本申请涉及高纯钛技术领域，特别是涉及一种制备高纯钛的设备。
背景技术：
集成电路中通常使用薄膜形式的钛硅化合物(tisix)，氮化钛(tin)、钨钛(w-ti)等用做控制电极、扩散阻挡层、配线等材料。化合物薄膜主要通过溅射方法制备，而高纯钛可用于制作溅射靶材，以及生物材料中的捆扎材料等。
作为溅射靶材或生物材料的高纯钛，必须充分除去na、k等碱性金属，u、th等放射性元素，fe、cr、ni等重金属元素。另外，随着半导体的微型化，溅射设备腔体内的各种部件也开始采用与溅射靶同样材质的高纯钛。
高纯钛的生产主要有克劳尔法、熔盐电解法及碘化钛热分解法等工艺。克劳尔法制备纯度可达3n～4n、熔盐电解法制备纯度可达到4n～5n，碘化钛热分解法可达到5n以上。现有的碘化钛热分解法是将低纯度的钛原料与碘一起充填于密闭的容器中发生碘化反应，合成碘化钛，容器内设有高温的钛细丝，对碘化钛进行热分解，析出高纯钛，游离的碘再与低纯度的钛原料发生碘化反应，重复上述过程，钛细丝不断增粗成高纯钛棒。
现有的碘化钛热分解法，碘化反应与热分解反应在同一装置内发生，热分解的高温对低温的碘化反应产生影响，使得碘化温度与热分解温度难以准确控制，碘化反应的温度超出适宜的温度范围，影响高纯钛的析出速度与纯度。
技术实现要素：
为解决上述技术问题，本发明的目的为提供一种制备高纯钛的设备。本发明提供的制备高纯钛的设备，精确控制钛的卤化反应与分解反应的温度，并实现卤族元素的循环利用，加速高纯钛的析出，同时提高钛的纯度。
本发明提供的技术方案如下：
一种制备高纯钛的设备，包括用于原料钛发生卤化反应的反应装置、用于钛的卤化物分解的分解装置、循环装置、真空发生装置，所述反应装置与所述分解装置相连通，所述分解装置设有感应加热部件，以及用于钛析出的析出部件，所述循环装置与所述反应装置、分解装置分别连通，所述循环装置用于将分解装置中分解出的卤族元素收集送入反应装置中，所述真空发生装置与所述分解装置连通，用于提供设备内的真空环境。
优选地，所述分解装置的壳体由金属陶瓷制备，所述析出部件设置在分解装置的壳体内，所述感应加热部件设置在所述分解装置的壳体外。
优选地，所述钛析出的析出部件具体为中空的钛管。
优选地，所述分解装置还设有分解温度检测部件，所述分解温度检测部件一端设置在所述中空的钛管内部。
优选地，还设有用于提供卤族元素的补充装置，所述补充装置与所述反应装置连通。
优选地，所述真空发生装置与所述分解装置连通的通路上，以及所述循环装置与所述反应装置连通的通路上分别设有冷却装置。
优选地，所述反应装置设有反应温度检测部件。
优选地，所述反应装置设有物料格栅，所述物料格栅设置在所述反应装置内部，反应物料设置在所述物料格栅与所述反应装置的壳体之间。
优选地，所述反应装置外部设有保温层。
优选地，还设有控制装置，所述控制装置获取所述反应温度检测部件、分解温度检测部件的信号，用于控制反应装置、分解装置、循环装置、真空发生装置、补充装置、冷却装置的运行。
现有技术使用的碘化钛热分解法是将低纯度的钛原料与碘一起充填于密闭的容器中，采用电阻炉加热升温至300～600℃，发生碘化反应，合成四碘化钛，容器内还设有钛细丝，钛细丝通电加热到1300℃～1500℃，对四碘化钛进行热分解，在通电的钛细丝上析出高纯钛，游离的碘再与低纯度的钛原料发生碘化反应，重复上述过程，钛细丝不断增粗成高纯钛棒。其碘化反应与热分解反应在同一装置内发生，热分解的高温对低温的碘化反应产生影响，使得碘化反应的温度超出适宜的温度范围，导致低纯度的钛原料中的杂质元素也发生反应，导致钛的提纯效率下降。
此外，钛是在通电加热的细丝上析出，初始析出面积小，电阻大，随着时间增加，细丝逐渐增粗，析出面积增大，电阻逐渐减小。整个过程电阻变化有几十倍之多，初始为高电压、小电流，逐步转换为低电压、大电流，电源难以适应整个变化过程，温度控制困难，不能保证热分解温度的恒定，影响高纯钛的析出。
