Crecemento e purificación de cristales de telurio 7N

Crecemento e purificación de cristales de telurio 7N

I. Pretratamento da materia prima e purificación preliminar

1. ‌Selección e trituración de materias primas‌

• ‌Requisitos de materiaisEmpregar mineral de teluro ou limo de ánodo (contido de Te ≥5%), preferentemente limo de ánodo de fundición de cobre (que conteña Cu₂Te, Cu₂Se) como materia prima.
• ‌Proceso de pretratamento:
• Trituración grosa a un tamaño de partícula ≤5 mm, seguida de moenda de bolas a unha malla ≤200;
• Separación magnética (intensidade do campo magnético ≥0,8 T) para eliminar Fe, Ni e outras impurezas magnéticas;
• Flotación por escuma (pH=8-9, colectores de xantato) para separar SiO₂, CuO e outras impurezas non magnéticas.
• ‌PrecauciónsEvitar a introdución de humidade durante o tratamento previo en húmido (require secado antes do torrado); controlar a humidade ambiente ≤30 %.

1. ‌Torrefacción e oxidación pirometalúrxica‌

• ‌Parámetros do proceso:
• Temperatura de torrefacción por oxidación: 350–600 °C (control por etapas: baixa temperatura para a desulfuración, alta temperatura para a oxidación);
• Tempo de torrado: de 6 a 8 horas, cun caudal de O₂ de 5 a 10 L/min;
• Reactivo: ácido sulfúrico concentrado (98 % de H₂SO₄), proporción en masa de Te₂SO₄ = 1:1,5.
• ‌Reacción química:
  Cu2Te+2O2+2H2SO4→2CuSO4+TeO2+2H2OCu2​Te+2O2​+2H2​SO4​→2CuSO4​+TeO2​+2H2​O
• ‌PrecauciónsControlar a temperatura ≤600 °C para evitar a volatilización do TeO₂ (punto de ebulición 387 °C); tratar os gases de escape con depuradores de NaOH.

II. Electrorrefinación e destilación ao baleiro

1. ‌Electrorefinación‌

• ‌Sistema de electrólitos:
• Composición de electrólitos: H₂SO₄ (80–120 g/L), TeO₂ (40–60 g/L), aditivo (xelatina 0,1–0,3 g/L);
• Control de temperatura: 30–40 °C, caudal de circulación 1,5–2 m³/h.
• ‌Parámetros do proceso:
• Densidade de corrente: 100–150 A/m², tensión da cela 0,2–0,4 V;
• Espazado entre eléctrodos: 80–120 mm, grosor da deposición do cátodo 2–3 mm/8 h;
• Eficiencia de eliminación de impurezas: Cu ≤5 ppm, Pb ≤1 ppm.
• ‌PrecauciónsFiltrar o electrólito regularmente (precisión ≤1 μm); pulir mecanicamente as superficies do ánodo para evitar a pasivación.

1. ‌Destilación ao baleiro‌

• ‌Parámetros do proceso:
• Nivel de baleiro: ≤1×10⁻²Pa, temperatura de destilación 600–650°C;
• Temperatura da zona do condensador: 200–250 °C, eficiencia de condensación de vapor de Te ≥95 %;
• Tempo de destilación: 8–12 h, capacidade dun só lote ≤50 kg.
• ‌Distribución de impurezasAs impurezas de baixo punto de ebulición (Se, S) acumúlanse na parte dianteira do condensador; as impurezas de alto punto de ebulición (Pb, Ag) permanecen nos residuos.
• ‌PrecauciónsPrebombear o sistema de baleiro a ≤5×10⁻³Pa antes de quentar para evitar a oxidación do Te.

III. Crecemento cristalino (cristalización direccional)

1. ‌Configuración do equipo‌

• ‌Modelos de forno de crecemento de cristalTDR-70A/B (capacidade de 30 kg) ou TRDL-800 (capacidade de 60 kg);
• Material do crisol: grafito de alta pureza (contido de cinzas ≤5 ppm), dimensións Φ300 × 400 mm;
• Método de quentamento: quentamento por resistencia de grafito, temperatura máxima de 1200 °C.

1. ‌Parámetros do proceso‌

• ‌Control de fusión:
• Temperatura de fusión: 500–520 °C, profundidade da masa fundida 80–120 mm;
• Gas protector: Ar (pureza ≥99,999 %), caudal 10–15 L/min.
• ‌Parámetros de cristalización:
• Velocidade de tracción: 1–3 mm/h, velocidade de rotación do cristal 8–12 rpm;
• Gradiente de temperatura: axial 30–50 °C/cm, radial ≤10 °C/cm;
• Método de refrixeración: base de cobre refrixerada por auga (temperatura da auga 20–25 °C), refrixeración por radiación superior.

1. ‌Control de impurezas‌

• ‌Efecto de segregaciónAs impurezas como o Fe e o Ni (coeficiente de segregación <0,1) acumúlanse nos límites de grans;
• ‌Ciclos de refusión3–5 ciclos, impurezas totais finais ≤0,1 ppm.

1. ‌Precaucións:

• Cubrir a superficie da masa fundida con placas de grafito para suprimir a volatilización do Te (taxa de perda ≤0,5%);
• Monitorizar o diámetro do cristal en tempo real mediante medidores láser (precisión ±0,1 mm);
• Evitar flutuacións de temperatura >±2 °C para evitar un aumento da densidade de dislocacións (obxectivo ≤10³/cm²).

IV. Inspección de calidade e indicadores clave

V. Protocolos ambientais e de seguridade

1. ‌Tratamento de gases de escape:

• Gases de torrefacción: Neutralizar o SO₂ e o SeO₂ con depuradores de NaOH (pH ≥ 10);
• Gases de escape da destilación ao baleiro: condensar e recuperar o vapor de Te; os gases residuais adsorbense mediante carbón activado.

1. ‌Reciclaxe de escoria:

• Lama anódica (que contén Ag, Au): Recuperar mediante hidrometalurxia (sistema H₂SO₄-HCl);
• Residuos de electrólise (que conteñen Pb, Cu): Devolver aos sistemas de fusión de cobre.

1. ‌Medidas de seguridade:

• Os operadores deben usar máscaras antigás (o vapor de Te é tóxico); manter unha ventilación con presión negativa (taxa de intercambio de aire ≥10 ciclos/h).

Directrices de optimización de procesos

1. ‌Adaptación de materias primasAxustar a temperatura de torrefacción e a proporción de ácido dinamicamente en función das fontes de limo do ánodo (por exemplo, fusión de cobre fronte a chumbo);
2. ‌Correspondencia da taxa de tracción do cristalAxustar a velocidade de tracción segundo a convección da masa fundida (número de Reynolds Re≥2000) para suprimir o superarrefriamento constitucional;
3. ‌Eficiencia enerxéticaEmpregar a calefacción de dobre zona de temperatura (zona principal 500 °C, subzona 400 °C) para reducir o consumo de enerxía da resistencia de grafito nun 30 %.