Етапи и параметри на процеса на кадмий

I. Предварителна обработка и първично пречистване на суровините

1. ‌Приготвяне на високочист кадмий‌

• ‌Киселинно измиванеПотопете кадмиеви блокове с индустриален клас в 5%-10% разтвор на азотна киселина при 40-60°C за 1-2 часа, за да отстраните повърхностните оксиди и металните примеси. Изплакнете с дейонизирана вода до неутрално pH и подсушете с прахосмукачка.
• ‌Хидрометалургично излужване‌: Отпадъци, съдържащи кадмий (напр. медно-кадмиева шлака), се третират със сярна киселина (концентрация 15-20%) при 80-90°C в продължение на 4-6 часа, като се постигне ≥95% ефективност на излужване на кадмий. Филтрира се и се добавя цинков прах (1,2-1,5 пъти стехиометричното съотношение) за изместване, за да се получи гъбест кадмий‌

1. ‌Топене и леене‌

• Заредете гъбест кадмий в тигли от високочист графит, разтопете го под аргонова атмосфера при 320-350°C и го излейте в графитни форми за бавно охлаждане. Оформете блокове с плътност ≥8,65 g/cm³.

II. Зонно рафиниране

1. ‌Оборудване и параметри‌

• Използвайте хоризонтални пещи за топене с плаваща зона с ширина на разтопената зона 5-8 mm, скорост на движение 3-5 mm/h и 8-12 рафиниращи преминавания. Температурен градиент: 50-80°C/cm; вакуум ≤10⁻³ Pa‌
• ‌Сегрегация на примеси‌: Многократно преминаване през зона, концентрирайки олово, цинк и други примеси в края на слитъка. Отстранява се последната богата на примеси секция с 15-20%, постигайки междинна чистота ≥99.999%

1. ‌Ключови контроли‌

• Температура на разтопената зона: 400-450°C (малко над точката на топене на кадмия от 321°C);
• Скорост на охлаждане: 0,5-1,5°C/мин за минимизиране на дефектите в решетката;
• Дебит на аргон: 10-15 л/мин за предотвратяване на окисляване

III. Електролитно рафиниране

1. ‌Формулировка на електролит‌

• Състав на електролита: Кадмиев сулфат (CdSO₄, 80-120 g/L) и сярна киселина (pH 2-3), с добавен желатин 0,01-0,05 g/L за повишаване на плътността на катодния слой

1. ‌Параметри на процеса‌

• Анод: Плоча от суров кадмий; Катод: Плоча от титан;
• Плътност на тока: 80-120 A/m²; Напрежение на клетката: 2.0-2.5 V;
• Температура на електролиза: 30-40°C; Продължителност: 48-72 часа; Чистота на катода ≥99,99%

IV. Вакуумна редукционна дестилация

1. ‌Редукция и разделяне при висока температура‌

• Поставете кадмиевите блокове във вакуумна пещ (налягане ≤10⁻² Pa), въведете водород като редуктор и нагрейте до 800-1000°C, за да редуцирате кадмиевите оксиди до газообразен кадмий. Температура на кондензатора: 200-250°C; Крайна чистота ≥99,9995%

1. ‌Ефикасност на отстраняване на примеси‌

• Остатъчни олово, мед и други метални примеси ≤0,1 ppm;
• Съдържание на кислород ≤5 ppm

В. Чохралски - растеж на монокристали

1. ‌Контрол на стопилката и подготовка на зародишни кристали‌

• Заредете високочисти кадмиеви блокове в високочисти кварцови тигели, разтопете ги под аргон при 340-360°C. Използвайте <100>-ориентирани монокристални кадмиеви зародиши (диаметър 5-8 mm), предварително отгряти при 800°C, за да елиминирате вътрешното напрежение.

1. ‌Параметри за издърпване на кристали‌

• Скорост на издърпване: 1,0-1,5 мм/мин (начален етап), 0,3-0,5 мм/мин (стационарен растеж);
• Въртене на тигела: 5-10 оборота в минута (противоположно въртене);
• Температурен градиент: 2-5°C/mm; Колебание на температурата на границата твърдо-течно състояние ≤±0,5°C

1. ‌Техники за потискане на дефекти‌

• ‌Помощ с магнитно поле‌: Приложете аксиално магнитно поле от 0,2-0,5 T, за да потиснете турбуленцията на стопилката и да намалите набраздяванията от примеси;
• ‌Контролирано охлажданеСкоростта на охлаждане след растеж от 10-20°C/h минимизира дислокационните дефекти, причинени от термично напрежение.

VI. Последваща обработка и контрол на качеството

1. ‌Обработка на кристали‌

• ‌РязанеИзползвайте диамантени въжени триони за рязане на пластини с дебелина 0,5-1,0 мм със скорост на телта 20-30 м/с;
• ‌ПолиранеХимико-механично полиране (ХМП) със смес от азотна киселина и етанол (съотношение 1:5 об.), постигайки грапавост на повърхността Ra ≤0,5 nm.

1. ‌Стандарти за качество‌

• ‌ЧистотаGDMS (масспектрометрия с тлеещ разряд) потвърждава Fe, Cu, Pb ≤0,1 ppm;
• ‌Съпротивление‌: ≤5×10⁻⁸ Ω·m (чистота ≥99.9999%);
• ‌Кристалографска ориентацияОтклонение <0,5°; Плътност на дислокациите ≤10³/cm²

VII. Насоки за оптимизация на процесите

1. ‌Целенасочено отстраняване на примеси‌

• Използвайте йонообменни смоли за селективна адсорбция на Cu, Fe и др., комбинирани с многоетапно зонно рафиниране, за да постигнете чистота с клас 6N (99.9999%).

1. ‌Надстройки на автоматизацията‌

• Алгоритмите с изкуствен интелект динамично регулират скоростта на издърпване, температурните градиенти и др., увеличавайки добива от 85% на 93%;
• Увеличаване на размера на тигела до 36 инча, което позволява еднократно производство на суровина от 2800 кг, намалявайки консумацията на енергия до 80 kWh/кг

1. ‌Устойчивост и възстановяване на ресурсите‌

• Регенериране на отпадъчните продукти от киселинно промиване чрез йонен обмен (възстановяване на Cd ≥99,5%);
• Третиране на отработените газове с адсорбция с активен въглен + алкално пречистване (възстановяване на Cd пари ≥98%)

Обобщение

Процесът на растеж и пречистване на кадмиеви кристали интегрира хидрометалургия, високотемпературно физическо рафиниране и технологии за прецизен растеж на кристали. Чрез киселинно излугване, зонно рафиниране, електролиза, вакуумна дестилация и растеж по метода на Чохралски – съчетани с автоматизация и екологични практики – той позволява стабилно производство на ултрависокочисти кадмиеви монокристали с клас 6N. Те отговарят на изискванията за ядрени детектори, фотоволтаични материали и усъвършенствани полупроводникови устройства. Бъдещите разработки ще се фокусират върху мащабен растеж на кристали, целенасочено отделяне на примеси и нисковъглеродно производство.