为解决以上技术问题，本发明提供一种制备高纯钛的设备，设置用于原料钛发生卤化反应的反应装置、用于钛的卤化物分解的分解装置，使低纯度的原料钛的卤化反应、以及钛的卤化物的分解反应在不同的装置内发生，彼此的反应温度不会互相干扰。
原料钛与卤族元素(如碘)在反应装置内发生卤化反应，生成的钛的卤化物(如四碘化钛)通过反应装置与分解装置之间连通的管道进入分解装置中。分解装置设有感应加热部件，对析出部件进行感应加热，使析出部件的温度达到钛的卤化物的分解温度，则进入分解装置的钛的卤化物在分解装置的析出部件上分解，得到单质钛与单质卤族元素，钛沉积在析出部件上。分解得到的单质卤族元素，在与所述反应装置、分解装置分别连通的循环装置的作用下，被收集回到反应装置中，与反应装置中低纯度的钛原料反应，实现卤族元素的循环利用。同时，可以保持反应装置内的卤化反应、分解装置内的高温分解反应独立进行，使得卤化反应与分解反应分别在适宜温度下进行，彼此不会产生干扰，低纯度的原料钛中的杂质在钛进行卤化反应时，不会发生反应，则进入分解装置内的均为钛的卤化物，分解制得的为高纯钛，除杂效率高。循环装置可以设置为循环泵或其他能够提供卤族元素循环动力的结构。且钛的卤化物(如四碘化钛)的合成与分解反应是可逆的，在分解装置的高温下，钛的卤化物分解为单质卤族元素和单质钛。同样，卤族元素与钛在反应装置的反应温度下将合成为钛的卤化物，通过设置通路以及循环装置，使得分解装置内热分解产生的游离卤族元素(如单质碘蒸汽)迅速抽去，进入反应装置，即通过减少分解装置内的分解反应产物，促进分解装置内的热分解反应正向进行，加速钛的析出进程。
进一步的，本发明提供的制备高纯钛的设备中，分解装置使用的是感应加热部件，对析出部件进行加热。利用感应加热的原理，使析出部件在高频电磁场中自身感应的电涡流发热产生高温，能准确控制热分解反应的温度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中制备高纯钛的设备的结构示意图；
图2为本发明实施例中控制装置7的连接示意图；
附图标记：1-反应装置；101-反应温度检测部件；102-物料格栅；2-分解装置；201-感应加热部件；202-析出部件；203-分解温度检测部件；3-循环装置；4-真空发生装置；5-补充装置；6-冷却装置；7-控制装置；a-低纯度的钛原料；b-反应装置加热部件。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
请如图1至图2所示，本发明实施例提供一种制备高纯钛的设备，包括用于原料钛发生卤化反应的反应装置1、用于钛的卤化物分解的分解装置2、循环装置3、真空发生装置4，所述反应装置1与所述分解装置2相连通，所述分解装置2设有感应加热部件201，以及用于钛析出的析出部件202，所述循环装置3与所述反应装置1、分解装置2分别连通，所述循环装置3用于将分解装置2中分解出的卤族元素收集送入反应装置1中，所述真空发生装置4与所述分解装置2连通，用于提供设备内的真空环境。
现有技术使用的碘化钛热分解法是将低纯度的钛原料与碘一起充填于密闭的容器中，采用电阻炉加热升温至300～600℃，发生碘化反应，合成四碘化钛，容器内还设有钛细丝，钛细丝通电加热到1300℃～1500℃，对四碘化钛进行热分解，在通电的钛细丝上析出高纯钛，游离的碘再与低纯度的钛原料发生碘化反应，重复上述过程，钛细丝不断增粗成高纯钛棒。其碘化反应与热分解反应在同一装置内发生，热分解的高温对低温的碘化反应产生影响，使得碘化反应的温度超出适宜的温度范围，导致低纯度的钛原料中的杂质元素也发生反应，导致钛的提纯效率下降。
此外，钛是在通电加热的细丝上析出，初始析出面积小，电阻大，随着时间增加，细丝逐渐增粗，析出面积增大，电阻逐渐减小。整个过程电阻变化有几十倍之多，初始为高电压、小电流，逐步转换为低电压、大电流，电源难以适应整个变化过程，温度控制困难，不能保证热分解温度的恒定，影响高纯钛的析出。
