專利名稱：一種高純材料的高真空原位兩步精煉方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生產(chǎn)高純及超高純材料的高真空原位精煉方法，特別是通過控制坩鍋溫度分布分兩步去除高飽和蒸汽壓雜質(zhì)與低飽和蒸汽壓雜質(zhì)的方法，屬于冶金和化工行業(yè)中高純及超高純材料冶煉領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
高純材料如高純金屬、高純非金屬以及高純無機(jī)化合物材料等在制備化合物半導(dǎo)體材料與器件以及航空、航天等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，如II-VI、III-V族化合物半導(dǎo)體中使用的鋅、鎂、鈣、鋁、砷、磷等金屬與非金屬材料其純度要求在99.999％(5N)以上，否則過多的雜質(zhì)會嚴(yán)重影響半導(dǎo)體材料的結(jié)晶性以及光電特性，從而使器件性能大大下降。目前，高純金屬的生產(chǎn)多采用真空蒸餾方法或區(qū)域熔煉法等，如中國專利98113973.6，200320115091.0，200320115092.5以及外國專利KR2004022842-A，RU2236476-C1，JP10121163-A等報道的提煉方法，在金屬處于高溫時，其真空度一般在10帕到0.01帕之間，真空室中的剩余氣體還相當(dāng)多，這對于活潑金屬的提煉相當(dāng)有害；另外，在提煉高純金屬過程中，對不同雜質(zhì)的分離與去除效果差別很大，缺乏同時高效去除高飽和蒸汽壓和低飽和蒸汽壓雜質(zhì)的方法，因而影響總的提純效果。另外，對一些無機(jī)化合物材料多采用反應(yīng)法制得，尚缺乏高效的提純手段。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種全新的高純材料高真空原位精煉方法，該方法不僅提純效果好、質(zhì)量穩(wěn)定可靠、對環(huán)境友好，而且提煉技術(shù)具有重要的工業(yè)應(yīng)用價值。
本發(fā)明的目的是通過如下的技術(shù)方案實現(xiàn)的1)在高真空原位精煉裝置中選用適合提純材料的保護(hù)氣體；2)高真空原位精煉裝置中的坩鍋分為上、下兩部分，其位置分別對應(yīng)著擴(kuò)散爐的上、下兩加熱絲，也就是讓擴(kuò)散爐的上部加熱絲加熱坩鍋的上部、下部加熱絲加熱坩鍋的下部，并將適量的粗純材料裝入坩鍋，使之正好填滿坩鍋的下部；3)將裝有待提純材料的坩鍋導(dǎo)入擴(kuò)散爐中，密封提煉腔，然后抽高真空，使提煉腔氣壓低于1.0×10-4Pa；4)單獨控制擴(kuò)散爐的雙加熱絲加熱坩鍋的上、下部并使上部溫度高于下部溫度，階梯式加熱坩鍋至設(shè)定溫度的最高點并保持若干時間，在這一過程中始終保持坩鍋上部溫度高于下部；上部高溫的目的是讓從原料中蒸發(fā)出來的高飽和蒸汽壓雜質(zhì)由坩鍋蓋的小孔中排出；5)降低坩鍋上部的溫度，同時升高坩鍋下部的溫度至設(shè)定溫度的最高點并保持若干時間；在這一步中，提純材料從下部蒸發(fā)，然后凝結(jié)在較冷的坩