石英砂高溫氯化純化工藝與溫度控制

一、工藝原理

• Fe?O? + 6HCl → 2FeCl? + 3H?O
• Al?O? + 6HCl → 2AlCl? + 3H?O

二、溫度參數(shù)與工藝類型

1.?常規(guī)高溫氯化工藝

• 溫度范圍：1200-1500°C（半導(dǎo)體級(jí)應(yīng)用）
• 氯化劑：Cl?氣體（濃度10-30%，混合N?或Ar惰性氣體）
• 反應(yīng)時(shí)間：1-4小時(shí)（通常2小時(shí)效果最佳）
• 適用場(chǎng)景：用于去除難揮發(fā)的金屬氧化物（Fe、Al、Ti等），可將金屬雜質(zhì)降至ppm級(jí)以下

2.?優(yōu)化型中溫氯化工藝

• 在900-1050°C范圍內(nèi)，1000°C時(shí)對(duì)Na、K、Fe的去除效果最顯著
• 溫度升至1050°C并不能進(jìn)一步提升提純效果
• 典型參數(shù)：干燥HCl氣體300g，焙燒時(shí)間2h，氣體流速600mL/min

3.?新型振蕩氯化工藝

• 第一階段：673-873°C，1-3h，促使石英轉(zhuǎn)變?yōu)棣?石英
• 第二階段：373-473°C，1-3h，促使β-石英轉(zhuǎn)回α-石英
• 循環(huán)次數(shù)：重復(fù)3-6次，使晶格雜質(zhì)向表面富集
• 后處理：120-140°C下鹽酸+氫氟酸熱壓浸出5-10h

4.?工藝前處理溫度

• 煅燒溫度：1100-1300°C，2-4小時(shí)
• 目的：使雜質(zhì)礦物熔融分解，石英晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為方石英并產(chǎn)生微裂隙，便于后續(xù)氯化反應(yīng)

三、關(guān)鍵影響因素

1.?溫度對(duì)提純效果的影響

• 正向作用：提高溫度可加速反應(yīng)速率和氯化物揮發(fā)
• 負(fù)面效應(yīng)：溫度過高（>1050°C）可能導(dǎo)致產(chǎn)物分解或能耗過高
• 差異化需求：Ti等難去除雜質(zhì)需要更高溫度（>1300°C）

2.?其他關(guān)鍵參數(shù)

• 原料粒度：0.1-1mm，確保氯氣充分接觸
• 系統(tǒng)壓力：負(fù)壓體系（0.04-0.06MPa）可促進(jìn)雜質(zhì)擴(kuò)散
• 氣氛調(diào)控：靶向氯化工藝通過調(diào)節(jié)氧分壓實(shí)現(xiàn)對(duì)特定雜質(zhì)（如Li、Ca、Al）的定向去除

四、工藝流程與設(shè)備

1. 預(yù)處理：破碎→磁選→浮選→酸浸→烘干
2. 高溫氯化：在石英管回轉(zhuǎn)窯中進(jìn)行，物料與氯化劑逆流接觸
3. 尾氣處理：未反應(yīng)氯化劑通過堿液吸收塔處理
4. 冷卻收集：惰性氣體保護(hù)下快速冷卻，防止雜質(zhì)重新附著
5. 后處理：超純水沖洗去除表面殘留Cl?

五、應(yīng)用效果與局限性

• 對(duì)Na、K、Fe等堿金屬和過渡金屬去除效果顯著（可降低80-90%）
• 對(duì)Al的去除效果有限
• 總雜質(zhì)含量可從36.75×10??降至25.87×10??

• 設(shè)備要求高：需使用高純石英管作為內(nèi)襯
• 安全風(fēng)險(xiǎn)：Cl?和HCl為危險(xiǎn)化學(xué)品，需嚴(yán)格儲(chǔ)存和處理
• 成本較高：適用于高附加值半導(dǎo)體級(jí)產(chǎn)品

六、新型工藝發(fā)展

1. 靶向氯化：基于不同雜質(zhì)元素適宜的氣氛差異，定向去除特定超標(biāo)元素
2. 變壓快速氯化：動(dòng)態(tài)調(diào)控氣流速度和壓強(qiáng)，強(qiáng)化傳質(zhì)過程，提升效率
3. 微波輔助氯化：結(jié)合微波加熱實(shí)現(xiàn)更均勻的溫度場(chǎng)分布

七、重要提示

• 光伏級(jí)（Al?O?<20ppm）：1300°C氯化
• 電子級(jí)（Al?O?<10ppm）：需結(jié)合離子交換樹脂等綜合工藝