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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Herstellung von hochreinen Metallen.
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Bei
der Herstellung von Halbleitervorrichtungen, nach denen wegen der
neueren Entwicklung komplizierter Elektronik und fallenden Kosten
eine steigende Nachfrage besteht, wird es immer dringlicher, Beschickungsmetalle
mit höherer
Reinheit zu verwenden. Die Herstellung von Halbleitervorrichtungen,
wie Blaulichtlaser-Dioden, erfordert hochreines Magnesium. Speziell
die Entwicklung von Doppelheterostruktur-Blaulaserdioden-Vorrichtungen ist stark
von der Qualität
des in der Überzugsschicht
verwendeten Materials abhängig. Metalle
mit hoher Reinheit, wie hochreines Magnesium (Mg) enthalten im Allgemeinen
Schwefel (S), Natrium (Na), Aluminium (Al), Silicium (Si), Kalium
(K), Calcium (Ca), Chrom (Cr), Mangan (Mn), Eisen (Fe), Nickel (Ni), Kupfer
(Cu), Arsen (As), Antimon (Sb), Blei (Pb), Fluor (F), Phosphor (P),
Chlor (Cl), Silber (Rg), Bismut (Bi), Gallium (Ga), Lithium (Li),
Molybdän
(Mo), Titan (Ti) und Bor (B) (diese in Mg enthaltenen Elemente werden gemeinsam
als Verunreinigungen bezeichnet und die Summe ihrer Anteile wird
als Verunreinigungs-Gesamtgehalt bezeichnet. Wenn hochreines Magnesium
als Halbleitermaterial verwendet wird, muss der Einschluss von bis
zu 100 ppm Zink nicht speziell vermieden werden und verursacht bei
der Verwendung keine Schwierigkeit, ein Zinkgehalt von bis 100 ppm
wird daher nicht als Verunreinigung behandelt). Die Verunreinigungen in
dem hochreinen Magnesium, das für
die Überzugsschicht
der Doppelheterostruktur-Blaulaserdiode und für andere Zwecke verwendet wird,
sind für
die Leistung von Halbleiterlasern keinesfalls erwünscht und
dies ist ein ande rer Grund für
das steigende Erfordernis, Magnesium und andere Metalle mit ultrahoher
Reinheit herzustellen. Magnesium und Zink sind Metalle mit vergleichsweise
hohem Dampfdruck und sind durch Destillation schwieriger zu reinigen
als andere Halbleitermaterialien.
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Bei
dem konventionellen Verfahren zur Herstellung von hochreinen Metallen
durch Reinigung durch Destillation der Metalle, wie Magnesium, wird
der durch Erhitzen in einer Hochvakuumatmosphäre erzeugte Metalldampf dadurch
gewonnen, dass man ihn an Kühlplatten
in dem Durchgangsweg des Dampfes sich verfestigen lässt. So
wird beispielsweise in der Internationalen Patentveröffentlichung
Nr. 502565/1999 eine Methode beschrieben, bei der mehrere Prallplatten über drei
Zonen hinweg in einer Durchgangsleitung für den Magnesiumdampf vorgesehen
sind, der durch Erhitzen einer Magnesiumbeschickung in einem Tiegel
in einer Hochvakuumatmosphäre
erzeugt wird und wobei der Magnesiumdampf gekühlt wird, während die Temperatur der Prallplatten
so geregelt wird, dass sie allmählich
in Richtung der höheren
Position hin abfällt,
wodurch die Differenz zwischen den Verfestigungstemperaturen der
Verunreinigungen in dem Magnesiumdampf derart ausgenutzt werden,
dass hochreines Magnesium fraktionsweise in einer spezifischen Zone
in dem mittleren Abschnitt verfestigt wird.
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Es
ist jedoch schwierig, im industriellen Maßstab zu gewährleisten,
dass nur das gewünschte
hochreine Metall, wie Magnesium, wirksam gekühlt und aus dem Metalldampf
in dem Durchgangsweg des Dampfes gewonnen wird. Wenn die Abtrennung
von hochreinem Metall aufgrund des Unterschieds in der Verfestigungstemperatur
erreicht werden soll, ist es schwierig, das Mitschleppen von Verunreinigungen
auszuschließen,
die nur eine kleine Differenz in der Verfestigungstemperatur haben.
