Pasos e parámetros do proceso de cadmio

I. Pretratamento de materias primas e purificación primaria

1. ‌Preparación de materia prima de cadmio de alta pureza‌

• ‌Lavado con ácidoMergulle os lingotes de cadmio de calidade industrial nunha solución de ácido nítrico ao 5 %-10 % a 40-60 °C durante 1-2 horas para eliminar os óxidos superficiais e as impurezas metálicas. Enxágüe con auga desionizada ata que teña un pH neutro e seque ao aspirador.
• ‌Lixiviación hidrometalúrxicaTratar os residuos que conteñen cadmio (por exemplo, escoria de cobre-cadmio) con ácido sulfúrico (concentración do 15-20 %) a 80-90 °C durante 4-6 horas, conseguindo unha eficiencia de lixiviación de cadmio ≥95 %. Filtrar e engadir po de zinc (1,2-1,5 veces a proporción estequiométrica) para o desprazamento e obter cadmio esponxoso.

1. ‌Fusión e fundición‌

• Cargar cadmio esponxoso en crisois de grafito de alta pureza, fundir baixo atmosfera de argon a 320-350 °C e verter en moldes de grafito para un arrefriamento lento. Formar lingotes cunha densidade ≥8,65 g/cm³

II. Refinación de zonas

1. ‌Equipamento e parámetros‌

• Empregar fornos de fusión de zona flotante horizontal cunha anchura de zona fundida de 5-8 mm, velocidade de avance de 3-5 mm/h e 8-12 pasadas de refinado. Gradiente de temperatura: 50-80 °C/cm; baleiro ≤10⁻³ Pa‌
• ‌Segregación de impurezas‌: Pasos repetidos pola zona concentran chumbo, zinc e outras impurezas na cola do lingote. Elimina a sección final rica en impurezas entre o 15 e o 20 %, conseguindo unha pureza intermedia ≥99,999 %.

1. ‌Controis clave‌

• Temperatura da zona fundida: 400-450 °C (lixeiramente por riba do punto de fusión do cadmio de 321 °C);
• Velocidade de arrefriamento: 0,5-1,5 °C/min para minimizar os defectos da rede;
• Caudal de argón: 10-15 L/min para evitar a oxidación

III. Refinación electrolítica

1. ‌Formulación de electrólitos‌

• Composición de electrólitos: sulfato de cadmio (CdSO₄, 80-120 g/L) e ácido sulfúrico (pH 2-3), con 0,01-0,05 g/L de xelatina engadida para mellorar a densidade do depósito no cátodo.

1. ‌Parámetros do proceso‌

• Ánodo: Placa de cadmio bruto; Cátodo: Placa de titanio;
• Densidade de corrente: 80-120 A/m²; Tensión da cela: 2,0-2,5 V;
• Temperatura de electrólise: 30-40 °C; Duración: 48-72 horas; Pureza do cátodo ≥99,99 %

IV. Destilación por redución ao baleiro

1. ‌Redución e separación de altas temperaturas‌

• Colocar lingotes de cadmio nun forno de baleiro (presión ≤10⁻² Pa), introducir hidróxeno como redutor e quentar a 800-1000 °C para reducir os óxidos de cadmio a cadmio gasoso. Temperatura do condensador: 200-250 °C; pureza final ≥99,9995 %

1. ‌Eficacia na eliminación de impurezas‌

• Chumbo residual, cobre e outras impurezas metálicas ≤0,1 ppm;
• Contido de osíxeno ≤5 ppm

Crecemento de monocristais de V. Czochralski

1. ‌Control da fusión e preparación do cristal semente‌

• Cargar lingotes de cadmio de alta pureza en crisois de cuarzo de alta pureza, fundir baixo argon a 340-360 °C. Usar sementes de cadmio monocristalinas orientadas a <100> (diámetro 5-8 mm), prerecocidas a 800 °C para eliminar a tensión interna.

1. ‌Parámetros de extracción de cristais‌

• Velocidade de tracción: 1,0-1,5 mm/min (fase inicial), 0,3-0,5 mm/min (crecemento en estado estacionario);
• Rotación do crisol: 5-10 rpm (contrarrotación);
• Gradiente de temperatura: 2-5 °C/mm; Flutuación da temperatura na interface sólido-líquido ≤±0,5 °C

1. ‌Técnicas de supresión de defectos‌

• ‌Asistencia de campo magnéticoAplicar un campo magnético axial de 0,2-0,5 T para suprimir a turbulencia da masa fundida e reducir as estrías das impurezas;
• ‌Refrixeración controladaUnha taxa de arrefriamento posterior ao crecemento de 10-20 °C/h minimiza os defectos de dislocación causados ​​pola tensión térmica.

VI. Posprocesamento e control de calidade

1. ‌Mecanizado de cristais‌

• ‌CorteUse serras de fío de diamante para cortar obleas de 0,5-1,0 mm a unha velocidade do fío de 20-30 m/s;
• ‌PulidoPulido químico-mecánico (CMP) cunha mestura de ácido nítrico e etanol (proporción 1:5 en volume), conseguindo unha rugosidade superficial Ra ≤0,5 nm.

1. ‌Estándares de calidade‌

• ‌Pureza‌: A GDMS (espectrometría de masas por descarga luminescente) confirma Fe, Cu, Pb ≤0,1 ppm;
• ‌resistividade‌: ≤5×10⁻⁸ Ω·m (pureza ≥99,9999%);
• ‌Orientación cristalográficaDesviación <0,5°; Densidade de dislocacións ≤10³/cm²

VII. Directrices de optimización de procesos

1. ‌Eliminación de impurezas dirixida‌

• Usar resinas de intercambio iónico para a adsorción selectiva de Cu, Fe, etc., combinadas cun refinado por zonas multietapa para lograr unha pureza de grao 6N (99,9999%).

1. ‌Actualizacións de automatización‌

• Os algoritmos de IA axustan dinamicamente a velocidade de tracción, os gradientes de temperatura, etc., aumentando o rendemento do 85 % ao 93 %;
• Aumentar o tamaño do crisol a 36 polgadas, o que permite unha materia prima para un só lote de 2800 kg, reducindo o consumo de enerxía a 80 kWh/kg

1. ‌Sustentabilidade e recuperación de recursos‌

• Rexenerar residuos de lavado ácido mediante intercambio iónico (recuperación de Cd ≥99,5 %);
• Tratar os gases de escape con adsorción de carbón activado + depuración alcalina (recuperación de vapor de Cd ≥98 %)

Resumo

O proceso de crecemento e purificación de cristais de cadmio integra a hidrometalurxia, o refinado físico a alta temperatura e as tecnoloxías de crecemento de cristais de precisión. Mediante a lixiviación ácida, o refinado por zonas, a electrólise, a destilación ao baleiro e o crecemento de Czochralski, xunto coa automatización e as prácticas respectuosas co medio ambiente, permite a produción estable de monocristais de cadmio de pureza ultra alta de grao 6N. Estes satisfán as demandas de detectores nucleares, materiais fotovoltaicos e dispositivos semicondutores avanzados. Os avances futuros centraranse no crecemento de cristais a grande escala, a separación de impurezas dirixida e a produción con baixas emisións de carbono.