一种用于精碲精炼脱除硒的试验室高效精炼装置的制作方法

本实用新型涉及用于精碲精炼脱除硒的试验室高效精炼装置。

背景技术：

碲及碲的某些化合物是熟知的半导体材料。碲化镉用于制造发光二极管、辐射探测器和太阳能电池。碲化镉与硒化锌一样,是制造大功率二氧化碳激光输出窗的有发展前途的材料，碲汞镉合金是红外发射体和探测器的最佳材料。铋锑硒碲合金是重要的温差电材料,被用来发电或致冷,广泛使用在宇宙动力系统、航标、高空天气记录仪表、军用雷达冷却器及潜艇空调装置中，应用于上述方面的碲必须是高纯的（99.999%以上）。

目前精碲精炼得工艺主要有区域熔炼法和真空蒸馏法。区域熔炼法一种物理提纯方法。它是利用含杂质的晶态物质熔化后再结晶时，杂质在结晶的固体和未结晶的液体中浓度是不同的这种现象，将物料局部熔化形成狭窄的熔区，并令其沿锭长从一端缓慢地移动到另一端，重复多次使杂质尽量被集中在尾部或头部，进而达到提纯材料的目的，是制备超纯半导体材料、高纯金属的重要方法；真空蒸馏法依据碲具有高的蒸气压,并且与其他杂质金属的蒸气压有较大差别的原理,在高于碲熔点的温度下进行蒸馏,严格控制冷凝温度实现分段冷凝,获得高纯碲。但是粗碲中的硫和硒比碲较容易挥发,大部分进入气相中,严重影响碲的纯度.因此必须采取一定的措施来避免硫硒对碲产品的污染.一般实行分段冷凝,让碲与硫硒分别在不同的温度区域中冷凝下来,从而达到分离的目的。

采用区域熔炼炉进行精碲的精炼存在以下缺点:⑴精炼时间长，作业效率低。区域精炼工艺将物料局部熔化形成狭窄的熔区，并令其沿锭长从一端缓慢地移动到另一端，因此其一次作业时间可能需要4-8h，严重影响作业效率；⑵需重复多次区域熔炼才能得到合格产品，作业效率低；⑶投产成本高，经过区域熔炼后，所得高纯碲，需另设真空浇铸炉重新进行真空浇铸或惰性气氛浇铸。

真空蒸馏法是依据碲具有高的蒸气压,并且与其他杂质金属的蒸气压有较大差别的原理,在高于碲熔点的温度下进行蒸馏,严格控制冷凝温度实现分段冷凝,获得高纯碲。但由于粗碲中的硫和硒比碲较容易挥发,大部分进入气相中,严重影响碲的纯度.因此必须采取分段冷凝,让碲与硫硒分别在不同的温度区域中冷凝下来,从而达到分离的目的。因此其冷凝区域较为复杂且设备投资成本较高。

技术实现要素：

本试验装置是参考现有精碲精炼工艺装置，如区域精炼工艺及真空蒸馏工艺，并根据上述精碲精炼工艺的不足及精碲精炼除杂工艺要求制作的精碲精炼除硒装置，主要用试验室小型及扩大试验。

为实现上述的目的，本实用新型提供如下技术方案：一种用于精碲精炼脱除硒的试验室高效精炼装置，它包括：

精炼炉，所述精炼炉包括精炼炉盖和精炼炉体，所述精炼炉盖开设有进气管，所述精炼炉体内胆由上至下缠绕有上段加热电阻丝和下段加热电阻丝；

坩埚，所述坩埚内置于精炼炉体；

搅拌桨和进气管，所述搅拌桨和进气管穿过所述精炼炉盖伸入坩埚内；

浇铸室，所述浇铸室位于所述精炼炉体内坩埚下方，所述浇铸室内置有高纯碲铸模，所述坩埚底部通过带有顶阀的熔体放液口延伸至高纯碲铸模上方；

冷凝器，所述冷凝器通过精炼炉控制阀及排气管道与精炼炉体的侧壁连通，所述排气管道设有冷凝水出水口，所述冷凝器顶部设有冷凝盖，所述冷凝盖设置冷凝水进水阀和出水管，所述冷凝器内部设有收集器，所述冷凝器侧壁连通有冷凝水进水管，所述冷凝器底部开设有控制阀；

