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

месями одного типа (в приемнике 1 концентрируются примеси, имеющие k <7 1; в приемнике 7 — примеси, имеющие &> 1).

Спаренные аппараты возможно объединить в каскад, как это показано на рис. 67. Каскадный аппарат, состоящий из четырех спаренных секций, изображен в плане и даны основные разрезы,

__________________________ } ___________________________

Рис. 65. Схемы вариантов метода колонной зонной перекристаллизации с применением погружаемой мешалки, электромагнитного насоса и вакуум­ ного колокола:

поясняющие его работу. Расплавленные зоны вместе с чередующи­ мися для каждой последовательной секции мешалками и электромаг­ нитными насосами передвигаются в одном направлении. Движение загрузки в каскаде происходит в направлении стрелок. Положение расплава в каждой из зон представлено на разрезах АА и ВВ. В сред­ нем сечении Б Б каждая пара спаренных секций сообщается между собой. Сечение ГГ поясняет операцию слива расплава, обогащенного

157

примесями, имеющими k <2 1. В момент подхода расплавленной зоны с погруженными в нее электромагнитным насосом и мешалкой к приемнику расплав находится на уровне 1. Уровень 2 соответст­ вует положению расплава при извлечении мешалки из зоны. По от­ ношению к уровню 1 расплав мог бы занять после слива материала из электромагнитного насоса уровень 3, что с учетом объема, осво­ бодившегося после извлечения мешалки, соответствует уровню 4. Весь избыток расплава сливается из приемника и вновь восстанавли-

А-А

©

Направление движения зон

Рис. 6 6 . Схема спаривания секций колонной зонной перекристаллизации для получения трех материалов: а, в — разрезы; 6 — схема в плане

1 — приемник для примесей с k < 1; 2, 5, 8, 11 — твердая загрузка; 3, 12 — электромагнитный насос; 4 — питатель; 6,9 — мешалки; 7 — приемник для приме­ сей, имеющих k > 1; 10 — слив очищенного материала

вается уровень 1. Таким образом, в приемник поступает разность уровней 2 и 4 или 1 и 3\ сливается разность уровней / и 4\ подпитка следующей секции происходит за счет разности уровней / и 2. Се­ чение DD поясняет, как происходит слив расплава, обогащенного примесями, у которых k <С 1. В приемник поступает разность уров­ ней 5 и 7 или 6 и 8, сливается разность уровней 5 и 8, следующая секция подпитывается разностью уровней 5 и 6. Объединенные в кас­ кад секции могут иметь различную длину, характеризующую эф­ фективность очистки на каждой предшествующей секции. Для удоб­ ства обслуживания аппарата в каскадном варианте загрузке следует придать форму разомкнутого кольца, где движение материала необ­ ходимо осуществить от периферии к центру.

Описанный принцип усложнения строения зон за счет вытесне­ ния части расплава из зоны погружением мешалки и передачи части

158

расплава в полость электромагнитного насоса или вакуумного колокола, получивший название принудительного массопереносиого метода колонной зонной перекристаллизации, был использован при создании аппарата колонной зонной очистки легкоплавких и неразлагающихся веществ и опробован при получении чистых криогидрата азотнокислого никеля и олова. Однако для глубокой очистки ме­ таллов и полупроводниковых материалов требуется применение

С2 — параметры расплава, обогащенного примесями с k > 1; m0 и С0 — исход­ ного материала; т и С — параметры очищенного материала)

более сложной аппаратуры, защищающей расплав от воздействия окружающей атмосферы и использующей высокотемпературные источники нагрева.

Ранние исследования зонной перекристаллизации позволили определить ее эффективность для получения сурьмы высокой сте­ пени чистоты и выявить присутствие в сурьме только примесей, имеющих k •< 1. Другими словами, все сопутствующие сурьме при­ меси оттесняются при кристаллизационной очистке в конечные участки загрузки. Это значительно упростило конструктивное офор­ мление оборудования колонной зонной перекристаллизации сурьмы в защитной атмосфере, для которой достаточна лишь одной раздели­ тельной секции.