Um das gewünschte
hochreine Magnesium zu erhalten muss in der speziellen Gewinnungszone
ein sehr kleiner Temperaturbereich aufrechterhalten werden, was
aber zu einer sehr niedrigen Ausbeute führt. Wenn andererseits eine
höhere
Ausbeute gewünscht
wird, muss die Reinheit des Magnesiums vermindert werden. Wenn kleinere
Kühlplatten
verwendet werden, um einen glatten Durchgang der Dämpfe während der
Gewinnung des hochreinen Metalls zu ermöglichen, bleibt die Ausbeute
niedrig und ist innerhalb eines beschränkten Bereiches, weil die gewonnene
Menge von der Größe der Kühlplatten
abhängt.
Wenn größere Kühlplatten
verwendet werden, wird der Durchgangsweg für den Dampf so schmal, dass
der Durchtritt von Metalldämpfen
verhindert wird, wodurch erneut bewirkt wird, dass die Ausbeute
niedrig in einem begrenzten Bereich bleibt.
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Die
GB 569,472 offenbart eine
Vorrichtung zur Herstellung von metallischem Magnesium aus Magnesiumverbindungen,
bei dem das erzeugte Magnesium kondensiert wird.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Gegenstand
der Erfindung ist es daher, Magnesium und andere Metalle mit hoher
Reinheit aus Beschickungsmetallen durch Reinigung durch Destillation
herzustellen.
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Weiterer
Gegenstand der Erfindung ist es, ein Reinigungsverfahren und eine
Reinigungsvorrichtung bereitzustellen, mit deren Hilfe hochreines
Metall in hoher Ausbeute und Wirksamkeit zu niederen Kosten hergestellt
werden kann.
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Die
Erfinder haben intensive Untersuchungen durchgeführt, um die vorstehend genannten
Probleme des Standes der Technik zu lösen. Als Ergebnis wurde gefunden,
dass durch Kondensation eines Teils des Dampfes eines Beschickungs-
be ziehungsweise Eingabemetalls in einem Tiegel, anstelle der Maßnahme, dass
der gesamte Dampf fraktionsweise in dem Durchgangsweg des Dampfes
verfestigt wird, ein geschmolzenes Kondensationsprodukt mit einem
erhöhten
Gesamtgehalt von Verunreinigungen erhalten wird und dass durch Zurückführung der
Schmelze in den Tiegel die Verunreinigungen in dem Beschickungsmetall
konzentriert werden.
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Um
den ersten bis zu dem dritten Gegenstand zu erreichen wird erfindungsgemäß Folgendes
bereitgestellt.
- 1. Ein Verfahren zur Reinigung
von Metallen, umfassend einen ersten Schritt des Erhitzens eines
Eingabemetalls mit einer Reinheit von mindestens 99,9 Gew.-% in
einem Eingabetiegel 1 (die Bezugsziffer bezieht sich auf
die beigefügte
Zeichnung, was auch für
die folgende Beschreibung gilt), um den Dampf des Metalls zu erzeugen,
einen zweiten Schritt des Führens
des Dampfs in einen Kondensationsdurchgang für Dämpfe, wo ein Teil des Dampfs
unter Bildung eines geschmolzenen Kondensats kondensiert wird, einen
dritten Schritt des Führens
des Dampfs durch den Kondensationsdurchgang für Dämpfe in einen Verfestigungstiegel,
so dass dieser gekühlt
wird, um das Metall in hochreiner Form unter Verfestigung hieraus
zu erhalten, und einen vierten Schritt des Rückführens des geschmolzenen Kondensats
in den Eingabetiegel 1.
- 2. Eine Vorrichtung zur Reinigung von Metallen, umfassend einen
Behälter 3 zur
Erzeugung einer Vakuumatmosphäre,
eine Eingabeheizzone mit einem offenen Oberbereich, die einen Eingabetiegel 1 enthält, welcher
mit Eingabemetall zu beladen ist, eine Kondensationszone oberhalb
der Eingabeheizzone, in welcher Kondensationsdampfdurchgangsplatten
bzw. -böden 5,
die jeweils nach unten hin konvex sind und mit einem Dampfdurchgangsloch 4 in
einem allgemein zentralen Bereich ausge stattet sind, und Kondensationsdampfdurchgangsplatten 5,
die jeweils nach oben hin konvex sind und mit einer Mehrzahl von
Dampfdurchgangslöchern 4 in
dem nicht-zentralen Bereich ausgestattet sind, miteinander in gegebenen
Abständen
alternieren und in einer generellen Symmetrie bezüglich einer
Ebene gestapelt sind, sowie eine Verfestigungszone oberhalb der
Kondensationszone zur Verfestigung des Metalls.