鍋上部，形成高純顆粒，而低飽和蒸汽壓雜質(zhì)殘留在坩鍋的底部，實現(xiàn)提純材料與雜質(zhì)的原位分離，上部低溫的目的是讓原料蒸汽在坩鍋口附近快速凝結(jié)并堵住坩鍋蓋小孔；6)擴(kuò)散爐停止加熱，坩鍋冷卻到室溫，并將坩鍋從提煉腔中取出移至充滿保護(hù)氣體的透明密封箱中；打開坩鍋蓋，將結(jié)晶在坩鍋上部的高純顆粒取出；7)收集坩鍋底部雜質(zhì)，并對坩鍋進(jìn)行化學(xué)清洗，在徹底清除雜質(zhì)后備用；8)對高純顆粒進(jìn)行取樣、分檢，對合格產(chǎn)品進(jìn)行封裝，對不合格產(chǎn)品則可按照步驟1)至7)重新進(jìn)行提煉。
進(jìn)一步地，所述高純材料包括沸點低于2100℃的金屬、非金屬和化合物如鋰、鈉、鉀、鎂、鈣、鍶、鋇、鋅、鎘、銪、鐿、鉈、砷、硒、溴化鋰、碘化鋰、氫氧化鋰、溴化鈉、氫氧化鈉、氮化鎂、氯化鎂等。
本發(fā)明利用雙加熱絲擴(kuò)散爐獨立控制坩鍋上部與下部的溫度，在不同階段形成上高下低和上低下高的溫度分布，在高真空條件下兩步法分別去除高飽和蒸汽壓和低飽和蒸汽壓雜質(zhì)第一步坩鍋按照上高下低的溫度分布分段升溫去除高飽和蒸汽壓雜質(zhì)，第二步坩鍋形成上低下高的溫度分布，將下部溫度升至最高點保持若干時間，讓處于下部的原料蒸發(fā)，并在坩鍋口附近溫度較低的地方再結(jié)晶，將提純材料與低飽和蒸汽壓雜質(zhì)分離，從而獲得高純材料。因此，本發(fā)明具有如下特點1、本發(fā)明采用高真空原位精煉裝置通過密封箱與提煉腔的緊密連接完全與大氣隔離，整個生產(chǎn)過程都在保護(hù)氣體下進(jìn)行，同時根據(jù)材料特點，可靈活選用保護(hù)氣體，從而極大地減少了空氣中多種成分對高純材料的污染；2、在提煉材料時，整個提煉腔保持高真空狀態(tài)，背景真空在1×10-4帕以下，從而有效地減少了提煉時處于高溫的高純材料與殘余氣體的反應(yīng)與復(fù)合，大大地減少了氣體對材料的影響，特別適合活潑材料的提純；3、通過雙加熱絲擴(kuò)散爐上、下部加熱絲單獨加熱坩鍋的上、下部，可在不同階段形成上高下低和上低下高的溫度分布，在高真空條件下兩步法分別去除高飽和蒸汽壓和低飽和蒸汽壓雜質(zhì)。因此，本方法對多種雜質(zhì)去除效率高，特別適合高純及超高純材料的提煉要求；4、生產(chǎn)時，工作人員與提煉材料完全隔離，勞動條件好；提煉時產(chǎn)生的有毒蒸汽可冷凝、收集，因此可妥然處理，不污染環(huán)境；5、本高真空原位精煉方法操作簡單、便利，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。


圖1為本發(fā)明高純材料的高真空原位兩步精煉方法的工藝流程圖。
圖2為本發(fā)明所用坩鍋結(jié)構(gòu)示意圖。
34坩鍋上部，35坩鍋下部，36坩鍋蓋側(cè)面與正面，37坩鍋掛鉤。
圖3是本發(fā)明高純材料的高真空原位精煉方法的設(shè)備原理圖。
1提煉腔，2真空系統(tǒng)，3特制擴(kuò)散爐，4特制坩鍋，5進(jìn)料取料系統(tǒng)，6保護(hù)氣體裝置，7溫控器，8提煉腔上部，9提煉腔下部，10閘板閥，11透明密封腔，12分子泵，13前級泵，14離子泵，15離子規(guī)或復(fù)合規(guī)，16電阻規(guī)，17保護(hù)氣瓶，18冷凝擋板。
