区域熔炼制备高纯金属的理论及过程分析
高纯金属冶炼与纯化技术
资源循环利用
高纯金属冶炼与纯化过程中会产生大 量的废料，如何将这些废料进行循环 利用，降低资源浪费，是实现可持续 发展的重要手段。
新材料与新技术的研发
要点一
新材料的应用
随着科技的发展，新材料的应用越来越广泛，如何将新材 料应用于高纯金属冶炼与纯化技术中，提高金属的纯度和 性能，是当前研发的重点之一。
太阳能电池
高纯金属在太阳能电池中用于制造电极、导电线路等 ，提高太阳能电池的光电转换效率和稳定性。
04 高纯金属冶炼与 纯化的挑战与展 望
技术挑战
高纯度金属杂质控制
高纯金属中杂质元素的含量要求非常严格，如何有效控制杂质元 素的含量是技术挑战之一。
高温熔融态金属的纯化
高温熔融态金属的纯化技术难度较大，需要克服高温、高压等极端 条件下的纯化难题。
电子束熔炼适用于生产高纯度金属和超合金等，广泛应用于航空、航天和核工业等领域。
等离子熔炼
等离子熔炼是一种利用高温等离子体 将金属熔化的冶炼技术。该技术能够 实现高真空和高纯净度的熔炼，同时 具有较高的生产效率和较低的生产成 本。
VS
等离子熔炼适用于生产高纯度金属、 超合金和复合材料等，广泛应用于航 空、航天、能源和化工等领域。
02
常见的化学提纯方法包括溶剂萃取、离子交换、化学
沉淀等。
03
化学提纯具有较高的选择性，适用于特定杂质去除，
但需要使用化学试剂，可能对环境造成一定影响。
物理吸附法
01
物理吸附法是一种利用吸附剂 的物理吸附作用去除金属中的 杂质的方法。
02
常见的物理吸附剂包括活性炭 、分子筛、硅胶等。
03
物理吸附法具有操作简单、环 保无污染等优点，但吸附剂的 吸附容量有限，需要定期更换 或再生。
熔金炼金方法
熔金炼金方法1. 熔金炼金是一种将金属原料通过高温熔化，然后通过不同的物理和化学过程提取纯金的方法。
详细描述：熔金炼金的第一步是将金属原料（如含有金的矿石、废旧金属等）放入特制的熔炉中。
熔炉一般使用高温的火焰或电磁能来提供热能，将金属原料加热至足够高的温度以使其熔化。
2. 在熔融状态下，不同的金属元素会按照其熔点的不同分层。
详细描述：由于不同的金属元素具有不同的熔点，当金属原料熔化后，它们会以层状结构存在于熔窖中。
这种分层现象对于进一步提炼纯金非常重要，因为只有将熔窖中的纯金层取出，才能获得纯度较高的金。
3. 分离纯金层的常用方法之一是利用密度差异进行重力分层。
详细描述：由于不同的金属元素具有不同的密度，因此在熔融状态下可以利用密度差异使金属元素分层。
通过控制熔化温度和材料比例，可以使纯金层位于熔化物料的上层或下层，从而便于分离。
4. 电解是熔金炼金中常用的一种分离纯金的方法。
详细描述：通过电解，可以将金属原料中的纯金从其他金属中分离出来。
在电解过程中，将金属原料置于电解槽中，并通过电流通过原料使其分解。
纯金会在电极上析出，从而实现分离纯金的目的。
5. 化学溶解法也是熔金炼金中用于分离纯金的方法之一。
详细描述：化学溶解法利用金属元素之间的化学反应性差异来将纯金与其他金属分离。
通过选择适当的溶液和反应条件，可以使金属原料中的纯金溶解或沉淀，从而将其分离。
6. 熔金炼金中的渣料是指在提取纯金过程中剩余的非金属物质。
详细描述：在熔金炼金过程中，不可避免地会产生一些非金属的副产品，这些副产品被称为渣料。
渣料中可能含有其他金属、矿石残渣或杂质等。
对于高质量的熔金炼金，渣料的处理和处理非常关键。