- 3. Eine Vorrichtung nach Punkt 2, umfassend einen Behälter 3 zur
Erzeugung einer Vakuumatmosphäre, eine
Eingabeheizzone mit einem offenen Oberbereich, die einen Eingabetiegel 1 enthält, welcher
mit einem Eingabemetall zu beladen ist, um den Dampf des Metalls
zu erzeugen, eine Kondensationszone mit einem offenen Oberbereich
und einem offenen Unterbereich, der mit dem Oberbereich der Eingabeheizzone
in Verbindung steht, und in welcher eine Mehrzahl von Kondensationsdampfdurchgangsplatten 5,
welche einen Kondensationsdurchgang für Dämpfe bilden, worin der Dampf
nur durch die Dampfdurchgangslöcher 4,
die in den Kondensationsdampfdurchgangsplatten 5 gebildet
sind, aufwärts
passieren gelassen wird, vertikal in gegebenen Abständen gestapelt
sind, und eine Verfestigungszone mit einem offenen Oberbereich und
einem offenen Unterbereich, der mit dem Oberbereich der Kondensationszone
in Verbindung steht, welche einen Verfestigungstiegel 2 enthält, der
derart extern gekühlt
wird, dass das Metall hoher Reinheit aus dem Dampf verfestigt wird,
nachdem dieser die Kondensationszone passiert hat, wobei die Mehrzahl
von Kondensationsdampfdurchgangsplatten so ausgelegt ist, dass Kondensationsdampfdurchgangsplatten 5 in
Form eines invertierten Konus oder einer invertierten Kuppel, die
jeweils nach unten hin konvex sind und mit einem Dampfdurchgangsloch 4 in
einem generell zentralen Bereich ausgestattet sind, und Kondensationsdampfdurchgangsplatten 5 in
einer konischen oder Kuppelform, die jeweils nach oben hin konvex
sind und mit einer Mehrzahl von Dampfdurchgangslöchern 4 in dem nicht-zentralen
Bereich ausgestattet sind, miteinander alternieren und in einer
generellen Symmetrie bezüglich
einer Ebene gestapelt sind, sowie eine Heizvorrichtung 6 zum
Erhitzen der Eingabeheizzone und der Kondensationszone, die innerhalb
oder außerhalb
des Behälters 3 angeordnet
ist.
- 4. Die Vorrichtung nach Punkt 3, in welcher der Behälter 3 zur
Erzeugung einer Vakuumatmosphäre
weiterhin eine Einfang-/Verfestigungszone mit einem offenen Oberbereich
und einem offenen Unterbereich, der mit dem Oberbereich der Verfestigungszone
in Verbindung steht, beinhaltet, in welcher eine Mehrzahl von Einfang-/Verfestigungs-Dampfdurchgangsplatten 7,
die einen extern gekühlten
Einfang-/Verfestigungs-Durchgang
für Dämpfe bilden,
und worin der Dampf nach Passieren der Kondensationszone nur durch
die Dampfdurchgangslöcher 4,
welche in den Einfang-/Verfestigungs-Dampfdurchgangsplatten 7 ausgebildet
sind, aufwärts
passieren gelassen wird, wodurch der Dampf verfestigt wird, vertikal
in gegebenen Abständen
gestapelt sind, wobei die Mehrzahl von Einfang-/Verfestigungs-Dampfdurchgangsplatten 7 so
ausgelegt ist, dass die Einfang-/Verfestigungs-Dampfdurchgangsplatten 7 in
Form eines invertierten Konus oder einer invertierten Kuppel, die
jeweils nach unten hin konvex sind und mit einer Mehrzahl von Dampfdurchgangslöchern 4 in
dem nicht-zentralen Bereich ausgestattet sind, und Einfang-/Verfestigungs-Dampfdurchgangsplatten 7 in
einer konischen oder Kuppelform, die jeweils nach oben hin konvex sind
und mit einem Dampfdurchgangsloch 4 in einem generell zentralen
Bereich ausgestattet sind, miteinander alternieren und in einer
generellen Symmetrie bezüglich
einer Ebene gestapelt sind.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine vertikale Schnittansicht der Reinigungsvorrichtung nach der
dritten Ausführungsform
der Erfindung;
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2A ist eine Draufsicht auf eine Kondensationsdampfdurchgangsplatte 5,
die nach unten hin konvex ist und die ein einziges im Zentrum angebrachtes
Dampfdurchgangsloch 4 hat;
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2B ist ein Schnitt A-A der 2A;
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3A ist eine Draufsicht auf eine Kondensationsdampfdurchgangsplatte 5,
die nach oben konvex ist und vier Dampfdurchgangslöcher 4 hat,
die in gleichmäßigen Abständen an
der Peripherie angeordnet sind; und
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3B ist ein Schnitt A-A gemäß 3A.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Unter
Berücksichtigung
der physikalischen Eigenschaften, wie Schmelzpunkt, Siedepunkt und
Dampfdruck, ist Mg nicht das einzige Metall, das erfindungsgemäß gereinigt
werden kann und andere Metalle, wie Cd, Sb, Zn und Te können durch
Destillation gereinigt werden und sind ebenfalls gemäß der Erfindung
verarbeitbar. Die folgende Beschreibung bezieht sich daher hauptsächlich auf
Mg und dessen Reinigung mit Hilfe einer Vorrichtung, die im Allgemeinen
in 1 gezeigt ist, und in der die in 2 und 3 gezeigten
Kondensationsdampfdurchgangsplatten 5 verwendet werden.
