楊述燕

（甘肅能源化工職業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730207）

首先要明確的是，高純鋅作為一種高純度的材料，是制造現(xiàn)代化技術(shù)不可或缺的一種原料。且伴隨著科技的進(jìn)步以及各行各業(yè)的發(fā)展，對于金屬的耐腐蝕性、導(dǎo)電性以及延展性等有了更高層次的需求，直白來說既是對金屬的純度提出了更高的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。高純鋅作為一種重要的金屬材料，其應(yīng)用是十分廣泛的，其中純度為5N-6N的高純鋅廣泛地應(yīng)用于半導(dǎo)體的制造、還原劑的制造以及各種精密器件的鑄造。7N純度的超高純鋅則用于紙杯II-VI族元素及其化合物中，其是電子、光電子的重要基礎(chǔ)原料。例如氧化鋅是直接躍遷半導(dǎo)體，由于其結(jié)合能很高，該種材料已成為光電子及光子裝置的理想材料；硒化鋅化合物可作為優(yōu)良的熒光材料研究對象；硫化鋅和硒化鋅可用來制作光學(xué)器件的零部件?？梢钥吹降氖?，高純鋅的國際市場需求量在不斷的增大[1]。常見的三種提純方式為電解法、真空蒸餾法與區(qū)域熔煉法，其中通過電解法獲取高純鋅的技術(shù)雖然有所改善，但是由于其陰極部分總是會出現(xiàn)雜質(zhì)物，且消耗的能量非常大，造作成本也十分的高；而區(qū)域熔煉法為了獲得一個(gè)合適的短熔區(qū)間，由于金屬鋅的熔點(diǎn)較其他的金屬元素來說較低，因此為了保持一個(gè)較低的溫度，需付出較高的費(fèi)用，且若想用該種方法來制備高純鋅，其對原材料的純度要求是十分的高的，其通過熔煉來獲得高純鋅的時(shí)間消耗也是非常久，所以其制備高純鋅仍具有一定的局限性，僅限于當(dāng)鋅的原材料本身就具有十分高的純度時(shí)，才會考慮使用該種方法；真空蒸餾法具有非常高效的提純功能，但是現(xiàn)有的技術(shù)條件，不能保證其工作的持續(xù)性與連續(xù)性，其舊有的傳統(tǒng)手段導(dǎo)致了其生產(chǎn)中的時(shí)效率與間歇作業(yè)性,因此每次只能處理少量的樣品，使得該種手段無法形成一個(gè)大的工業(yè)規(guī)模，同時(shí)經(jīng)過實(shí)際的工廠作業(yè)可以得知，該技術(shù)手段無法單一地去制造7N級別的超高純鋅，必須與其他的技術(shù)手段相融合。由以上分析可知，高純度鋅的獲取與制造是我國冶金行業(yè)面對的一個(gè)重大問題，如何高效率、低成本的獲得高純鋅，是未來的研究課題以及重點(diǎn)發(fā)展方向，同時(shí)也是我國冶金行業(yè)獲得快速發(fā)展的一個(gè)機(jī)遇，未來或可為冶金起來帶來豐厚的利潤，同時(shí)其發(fā)展也對于推動我國半導(dǎo)體的研發(fā)有著重大意義。

1 原理

簡單查閱資料可得知，金屬鋅的熔沸點(diǎn)較其他的金屬來說低很多，因此可以利用這個(gè)特點(diǎn)來進(jìn)行金屬元素的分離與提純，可以行之有效的將鋅元素提取出來，并使之保持一個(gè)高純度的情況。其中粗鋅常壓精餾法因其所需時(shí)間短、產(chǎn)量高、易操作、經(jīng)濟(jì)成本低、所需勞動力少、所生產(chǎn)的鋅純度高等優(yōu)點(diǎn)，所以得到廣泛地使用，且該方法還可實(shí)現(xiàn)低溫作業(yè)。利用精餾法對粗鋅進(jìn)行提純，主要是利用金屬鋅的熔沸點(diǎn)與其中的雜質(zhì)金屬的熔沸點(diǎn)以及飽和蒸氣壓的差異性，在其進(jìn)行揮發(fā)以及冷凝的時(shí)候除去不要的金屬元素，從而達(dá)到提純的目的。飽和蒸氣壓高而沸點(diǎn)比金屬鋅低的金屬元素，在金屬鋅蒸發(fā)之前便已經(jīng)開始蒸發(fā)；反之蒸氣壓和熔沸點(diǎn)較金屬鋅來說高的，則會因?yàn)槿鄯悬c(diǎn)以及蒸氣壓的原因留在原液中[2]。經(jīng)過查閱資料后可得知，大多數(shù)的重金屬是容易分離的，僅少數(shù)金屬元素較難除去。因此，在低溫的情況下進(jìn)行分段蒸餾對于雜質(zhì)的分離是有利的。研究表明，揮發(fā)性較高的雜質(zhì)將向塔上方移動，并在其較冷的位置進(jìn)行富集；而揮發(fā)性較差的雜質(zhì)則會向塔的下方移動，并在溫度較高的部位進(jìn)行富集。