7. 渣料处理通常包括过滤、沉淀和冶炼等步骤。
详细描述：为了获得更高纯度的金属产品，需要对渣料进行专门的处理。
常见的处理方法包括通过过滤将非金属固体颗粒分离出来，通过化学反应使有价值的金属元素沉淀或通过冶炼等方法将有用的金属元素提取出来。
半导体材料第3讲-区熔提纯
利用边界条件：在X=0处，流向界面的杂质密度为 fCL，等于离开界面的杂质流密度，如图2-3所示：
即有：
将（2-9）代入（2-7）式中得：
则（2-7）式变为：
积分后得
利用x 0, C CL 代入（2-12）式中得到C' Cs , 则
根据Keff的定义可得出：
K eff
Cs Cs f / D CL 0 (CL Cs )e Cs
水热法。单晶体在高温高压条件下从溶液中生 长，所使用的容器是高压釜。通常把原料放在 温度比较高的底部，籽晶放在温度较低的上部， 容器内充满溶剂。在高压釜底部的高温部分， 原料溶解在溶剂中，由于温差对流，溶解的原 料被溶液带到釜上部，在籽晶附近达到过饱和 状态，并在籽晶上结晶。溶液的循环，使底部 的原料不断溶解；而上面的籽晶不断生长。目 前水热法主要用于生长水晶以及其它氧化物单 晶。 此外，还有外延生长法和升华法。
CS C0 [1 (1 K )e
Kx l
]
C0原始杂质浓度，锭条为单位面积，溶区长 度为l
一次区熔提纯后，杂质沿晶体锭长的分布图
分子分母同除以CL，得出BSP公式：
K eff
K0 f / D (1 K 0 )e K0
当f>>D/δ, e-f/(d/δ)→
→ e 0，则有：
K e ff
K0 k0 1 (1 k0 ) 0 K 0 k0
从上式中可以看出，如果固液界面移动速度很快，则f值很大，
第二章 区熔提纯(zone-refine)
区熔提纯是1952年美国科学家蒲凡 提出的一种物理方法，用于制备超 纯的半导体材料，高纯金属。
区熔提纯稀土金属的理论计算与分析
１ 计 算 原 理
１ １ 理论 模 型 ． 设 样 品初 始 浓 度 为 Ｃ。 区熔 速 度 为 ， ， 有效 分 离 系数 为 ｋ 样 品 长度 为 Ｌ， 区 长度 为 ， ． 熔 ｚ是计 算 点距 起 始 点 的 距 离 ， 了计算 方便 还 采用 下列 无量 纲量 ： 为
元 的 个 数． ： 则
Ｃ 一 Ｃ （ 一 １一 Ｚ －ｄｒ Ｘ ４ ）
杂质 在 样 品凝 固时浓 度分 布 的变化 ， 由图 ２得 ：
（ — ｄ ｄ Ｚ ｘ） Ｃ￡一
—
・ ｓ ｄｃ
Ｃ 一 ０（一 打
￣
． ．
ｉ ｔ Ｃ２一
（ —ｃ Ｑ
ｃ ） ｃ 一 ４ 皇 ［ ２ ）一 ｃ 一 － ｃ五
在计 算 最后 一个 熔 区的杂 质浓 度 的时候 ， 由于发生 正常 凝 固 ， 们须如 下考 虑 ： 我
ｌ ＜Ｘ＜１ —Ｚ
＝雩∑ｃ 砧
（ ５ ）
ｃ 是 第 次 通过 样 品最 后 一个 熔 区 处 于熔 融 状 态 时 的杂质 的浓 度 ， 是 最后 一 个熔 区 中包含 的体 积 ｓ Ｉｌ Ｍ 。ｕ。
ｃ ｎ 其 中 Ｃ 是 固态 材料 中的杂质 的浓度． ，
／ 一 （ 一 ） ｘ 一 １ １ ｅ ｐ［
］ ）
（ ） ２
・
收稿 日期 ：０ １０ －８ ２ ０ １Ｏ 基 金 项 目 ： 家 自然 科 学 基 金 资助 项 目（ 准 号 ５８ ４０ ） 国 批 ９ ６ ０ ２ 作者简介 ： 粱雅琼 （９ ８－ ， ， １ ７ ＂ ） 女 内蒙古包 头人， ； 内蒙古大学物理学系 ２ ０ 级 硕士 研究生 ００
区熔提纯稀土金属 的理论 计算与分 析