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Hochreine
Metalle, wie Mg, die erfindungsgemäß hergestellt werden, haben
einen Gesamtgehalt an Verunreinigung von nicht mehr als 1 ppm (die
hier verwendete Einheit ppm bezieht sich auf das Gewicht). Nach dem
erfindungsgemäßen Reinigungsverfahren
wird ein Eingabemetall in einem Eingabetiegel 1 erhitzt,
um es zu verdampfen (in der ersten Stufe) und ein Teil des Metalldampfes
wird kondensiert (in der zweiten Stufe), bevor die Verfestigungsstufe
(die dritte Stufe) durchgeführt
wird, wobei ein geschmolzenes Kondensationsprodukt bevorzugt erhalten
wird, das einen ausreichend hohen Gehalt an Gesamtverunreinigung
aufweist, und dieses in den Eingabetiegel 1 (in der vierten
Stufe) zurückgeführt wird,
so dass die Verunreinigungen in dem Eingabetiegel 1 konzentriert
werden. Infolgedessen können
Cl, F und S, die sich leichter und fester an Halbleiter-bildende
Elemente binden, als andere Verunreinigungen, und die daher auch
in geringsten Mengen als störend
betrachtet werden, auf einen Wert von nicht mehr als 0,1 ppm vermindert
werden.
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Die
zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
erforderliche Vakuumatmosphäre
hat vorzugsweise einen Druck von 13 Pa (10–1 Torr)
oder weniger, stärker
bevorzugt zwischen 13 und 1,3 × 10–1 Torr (10–1 bis
10–3 Torr).
Das restliche Gas in der Vakuumatmosphäre kann Luft sein, ist jedoch
vorzugsweise ein nicht-oxidierendes Gas, wie ein Edelgas (z.B. Argon).
Das Verfahren zur Ausbildung der Vakuumatmosphäre ist in keiner Weise beschränkt, bei
einem bevorzugten Verfahren wird das mit Luft oder einem nicht-oxidierenden
Gas gefüllte
Gefäß 3 mit
einer Vakuumpumpe oder dergleichen evakuiert, um einen negativen
Druck auszubilden, der gleich dem vorstehend angegebenen Grad des
Vakuums ist und der während
des Reinigungsverfahrens aufrechterhalten wird. Das Gefäß 3 besteht
vorzugsweise aus Quarz, sodass dessen Inneres von außen sichtbar
ist, stärker
bevorzugt, kann die gesamte Festigkeit der gesamten Vorrichtung
dadurch erhöht werden,
dass die Wand des Gefäßes mit
Doppelstruktur ausgebildet wird.
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Das
Eingabemetall hat eine Reinheit von mindestens 99,9 Gew.-% (3N).
Die Verwendung eines weniger reinen Eingabemetalls führt zu einer
Verunreinigung der Reinigungsvorrichtung mit den Verunreinigungen, insbesondere
in den Bereichen, die mit dem Metall in Kontakt sind, wodurch es
notwendig wird, häufige
Wartungsvorgänge
durchzuführen.
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Das
in den Eingabetiegel gegebene Eingabemetall wird auf eine Temperatur
oberhalb des Schmelzpunkts des Metalls, wie zwischen 700 und 800°C, erhitzt,
um seinen Dampf zu erzeugen. Ein Teil des Dampfes wird kondensiert
und in den Eingabetiegel 1 zurückgeführt, wobei er die Dampfdurchgangslöcher 4 in
mehreren Kondensationsdampfdurchgangsplatten 5 passiert,
die vertikal unter gegebenen Abständen oberhalb des Eingabetiegels 1 gestapelt
sind. Der die Löcher 4 passierende
Dampf wird in einem Verfestigungstiegel 2 oberhalb des
Stapels der Platten 5 gekühlt, sodass ein hochreines
Metall verfestigt wird. Der durch den Verfestigungstiegel 2 nach
oben aufsteigende Dampf passiert die Dampfdurchgangslöcher 4 in
mehreren Einfang-/Verfestigungs-Dampfdurchgangsplatten 7,
die vertikal in gegebenen Abständen
oberhalb des Verfestigungstiegels 2 angeordnet sind, wobei
der Dampf gekühlt
und hauptsächlich
verfestigt wird.