圖4是本發(fā)明所用擴(kuò)散爐結(jié)構(gòu)示意圖。
19爐體外殼，20防輻射金屬圓筒，21PBN絕緣支架，22上部加熱絲，23下部加熱絲，24上部熱偶，25下部熱偶，26多層防輻射金屬片，27真空法蘭，28熱偶接頭，29電源接頭。
圖5a、b分別為本發(fā)明實施例一提煉高純金屬鎂前后的實物照片。
30提煉前純度為99.95％的鎂粒，31提煉后得到的純度大于99.999％的再結(jié)晶鎂粒團(tuán)簇。
圖6a、b分別為本發(fā)明實施例二提煉高純金屬鈣前后的實物照片。
32提煉前純度為99.5％的鈣粒，33提煉后得到的純度大于99.999％的再結(jié)晶鈣粒。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明，但不能理解為對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。
實施例一 高純金屬鎂的高真空原位兩步精煉方法如圖1所示的本發(fā)明的工藝流程圖，利用高真空原位兩步精煉方法提煉高純金屬鎂的具體步驟如下1)在高真空原位精煉裝置中選用高純氬氣作為提純金屬鎂的保護(hù)氣體；2)如圖4所示的坩鍋分為上、下兩部分34、35，其位置分別對應(yīng)著如圖4所示的擴(kuò)散爐的上、下兩加熱絲22、23，也就是讓擴(kuò)散爐的上部加熱絲22加熱坩鍋的上部34，下部加熱絲23加熱坩鍋的下部35，并將適量的粗純金屬鎂(99.95％)裝入坩鍋，使之正好填滿坩鍋的下部35；3)將裝有粗純金屬鎂的坩鍋導(dǎo)入擴(kuò)散爐中，密封提煉腔，然后抽高真空，使提煉腔氣壓小于1.0×10-4Pa；4)獨立加熱擴(kuò)散爐的雙加熱絲22、23，通過熱偶控制坩鍋的上、下部34、35溫度，使之呈現(xiàn)上高下低的溫度分布，坩鍋上部34溫度高于下部35溫度50～100度；加熱坩鍋階梯式升溫、保溫直至設(shè)定溫度的最高點并保持若干時間；具體的升溫步驟是(1)坩鍋下部室溫，坩鍋上部80℃，保持5分鐘；(2)下部200℃室溫，上部280℃，保持10分鐘，(3)下部400℃室溫，上部480℃，保持10分鐘；(4)下部500℃室溫，上部580℃，保持10分鐘；(5)下部600℃室溫，上部680℃，保持10分鐘；(6)下部660℃室溫，上部710℃，保持20分鐘；在上述升溫過程中，第(1)～(5)步升溫速率為5～20度/分，第(6)步為2～5度/分。在這一階段的升溫過程中，始終保持坩鍋上部34溫度高于下部。上部34高溫的目的是讓從粗純金屬鎂中蒸發(fā)出來的高飽和蒸汽壓雜質(zhì)由坩鍋蓋36的小孔中排出。為了讓粗純鎂粒中的高飽和蒸汽壓雜質(zhì)充分蒸發(fā)、排出，第(6)步的坩鍋下部溫度設(shè)定在鎂的熔點650℃以上，其目的是讓鎂粒熔化，使位于鎂粒里面的雜質(zhì)可迅速蒸發(fā)出來，通過坩鍋蓋36中的小孔排出，從而提高去除高飽和蒸汽壓雜質(zhì)的效率；5)在10分鐘時間內(nèi)逐漸降低擴(kuò)散爐上部加熱絲22的功率為零，從而降低坩鍋上部的溫度，同時升高坩鍋下部35的溫度至680℃，并保持3個小時。