为解决以上技术问题，本发明提供一种制备高纯钛的设备，设置用于原料钛发生卤化反应的反应装置1、用于钛的卤化物分解的分解装置2，使低纯度的原料钛的卤化反应、以及钛的卤化物的分解反应在不同的装置内发生，彼此的反应温度不会互相干扰。
原料钛与卤族元素(如碘)在反应装置1内发生卤化反应，生成的钛的卤化物(如四碘化钛)通过反应装置1与分解装置2之间连通的管道进入分解装置2中。分解装置2设有感应加热部件201，对析出部件202进行感应加热，使析出部件202的温度达到钛的卤化物的分解温度，则进入分解装置2的钛的卤化物在分解装置2的析出部件202上分解，得到单质钛与单质卤族元素，钛沉积在析出部件202上。分解得到的单质卤族元素，在与所述反应装置1、分解装置2分别连通的循环装置3的作用下，被收集回到反应装置1中，与反应装置1中低纯度的钛原料反应，实现卤族元素的循环利用。同时，可以保持反应装置1内的卤化反应、分解装置2内的高温分解反应独立进行，使得卤化反应与分解反应分别在适宜温度下进行，彼此不会产生干扰，低纯度的原料钛中的杂质在钛进行卤化反应时，不会发生反应，则进入分解装置2内的均为钛的卤化物，分解制得的为高纯钛，除杂效率高。循环装置3可以设置为循环泵或其他能够提供卤族元素循环动力的结构。且钛的卤化物(如四碘化钛)的合成与分解反应是可逆的，在分解装置2的高温下，钛的卤化物分解为单质卤族元素和单质钛。同样，卤族元素与钛在反应装置1的反应温度下将合成为钛的卤化物，通过设置通路以及循环装置3，使得分解装置2内热分解产生的游离卤族元素(如单质碘蒸汽)迅速抽去，进入反应装置1，即通过减少分解装置2内的分解反应产物，促进分解装置2内的热分解反应正向进行，加速钛的析出进程。
进一步的，本发明提供的制备高纯钛的设备中，分解装置2使用的是感应加热部件201，对析出部件202进行加热。利用感应加热的原理，使析出部件202在高频电磁场中自身感应的电涡流发热产生高温，能准确控制热分解反应的温度。具体而言：
金属加热功率消耗主要由两部分组成：p0＝p1+p2。
其中，p0：为总功率；p1：金属加热温升功率；p2金属加热表面辐射功率损耗；
金属加热温升功率p1
其中，m：金属质量(单位kg)；c：比热，钛的比热为0.125；t：加热温度；t：加热时间(单位s)；
例：20kg钛1小时加热到1400℃所需功率
金属加热表面辐射功率损耗p2p2＝s·w＝s×δ×t4(w/cm2)
其中，s：金属幅射面积；w：单位面积辐射通量；t：幅射表面温度k；δ：玻尔兹曼常数，δ＝5.67×10-12(w/cm2·k4)；
钛加热到1400℃，单位面积辐射通量：
w＝5.67×10-12×(1400+273)4＝44.4w/cm2
例：φ80mm钛管500mm长，原始幅射面积s0＝1256cm2，幅射功率损耗p20＝s0·w＝55.3kw。
钛分解增粗到φ120mm，幅射有效面积增加为s1＝1885cm2，增大面积
幅射功率损耗p21＝s1·w＝83.7kw。
由以上分析可以看出，由于金属材料加热温升功率相对于幅射功率较小，在材料析出量增量不是很大时，感应加热功率的大小主要取决于增量面积的大小，而与材料的电阻变化关系不大。材料析出增加的面积均为1.5倍，加热总功率变化值不到2倍，因此，采用感应加热通过测温闭环控制，能较为精准控制热分解温度。
本发明提供的制备高纯钛的设备，还包括真空发生装置4，真空发生装置4对整个设备抽真空，尤其是为了除去设备内的氧气，避免钛与氧气反应而生成钛氧化物。
本发明实施例中，所述分解装置2的壳体由金属陶瓷制备，所述析出部件202设置在分解装置2的壳体内，所述感应加热部件201设置在所述分解装置2的壳体外。