抽真空装置，所述抽真空装置通过第一冷凝器控制阀与冷凝器连通；

尾气吸收装置，所述尾气吸收装置通过第二冷凝器控制阀接入第一冷凝器控制阀与抽真空装置之间。

优选的，所述精炼炉盖开设有观察孔。

优选的，所述浇铸室的正面开设有浇铸操作孔。

优选的，所述浇铸室的两侧分别开设有进气阀和出气阀。

优选的，所述排气管道上设有真空计。

优选的，所述冷凝盖的内端面为向下收拢的锥形。

优选的，所述收集器包括位于上方的喇叭形扩散部和位于下方的圆柱状连通部。

优选的，所述喇叭形扩散部与冷凝器内壁之间通过支架连接。

优选的，所述尾气吸收装置的末端连通有尾气燃烧装置。

优选的，所述抽真空装置包括依次连通的机械泵和扩散泵。

本实用新型的有益效果是密封性好，可在真空、还原/氧化气氛及惰性气氛等条件下进行精炼除杂；精炼除杂效果好，配备变频搅拌装置，加强除杂效果；改造熔炼坩埚，从坩埚底部放出金属碲，在惰性气氛条件直接浇铸，避免金属与空气接触，导致金属氧化产生二氧化碲氧化物，同时有利于改善操作环境，保护操作人员身体健康，提高碲的回收率，防止有毒有害气体二氧化硒等产生；设置抽真空装置及气体冷凝回收装置，保证泠凝器真空度，使得精碲除杂过程中所产的硒化氢等有毒有害气体及其他杂质及时排除；采用封闭式冷凝器对于在精炼除杂过程中产生碲、硒及硒化氢等气体进行冷凝回收，提高金属的回收率，同时有利于保护人体健康及操作环境；设置尾气吸收装置，对于冷凝后尾气采用纯水溶液进行吸收，防止为完全冷凝的硒化氢气体进入操作环境，影响人体健康；设置尾气燃烧装置，将残余的氢气进行彻底燃烧，杜绝安全隐患。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图；

图中：1、精炼炉体，2、坩埚，3、搅拌桨，4、精炼炉盖，5、出气阀，6、进气管，7、浇铸室，8、进气阀，9、熔体放液口，10、高纯碲铸模，11、精炼炉控制阀，12、排气管道，13、真空计，14、冷凝器，15、冷凝盖，16、冷凝水进水管，17、冷凝水出水口，18、冷凝水进水阀，19、出水管，20、收集器，21、内端面，22、第二冷凝器控制阀，23、控制阀，24、抽真空装置，25、尾气吸收装置，26、顶阀，27、观察孔，28、浇铸操作孔，29、上段加热电阻丝，30、下段加热电阻丝，31、支架，32、第一冷凝器控制阀，33、尾气燃烧装置。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1，一种用于精碲精炼脱除硒的试验室高效精炼装置，其特征是：它包括：

精炼炉，所述精炼炉包括精炼炉盖4和精炼炉体1，所述精炼炉盖4开设有进气管6，所述精炼炉体1的内胆由上至下缠绕有上段加热电阻丝29和下段加热电阻丝30；

坩埚2，所述坩埚2内置于精炼炉体1；

搅拌桨3和进气管6，所述搅拌桨3和进气管6穿过所述精炼炉盖4伸入坩埚2内；

浇铸室7，所述浇铸室7位于所述精炼炉体1内坩埚2下方，所述浇铸室7内置有高纯碲铸模10，所述石墨坩埚2底部通过带有顶阀26的熔体放液口9延伸至高纯碲铸模10上方；

冷凝器14，所述冷凝器14通过精炼炉控制阀11及排气管道12与精炼炉体1的侧壁连通，所述排气管道12设有真空计13及冷凝水出水口17，所述冷凝器14顶部设有冷凝盖15，所述冷凝盖21设置冷凝水进水阀18和出水管19，所述冷凝器14内部设有收集器20，所述冷凝器14侧壁连通有冷凝水进水管16，所述冷凝器14底部开设有控制阀23；