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Die
Beschickungs-Heizzone, die mit dem Eingabetiegel 1 und
der Kondensationszone ausgestattet ist, in der zahlreiche Kondensationsdampfdurchgangsplatten 5 übereinander
angeordnet sind, werden beide mit Hilfe einer Heizvorrichtung 6 bei
einer geregelten Temperatur gehalten, in der Beschickungs-Heizzone
wird das Eingabemetall geschmolzen, um es zu verdampfen und in der
Kondensationszone wird ein Teil des Metalldampfes kondensiert, sodass
ein geschmolzenes Kondensationsprodukt erhalten wird, welches einen
erhöhten
Gehalt an Gesamtverun reinigungen hat und welches dann in den Eingabetiegel 1 zurückgeführt wird.
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Während mehrere
Kondensationsdampfdurchgangsplatten 5 oberhalb des Eingabetiegels 1 gestapelt sind,
ist die unterste Platte vorzugsweise mindestens 30 mm oberhalb des
Flüssigkeitsspiegels
des geschmolzenen Metalls in dem Eingabetiegel angeordnet, so dass
sie durch die Verunreinigungen in dem Eingabemetall nicht beeinträchtigt wird.
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An
der Peripherie jeder Kondensationsdampfdurchgangsplatte 5 ist
ein Flansch vorgesehen, der das den Metalldampf enthaltende Gas
abschließt,
indem er im Allgemeinen parallel zu der Innenoberfläche des rohrförmigen Gehäuses angesetzt
ist, welches die Kondensationszone umschließt. Eine bessere Abdichtung und
größere Festigkeit
kann dadurch gewährleistet
werden, dass die Länge
der vertikalen Seite des Flansches erhöht wird. Um jede Verschiebung
der Kondensationsdampfdurchgangsplatten 5 zu verhindern
und eine positive Abdichtung zu gewährleisten ist der Flansch vorzugsweise
in einem Winkel von nicht mehr als einem Grad gegenüber der
inneren Oberfläche
des rohrförmigen
Gehäuses,
welches die Kondensationszone umschließt, geneigt. Die Kondensationsdampfdurchgangsplatten 5 sind
so ausgebildet, dass Kondensationsdampfdurchgangsplatten 5 in
Form eines invertierten Konus oder einer Kuppel, die jeweils nach
unten konvex sind und mit einem Dampfdurchgangsloch 4 in
einen generell zentralen Bereich ausgestattet sind, und Kondensationsdampfdurchgangsplatten 5 in
einer konischen oder kuppelförmigen
Gestalt, die jeweils nach oben konvex sind und mit mehreren Dampfdurchgangslöchern 4 im
nicht-zentralen Bereich versehen sind, miteinander abwechseln und
in einer allgemeinen Symmetrie im Hinblick auf eine Ebene gestapelt
sind.
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Der
Dampf, der aufsteigt und das Dampfdurchgangsloch 4 in einem
allgemein zentralen Bereich der nach unten konvexen Kondensationsdampfdurchgangsplatte 5 (siehe 2)
passiert, kommt dann in Kontakt mit der darüber liegenden nach oben konvexen
Kondensationsdampfdurchgangsplatte 5 (siehe 3),
wonach der Dampf sich unter Bildung einer Schmelze, hauptsächlich aus
Oxiden, dann aus dem Metall, kondensiert, und während die Schmelze eine weitere
Verdampfungsreaktion eingeht, fließt der erzeugte Dampf seitlich
(in Richtung der Peripherie) um am Boden jedes der Löcher 4 in
dem nicht-zentralen
Bereich der nach oben konvexen Kondensationsdampfdurchgangsplatte 5 zu
divergieren, der Dampf steigt dann nach oben und passiert diese
Löcher 4 und
strömt
wieder in seitlicher Richtung (diesmal in Richtung des Zentrums),
um am Boden des Dampfdurchgangsloches 4 in einem allgemein
zentralen Bereich der darüber
liegenden nach unten konvexen Kondensationsdampfdurchgangsplatte 5 zu
konvergieren. Dann steigt der Dampf auf und passiert dieses Loch 4,
wodurch die gewünschte
Länge des
Kondensationsdurchgangswegs für
die Dämpfe
sichergestellt ist.