在這一階段中，金屬鎂從下部蒸發(fā)，然后凝結(jié)在較冷的坩鍋上部34，形成高純鎂粒。而低飽和蒸汽壓雜質(zhì)殘留在坩鍋的底部，實現(xiàn)金屬鎂與雜質(zhì)的原位分離。坩鍋上部34低溫的目的是讓金屬鎂蒸汽在坩鍋口附近快速凝結(jié)并堵住坩鍋蓋36小孔；6)在30分鐘時間內(nèi)逐漸降低擴(kuò)散爐下部加熱絲23的功率為零，然后讓坩鍋冷卻到室溫，將坩鍋從提煉腔中取出移至充滿高純氬氣的透明密封箱中；打開坩鍋蓋36，將結(jié)晶在坩鍋上部34的高純鎂粒取出；7)收集坩鍋底部雜質(zhì)，并對坩鍋進(jìn)行化學(xué)清洗，在徹底清除雜質(zhì)后備用；8)對高純鎂粒進(jìn)行取樣、分檢，對合格產(chǎn)品進(jìn)行封裝，對不合格產(chǎn)品則可按照步驟1)至7)重新進(jìn)行提煉。
如圖4所示為坩鍋的結(jié)構(gòu)示意圖，坩鍋分為上部34與下部35兩部分，其口上有一個坩鍋蓋36，可與坩鍋緊密接合，坩鍋蓋上有均勻分布的孔徑為1mm左右的小孔用來排出高飽和蒸汽壓雜質(zhì)。在坩鍋中裝上適量的原料，使之正好填滿坩鍋下部35。坩鍋上部34有掛鉤37，用來送取坩鍋。坩鍋主體采用高純PBN、高純石英或高純陶瓷等材料制成，坩鍋蓋36、掛鉤37采用高純難熔材料如高純鉭、鈮、鉬、PBN、石英、高純剛玉陶瓷等制成，從而確保被提煉原材料在高溫下無污染。
如圖3所示為本發(fā)明高純金屬鈣的高真空原位精煉設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖，該設(shè)備包括提煉腔1，真空系統(tǒng)2，特制擴(kuò)散爐3，特制坩鍋4，進(jìn)料取料系統(tǒng)5，保護(hù)氣體裝置6，溫控器7，透明密封腔11，分子泵12，前級泵13，離子泵14，離子規(guī)或復(fù)合規(guī)15，電阻規(guī)16，保護(hù)氣瓶17，冷凝擋板18。其中，提煉腔1由提煉腔上部8和提煉腔下部9兩部分組成，它們通過閘板閥10連接。
如圖4所示為提煉高純材料的擴(kuò)散爐結(jié)構(gòu)示意圖，在PBN絕緣支架21上繞有上、下兩層獨立加熱絲，即上部加熱絲22和下部加熱絲23，其位置正好對應(yīng)著坩鍋的上部34與下部35，可實現(xiàn)對坩鍋上、下部34、35溫度的獨立控制，在不同階段形成上高下低和上低下高的溫度分布。如圖4所示，爐子的其他部分為爐體外殼19，防輻射金屬圓筒20，PBN絕緣支架21，上部加熱絲22，下部加熱絲23，上部熱偶24，下部熱偶25，多層防輻射金屬片26，真空法蘭27，熱偶接頭28，電源接頭29；其中爐體外殼19、防輻射金屬片26、加熱絲22、23均為高純難熔材料如不低于99.99％的高純鉭、鈮、鉬等，確保被提煉原材料在高溫下無污染。
在高真空條件下兩步法提煉材料的優(yōu)點是可以分別去除高飽和蒸汽壓和低飽和蒸汽壓雜質(zhì)。第一步坩鍋按照上高下低的溫度分布分段升溫去除高飽和蒸汽壓雜質(zhì)；高飽和蒸汽壓雜質(zhì)從原料中蒸發(fā)然后從坩鍋蓋的小孔中排出；坩鍋上部溫度高的目的是阻止雜質(zhì)蒸汽在上部凝結(jié)。第二步坩鍋形成上低下高的溫度分布，將下部溫度升至最高點保持若干時間，讓處于下部的原料蒸發(fā)，并在坩鍋口附近溫度較低的地方再結(jié)晶，將提純材料與低飽和蒸汽壓雜質(zhì)分離，達(dá)到提煉高純材料的目的。
