一种锑的制备方法及制备装置

1.本发明涉及有色金属提纯领域，更具体地讲，涉及一种锑的制备方法及制备装置。


背景技术：

2.金属锑是十大有色金属之一，在国民经济中占据重要地位。其具有替代程度低，军用需求大，与其他金属少量合金化时，会增加合金的硬度和耐磨性等特点，被广泛地运用于阻燃剂、合金、电池、半导体、医药、军火、红外探测器等领域。高纯锑及超高纯锑具有广泛的应用，特别是在半导体工业，通常用于制造复合半导体，或被用作掺杂剂。例如，利用高纯锑制备锑化铟、锑化镓、锑化铝等化合物半导体；或者作为半导体硅、锗等的掺杂剂使用。
3.近年来，我国电子信息产业取得了迅猛的发展，半导体产业也随着这波潮流飞速崛起，国内市场对高纯度和超高纯度锑的需求量大大增加。因此，亟待开发一种清洁高效生产高纯锑及超高纯锑的方法，以适应半导体工业的快速发展。
4.我国现有的锑生产主要以传统的火法工艺为主。然而，火法炼锑对环境的影响极大，且工艺流程长，能耗高，不符合绿色生产的要求。湿法炼锑主要用来处理含锑复杂多金属共生矿，不适用粗锑的精炼。目前，也有部分企业采用电解法精炼锑，但该方法存在电解液易挥发，毒性大的缺点。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的不足，本发明的目的之一在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。例如，本发明的目的之一在于提供一种工艺过程简单，能够获得高纯锑的制备方法以及制备装置。
6.本发明的一方面提供了一种锑的制备方法，可以包括以下步骤：将粗锑置于压力可以为1pa～5pa的真空环境下，从下往上，设置高温段温度可以为540℃～543℃，第一过渡段温度可以为475℃～483℃，第二过渡段温度可以为452℃～460℃，低温度温度可以为417℃～425℃进行真空蒸馏多级冷凝，得到高纯锑。
7.进一步地，真空蒸馏多级冷凝时间可以为2.0h～2.5h。
8.进一步地，高温段温度可以为542℃，第一过渡段温度可以为477℃，第二过渡段温度可以为455℃，低温段温度可以为421℃。
9.进一步地，还包括在真空蒸馏多级冷凝后将高纯锑置于惰性气氛下熔化，可以以10mm/h～20mm/h的提拉速度，1r/min～15r/min的旋转速度对熔化后的高纯锑进行提拉，得到纯度达到7n的金属锑。优选地，提拉速度可以为13mm/h～16mm/h，旋转速度可以为5r/min～9r/min。
10.进一步地，高纯锑熔化可以包括在温度为630℃～650℃，压强为95pa～105pa的惰性气氛下熔化。
11.本发明的另一方面提供了一种锑的制备装置，可以包括真空炉，所述真空炉包括炉体、冷凝盖、热电偶、冷凝盘、石墨坩埚以及保温棉，其中，石墨坩埚位于炉体内且设置在
炉体下部，石墨坩埚与炉体之间设置有保温棉，若干个冷凝盘相互交叉设置在石墨坩埚上方，冷凝盖设置在最上层冷凝盘的顶部，在石墨坩埚的外部以及相邻两冷凝盘之间设置有热电偶。
12.进一步地，可以包括6个及以上的冷凝盘。
13.与现有技术相比，本发明的有益效果至少包含以下中的至少一项：
14.(1)本发明真空蒸馏分级冷凝设计为四段，且可实现精准控温，能够制得高纯锑；
15.(2)本发明的方法过程流程短，无三废排放，节约能源，减低排放，环境友好；
16.(3)本发明采用多级冷凝的形式，各冷凝盘采用交叉放置，减少了冷凝回流，产品的纯度得到了质的提高，且可以灵活设计冷凝方式，对原料成分要求低，普适性高；
17.(4)本发明方法及装置的真空蒸馏分级冷凝仅需2h～2.5h的保温时间即可得到高纯产品，生产时间短。
附图说明
18.通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：
19.图1示出了本发明锑的制备装置的示意图。
20.附图标记说明：
21.1-炉体、2-冷凝盖、3-热电偶、4-冷凝盘、5-石墨坩埚、6-保温棉、a-高温段、b-第一过渡段、c-第二过渡段、d-低温段。