2 操作與流程

金屬鋅的提純是在蒸餾塔中展開的，其精餾提純設(shè)備通常是使用一套脫鉛塔以及一套脫鎘塔，當(dāng)然也可采用一個(gè)蒸餾塔對粗鋅進(jìn)行分段蒸餾。圖1所示是一個(gè)分段真空蒸餾提純裝置，其蒸餾柱以高純石墨為原材料，其內(nèi)部包含有一個(gè)蒸餾專用的坩堝以及一個(gè)專門的冷凝器，冷凝器由若干個(gè)垂直緊扣的塔盤組合而成。塔盤分為多孔和單孔兩種，兩種塔盤進(jìn)行交錯(cuò)的放置[3]。金屬鋅的提純可選用的原材料較為廣泛，本次討論選取一種鐵和銦含量較高的粗鋅原材料進(jìn)行討論，其原材料組成成分為：鋅（百分之九十八點(diǎn)五）、銦（一千六百克每噸）、鉛（萬分之五）、鎘（萬分之十八）、銀（四十五克每噸）、錫（十萬分之六十五）、銅（十萬分之五）、鋁（十萬分之五）。

圖1 真空蒸餾裝置示意圖

其中精餾塔除去已介紹的部件之外，還擁有著熔化爐和精煉爐，其中前者主要是對原材料進(jìn)行熔化并保持其溫度，使原材料能夠維持一定的溫度，并能夠持續(xù)而的進(jìn)入精餾塔中進(jìn)行精餾以及冷凝操作；精煉塔則是為了對產(chǎn)生的B#鋅進(jìn)行二次精煉，從而將B#中的鐵和鉛等雜質(zhì)去除。

方法：

（1）首先將原材料置入熔化爐中，保持液態(tài)或者固態(tài)都可，并在其內(nèi)部進(jìn)行熔化與混合，加熱使其溫度保持在600度上下，溫差不要太高；然后使呈液態(tài)的金屬鋅以一個(gè)固定的流量勻速的進(jìn)入到精餾塔中，此時(shí)需要控制精餾塔燃燒室的溫度，使其溫度在1200度上下，呈現(xiàn)為液態(tài)的金屬通過精餾塔內(nèi)部的蒸發(fā)裝置以及回流裝置，使得絕大多數(shù)的金屬鋅以及小部分的雜質(zhì)汽化，鋅鎘蒸汽通過冷卻后進(jìn)入到儲存鋅的槽位中變?yōu)楹k鋅，其可進(jìn)入到鎘塔進(jìn)行金屬鎘與金屬鋅的提純分離；同時(shí)在鋅鎘蒸汽中存在著的沸點(diǎn)較高的金屬元素Pd、Fe則通過進(jìn)行熱交換被冷卻并停留下來，剩余的液態(tài)金屬Zn與其他沸點(diǎn)較高的雜質(zhì)則由精餾塔的下方進(jìn)入到精煉爐，并在精煉爐內(nèi)進(jìn)行精煉，從而形成硬鋅、粗鋅以及B#鋅。

（2）對流入精煉爐內(nèi)的高沸點(diǎn)金屬元素以及還有金屬鋅的原材料進(jìn)行保溫，并控制其溫度處于500度上下，使得精煉爐內(nèi)產(chǎn)生固態(tài)、液態(tài)與廢渣并存的情形，頂對其進(jìn)行處理，從而進(jìn)行初步的提純。