超高纯铟制备的研究
4期超高纯铟制备的研究李公权（广西铟泰科技有限公司，广西柳州545000）摘要：以99.999%的高纯铟为原料，采用区域熔炼法进一步提纯，研究提纯过程中熔区宽度、区熔速度及区熔次数等重要工艺参数变化对提纯效果的影响，结论表明通过控制适当的熔区宽度、区熔速度及区熔次数可以将99.999%的高纯铟进一步提纯至99.9999%以上，甚至99.99999%。
关键词：高纯铟；提纯；区域熔炼冶金与材料Metallurgy and materials第40卷第4期2020年8月Vol.40 No.4August 2020作者简介：李公权（1975-），男，四川成都人，主要研究方向：4N 及以上高纯稀有金属非金属功能材料提纯及相关化合物制备。
金属铟位于元素周期表第5周期第ⅢA 族，原子序数49，相对原子量114.82，熔点156.61℃，沸点2080℃，是一种柔软的银白色金属。
具有强金属光泽、延展性好、可塑性强、低熔点高沸点、光渗透性和导电性好、抗腐蚀等优良的物理化学性能，被广泛应用于太阳能光伏、平面液晶显示、国防军事、核工业、航天航空、现代电子信息产业、光电通讯产业等高精尖科技领域。
材料纯度直接影响材料的物理化学性能，纯度的提高，有利于进一步提高或增强其物理化学性能，随着新能源、光电产业、航空航天、国防军事等领域高新技术的蓬勃发展，对铟材料的纯度要求将会越来越高。
高纯铟的制备方法主要有电解精炼法、真空挥发熔炼法、区域熔炼法、拉制单晶法、定向结晶法等，每种方法各有优缺点，目前国内外主要采用多种方法联合的生产工艺。
文章主要讨论区域熔炼法提纯高纯铟，研究区熔过程中熔区宽度、区熔速度及区熔次数等工艺参数变化对铟提纯效果的影响，通过适当参数控制，将99.999%的金属铟提纯至纯度为99.9999%以上甚至99.99999%。
1实验（1）实验原理：当含有杂质的晶体熔化后再凝固结晶时，杂质在固相和液相中的浓度存在差异，这种现象叫分凝现象，也叫杂质偏析。
水平区熔提纯
水平区熔提纯水平区熔提纯的过程通常包括以下几个步骤：首先是选择合适的熔点和热稳定性的原料，通常是在化学性质相似的原料中选择纯度较高的一种作为熔融的基质；然后是将原料加热到熔点以上，使其融化并与杂质分离；接着进行结晶、凝固过程，将纯净的物质重新凝固，从而获得纯度更高的产品。
水平区熔提纯的过程需要严格控制温度、压力、速度等因素，以确保产品的纯度和质量。
在现代工业生产中，通常采用先进的设备和技术，如电熔、气体熔化等方法，以提高水平区熔提纯的效率和效果。
水平区熔提纯在不同领域有着不同的应用。
在金属材料的生产中，水平区熔提纯被广泛应用于提高金属的纯度和强度，比如高纯度的硅、铝等材料，用于半导体和光电子器件的制造。
在化工原料的生产中，水平区熔提纯可用于提高化工原料的纯度和稳定性，以满足不同行业的需求。
除了在工业生产中的应用，水平区熔提纯还被广泛应用于科研领域和实验室中。
科研人员常常利用水平区熔提纯的方法，提取出特定元素的高纯度样品，以用于实验和研究。
在材料学和化学领域，水平区熔提纯也是一种重要的手段，用于研究物质的性质和应用。
水平区熔提纯在工业生产和科研领域都具有重要的意义，它可以大大提高材料的纯度和质量，满足不同行业的需求。
随着技术的不断发展，水平区熔提纯的方法和设备也在不断进步和改进，以满足不同领域的需求。
总之，水平区熔提纯作为一种重要的材料处理方法，对提高材料的纯度和质量具有重要的意义。