具体实施方式
22.在下文中，将结合附图和示例性实施例详细地描述根据本发明的一种锑的制备方法及制备装置。
23.具体来讲，目前现有技术真空蒸馏制备锑的方法中，制备的产品锑纯度在4n及以下，产品纯度较低，未达到国标高纯锑纯度的要求。而本发明提供了一种高纯锑的制备方法，通过真空蒸馏多级冷凝可以使锑的纯度达到5n以上，联合单晶提拉，能够使锑的纯度达到7n。并且，设置的各个加热段的最高温与最低温差异较小，能够做到精准控温。在一些实施方案中，本发明的一种锑的制备方法可以包括以下步骤：
24.将粗锑置于压力为1pa～5pa的真空环境下，从下往上，设置高温段温度可以为540℃～543℃，第一过渡段温度可以为475℃～483℃，第二过渡段温度可以为452℃～460℃，低温段温度可以为417℃～425℃进行多级蒸馏冷凝，得到高纯锑。粗锑在上述压力下，并在位于底层的高温段进行蒸馏挥发，依次通过第一过渡段、第二过渡段以及低温段的冷凝，在第一过渡段和第二过渡段得到纯度达到5n以上的高纯锑。例如，真空压力可以为1.5pa～4.55pa、2pa～3pa、2.5pa～4pa或者以上范围的组合。高温段温度可以为541℃～542℃、540.5℃～541.5℃或以上范围的组合。第一过渡段温度可以为476℃～482℃、477℃～481℃、478℃～480℃或以上范围的组合。第二过渡段温度可以为453℃～459℃、454℃～458℃、455℃～457℃、456℃～457.5℃或以上范围的组合。低温段温度可以为418℃～424℃、419℃～423℃、420℃～422℃、418.5℃～421℃或以上范围的组合。
25.在一些实施方案中，粗锑在高温段、第一过渡段、第二过渡段以及低温段的蒸馏分
级冷凝的时间可以是2.0h～2.5h。在上述设置的高温段、第一过渡段、第二过渡段以及低温段的温度范围下，可以快速地对粗锑进行提纯以得到高纯锑，相比于现有技术，提纯时间明显缩短。例如，蒸馏分级冷凝的时间可以是2.2h～2.4h、2.05h～2.3h、2.1h～2.2h或以上范围的组合。
26.在一些实施方案中，优选地，高温段温度可以为542℃，第一过渡段温度可以为477℃，第二过渡段温度可以为455℃，低温段温度可以为421℃，在上述设置的各段温度下，可以实现在2h的蒸馏分级冷凝时间下使锑的纯度达到5n及以上。
27.在一些实施方案中，所述制备方法还包括在真空蒸馏多级冷凝后将高纯锑置于惰性气氛下熔化，以10mm/h～20mm/h的提拉速度，1r/min～15r/min的旋转速度对熔化后的高纯锑进行提拉，得到纯度达到7n的金属锑。具体地，由于锑与铅、铋、镉、砷的物化性质相近，其饱和蒸气压及其接近锑，单纯的真空蒸馏技术难以深度脱除其中的铅、铋、镉、砷，而通过本发明的蒸馏多级冷凝工艺联合上述设定的单晶提拉进行后端处理，可以深度去除难以除去的铅、铋、镉、砷等杂质，通过辉光放电质谱法(gd-ms)测量，可以得到7n超高纯锑产品。例如，将得到的高纯锑放入坩埚中，设定熔化温度为630℃～650℃，往设备中充入惰性气体(例如氩气)进行洗气并保持炉内压强为95pa～105pa(例如100pa)，物料融化后将籽晶以10-20mm/h的提拉速度，1-15r/min的旋转速度对物料进行提拉，经过拉制1次后杂质元素cd、as、bi、pb等真空蒸馏难以脱除的杂质含量达7n国家标准。提拉速度可以为12mm/h～19mm/h、13mm/h～17mm/h、14mm/h～16mm/h、11mm/h～15mm/h或以上范围的组合。旋转速度可以为2r/min～13r/min、4r/min～11r/min、5r/min～10r/min、7r/min～9r/min、3r/min～8r/min或以上范围的组合。优选地，提拉速度可以为13mm/h～16mm/h，旋转速度可以为5r/min～9r/min。更优选地，提拉速度可以为14mm/h，旋转速度可以为7r/min。