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Da
man den Dampf einen Zickzack-Weg fließen lässt, wird außerdem seine
Fließrate
ausreichend verlangsamt, so dass ein Teil des in dem Eingabetiegel 1 aus
dem Eingabemetall erzeugten Metalldampfes in der Kondensationszone
kondensiert wird, wobei ein geschmolzenes Kondensationsprodukt erhalten
wird, das einen erhöhten
Gehalt an Gesamtverunreinigungen enthält. Die Schmelze, die durch
Kondensation in dem Kondensationsdurchgangsweg für Dämpfe, der durch die nach unten
konvexe Platte 5 begrenzt wird, gebildet wird, fließt und konvergiert
an dem Loch 4 in einem im Allgemeinen zentralen Bereich
dieser nach unten konvexen Platte 5, die Schmelze fließt dann
durch das Loch 4 in einem im Allgemeinen zentra len Bereich
der darunter liegenden nach oben konvexen Platte 5 nach
unten, die Schmelze fließt
und divergiert längs
der Oberfläche dieser
Platte 5 und erreicht die mehreren Löcher 4 im nicht-zentralen
Bereich der Platte 5, durch welche sie nach unten in den
nicht-zentralen Bereich der darunter liegenden nach unten konvexen
Platte 5 fließt.
Danach fließt
die Schmelze längs
der oberen Fläche
dieser Platte 5, konvergiert am Loch 4 in einem
im Allgemeinen zentralen Bereich der Platte, durch welches sie nach
unten in den darunter liegenden Eingabetiegel 1 fließt. Somit
ist der aufsteigende Strom des Metalldampfes im Gegenstrom mit dem
absteigenden Strom des geschmolzenen Konzentrats in dem Dampfdurchgangsweg,
wodurch zwei Arten der Fraktionierung verursacht werden, deren eine überwiegend
durch den Dampfdruck erfolgt und das Fließen des Dampfes umfasst und deren
andere hauptsächlich
durch den Schmelzpunkt bestimmt ist und das kondensierte Metall
umfasst. Man nimmt an, dass eine weitere Erscheinung die Entfernung
von Ablagerungen aus den Dampfdurchgangswegen ist.
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In
dem im Allgemeinen zentralen Bereich der nach unten konvexen Kondensationsdampfdurchgangsplatte 5,
die die Form eines invertierten Konus oder einer Kuppel hat, ist
vorzugsweise mehr als ein Dampfdurchgangsloch gebildet. Diese Platte
wechselt ab mit der nach oben konvexen Kondensationsdampfdurchgangsplatte 5,
die konische oder Kuppelgestalt hat und ist über dieser angeordnet. Mehrere
Dampfdurchgangslöcher 4 sind
in dem nicht-zentralen Bereich dieser nach oben konvexen Platte 5 gebildet,
vorzugsweise sind diese in der Nähe
der Peripherie abseits vom Zentrum und am stärksten bevorzugt an der Peripherie
angeordnet. In einem wünschenswerten
Fall sind die Löcher 4 unter
im Allgemeinen gleichen Abständen
angeordnet und ist ihre Zahl mindestens das Zweifache der der Dampfdurchgangslöcher, die
in einem im Allgemeinen zentralen Be reich der nach unten konvexen
Kondensationsdampfdurchgangsplatte 5 in Form eines invertierten
Konus oder einer Kuppel angeordnet sind. Nicht mehr als 10 solcher
Löcher
sind vorzugsweise im nicht-zentralen Bereich der nach oben konvexen
Dampfdurchgangsplatte 5 gebildet, da ein stabiler Dampfstrom
schwierig auszubilden ist, wenn die Zahl dieser Löcher 10 überschreitet.
Um die Gleichförmigkeit
des Druckes und der Fließrate
des Dampfes zwischen den Kondensationsdurchgangswegen zu gewährleisten, wird
die Gesamtfläche
der Löcher 4 vorzugsweise
so eingestellt, dass sie die gleiche in jedem der Kondensationsdampfdurchgangsplatten 5 ist.
Es wird außerdem
bevorzugt, dass zwei benachbarte Kondensationsdampfdurchgangsplatten 5 im
Allgemeinen symmetrisch bezüglich
einer horizontalen Ebene angeordnet sind (ausgenommen die Lage und
Anzahl der Dampfdurchgangslöcher).
Die Verfestigungszone wird auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts
des Metalls gekühlt,
sodass das gewünschte
hochreine Metall sich in dem Verfestigungstiegel 2 verfestigt.