如圖5a、b所示為應(yīng)用本發(fā)明實施例一提煉高純鎂前后的實物照片。提煉前的鎂粒30為市售99.95％金屬鎂，利用本發(fā)明提煉后，在坩鍋口附近獲得了再結(jié)晶的鎂粒團(tuán)簇31。對于一次提純的鎂粒可進(jìn)行二次、三次或多次提純，以獲得超高純金屬鎂。我們利用感應(yīng)耦合等離子體發(fā)射光譜儀對提煉前、一次提煉以及二次提煉后的金屬鎂所包含的雜質(zhì)進(jìn)行了測試，其結(jié)果如表1所示；結(jié)果表明利用本發(fā)明高真空原位兩步精煉方法一次提煉后金屬鎂的純度達(dá)到99.995％以上，而二次提煉后的純度達(dá)到99.9992％以上，完全滿足半導(dǎo)體、航空、航天等行業(yè)對金屬鎂純度的苛刻要求，具有很大的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。
表1為本發(fā)明一次提煉、二次提煉所得高純鎂的純度以及所含主要雜質(zhì)與提煉前的分析比較

實施例二 高純金屬鈣的高真空原位兩步精煉方法如圖1所示的本發(fā)明的工藝流程圖，利用高真空原位兩步精煉方法提煉高純金屬鈣的具體步驟如下1)在高真空原位精煉裝置中選用高純氬氣作為提純金屬鈣的保護(hù)氣體；2)如圖4所示的坩鍋分為上、下兩部分34、35，其位置分別對應(yīng)著如圖4所示的擴(kuò)散爐的上、下兩加熱絲22、23，也就是讓擴(kuò)散爐的上部加熱絲22加熱坩鍋的上部34，下部加熱絲23加熱坩鍋的下部35，并將適量的粗純金屬鈣(99.5％)裝入坩鍋，使之正好填滿坩鍋的下部35；3)將裝有粗純金屬鈣的坩鍋導(dǎo)入擴(kuò)散爐中，密封提煉腔，然后抽高真空，使提煉腔氣壓小于1.0×10-4pa；4)獨立加熱擴(kuò)散爐的雙加熱絲22、23，通過熱偶控制坩鍋的上、下部34、35溫度，使之呈現(xiàn)上高下低的溫度分布，坩鍋上部34溫度高于下部35溫度20～100度；加熱坩鍋階梯式升溫保溫直至設(shè)定溫度的最高點并保持若干時間；具體的升溫步驟是(1)坩鍋下部室溫，坩鍋上部80℃，保持5分鐘；(2)下部200℃室溫，上部280℃，保持10分鐘，(3)下部500℃室溫，上部580℃，保持10分鐘；(4)下部650℃室溫，上部720℃，保持10分鐘；(5)下部800℃室溫，上部850℃，保持10分鐘；(6)下部850℃室溫，上部880℃，保持10分鐘；在上述升溫過程中，第(1)～(5)步升溫速率為5度/分，第(6)步為2度/分。在這一階段的升溫過程中，始終保持坩鍋上部溫度高于下部。上部高溫的目的是讓從粗純金屬鈣中蒸發(fā)出來的高飽和雜質(zhì)由坩鍋蓋的小孔中排出。為了讓粗純鈣粒中的高飽和蒸汽壓雜質(zhì)充分蒸發(fā)、排出，第(6)步的坩鍋下部溫度設(shè)定在鈣的熔點842℃以上，其目的是讓鈣粒熔化，使位于鈣粒里面的雜質(zhì)可迅速蒸發(fā)出來，通過坩鍋蓋中的小孔排出，從而提高去除高飽和蒸汽壓雜質(zhì)的效率。