作为优选，分解装置2的壳体由金属陶瓷制备，并将析出部件202设置在分解装置2的壳体内，感应加热部件201设置在所述分解装置2的壳体外。金属陶瓷由至少一种金属相和至少一种通常为陶瓷性质的非金属相组成的烧结材料，兼具金属和陶瓷的优点，密度小、硬度高、导热性好，不会因为骤冷或骤热而脆裂。用金属陶瓷制备分解装置2的壳体，则析出部件202感应加热部件201的作用下感应发热产生高温时，分解装置2的壳体不会脆裂，保持装置长期正常使用。且金属陶瓷不会在感应磁场中发热产生高温，则分解装置2内的分解反应集中在析出部件202处发生，分解产生的高纯钛析出在析出部件202上，不会析出在分解装置2的壳体上。而将感应加热部件201设置在分解装置2的壳体外，一方面可以对析出部件202进行感应加热，另一方面，可以避免感应加热部件201对高纯钛材料产生污染，以获取纯度高的钛材料。
本发明实施例中，所述钛析出的析出部件202具体为中空的钛管。
作为优选，析出部件202具体设置为中空的钛管。钛管具备一定的尺寸与厚度，较之现有技术使用的钛细丝，钛管的初始面积大，电阻较钛细丝小，利于分解产生的钛析出，且当高纯钛逐渐析出时，钛管的面积变化较钛细丝小，则电阻电流的变化较小，利于分解装置2中分解温度的控制。
本发明实施例中，所述分解装置2还设有分解温度检测部件203，所述分解温度检测部件203一端设置在所述中空的钛管内部。
作为优选，分解装置2内还设有分解温度检测部件203，并将分解温度检测部件203一端设置在所述中空的钛管内部。由于钛的卤化物是在钛管上分解，将分解温度检测部件203一端设置在所述中空的钛管内部可以更准确的检测分解温度，便于对分解反应过程的控制。分解温度检测部件203包括分解装置2测温测试棒，优选还同时设有红外测温探头，进一步对整个的分解装置2的温度进行准确检测。
作为优选，可以在分解装置2上设置观察孔，优选将观察孔与分解温度检测部件203配合设置。观察孔用于观察分解装置2内反应过程，以及析出部件202上析出的高纯钛的情况。
本发明实施例中，还设有用于提供卤族元素的补充装置5，所述补充装置5与所述反应装置1连通。
作为优选，本发明提供的制备高纯钛的设备，还设有卤族元素的补充装置5，补充装置5与所述反应装置1连通。反应装置1中起始反应的卤素可以在开始反应前与低纯度的钛原料一起加入，也可以在低纯度的钛原料反应装置1后，由补充装置5供给卤化反应所需的卤族元素。
补充装置5通常设有控制补充装置5开闭的阀门，根据设备所需，选择开启阀门，补充装置5向反应装置1内供给卤族元素，或关闭阀门，补充装置5停止向反应装置1内供给卤族元素。作为优选，可以将补充装置5与所述循环装置3与所述反应装置1连通的通路相连通，即循环装置3与反应装置1通过管道连通，将补充装置5与该管道连通。
本发明实施例中，所述真空发生装置4与所述分解装置2连通的通路上，以及所述循环装置3与所述反应装置1连通的通路上分别设有冷却装置6。
作为优选，在真空发生装置4与分解装置2连通的通路上设置冷却装置6。如将真空发生装置4与分解装置2通过管道连通，并在该管道上设置夹套，驱动空气或水等气体、液体在夹套内循环，使分解装置2内出来的包含卤族元素的高温气体温度下降，以维持真空发生装置4的正常工作温度，避免温度过高对真空发生装置4产生不良影响。
作为优选，在循环装置3与反应装置1连通的通路上设置冷却装置6。如将循环装置3与反应装置1通过管道连通，并在该管道上设置夹套，驱动空气或水等气体、液体在夹套内循环，使分解装置2内出来的包含卤族元素的高温气体温度下降，以维持循环装置3的正常工作温度，避免温度过高对循环装置3产生不良影响。本发明使用的冷却装置6也可以是其他提供冷却作用的结构。
本发明实施例中，所述反应装置1设有反应温度检测部件101。
作为优选，在反应装置1内设置反应温度检测部件101，用于检测钛原料与卤族元素反应的温度，使设备能够更好控制反应装置1反应过程。
本发明实施例中，所述反应装置1设有物料格栅102，所述物料格栅102设置在所述反应装置1内部，反应物料设置在所述物料格栅102与所述反应装置1的壳体之间。
