石英砂高温氯化纯化工艺与温度控制

石英砂高温氯化纯化工艺与温度控制

一、工艺原理

• Fe₂O₃ + 6HCl → 2FeCl₃ + 3H₂O
• Al₂O₃ + 6HCl → 2AlCl₃ + 3H₂O

二、温度参数与工艺类型

1. 常规高温氯化工艺

• 温度范围：1200-1500°C（半导体级应用）
• 氯化剂：Cl₂气体（浓度10-30%，混合N₂或Ar惰性气体）
• 反应时间：1-4小时（通常2小时效果最佳）
• 适用场景：用于去除难挥发的金属氧化物（Fe、Al、Ti等），可将金属杂质降至ppm级以下

2. 优化型中温氯化工艺

• 在900-1050°C范围内，1000°C时对Na、K、Fe的去除效果最显著
• 温度升至1050°C并不能进一步提升提纯效果
• 典型参数：干燥HCl气体300g，焙烧时间2h，气体流速600mL/min

3. 新型振荡氯化工艺

• 第一阶段：673-873°C，1-3h，促使石英转变为β-石英
• 第二阶段：373-473°C，1-3h，促使β-石英转回α-石英
• 循环次数：重复3-6次，使晶格杂质向表面富集
• 后处理：120-140°C下盐酸+氢氟酸热压浸出5-10h

4. 工艺前处理温度

• 煅烧温度：1100-1300°C，2-4小时
• 目的：使杂质矿物熔融分解，石英晶体结构转化为方石英并产生微裂隙，便于后续氯化反应

三、关键影响因素

1. 温度对提纯效果的影响

• 正向作用：提高温度可加速反应速率和氯化物挥发
• 负面效应：温度过高（>1050°C）可能导致产物分解或能耗过高
• 差异化需求：Ti等难去除杂质需要更高温度（>1300°C）

2. 其他关键参数

• 原料粒度：0.1-1mm，确保氯气充分接触
• 系统压力：负压体系（0.04-0.06MPa）可促进杂质扩散
• 气氛调控：靶向氯化工艺通过调节氧分压实现对特定杂质（如Li、Ca、Al）的定向去除

四、工艺流程与设备

1. 预处理：破碎→磁选→浮选→酸浸→烘干
2. 高温氯化：在石英管回转窑中进行，物料与氯化剂逆流接触
3. 尾气处理：未反应氯化剂通过碱液吸收塔处理
4. 冷却收集：惰性气体保护下快速冷却，防止杂质重新附着
5. 后处理：超纯水冲洗去除表面残留Cl⁻

五、应用效果与局限性

• 对Na、K、Fe等碱金属和过渡金属去除效果显著（可降低80-90%）
• 对Al的去除效果有限
• 总杂质含量可从36.75×10⁻⁶降至25.87×10⁻⁶

• 设备要求高：需使用高纯石英管作为内衬
• 安全风险：Cl₂和HCl为危险化学品，需严格储存和处理
• 成本较高：适用于高附加值半导体级产品

六、新型工艺发展

1. 靶向氯化：基于不同杂质元素适宜的气氛差异，定向去除特定超标元素
2. 变压快速氯化：动态调控气流速度和压强，强化传质过程，提升效率
3. 微波辅助氯化：结合微波加热实现更均匀的温度场分布

七、重要提示

• 光伏级（Al₂O₃<20ppm）：1300°C氯化
• 电子级（Al₂O₃<10ppm）：需结合离子交换树脂等综合工艺