5)在15分鐘時間內(nèi)逐漸降低擴(kuò)散爐上部加熱絲22的功率為零，從而降低坩鍋上部的溫度，同時升高坩鍋下部35的溫度至860℃，并保持3個小時。在這一階段中，金屬鈣從下部蒸發(fā)，然后凝結(jié)在較冷的坩鍋上部34，形成高純鈣粒。而低飽和蒸汽壓雜質(zhì)殘留在坩鍋的底部，實現(xiàn)金屬鈣與雜質(zhì)的原位分離。坩鍋上部34低溫的目的是讓金屬鈣蒸汽在坩鍋口附近快速凝結(jié)并堵住坩鍋蓋36小孔；6)在30分鐘時間內(nèi)逐漸降低擴(kuò)散爐下部加熱絲23的功率為零，然后讓坩鍋冷卻到室溫，將坩鍋從提煉腔中取出移至充滿高純氬氣的透明密封箱中；打開坩鍋蓋36，將結(jié)晶在坩鍋上部34的高純鈣粒取出；7)收集坩鍋底部雜質(zhì)，并對坩鍋進(jìn)行化學(xué)清洗，在徹底清除雜質(zhì)后備用；8)對高純鈣粒進(jìn)行取樣、分檢，對合格產(chǎn)品進(jìn)行封裝，對不合格產(chǎn)品則可按照步驟1)至7)重新進(jìn)行提煉。
II族元素鈣與鎂都屬活潑金屬，具有許多相似的性質(zhì)，因此利用本發(fā)明提煉高純鎂、鈣的工藝步驟相仿，不同之處在于鈣的熔點比鎂高，同時其飽和蒸汽壓在相同溫度下比鎂低，因此在上述步驟4)與5)中的各段提煉溫度也比提煉鎂時要高，但提純效果非常接近，說明本發(fā)明非常適合活潑金屬的提純。
圖6a、b所示的是本發(fā)明實施例二提煉金屬鈣前后的實物照片。提煉前的鈣屑32為市售99.5％金屬鈣，利用本發(fā)明方法提煉后，在坩鍋口附近獲得了再結(jié)晶的金屬鈣粒33。我們利用感應(yīng)耦合等離子體發(fā)射光譜儀對提煉前、一次提煉以及二次提煉后的金屬鈣所包含的主要雜質(zhì)進(jìn)行了測試，其結(jié)果如表2所示；結(jié)果表明利用本發(fā)明高真空原位兩步精煉方法一次提煉后金屬鈣的純度達(dá)到99.99％以上，而二次提煉后的純度達(dá)到99.999％以上，完全滿足半導(dǎo)體材料與器件、航空和航天等尖端行業(yè)的需求，具有很大的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。
表2為本發(fā)明一次提煉、二次提煉所得高純鈣的純度以及所含主要雜質(zhì)與提煉前的分析比較

實施例三 高純氫氧化鈉的高真空原位兩步精煉方法如圖1所示的本發(fā)明的工藝流程圖，利用高真空原位兩步精煉方法提煉高純氫氧化鈉的具體步驟如下1)在高真空原位精煉裝置中選用高純氬氣作為提純氫氧化鈉的保護(hù)氣體；2)如圖4所示的坩鍋分為上、下兩部分34、35，其位置分別對應(yīng)著如圖4所示的擴(kuò)散爐的上、下兩加熱絲22、23，也就是讓擴(kuò)散爐的上部加熱絲22加熱坩鍋的上部34，下部加熱絲23加熱坩鍋的下部35，并將適量的粗純氫氧化鈉(97％)裝入坩鍋，使之正好填滿坩鍋的下部35；3)將裝有粗純氫氧化鈉的坩鍋導(dǎo)入擴(kuò)散爐中，密封提煉腔，然后抽高真空，使提煉腔氣壓小于1.0×10-4pa；4)獨立加熱擴(kuò)散爐的雙加熱絲22、23，通過熱偶控制坩鍋的上、下部34、35溫度，使之呈現(xiàn)