Kroky a parametre procesu výroby kadmia

I. Predúprava surovín a primárne čistenie

1. ‌Príprava vysoko čistej kadmiovej suroviny‌

• ‌Kyselé praniePonorte priemyselné kadmiové ingoty do 5 % – 10 % roztoku kyseliny dusičnej pri teplote 40 – 60 °C na 1 – 2 hodiny, aby ste odstránili povrchové oxidy a kovové nečistoty. Opláchnite deionizovanou vodou, kým nedosiahnete neutrálne pH, a vysušte vysávačom.
• ‌Hydrometalurgické lúhovanieOdpad obsahujúci kadmium (napr. meďno-kadmiová troska) spracujte kyselinou sírovou (koncentrácia 15 – 20 %) pri teplote 80 – 90 °C počas 4 – 6 hodín, čím dosiahnete účinnosť vylúhovania kadmia ≥ 95 %. Prefiltrujte a pridajte zinkový prášok (1,2 – 1,5-násobok stechiometrického pomeru) na vytesnenie, čím získate špongiovité kadmium.

1. ‌Tavenie a odlievanie‌

• Hubovitý kadmium sa naplní do vysoko čistých grafitových téglikov, roztaví sa v argónovej atmosfére pri teplote 320 – 350 °C a naleje sa do grafitových foriem na pomalé chladenie. Vytvorí sa ingot s hustotou ≥ 8,65 g/cm³.

II. Zónová rafinácia

1. ‌Vybavenie a parametre‌

• Používajte horizontálne taviace pece s plávajúcou zónou so šírkou roztavenej zóny 5 – 8 mm, rýchlosťou posuvu 3 – 5 mm/h a 8 – 12 rafinačnými prechodmi. Teplotný gradient: 50 – 80 °C/cm; vákuum ≤10⁻³ Pa‌
• ‌Segregácia nečistôt‌: Opakované prechody zónou koncentrujú olovo, zinok a ďalšie nečistoty na konci ingotu. Odstráni sa posledná časť bohatá na nečistoty s obsahom 15 – 20 %, čím sa dosiahne stredná čistota ≥99,999 %.

1. ‌Ovládacie prvky kľúča‌

• Teplota roztavenej zóny: 400 – 450 °C (mierne nad bodom topenia kadmia 321 °C);
• Rýchlosť chladenia: 0,5 – 1,5 °C/min na minimalizáciu mriežkových defektov;
• Prietok argónu: 10-15 l/min, aby sa zabránilo oxidácii

III. Elektrolytická rafinácia

1. ‌Zloženie elektrolytu‌

• Zloženie elektrolytu: Síran kademnatý (CdSO₄, 80 – 120 g/l) a kyselina sírová (pH 2 – 3) s pridaním želatíny v množstve 0,01 – 0,05 g/l na zvýšenie hustoty katódového depozitu

1. ‌Parametre procesu‌

• Anóda: Doska zo surového kadmia; Katóda: Doska z titánu;
• Prúdová hustota: 80 – 120 A/m²; Napätie článku: 2,0 – 2,5 V;
• Teplota elektrolýzy: 30 – 40 °C; Trvanie: 48 – 72 hodín; Čistota katódy ≥ 99,99 %

IV. Vákuová redukčná destilácia

1. ‌Redukcia a separácia pri vysokých teplotách‌

• Kadmiové ingoty vložte do vákuovej pece (tlak ≤10⁻² Pa), zaveďte vodík ako redukčné činidlo a zahrejte na 800 – 1 000 °C, aby sa oxidy kadmia redukovali na plynné kadmium. Teplota kondenzátora: 200 – 250 °C; konečná čistota ≥ 99,9995 %

1. ‌Účinnosť odstraňovania nečistôt‌

• Zvyškové olovo, meď a iné kovové nečistoty ≤0,1 ppm;
• Obsah kyslíka ≤5 ppm

Rast monokryštálov V. Czochralského

1. ‌Riadenie taveniny a príprava zárodočných kryštálov‌

• Vložte vysoko čistý kadmiový ingot do vysoko čistých kremenných téglikov, roztavte ho pod argónom pri teplote 340 – 360 °C. Použite <100>-orientované monokryštalické kadmiové zárodky (priemer 5 – 8 mm), predžíhané pri teplote 800 °C na elimináciu vnútorného napätia.