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Oberhalb
der Verfestigungszone ist eine Einfang-/Verfestigungszone mit einer
offenen Oberseite und einem offenen Boden vorgesehen, die in Verbindung
mit der Oberseite der Verfestigungszone steht und in der mehrere
Einfang-/Verfestigungs-Dampfdurchgangsplatten 7 vertikal
unter bestimmten Abständen
gestapelt sind, die einen Einfang-/Verfestigungs-Durchgang für Dämpfe bilden, welcher extern
gekühlt
wird und in welchem der Dampf nach dem Passieren der Kondensationszone
nach oben nur durch die Dampfdurchgangslöcher 4, die in den
Platten 7 angeordnet sind, fließen kann, wodurch der Dampf
verfestigt wird. Die mehreren Einfang-/Verfestigungs-Dampfdurchgangsplatten 7 sind
so ausgebildet, dass die Einfang-/Verfestigungs-Dampfdurchgangsplatten
in Form eines invertierten Konus oder Kuppel sind, die jeweils nach
unten konvex sind und im nicht-zentralen Bereich (vorzugsweise abseits
vom Zentrum in der Nähe
der Peripherie, stärker
bevorzugt an der Peripherie) ausgestattet sind und worin Einfang-/Verfestigungs-Dampfdurchgangsplatten 7 in
einer konischen oder kuppelförmigen
Gestalt, die jeweils nach oben konvex sind und mit einem Dampfdurchgangsloch 4 in
einem im Allgemeinen zentralen Bereich versehen sind, miteinander
abwechseln und im Allgemeinen symmetrisch bezüglich einer Ebene gestapelt
sind. Um Gleichmäßigkeit
des Druckes und der Fließrate
der Dämpfe
zwischen den Einfang-/Verfestigungs-Durchgängen zu gewährleisten, wird die Gesamtfläche der
Löcher 4 vorzugsweise
so eingestellt, dass sie die gleiche wie die der Einfang-/Verfestigungs-Dampfdurchgangsplatten 7 ist.
Es wird außerdem
bevorzugt, dass zwei benachbarte Einfang-/Verfestigungs-Dampfdurchgangsplatten 7 im
Allgemeinen symmetrisch bezüglich
einer horizontalen Ebene angeordnet sind (mit Ausnahme der Lage
und Zahl der Dampfdurchgangslöcher).
Die Einfang-/Verfestigungszone wird auf eine Temperatur unterhalb
des Schmelzpunkts des Metalls gekühlt, sodass die Dämpfe hauptsächlich verfestigt
und auf den Einfang-/Verfestigungs-Dampfdurchgangsplatten 7 gewonnen
werden. Das Verfahren zum Einpassen und Abdichten der Einfang-/Verfestigungs-Dampfdurchgangsplatten 7 gegenüber der
inneren Oberfläche
des rohrförmigen
Gehäuses
für die
Einfang-/Verfestigungszone ist das gleiche wie das zum Einpassen
und Abdichten der Kondensationsdampfdurchgangsplatten 5 gegenüber der
inneren Oberfläche
des rohrförmigen
Gehäuses
für die
Kondensationszone.
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Der
Eingabetiegel 1, der Verfestigungstiegel 2, die
Kondensationsdampfdurchgangsplatten 5 und die Einfang-/Verfestigungs-Dampfdurchgangsplatten 7 können aus
einem beliebigen Material gebildet sein, das nicht reaktiv gegenüber dem
Eingabemetall, den in diesen vorhandenen Verunreinigungen und der
Atmosphäre
bei dem Verfahren ist und trotzdem wärmebeständig ist. Bevorzugte Beispiele
dafür sind
Kohlenstoff und Graphit. Gewünschtenfalls
kann ein einziges Gefäß mit zylindrischer
Gestalt sowohl als Eingabetiegel 1, als auch als Verfestigungstiegel 2 benutzt
werden. Wenn es als Verfestigungstiegel verwendet werden soll, hat
es keinen Boden und wird in der oberen Position gehalten, wenn es
jedoch als Eingabetiegel verwendet werden soll, kann es mit einem
Gefäß am Bodenende
ausgestattet sein, welches eng eingepasst ist, um ein Austreten der
Schmelze aus dem Bodenteil zu verhindern. Um die Reinheit des in
dem Verfestigungstiegel 2 verfestigten Metalls weiter zu
verbessern wird der Letztere zu der Heizzone für die Beschickung abgesenkt,
wenn verfestigtes Metall an seiner Innenfläche haftet, und der zweite
Zyklus der Reinigung wird durchgeführt, indem er als Eingabetiegel 1 verwendet
wird. Auf diese Weise kann ein Metall mit noch höherer Reinheit erhalten werden, während Verluste
des Eingabemetalls vermieden werden.