28.本发明的另一方面提供了一种可以应用于上述锑制备方法的制备装置。在一些实施方案中，制备装置包括真空炉，如图1所示，所述真空炉包括炉体1、冷凝盖2、热电偶3、冷凝盘4、石墨坩埚5以及保温棉6，对应的加热区域为高温段a、第一过渡段b、第二过渡段c以及低温段d。
29.其中，石墨坩埚5位于炉体1内且设置在炉体1的下部。石墨坩埚5与炉体1之间设置有保温棉6。若干个冷凝盘4在垂直与炉体1径向方向上相互交叉设置在石墨坩埚5上方。冷凝盖2设置在最上层冷凝盘4的上部。在石墨坩埚5的外部以及相邻两冷凝盘4之间均设置有热电偶3。当然，为了温度的测量准确，热电偶可以进行多个设置，布置的位置可以根据实际需要进行设置。
30.以上，石墨坩埚大小可由炉腔大小进行适配调整，石墨坩埚置于底层，上面放置冷凝盘，冷凝盘的设计为交叉放置，层数及高度都可自行设计。将原料放入石墨坩埚中，将冷凝盘放置在石墨坩埚上方，原料发生物理反应，气化相分别交叉向上会挥发，进入各冷凝盘中，完成后进行收集。本发明的装置通过采用多段加热的方式，灵活升温，并且实时监控温度，对蒸馏的温度场进行了精准的控制，避免了过高、过低温度及过长、过短的保温时间对产品纯度造成的影响；采用多级冷凝的形式，各冷凝盘采用交叉放置，减少了冷凝回流，产品的纯度得到了质的提高，且可以灵活设计冷凝方式，对原料成分要求更低，普适性更高；装置设计自由，大小及高度可控，可根据实际条件进行调节，节能、简便。
31.在一些实施方案中，粗锑为含有金属锑以及其他杂质元素的粗锑。例如，可以为纯
度99wt％的粗锑。当然，应当理解的是本发明的粗锑也可以是纯度在99wt％以上或以下的粗锑。
32.在一些实施方案中，冷凝盘的个数可以是6个及以上。例如，可以设置为7个、8个或9个以上。
33.具体地，首先，称取一定质量的原料粗锑，例如，粗锑为锑含量为99wt.％的粗锑，将其放入真空蒸馏炉中的高纯石墨坩埚中，并加盖冷凝盖。待原料放好后，关闭炉门。检查装置的气密性，打开循环水和真空泵，将真空度抽至1～5pa，启动加热程序，并设置保温时间，待保温时间过了，真空蒸馏炉降至室温，开盖取料。本发明所包含的温度区间为四段，通过对各温度段的精准控温，获得分离提纯粗锑的最佳条件，获得高纯锑产品。其中，低温段的温度保持在417-425℃，第二过渡段温度保持在452-460℃，第一过渡段温度保持在475-483℃，高温段的温度保持在540-543℃，整个加热过程保持2-2.5h的保温时间就可有效分离杂质。通过对控制系统的调节，使粗锑在设定温度、压力及保温时间条件下发生物理反应。真空炉内可以设置六层或以上的高纯石墨冷凝盘，由于各种金属杂质的饱和蒸气压不同，在不同的冷凝盘上可以得到纯度不同的锑产品，在中间最佳温度条件下的某层冷凝盘中，可以获得大量的高纯锑产品，其产率可达到90％。当真空炉设置为六层高纯石墨冷凝盘时，如图1所示，其获得高纯锑存在于从上往下所设置的第4个及第5个高纯石墨冷凝盘中。由于锑与铅、铋、镉、砷的物化性质相近，其饱和蒸气压及其接近锑，仅靠单纯的真空蒸馏技术难以深度脱除其中的铅、铋、镉、砷，而将此工艺所获得的产品进一步联合单晶提拉进行后端处理，可以深度去除难以除去的几种杂质，得到7n超高纯锑产品。
34.为了更好地理解本发明，下面结合具体示例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的示例。
35.在压强为5pa的真空蒸馏炉内对粗锑进行真空蒸馏多级冷凝提纯，其粗锑的化学成分含量如表1所示。
36.表1粗锑化学成分含量
[0037][0038]
对表1中的粗锑进行提纯。其中，#1的四段真空蒸馏分级冷凝加热温度分别为低温段437-440℃，第二过渡段462-467℃，第一过渡段487-492℃，高温段560-563℃”；#2的四段真空蒸馏分级冷凝加热温度分别为低温段395-398℃，第二过渡段416-421℃，第一过渡段436-442℃，高温段500-503℃；#3四段真空蒸馏分级冷凝加热温度分别为低温段378-384℃，第二过渡段400-404℃，第一过渡段413-418℃，高温段480-483℃。#4的四段真空蒸馏分级冷凝加热温度分别为低温段417-425℃，第二过渡段452-460℃，第一过渡段475-483℃，高温段540-543℃。所有提纯后的锑均采用gd-ms进行检测，所得结果如表2所示。