在不同领域的应用中，它都发挥着重要作用，为工业生产和科研实验提供了重要的支持。
随着技术的不断发展，水平区熔提纯的方法和设备将会更加先进和高效，为人类创造出更多的价值。
金属冶炼熔炼技术
XX金属的电弧熔炼工艺流程及特点
冷却凝固
将液态金属冷却凝固成固态。
精炼处理
对金属进行进一步的精炼和提纯。
XX金属的电弧熔炼工艺流程及特点
处理量大
电弧熔炼具有较高的熔化速率，适合 大规模生产。
适用范围广
可用于熔炼各种金属和合金。
XX金属的电弧熔炼工艺流程及特点
成本较低
电弧熔炼技术成熟，设备维护成本较低。
高效率低成本冶炼技术的发展
高效冶炼工艺
发展新型的冶炼工艺，提高金属的提取率和 生产效率，降低能耗和生产成本，如熔融还 原法、直接还原法等。
资源循环利用
通过金属资源的循环利用，降低对原生资源 的依赖，减少环境污染，提高经济效益。
智能化与自动化技术在金属冶炼熔炼中的应用
智能化控制
利用先进的传感器、控制器和人工智能技术，实现金属 冶炼熔炼过程的智能化控制，提高生产效率和产品质量 。
水体污染
金属冶炼过程中产生的废水含有重金 属离子、酸碱物质和油类等污染物， 未经处理直接排放会对水体造成严重 污染。
节能减排与资源循环利用
01
02
03
余热回收
利用冶炼过程中的余热进 行发电或供热，提高能源 利用效率，减少能源浪费 。
资源循环利用
对冶炼过程中产生的废渣 、废气、废水等进行回收 和再利用，减少资源浪费 和环境污染。
XX金属的感应熔炼工艺流程及特点
高效节能
感应熔炼具有较高的能源利用率，能够降低生产成本。
环保性高
感应熔炼过程中产生的烟尘和废气较少，有利于环境保护。
XX金属的感应熔炼工艺流程及特点
适用于特定金属
对于某些具有特殊物理性质的金属， 感应熔炼能够更好地保护其特性。
高纯度金属制备技术
比较
各种制备技术各有优缺点，适用范围也不同。例如， 化学提纯法适用于制备纯度要求不高的金属，但制备 周期较长；电解法可以快速制备高纯度金属，但能耗 较大；区熔法适用于制备高纯度单晶材料，但设备成 本较高；真空蒸馏法可以去除金属中的气体和挥发性 杂质，但设备成本和维护成本较高。因此，在实际应 用中需要根据具体需求选择合适的制备技术。
高纯度金属制备成本的控制
高纯度金属制备需要采用昂贵的设备和工艺，导致制备成本较高，如何降低成本是亟待解 决的问题。
发展趋势与展望
高效提纯技术的研发
随着科学技术的不断发展，高纯度金属制备技术也在不断进步， 未来将会有更加高效、环保的提纯技术出现。
智能化制备工艺的应用
随着人工智能和自动化技术的发展，未来高纯度金属制备工艺将更 加智能化，实现高效、精准的控制。
缺点
物理提纯法的提纯效果受到金属的性质和杂质含量的影响，对于某些特殊杂质可能需要 采用多种方法联合提纯才能达到理想效果。此外，物理提纯法的设备成本较高，且提纯
周期较长，可能会影响金属的生产效率。
03
高纯度金属的化学提纯法
化学气相沉积法
总结词
通过化学反应将金属元素从气态转化为 固态，实现高纯度金属的制备。
缺点
化学提纯法需要严格控制反应条件， 对设备要求较高，且可能产生环境污 染。
04
高纯度金属制备技术的应 用领域
电子工业领域
电子工业领域对高纯度金属的需求量 极大，如集成电路中的铜、铝等金属 材料，需要高纯度以保证电路性能和 稳定性。
高纯度金属在电子工业中还广泛应用 于制造高精度电子元件、薄膜材料、 太阳能电池等，以满足电子产品的微 型化、高性能化需求。
高纯度金属制备成本降低的研究