159

Использованная в исследованиях установка состояла из рабо­ чей камеры, представляющей собой замкнутый объем, в котором перемещался контейнер с перекристаллизуемой загрузкой, системы электропитания и регулирования процесса, а также линии предва­ рительного разряжения, смонтированных на общем.приборном сто­ лике. Схематический разрез рабочей камеры установки, состоящей из трех колонн индивидуального назначения, соединенных между собой транспортными патрубками, показан на рис. 68.

Влевой колонне было размещено устройство для восполнения зоны исходным материалом. Твердый материал из поворачиваемого вокруг своей оси цилиндра с ячейками 1 ссыпался в дозирующий тигель 2, расположенный над конечной зоной контейнера с загруз­ кой 4, где расплавлялся при помощи нагревателя сопротивления 3. Расплавленный исходный материал сливали сквозь сетчатое днофильтр тигля и восполняли недостающий объем в контейнере.

Всредней колонне находился графитовый нагреватель сопро­ тивления 5, создававший расплавленную зону на перекристаллизуемом материале. На верхней крышке были смонтированы привод вращения и ходовой винт 7 подъема и опускания мешалки 6. Ме­ шалка вытесняла расплавленный материал первой зоны в тигель-

приемник чистого продукта 11 и перемешивала остаток расплава в зоне при перекристаллизации.

Правая колонна представляла собой вакуумный разделительный пост и сообщалась со средней и левой колоннами дополнительным трубопроводом, обеспечивающим равномерность разряжения и рас­ пределения инертного газа в рабочей камере. Последний поступал в предварительно вакуумированную камеру. В транспортных патруб­ ках были укреплены направляющие (9) для перемещения контейнера и упоры 13 и 15 возвратно-поступательного движения заслонки 14, перекрывавшей сливное отверстие в дне конечного участка кон­ тейнера. В тигель 12 сливался остаток зоны, обогащенной примесями. Перемещение контейнера осуществлялось с помощью механизма, состоявшего из ходового винта с гайкой 8, системы редукторов и электродвигателей постоянного тока. Устройство 10 использовалось для путевого контроля движения контейнера. Камера, охлажда­ емая проточной водой, укреплялась на плите, устанавливаемой на опорах в крышке приборного столика. Наблюдение за ходом про­ цесса зонной перекристаллизации, отбором очищенного и загряз­ ненного продуктов, подпиткой исходным материалом проводили через смотровые кварцевые стекла.

В качестве исходного материала использовали сурьму марок Су О, Су 00 и Су 000 — ГОСТ 1089—62 [суммарное содержание семнадцати анализируемых примесей в них составляло соответственно 0,11; 0,03 и 0,003% (по массе)]. После плавки и разливки в атмосфере технического аргона готовили исходные образцы в форме лодочки. Длина исходной загрузки составляла 500 мм, сечение 5,5 см2, масса—

1600 г.

Процесс зонной перекристаллизации проводили в статической атмосфере аргона, который подавался в предварительно вакууми-

160

со

X

Вигдорович .

Направление рабочего перемещения контейнера

Рис. 68. Схематический разрез односекционного аппарата колонной зонной перекристаллизации сурьмы и висмута

СП

рованную камеру (до разряжения 1 -10“ 3 мм рт. ст.) под давлением 2 ат. Расплавленная зона длиной 40 мм, получаемая при средней мощности нагрева 2 кВт, перемещалась со скоростями 1,5 и 3,0 мм/мин и перемешивалась графитовой мешалкой со скоростями вращения

13 и 100 об/мин.

Количество очищенной сурьмы, получаемой после каждого прохода зоны, определяется объемом мешалки, погружаемой в рас­ плавленную начальную зону заданных размеров; в численном выра­ жении объем сливаемой сурьмы меньше объема мешалки на вели­ чину мениска, возникающего вследствие незначительного краевого

162