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BEISPIELE
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Die
folgenden Beispiele sind zur weiteren Erläuterung der vorliegenden Erfindung
bestimmt, sollen jedoch keinesfalls als Beschränkung angesehen werden.
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Beispiel 1
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Es
wurde eine Vorrichtung des in
1 gezeigten
Typs verwendet. Diese bestand aus einem vertikalen Stapel einer
Eingabe (Beschickungs)-Heizzone mit einem Eingabetiegel
1,
einer Kondensationszone mit 20 Kondensationsdampfdurchgangsplatten
5,
einer Verfestigungszone mit einem Verfestigungstiegel
2 und
einer Einfang-/Verfestigungszone mit drei Einfang-/Verfestigungs-Dampfdurchgangsplatten
7.
500 g 3N metal lisches Magnesium, welches die in Tabelle 1 angegebenen
Verunreinigungen in einem Gesamtgehalt von 395,55 ppm enthielt,
wurde als Eingabemetall in den Eingabetiegel
1 gegeben.
Um das Metall zu reinigen, wurden der Eingabetiegel
1 und
die Kondensationsdampfdurchgangsplatten
5 auf geregelte
Temperaturen von 750°C
beziehungsweise 700°C
in einer Vakuumatmosphäre
von 1,3 × 10
–1 Pa
(10
–3 Torr)
erhitzt und eingestellt. Das resultierende verfestigte Metall enthielt
Cl, F und S in einer Menge von jeweils nicht mehr als 0,1 ppm bei einem
Gesamtgehalt an Verunreinigungen von 0,75 ppm (6N). Es war daher
das gewünschte
hochreine metallische Magnesium gemäß der Erfindung. Um eine weitere
Reinigung zu erreichen, wurde das verfestigte Metall als Eingabemetall
verwendet und einem weiteren Reinigungsverfahren in der gleichen
Vorrichtung unterworfen, wobei eine Masse von hochreinem (6N) metallischen
Magnesium erhalten wurde, welches Cl, F und S in einem Gesamtgehalt
von 0,03 ppm enthielt und einen Gesamt-Verunreinigungsgehalt von
0,38 ppm hatte (6N) (siehe Tabelle 1). Die theoretische Ausbeute
dieses hochreinen Mg war 70%, berechnet aus dem Mg in dem Eingabemetall.
Da das restliche Mg in dem Eingabetiegel als Beschickung in dem
zweiten Reinigungszyklus verwendet werden konnte, war die Gesamtausbeute
mehr als 80%. Die Elementaranalyse für die Verunreinigungen in dem
Metall, sowohl vor als auch nach der Reinigung, wurde durch Glühentladungs-Massenspektroskopie
(GDMS) durchgeführt. Tabelle
1
- Anmerkung:
TIC bedeutet "Gesamtgehalt
an Verunreinigungen". "–" bedeutet "unterhalb der Nachweisgrenze".
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Beispiel 2
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Das
Verfahren des Beispiels 1 wurde wiederholt, mit der Ausnahme, dass
ein 4N metallisches Zink der in Tabelle 2 gezeigten Zusammensetzung
als Eingabemetall anstelle des in Beispiel 1 verwendeten 3N Mg eingesetzt
wurde und dass nur ein Reinigungszyklus in einer Vakuumatmosphäre von 1,3
Pa (10
–2 Torr)
durchgeführt
wurde, wobei der Eingabetiegel
1 und die Kondensationsdampfdurchgangsplatten
5 bei
geregelten Temperaturen von 580°C
beziehungsweise 450°C
gehalten wurden. Als Ergebnis wurde hochreines Zn erhalten, welches
keines der Elemente Cl, F und S enthielt und einen Gehalt an Gesamtverunreinigungen
von 0,01 ppm hatte (siehe Tabelle 2). Tabelle
2
- Anmerkung:
TIC bedeutet "Gesamtgehalt
an Verunreinigungen". "–" bedeutet "unterhalb der Nachweisgrenze".
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Erfindungsgemäß können Magnesium
und andere Metalle mit hoher Reinheit (≥ 6N), die Cl, F und S in einer
Menge von jeweils nicht mehr als 0,1 ppm enthalten und einen Gesamtgehalt
an Verunreinigungen von 1 ppm und weniger aufweisen, aus Ausgangsmetallen
in höherer
Ausbeute mit höherer
Effizienz und mit niedrigeren Kosten hergestellt werden.