[0039]
表2提纯后锑的成分含量
[0040][0041]
从表2可以看出，#4是在本发明设定的各段温度范围下进行的真空蒸馏分级冷凝，能够使提纯后的锑纯度达到5n。
[0042]
综上所述，本发明工艺流程简单，操作简便。在真空环境下进行，大大的降低了反应所需的温度，且加快了反应的速度，实现了节能的目标。并且，本发明不需要添加酸、碱、助溶剂等试剂，且反应环境密闭，反应过程中不产生烟气等有毒有害气体。温度可控，具有四个温度区间，各温度区间的温差较小，可获得准确的生产条件。采用多级冷凝的形式，内置6层冷凝盘，各冷凝盘采用交叉放置，减少冷凝回流，提高产品的纯度，且可以灵活设计冷凝方式，对原料成分要求更低，普适性更高。通过真空蒸馏分级冷凝-单晶提拉联合，可以高效地获得7n高纯锑产品。
[0043]
尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可对本发明的示例性实施例进行各种修改和改变。

技术特征：
1.一种锑的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将粗锑置于压力为1pa～5pa的真空环境下，从下往上，设置高温段温度为540℃～543℃，第一过渡段温度为475℃～483℃，第二过渡段温度为452℃～460℃，低温段温度为417℃～425℃进行真空蒸馏多级冷凝，得到高纯锑。2.根据权利要求1所述的锑的制备方法，其特征在于，真空蒸馏多级冷凝时间为2.0h～2.5h。3.根据权利要求1或2所述的锑的制备方法，其特征在于，高温段温度为542℃，第一过渡段温度为477℃，第二过渡段温度为455℃，低温段温度为421℃。4.根据权利要求1或2所述的锑的制备方法，其特征在于，还包括在真空蒸馏多级冷凝后将高纯锑置于惰性气氛下熔化，以10mm/h～20mm/h的提拉速度，1r/min～15r/min的旋转速度对熔化后的高纯锑进行提拉，得到纯度达到7n的金属锑。5.根据权利要求4所述的锑的制备方法，其特征在于，提拉速度为13mm/h～16mm/h，旋转速度为5r/min～9r/min。6.根据权利要求4所述的锑的制备方法，其特征在于，高纯锑熔化包括在温度为630℃～650℃，压强为95pa～105pa的惰性气氛下熔化。7.一种应用于权利要求1至6任意一项所述的锑的制备方法的锑的制备装置，其特征在于，包括真空炉，所述真空炉包括炉体、冷凝盖、热电偶、冷凝盘、石墨坩埚以及保温棉，其中，石墨坩埚位于炉体内且设置在炉体下部，石墨坩埚与炉体之间设置有保温棉，若干个冷凝盘相互交叉设置在石墨坩埚上方，冷凝盖设置在最上层冷凝盘的顶部，在石墨坩埚的外部以及相邻两冷凝盘之间设置有热电偶。8.根据权利要求7所述的锑的制备装置，其特征在于，冷凝盘为6个以上。

技术总结
本发明提供了一种锑的制备方法及制备装置。锑的制备方法包括：将粗锑置于压力为1Pa～5Pa的真空环境下，从下往上，设置高温段温度为540℃～543℃，第一过渡段温度为475℃～483℃，第二过渡段温度为452℃～460℃，低温段温度为417℃～425℃进行真空蒸馏多级冷凝，得到高纯锑。装置包括真空炉，真空炉包括炉体、冷凝盖、热电偶、冷凝盘、石墨坩埚以及保温棉，其中，石墨坩埚设置在炉体下部，石墨坩埚与炉体之间设置有保温棉，冷凝盖设置在炉体上部，若干个冷凝盘相互交叉设置在石墨坩埚上方，在石墨坩埚的外部以及相邻两冷凝盘之间设置有热电偶。本发明真空蒸馏分级冷凝设计为四段，能够制得纯度为5N的锑。纯度为5N的锑。纯度为5N的锑。


技术研发人员：孔令鑫 王亚楠 陈亮亮 杨斌 徐宝强 徐俊杰 蒋文龙 杨志成
受保护的技术使用者：昆明理工大学
技术研发日：2023.07.18
技术公布日：2023/10/15