Файл: Вигдорович, В. Н. Совершенствование зонной перекристаллизации.pdf

(паровую) фазу, которая применяется при выращивании кристаллов

(рис. 34, позиции V—XIV), легко осуществить многократное повто­ рение перекристаллизации. Среди подобных методов можно указать

Для каждого из перечисленных элементарных кристаллизацион­ ных методов справедливо дифференциальное уравнение

Таблица 6

ХАРАКТЕРИСТИКА НЕКОТОРЫХ МЕТОДОВ ПРОДВИЖЕНИЯ ЗАГРУЗКИ В АППАРАТАХ ДЛЯ КОЛОННОЙ ЗОННОЙ

100

описывающее распределение примесей после однократной перекри­ сталлизации загрузки. Уравнение (IV. 1) было получено В. Н. Вигдоровичем и А. Е. Вольпяном [26] в пфанновских допущениях, но без предположения о постоянстве сечения загрузки. Следовательно, было принято произвольное изменение площади поверхности фронта кристаллизации, где происходит разделение компонентов (при раз­ делении) или оттеснение примесей (при очистке) и фронта плавления, где происходит подпитка. Уравнению (IV. 1) соответствует граничное условие

позволяет получить решения для всех рассмотренных элементарных

ления.

В табл. 6 указаны условия, соответствующие применению урав­ нений (IV. 1)—(IV.3), для получения уравнений распределения при­ месей при указанных элементарных кристаллизационных методах.

КАСКАДНЫЕ (МНОГОСТАДИЙНЫЕ) КРИСТАЛЛИЗАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ

Понятие «кристаллизационная ячейка» в определенной степени облегчает понимание и формулировку основных особенностей более сложных кристаллизационных методов. Условимся называть кри­ сталлизационной ячейкой расплав с находящимися в контакте с ним поверхностями кристаллизации и подпитки. Кристаллизационная ячейка может не иметь фронта плавления, например при вытягивании кристаллов из расплава, нормальной направленной кристаллизации и т. п. Тогда в начале процесса кристаллизационная ячейка иден­ тична исходной загрузке. Если кристаллизационная ячейка меньше загрузки, то она имеет все основные элементы (расплавленную зону, фронт кристаллизации и фронт подпитки), и тем самым облегчается многократное повторение процесса.

Многократные элементарные кристаллизационные методы были рассмотрены вместе с однократными элементарными методами, по­ скольку они не отличаются аппаратными особенностями. Это связано с тем, что кристаллизационное разделение или очистка на всех ста­ диях производятся без перезагрузки материала. Однако разделе­ нию или очистке на каждой стадии подвергается материал иной кон­ центрации по сравнению с предыдущей стадией, что в определенной степени эквивалентно перезагрузке.

101

Оценивая многократную зонную перекристаллизацию как много­ стадийный процесс, Пфанн предложил характеризовать получаю­ щееся предельное распределение с помощью понятия «теоретической ступени», принятого в общей теории разделения и очистки. При этом была усмотрена аналогия с ректификационными колоннами, рабо­ тающими в безотборном режиме.

Известны кристаллизационные методы очистки, в которых много­ кратное повторение процесса зонной перекристаллизации сопро­ вождается выгрузкой части материала, содержащей примеси.

Удаление загрязненной примесями части слитка после достиже­ ния предельного' распределения не дает дополнительного эффекта очистки, если при этом не восстанавливать длину загрузки. Расчет показывает (см. [22]), что укорочение загрузки до 50% ее длины при k — 0,88 и до 80% при k — 0,58 с последующим удлинением загрузки до ее первоначальной длины дает эффект очистки, который может быть получен без удаления загрязненной части загрузки, если взять исходную загрузку на 20 и 50% длиннее соответственно.

Загрязненный конец загрузки может удаляться и до достижения предельного распределения. Для этой цели можно использовать массоперенос, как это сделали Джонсон и Циммерман [91 ] примени­ тельно к очистке германия и соединений типа А ш BIV. Лодочка, в которую помещали загрузку, имела специальный приемник. В него после десяти — пятнадцати проходов вследствие массопереноса посту­ пало около 10% исходного материала. Оставшаяся в лодочке часть загрузки на участке 80—85% от начала по своей чистоте эквива­ лентна материалу, подвергнутому тридцати — сорока зонным про­ ходам.

Поводом относить описанный метод зонной перекристаллизации к каскадным является уменьшение среднего содержания примеси в загрузке после выгрузки загрязненной примесями конечной части.

Теория построения каскадов для использования кристаллизации из растворов разработана достаточно хорошо [92, 93]. Опыт при­ менения каскадов с кристаллизацией из расплава значительно меньше.

Б. Н. Александров с сотрудниками [94] осуществлял многократ­ ную дробную зонную перекристаллизацию олова (по схеме, пред­ ставленной на рис. 35, а). В качестве исходного материала исполь­ зовали олово марки 02, которое имело отношение электросопротив­ лений при 4,2 и 298 К равным 9,0• 10_ 3. Загрузку после зонной перекристаллизации разрезали пополам, начальные и конечные половинки складывали в отдельные тигли и сплавляли, после чего получали новые загрузки. Их снова подвергали зонной перекристал­ лизации, после чего вновь разрезали пополам и т. д. В исходном олове присутствуют примеси, имеющие k « 1 и k > 1, поэтому наиболее чистое олово (наибольшей чистоте соответствует наименьшее отно­ шение электросопротивлений) получается в центральных фракциях каскада.

Монтариоль проводил многократную дробную зонную перекри­ сталлизацию алюминия по схеме, представленной на рис. 35, б.

102