2 slag refining | |
| CN102041548B (zh) | 一种用于提纯晶体硅的区熔炉和晶体硅的提纯方法 | |
| CN101391871A (zh) | 一种制备高纯石英砂的方法 | |
| CN101802271A (zh) | 应用酸洗提供提纯的硅晶体 | |
| CN103663462A (zh) | 高纯熔融石英粉体材料的制备方法 | |
| CN102515175A (zh) | 一种石英玻璃原料的提纯方法 | |
| CN104986773A (zh) | 一种超白玻璃用石英原料提纯工艺 | |
| CN115724433B (zh) | 一种石英砂等离子体气固反应提纯装置及提纯方法 | |
| CN219072925U (zh) | 一种石英砂等离子体气固反应提纯装置 | |
| TWI486313B (zh) | Silicone container for single crystal silicon pulling and its manufacturing method | |
| CN108840378A (zh) | 一种冶金粉尘原位制备铁-活性炭复合材料、方法及应用 | |
| CN106555224A (zh) | 一种单晶硅的生产方法和生产设备 | |
| CN110950346B (zh) | 一种无氟无硝酸浸法提纯制备超高纯石英砂的工艺及超高纯石英砂 | |
| CN113387336A (zh) | 一种从碲锭中脱硒的方法 | |
| CN102079523A (zh) | 一种大颗粒冶金硅料金属杂质的去除方法 | |
| JPH11310423A (ja) | 合成石英ガラスおよびその製造方法 | |
| CN109399914A (zh) | 一种超纯无色斑高档全透明石英材料及其制备方法和应用 | |
| CN102757056A (zh) | 摆动式高温真空氯化炉及利用该氯化炉提纯石英砂的方法 | |
| CN103112862A (zh) | 一种以废石英坩埚为原料生产熔融钝角石英砂的方法 | |
| CN102897772B (zh) | 一种以脉石英为原料加工制备4n高纯石英的技术 | |
| CN115468419A (zh) | 一种在矿热炉中去除冶金级硅中硼杂质的装置及其方法 | |
| CN114735938A (zh) | 用电磁感应炉制备微晶玻璃的方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20240129 Address after: No. 2 Changfei South Road, Jianghan Salt and Chemical Industrial Park, Wangchang Town, Qianjiang City, Hubei Province, China, 433122 Patentee after: Qianjiang Zhuoli New Materials Technology Co.,Ltd. Country or region after: China Address before: No. 15, Shengli 1st Road, Wujiagang District, Yichang City, Hubei Province 443000 Patentee before: HUBEI METALLURGY GEOLOGY Research Institute (CENTRAL SOUTH INSTITUTE OF METALLURGICAL GEOLOGY) Country or region before: China |