1. ‌Parametre ťahania kryštálov‌

• Rýchlosť ťahania: 1,0 – 1,5 mm/min (počiatočné štádium), 0,3 – 0,5 mm/min (ustálený rast);
• Rotácia téglika: 5 – 10 ot./min. (protirotácia);
• Teplotný gradient: 2 – 5 °C/mm; Kolísanie teploty rozhrania tuhá látka – kvapalina ≤ ± 0,5 °C

1. ‌Techniky potlačenia defektov‌

• ‌Pomoc s magnetickým poľom‌: Aplikujte axiálne magnetické pole s indexom 0,2 – 0,5 T na potlačenie turbulencie taveniny a zníženie prúžkovitosti nečistôt;
• ‌Riadené chladenieRýchlosť ochladzovania po raste 10 – 20 °C/h minimalizuje dislokačné defekty spôsobené tepelným namáhaním.

VI. Dodatočné spracovanie a kontrola kvality

1. ‌Obrábanie kryštálov‌

• ‌Rezanie‌: Na rezanie doštičiek s hrúbkou 0,5 – 1,0 mm použite diamantové drôtové píly pri rýchlosti drôtu 20 – 30 m/s;
• ‌LeštenieChemicko-mechanické leštenie (CMP) zmesou kyseliny dusičnej a etanolu (pomer obj. 1:5), dosiahnutie drsnosti povrchu Ra ≤ 0,5 nm.

1. ‌Štandardy kvality‌

• ‌ČistotaGDMS (hmotnostná spektrometria s tlmivým výbojom) potvrdzuje Fe, Cu, Pb ≤ 0,1 ppm;
• ‌Odpor‌: ≤5×10⁻⁸ Ω·m (čistota ≥99,9999 %);
• ‌Kryštalografická orientáciaOdchýlka <0,5°; Hustota dislokácií ≤10³/cm²

VII. Smery optimalizácie procesov

1. ‌Cielené odstraňovanie nečistôt‌

• Na selektívnu adsorpciu Cu, Fe atď. použite iónomeničové živice v kombinácii s viacstupňovou zónovou rafináciou na dosiahnutie čistoty triedy 6N (99,9999 %).

1. ‌Vylepšenia automatizácie‌

• Algoritmy umelej inteligencie dynamicky upravujú rýchlosť ťahania, teplotné gradienty atď., čím zvyšujú výťažnosť z 85 % na 93 %;
• Zväčšenie veľkosti téglika na 36 palcov, čo umožňuje jednorazovú výrobu vstupnej suroviny s hmotnosťou 2800 kg a zníženie spotreby energie na 80 kWh/kg

1. ‌Udržateľnosť a obnova zdrojov‌

• Regenerujte odpad z kyslého prania pomocou iónovej výmeny (výťažnosť Cd ≥99,5 %);
• Čistenie výfukových plynov adsorpciou aktívnym uhlím + alkalickým čistením (regenerácia pár Cd ≥98 %)

Zhrnutie

Proces rastu a čistenia kryštálov kadmia integruje hydrometalurgiu, vysokoteplotnú fyzikálnu rafináciu a technológie presného rastu kryštálov. Prostredníctvom kyslého lúhovania, zónovej rafinácie, elektrolýzy, vákuovej destilácie a Czochralského rastu – v spojení s automatizáciou a ekologickými postupmi – umožňuje stabilnú výrobu ultračistých monokryštálov kadmia triedy 6N. Tieto spĺňajú požiadavky na jadrové detektory, fotovoltaické materiály a pokročilé polovodičové zariadenia. Budúci pokrok sa zameria na rast kryštálov vo veľkom meradle, cielenú separáciu nečistôt a nízkouhlíkovú výrobu.