[发明专利]提纯SiO2颗粒的方法,及实施该方法的装置及按此方法制备的制粒

说明书

及按此方法制备的制粒

本发明涉及一种提纯SiO₂颗粒的方法，就是在一个具有垂直方向布置的中心轴线的反应器里加热颗粒填装料，并使填装料经受以预定流动速度从下向上流经反应器和填装料的处理气体的作用。

此外本发明还涉及实施本发明方法的一种装置，它包括有一个具有垂直方向布置的中心轴线的反应器，用于接纳要提纯的SiO₂颗粒的填装料；包括有一套气体输入系统，用于将处理气体输入反应器的一个部位里，主要是在填装料之下；还包括有一套排气管路，用于将处理气体从填装料之上反应器的一个部位处排出。

此外本发明还涉及由天然原材料经提纯后的SiO₂制粒。

由SiO₂颗粒熔炼的石英玻璃制品可用于化学和光学工业，并用于光导体和半导体制造。对于石英玻璃制品的纯度有很高的要求。尤其是碱金属、碱土金属、重金属、铁、碳和游离的或化合的水都可能会对石英玻璃制品所要求的性能产生不良影响。因此对于石英玻璃制品原材料的纯度也提出了很高的要求。本发明所述的石英玻璃原材料是指非晶质的或晶质的颗粒，例如天然石英的SiO₂颗粒；是指有夹杂物的人造制粒、粒状体；或者是指回收材料。

EP-A1 737653叙述了通过热氯化对石英粉体进行不断地提纯的方法。其中建议将所要提纯的石英粉体(其平均粒度为106μm至250μm)连续不断地输入一个由石英玻璃制成的电加热回转炉，在此炉内粉体先后通过一个预热室、一个反应室和一个气体解吸室。在预热室里将石英粉体加热到大约800℃，并接着在反应室内，温度为1300℃，用一种由氯气和氯化氢组成的混合气体进行处理。此时石英粉体中的碱性和碱土杂质就与含氯的混合气体起反应而生成气体状的金属氯化物。处理气体和气体状的反应产物接着被抽吸出。

已知的提纯方法明显减少了石英粉体里的碱性和碱土杂质。通过多次地进行提纯过程还可以改善石英粉体的纯度。在石英粉体的许多应用场合，例如作为应用在半导体制造时石英玻璃元件的原始材料和作为光学器件的原始材料，对于原始材料的纯度提出特别高的要求，而这些要求用已知的方法则不可能达到，或者要花费很多时间、材料和费用才能达到。

已有方法的提纯效果取决于石英粉体与含氯混合气的反应时间，而且取决于反应温度。当温度较高时，氯与金属杂质的反应就加快，因而温度升高就可能获得较好的提纯效果。当然在高温时由于颗粒的软化而形成结块，这种结块使处理气体继续进入到各个晶粒的表面变得困难。因此通过首先作用在制粒表面上的处理气体所造成的提纯效果就减小了。此外，提纯效果取决于石英粉体在反应室内的停留时间。粗粒粉体经过反应室通常比细粒粉体更快。因此可能得到各种不同的纯度，甚至在一批装料之内，根据温度、晶粒馏分或者熔炼量的大小，纯度可能是各不相同的。这就使已知的提纯方法的可重现性变得更困难。

按DD-PS144868所述的提纯方法是将松散的石英砂连续不断地从上输送给一个垂直方向布置的反应器里。石英砂填装料连续地从上向下穿过反应器。同时石英砂填装料流过一个加热区、一个热氯化区和一个冷却区。为了阻止氧气钻进入氯化区内，并因而阻止氯化时产生的氯化物复原为金属氧化物，在氯化区的进入部位和出口部位制成一种由惰性气体或氮气组成的气幕。

为了去除在天然石英砂表面上的杂质，通常也进行湿法化学预处理。这种方法，正如在US-A 4,983,370中所述那样，在通过热氯化进行提纯过程之前，首先借助于双级浮选，一个磁选机并紧接着在氢氟酸中的酸洗来对石英砂进行预处理。

按照开头所述类别的一种提纯方法和实施此方法的装置由EP-A1 709 340就已知了。那里建议，将借助于火焰水解作用而制成的SiO₂粉体连续不断地输送给一个垂直方向布置的反应器以除去氯，并用一种由水蒸气和空气组成的混合气体在反向流动时对粉体填装料进行处理，这种混合气体是由下向上穿过反应器的。混合气体在填装料部位处的线性气体速度在1和10厘米/秒之间的范围内，温度在250℃和600℃之间。气流穿过填装料形成一种所谓的“流化床”并同时被稍稍抬起。

业已表明，用已有的方法达不到如用于半导体制造和半导体制造所需要的SiO₂颗粒的纯度。尤其是具有化学元素Li、Na、K、Mg、Cu、Fe、Ni、Cr、Mn、V、Ba、Pb、C、B和Zr的杂质用已知的方法不能充分地除去。