上高下低的溫度分布，坩鍋上部34溫度高于下部35溫度20～100度；加熱坩鍋階梯式升溫保溫直至設(shè)定溫度的最高點并保持若干時間；具體的升溫步驟是(1)坩鍋下部室溫，坩鍋上部80℃，保持5分鐘；(2)下部300℃室溫，上部350℃，保持10分鐘，(3)下部330℃室溫，上部360℃，保持10分鐘；(4)下部780℃室溫，上部800℃，保持20分鐘；在上述升溫過程中，第(1)～(2)步升溫速率為3度/分，第(3)步為1度/分，第(4)步為3度/分，在這一階段的升溫過程中，始終保持坩鍋上部溫度高于下部。上部高溫的目的是讓從粗純氫氧化鈉中蒸發(fā)出來的高飽和雜質(zhì)由坩鍋蓋的小孔中排出。由于氫氧化鈉的熔點是318℃，在這個溫度，與殘余水結(jié)合而形成的一水氫氧化鈉就會分解并迅速蒸發(fā)出來，在這個溫度需要緩慢升溫，因此，上述第3步采用1度/分的升溫速率。粗純氫氧化鈉顆粒在第三步熔化后，里面的水汽與其他高飽和蒸汽壓雜質(zhì)充分蒸發(fā)、排出。粗純氫氧化鈉中的主要雜質(zhì)碳酸鈉在400℃時開始有二氧化碳分解出來，因此在上述第(4)步中，坩鍋下部溫度設(shè)定在該溫度以上，其目的是讓碳酸鈉分解成二氧化碳并快速蒸發(fā)。
5)在15分鐘時間內(nèi)逐漸降低擴(kuò)散爐上部加熱絲22的功率為零，從而降低坩鍋上部的溫度，同時升高坩鍋下部35的溫度至790℃，并保持4個小時。在這一階段中，氫氧化鈉從下部蒸發(fā)，然后凝結(jié)在較冷的坩鍋上部34，形成高純氫氧化鈉粒。而低飽和蒸汽壓雜質(zhì)殘留在坩鍋的底部，實現(xiàn)氫氧化鈉與雜質(zhì)的原位分離。坩鍋上部34低溫的目的是讓氫氧化鈉蒸汽在坩鍋口附近快速凝結(jié)并堵住坩鍋蓋36小孔；6)在30分鐘時間內(nèi)逐漸降低擴(kuò)散爐下部加熱絲23的功率為零，然后讓坩鍋冷卻到室溫，將坩鍋從提煉腔中取出移至充滿高純氬氣的透明密封箱中；打開坩鍋蓋36，將結(jié)晶在坩鍋上部34的高純氫氧化鈉粒取出；7)收集坩鍋底部雜質(zhì)，并對坩鍋進(jìn)行化學(xué)清洗，在徹底清除雜質(zhì)后備用；8)對高純氫氧化鈉粒進(jìn)行取樣、分檢，對合格產(chǎn)品進(jìn)行封裝，對不合格產(chǎn)品則可按照步驟1)至7)重新進(jìn)行提煉。
我們利用感應(yīng)耦合等離子體發(fā)射光譜儀對提煉前、一次提煉以及二次提煉后的氫氧化鈉所包含的主要雜質(zhì)進(jìn)行了測試，其結(jié)果如表3所示；結(jié)果表明利用本發(fā)明高真空原位兩步精煉方法一次提煉后氫氧化鈉的純度達(dá)到99.5％以上，而二次提煉后的純度達(dá)到99.95％以上，因此利用本發(fā)明提純氫氧化鈉具有很好的效果。
表3為本發(fā)明一次提煉、二次提煉所得氫氧化鈉的純度以及所含主要雜質(zhì)與提煉前的分析比較

本發(fā)明同樣可以應(yīng)用于除鎂、鈣和氫氧化鈉以外的沸點低于2100℃的金屬、非金屬和化合物，如鋰、鈉、鉀、鍶、鋇、鋅、鎘、銪、鐿、鉈、砷、硒、溴化鋰、碘化鋰、氫氧化鋰、溴化鈉、氮化鎂、氯化鎂等。
權(quán)利要求