抽真空装置24，所述抽真空装置24通过第一冷凝器控制阀32与冷凝器14连通；

尾气吸收装置25，所述尾气吸收装置25通过第二冷凝器控制阀22接入第一冷凝器控制阀32与抽真空装置24之间。

所述精炼炉体炉胆采用316l不锈钢材质，炉外结构采用304l不锈钢材质，炉架采用碳钢制作，并采用涂覆防腐漆；

所述精炼炉体内加热采用上、下两段不同加热温区，炉体上部设观察孔；

所述坩埚采用高纯石墨制作，坩埚底部设2个底部放液孔，孔径大小15-45mm，同时石墨坩埚可更换成底部无孔坩埚；

所述搅拌桨采用316l不锈钢材质，并采用变频搅拌器控制转速为200-800r/min，搅拌桨与精炼炉炉盖直接采用聚四氟乙烯密封圈进行双重密封；

所述进气管采用哈氏合金材质，管径为25-50mm，进气管通入氢气等还原性气体时伸至熔体表面10mm处；

所述进气管、排气管道、冷凝水进水管、排水管等均采用316l不锈钢制作，管径为20-40mm。

所述精炼炉体与冷凝器排气管道及控制阀采用316l不锈钢材质，规格为dn100，管道法兰与阀门法兰采用聚四氟密封圈。

所述放液管及顶阀均采用316l不锈钢材质，放液管直径根据石墨坩埚大小控制在10-30mm；

所述浇铸室采用316l不锈钢材质，同时左侧设置进气管，右侧设置出气管，进气管及出气管采用316l不锈钢材质，进气阀8和出气阀5分别设在进气管和出气管上。

所述浇铸操作孔，操作孔设密封门，操作孔规格为dn200，密封门采用聚四氟密封圈密封；

所述高纯碲铸摸采用316l不锈钢材质，铸摸大小根据所加入的原料精硒重量确定，一般控制在0.01m²-0.04m²；

所述冷凝器采用双层结构，内胆采用哈氏合金材质，外层采用316l不锈钢材质，冷凝器有效尺寸为φ350×400；

所述冷凝器右下侧设置冷凝水进水管，左上侧设置出水管。冷凝水进水管及出水管均采用316l不锈钢材质。进水管设置进水阀，进水阀为球阀，采用304不锈钢材质,上述管道及阀门规格为dn30；

所述冷凝器盖采用可更换式，冷凝器盖内端面采用哈氏合金材质，外部结构采用316l不锈钢材质，内端面设计成弧形带锥形冷凝点，便于金属气体冷凝及集中收集。

所述冷凝器盖设置冷凝水进水管、冷凝水进水阀及出水管采用304不锈钢材质，上述管道及阀门规格为dn30-dn60;

所述冷凝器入口处设置真空计，真空度测量范围1×10^-3-1.01×10⁵pa;

所述收集器，采用硅玻璃容器。收集器上部呈喇叭形状，下部呈圆柱状。收集器上部最大直径比冷凝器内部直径小5mm，冷凝器下部密封，作为冷凝产物收集器；

所述冷凝器内部上部设置一圈支架，支架采用哈氏合金材质焊接，支架上部放置一层聚四氟密封圈；

所述精炼炉排气管道及控制阀与冷凝器的接口设置在冷凝器盖与收集器之间，接口孔径为dn100;

所述冷凝器尾气排放管道与两级抽真空装置连接同一根主管，其分别通过控制阀控制，上述所有管道及阀门均采用316l不锈钢材质，孔径控制在dn30-dn60之间；

所述冷凝器尾气排放管道与两级抽真空装置所共用主管与冷凝器接口位于冷凝器盖与收集器之间，孔径控制在dn30-dn60之间；

所述两级抽真空装置采用机械泵+扩散泵，型号为2xz-4机械泵+kt100扩散泵，两级抽真空泵（真空度≤10^-2pa），真空机组与介质接触部分采用316l不锈钢材质；