（3）對于在精餾過程中產(chǎn)生的B#鋅，應(yīng)將其置入精餾塔以進(jìn)行二次蒸餾，控制精餾塔燃燒室的溫度，使其溫度在1200度上下，呈現(xiàn)為液態(tài)的金屬通過精餾塔內(nèi)部的蒸發(fā)裝置以及回流裝置，使得絕大多數(shù)的金屬鋅汽化，鋅鎘蒸汽通過冷卻后進(jìn)入到儲存鋅的槽位成為高純鋅，在將其進(jìn)行相關(guān)工藝操作鑄造成金屬錠后，可以面向市場進(jìn)行銷售；同時(shí)在鋅鎘蒸汽中存在著的沸點(diǎn)較高的金屬元素Pd、Fe則通過進(jìn)行熱交換被冷卻并停留下來，剩余的液態(tài)金屬Zn與其他沸點(diǎn)較高的雜質(zhì)則由精餾塔的下方進(jìn)入到精煉爐，并在精煉爐內(nèi)進(jìn)行二次精煉，從而形成硬鋅、粗鋅以及B#鋅。

（4）將高純鋅置入到保溫爐中，并合理控制其溫度，加入NH4CL進(jìn)行殘?jiān)臑V除，并對獲得的金屬鋅進(jìn)行相應(yīng)的工藝操作后，鑄造成大小合適、純度為5N的金屬錠。

（5）為了保持鋅液的純度，在其蒸餾、熔析以及運(yùn)輸過程中，所使用的設(shè)備都使用石墨或者木質(zhì)材料制作，以防止金屬雜質(zhì)混入到鋅液當(dāng)中。

3 結(jié)論

經(jīng)過上述的多重精餾流程所制作出的高純鋅，其純度可在5N級別，同時(shí)其雜質(zhì)成分分別為：鐵（千萬分之八）、鉛（百分之三）、鎘（千萬分之八）、銅（千萬分之八）、錫（千萬分之八）、鋁（千萬分之八）。

同時(shí)該工藝流程不僅可以將鋅提純到5N級別，還可以將稀有金屬In相對富裕地集中在副產(chǎn)物的粗鋅中，其比例可達(dá)到百分之三到百分之十，因此可稱為提取In的高質(zhì)量原材料。其中硬鋅的成分為：鋅（百分之八十六點(diǎn)五）、銦（百分之三點(diǎn)二五）、鐵（百分之四點(diǎn)五）、鉛（百分之三）。B#鋅的成分為：鋅（百分之八十三點(diǎn)五）、銦（百分之六點(diǎn)五）、鐵（百分之零點(diǎn)七）、鉛（百分之五點(diǎn)二）。該產(chǎn)物可進(jìn)入鎘塔從而進(jìn)行進(jìn)一步的分離提純，以獲得精鋅與高鎘鋅，其成分含量如下：鋅（百分之九十九點(diǎn)七五）、鐵（千萬分之六）、鉛（百萬分之三）、鎘（百分之零點(diǎn)二三）。

4 結(jié)語

經(jīng)過實(shí)際的生產(chǎn)操作可以得知，本次選用的高In高Fe粗鋅原材料在經(jīng)過精餾操作后，其純度可以達(dá)到5N的級別，且當(dāng)數(shù)值操作得當(dāng)，控制較好時(shí)，甚至可以得到6N級別的高純鋅；但超高純鋅的仍是難以制取的，如果想制取7N級別的超高純鋅，則需要使用多段蒸餾，或者搭配其他精煉手段與技術(shù)，相互配合并相互協(xié)調(diào)，才能達(dá)到7N級別的產(chǎn)能要求。

總體來說，精餾法因其產(chǎn)量高、所需要的時(shí)間短、技術(shù)成熟、操作簡便、所需要的勞動力少等優(yōu)點(diǎn)，是一項(xiàng)優(yōu)質(zhì)的制鋅工藝，通過與其他的制高純鋅的技術(shù)手段相結(jié)合，將是未來制作高純鋅的主要發(fā)展道路與目標(biāo)。