1.一種提煉高純材料的高真空原位兩步精煉方法，其特征在于包括下列步驟1)在高真空原位精煉裝置中選用適合提純材料的保護(hù)氣體；2)高真空原位精煉裝置中的坩鍋分為上、下兩部分，其位置分別對應(yīng)著擴(kuò)散爐的上、下兩加熱絲，也就是讓擴(kuò)散爐的上部加熱絲加熱坩鍋的上部、下部加熱絲加熱坩鍋的下部，并將適量的粗純材料裝入坩鍋，使之正好填滿坩鍋的下部；3)將裝有待提純材料的坩鍋導(dǎo)入擴(kuò)散爐中，密封提煉腔，然后抽高真空，使提煉腔氣壓低于1.0×10-4Pa；4)單獨控制擴(kuò)散爐的雙加熱絲加熱坩鍋的上、下部并使上部溫度高于下部溫度，階梯式加熱坩鍋至設(shè)定溫度的最高點并保持若干時間，在這一過程中始終保持坩鍋上部溫度高于下部；上部高溫的目的是讓從原料中蒸發(fā)出來的具有高飽和蒸氣壓雜質(zhì)由坩鍋蓋的小孔中排出；5)降低坩鍋上部的溫度，同時升高坩鍋下部的溫度至設(shè)定溫度的最高點并保持若干時間；在這一步中，提純材料從下部蒸發(fā)，然后凝結(jié)在較冷的坩鍋上部，形成高純顆粒，而低飽和蒸汽壓雜質(zhì)殘留在坩鍋的底部，實現(xiàn)提純材料與雜質(zhì)的原位分離，上部低溫的目的是讓原料蒸汽在坩鍋口附近快速凝結(jié)并堵住坩鍋蓋小孔；6)擴(kuò)散爐停止加熱，坩鍋冷卻到室溫，并將坩鍋從提煉腔中取出移至充滿保護(hù)氣體的透明密封箱中；打開坩鍋蓋，將結(jié)晶在坩鍋上部的高純顆粒取出；7)收集坩鍋底部雜質(zhì)，并對坩鍋進(jìn)行化學(xué)清洗，在徹底清除雜質(zhì)后備用；8)對高純顆粒進(jìn)行取樣、分檢，對合格產(chǎn)品進(jìn)行封裝，對不合格產(chǎn)品則可按照步驟1)至7)重新進(jìn)行提煉。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提煉高純材料的高真空原位兩步精煉方法，其特征在于，所述高純材料包括沸點低于2100℃的金屬、非金屬和化合物如鋰、鈉、鉀、鎂、鈣、鍶、鋇、鋅、鎘、銪、鐿、鉈、砷、硒、溴化鋰、碘化鋰、氫氧化鋰、溴化鈉、氫氧化鈉、氮化鎂、氯化鎂等。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高純以及超高純材料的高真空原位兩步精煉方法，其特點是在高真空條件下利用雙加熱絲擴(kuò)散爐獨立加熱坩鍋的上部與下部，從而在不同階段使坩鍋形成上高下低或上低下高的溫度分布，然后分兩步加熱坩鍋分別有效去除高飽和蒸汽壓雜質(zhì)以及低飽和蒸汽壓雜質(zhì)，最終獲得高純材料的方法。整個生產(chǎn)過程與大氣隔離，極大地減少了大氣對原料的污染。該方法具有產(chǎn)品質(zhì)量高、生產(chǎn)能力大、性能穩(wěn)定、可靠以及對環(huán)境無污染等特點，適合于高純以及超高純材料的生產(chǎn)，特別是高活性高純材料的制備。
文檔編號C22B19/00GK1740352SQ20051010545
公開日2006年3月1日 申請日期2005年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月28日
發(fā)明者杜小龍, 袁洪濤, 曾兆權(quán), 薛其坤, 賈金鋒, 王喜娜, 李含冬 申請人:中國科學(xué)院物理研究所