本发明提供的制备高纯钛的设备，可以在反应装置1内设置物料格栅102，并将低纯度的钛原料储存在物料格栅102与反应装置1的壳体之间。相较于将低纯度的钛原料堆积在反应装置1的底部，通过物料格栅102，使低纯度的钛原料沿反应装置1的壳体内壁均匀分散，增大接触面积，更有利于钛的卤化反应的进行。
本发明实施例中，所述反应装置1外部设有保温层。
作为优选，在反应装置1外部设置保温层。更优选将反应加热部件(如加热炉丝)设置在反应装置1外壁与保温层之间。设置保温层可以减少反应装置1中的热量散失，使反应装置1中的反应温度维持在钛与卤族元素反应的适宜温度，从而节约能源。
本发明实施例中，还设有控制装置7，所述控制装置7获取所述反应温度检测部件101、分解温度检测部件203的信号，用于控制反应装置1、分解装置2、循环装置3、真空发生装置4、补充装置5、冷却装置6的运行。
作为优选，还设有控制装置7，控制装置7获取所述反应温度检测部件101、分解温度检测部件203的信号，用于控制反应装置1、分解装置2、循环装置3、真空发生装置4、补充装置5、冷却装置6的运行。
本发明提供的制备高纯钛的设备，通过设置控制7，可以监控高纯钛制备过程，并能实现自动化工作。本发明提供的制备高纯钛的设备，可按如下过程工作：
1)将低纯度的钛原料，以及碘放入反应装置1中，控制装置7控制开启真空发生装置4，使整个设备内真空度到达1.33*10-2pa停止真空发生装置4的运转。
2)控制装置7控制开启反应装置1内的加热部件(如在反应装置1内设置加热炉丝)，对反应装置1进行加热，使钛与碘发生碘化反应，生成四碘化钛。由于四碘化钛的熔点为150℃，沸点为377.2℃，则控制反应装置1内的温度为400℃-600℃，优选为450℃。在此过程中，反应温度检测部件101持续检测反应装置1内的温度，并将信息发送至控制装置7，控制装置7根据接收到的反应装置1内的温度信息，对反应装置1内的加热部件的功率或开闭进行调整，以维持反应装置1内的温度稳定。反应装置1内生成的四碘化钛进入分解装置2中。
同时，控制装置7控制开启分解装置2内的感应加热部件201，对分解装置2内的析出部件202进行感应加热，使进入分解装置2内四碘化钛在析出部件202上分解，析出高纯钙。由于四碘化钛热分解温度大于1000℃，则控制析出部件202上温度为1300-1500℃，优选为1400℃。在此过程中，分解温度检测部件203，持续检测分解装置2内的温度，并将信息发送至控制装置7，控制装置7根据接收到的分解装置2内的温度信息，对分解装置2的感应加热部件201的功率或开闭进行调整，以维持分解装置2内的温度稳定。
控制装置7控制循环装置3运转，将分解装置2内分解得到的单质碘收集，又送入反应装置1内与低纯度的钛原料反应，实现碘的循环利用。控制装置7根据设备内的反应情况，可以选择开启或关闭真空发生装置4调整设备内的真空度，开启或关闭补充装置5控制设备内的碘的含量，开启或关闭冷却装置6，对进入管道的还有单质碘的气体进行冷却。
本发明提供的制备高纯钛的设备，与现有技术相比，具有以下优点：
1、钛的卤化反应与分解反应分开进行，不同的反应温度彼此不会产生干扰，可以精准控制反应装置1的反应温度在设定温度的±2℃，如450±2℃，分解装置2内的热分解温度在设定温度的±10℃，如1400±10℃。同时，通过精准控制反应装置1、分解装置2的温度，使钛与卤族元素反应，同时杂质不参与反应，得到的钛的纯度可达5n以上。
2、分解装置2内热分解产生的单质卤族元素被收集送入反应装置1内循环利用，促进分解装置2内热分解反应进行，并设置析出部件202为钛管，加速钛的析出速度，并增加钛的析出量，3、钛的析出量可提高100倍以上，析出时间可降低50％。
3、在分解装置2设置感应加热部件201，配合分解装置2的金属陶瓷壳体，利用感应加热的原理，使析出部件202在高频电磁场中自身感应的电涡流发热产生高温，能准确控制热分解反应的温度。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。