所述尾气吸收装置采用pvc材质焊接，并采用隔板等分成三级吸收室，第三级吸收室上部设置尾气排放口。尾气吸收以纯水作为吸收介质；

所述采用两段加热，均采用电阻丝加热，上段加热温度为150-300℃，下段加热温度为250-400℃。

所述尾气燃烧装置采用316l不锈钢材质，管径为30mm，其尾部带点火装置；

本实用新型的使用方法如下：将精碲装入精炼炉体1中的石墨坩埚2，开启冷凝器14右侧控制阀32，关闭控制阀22，后开启两级抽真空装置24抽真空，并通过进气管6向精炼炉体1通入氩气置换精炼炉内，置换完成后，关闭两级抽真空装置24，并开启两段电阻丝加热，上段电阻丝29加热温度为150-300℃，下段电阻丝30加热温度为250-400℃，通过观察孔27观察精碲熔化情况，待精碲熔化后，开启变频搅拌桨3对石墨坩埚2内熔体进行搅拌，同时通过精炼炉盖4上进气管6向石墨坩埚2吹入氢气，氢化反应完成后，关闭变频搅拌桨3，对熔体进行静置2h。通过进气管8向浇铸室7内通入氩气对空气进行置换。熔体静置完成后，开启与石墨坩埚2底部相连的熔体放液口9及顶阀26进行浇铸，浇铸完成后，待铸模10上的金属铸块冷却至常温后，取出金属。

在氢化除杂过程中，氢化尾气通过精炼炉排气阀11及排气管道12进入冷凝器14进行冷凝，在尾气冷凝过程中，开启冷凝器14罐体冷凝水进水阀16、冷凝水出水口17及冷凝盖21设置冷凝水进水管及进水阀18、出水管19。同时通过观察真空计13观察精炼尾气的冷凝情况，并通过收集器20收集冷凝后的固体及液体颗粒。当真空计13与处于稳定状态口，关闭控制阀32，开启冷凝尾气排放口22，将冷凝后尾气排入尾气吸收装置25中对尾气中残余的有害气体进行吸收处理，吸收后气体通过尾气燃烧装置33燃烧。尾气排出后，关闭冷凝器14罐体冷凝水进水阀16及冷凝盖21冷凝水进水阀18，打开冷凝盖21，取出收集器20，倒出冷凝物。

下面结合具体工艺对本实用新型的工作过程作出如下的详细说明。

原料准备：原料为精碲，规格：99.99%，重量：2kg；氢气，规格：99.99%，数量：一瓶；纯水，50l;石墨坩埚：φ200×400mm，底部开孔，孔径为φ15mm；

氢化除硒：将精碲装入精炼炉体1中的石墨坩埚2，开启冷凝器14右侧第一冷凝器控制阀32，关闭第二冷凝器控制阀22，后开启两级抽真空装置24抽真空，并通过进气管6向精炼炉体1通入氩气置换精炼炉内，置换完成后，关闭两级抽真空装置24，并开启两段电阻丝加热，上段电阻丝29加热温度为150-300℃，下段电阻丝30加热温度为250-400℃，通过观察孔27观察精碲熔化情况，待精碲熔化后，开启变频搅拌桨3对石墨坩埚2内熔体进行搅拌，同时通过精炼炉盖4上进气管6向石墨坩埚2吹入氢气，氢化反应完成后，关闭变频搅拌桨3，对熔体进行静置2h。通过进气管8向浇铸室7内通入氩气对空气进行置换。熔体静置完成后，开启与石墨坩埚2底部相连的熔体放液口9及顶阀26进行浇铸，浇铸完成后，待铸模10上的金属铸块冷却至常温后，取出金属。

在氢化除杂过程中，氢化尾气通过精炼炉控制阀11及排气管道12进入冷凝器14进行冷凝，在尾气冷凝过程中，开启冷凝器14罐体冷凝水进水管16、冷凝水出水口17及冷凝盖21设置冷凝水进水管及进水阀18、出水管19。同时通过观察真空计13观察精炼尾气的冷凝情况，并通过收集器20收集冷凝后的固体及液体颗粒。当真空计13与处于稳定状态口，关闭第一冷凝器控制阀32，开启第二冷凝器控制阀22，将冷凝后尾气排入尾气吸收装置25中对尾气中残余的有害气体进行吸收处理，吸收后气体通过尾气燃烧装置33燃烧。尾气排出后，关闭冷凝器14罐体冷凝水进水阀16及冷凝盖21进水阀18，打开冷凝盖21，取出收集器20，倒出冷凝物。

除硒试验结果：碲损失率为0.32%，硒的脱除除为99.5%，尾气吸收后液含se0.03g/l，气体冷凝产物为金属碲，高纯碲含碲99.99995%。