Kadmio proceso etapai ir parametrai

I. Žaliavų išankstinis apdorojimas ir pirminis valymas

1. ‌Didelio grynumo kadmio žaliavos paruošimas‌

• ‌Rūgštinis plovimasPramoninės klasės kadmio luitus 1–2 valandoms panardinkite į 5–10 % azoto rūgšties tirpalą 40–60 °C temperatūroje, kad pašalintumėte paviršiaus oksidus ir metalines priemaišas. Nuplaukite dejonizuotu vandeniu, kol pH taps neutralus, ir išdžiovinkite dulkių siurbliu.
• ‌Hidrometalurginis išplovimasKadmio turinčias atliekas (pvz., vario-kadmio šlaką) apdorokite sieros rūgštimi (15–20 % koncentracijos) 80–90 °C temperatūroje 4–6 valandas, kad kadmio išplovimo efektyvumas būtų ≥95 %. Filtruokite ir įpilkite cinko miltelių (1,2–1,5 karto didesnis stechiometrinis santykis), kad išstumtumėte, ir gaukite kadmio kempinę.

1. ‌Lydymas ir liejimas‌

• Į didelio grynumo grafito tiglius sudėkite kadmio kempinę, išlydykite argono atmosferoje 320–350 °C temperatūroje ir supilkite į grafito formas lėtam aušinimui. Suformuokite luitus, kurių tankis ≥ 8,65 g/cm³.

II. Zoninis rafinavimas

1. ‌Įranga ir parametrai‌

• Naudojamos horizontalios plūduriuojančios zonos lydymo krosnys, kurių išlydytos zonos plotis yra 5–8 mm, judėjimo greitis – 3–5 mm/h, o rafinavimo eigų skaičius – 8–12. Temperatūros gradientas: 50–80 °C/cm; vakuumas ≤10⁻³ Pa‌
• ‌Priemaišų atskyrimas‌: Pakartotinė zona praleidžia koncentruotą šviną, cinką ir kitas priemaišas luito uodegoje. Pašalina paskutinę 15–20 % priemaišų turinčią dalį, pasiekdama tarpinį grynumą ≥99,999 %.

1. ‌Pagrindiniai valdikliai‌

• Išlydymo zonos temperatūra: 400–450 °C (šiek tiek aukštesnė už kadmio lydymosi temperatūrą – 321 °C);
• Aušinimo greitis: 0,5–1,5 °C/min., siekiant sumažinti gardelės defektus;
• Argono srautas: 10–15 l/min., kad būtų išvengta oksidacijos

III. Elektrolitinis rafinavimas

1. ‌Elektrolitų formulė‌

• Elektrolitų sudėtis: kadmio sulfatas (CdSO₄, 80–120 g/l) ir sieros rūgštis (pH 2–3), į kurią įdėta 0,01–0,05 g/l želatinos, kad padidėtų katodo nuosėdų tankis.

1. ‌Proceso parametrai‌

• Anodas: neapdorota kadmio plokštė; katodas: titano plokštė;
• Srovės tankis: 80–120 A/m²; Elemento įtampa: 2,0–2,5 V;
• Elektrolizės temperatūra: 30–40 °C; trukmė: 48–72 valandos; katodo grynumas ≥99,99 %

IV. Vakuuminė redukcinė distiliacija

1. ‌Aukštos temperatūros redukcija ir atskyrimas‌

• Kadmio luitus įdėkite į vakuuminę krosnį (slėgis ≤10⁻² Pa), įpilkite vandenilio kaip reduktoriaus ir kaitinkite iki 800–1000 °C, kad kadmio oksidai redukuotųsi į dujinę kadmį. Kondensatoriaus temperatūra: 200–250 °C; galutinis grynumas ≥99,9995 %.

1. ‌Priemaišų šalinimo efektyvumas‌

• Likutinis švinas, varis ir kitos metalinės priemaišos ≤0,1 ppm;
• Deguonies kiekis ≤5 ppm‌

V. Čochralskio monokristalų augimas

1. ‌Lydymosi kontrolė ir sėklų kristalų paruošimas‌

• Didelio grynumo kadmio luitus sudėkite į didelio grynumo kvarcinius tiglius, išlydykite argono atmosferoje 340–360 °C temperatūroje. Naudokite <100> orientacijos monokristalines kadmio kristalografijos sėklas (5–8 mm skersmens), iš anksto atkaitintas 800 °C temperatūroje, kad būtų pašalintas vidinis įtempis.

1. ‌Kristalų traukimo parametrai‌

• Traukimo greitis: 1,0–1,5 mm/min (pradinė stadija), 0,3–0,5 mm/min (augimas pastovioje būsenoje);
• Tiglio sukimasis: 5–10 aps./min. (priešingos krypties);
• Temperatūros gradientas: 2–5 °C/mm; Kietosios ir skystosios sąsajos temperatūros svyravimas ≤±0,5 °C

1. ‌Defektų slopinimo metodai‌

• ‌Magnetinio lauko pagalba‌: Taikykite 0,2–0,5 T ašinį magnetinį lauką, kad slopintumėte lydalo turbulenciją ir sumažintumėte priemaišų dryžius;
• ‌Kontroliuojamas aušinimas10–20 °C/h aušinimo greitis po augimo sumažina terminio įtempio sukeltus dislokacijos defektus.

VI. Tolesnis apdorojimas ir kokybės kontrolė

1. ‌Kristalų apdirbimas‌

• ‌PjovimasDeimantiniais vieliniais pjūklais pjaustykite 0,5–1,0 mm storio plokšteles 20–30 m/s vielos greičiu;
• ‌PoliravimasCheminis mechaninis poliravimas (CMP) azoto rūgšties ir etanolio mišiniu (1:5 tūrio santykis), pasiekiant paviršiaus šiurkštumą Ra ≤0,5 nm.

1. ‌Kokybės standartai‌

• ‌GrynumasGDMS (švytėjimo išlydžio masių spektrometrija) patvirtina, kad Fe, Cu, Pb ≤0,1 ppm;
• ‌Varža‌: ≤5×10⁻⁸ Ω·m (grynumas ≥99,9999 %);
• ‌Kristalografinė orientacija‌: Nuokrypis <0,5°; Dislokacijos tankis ≤10³/cm²

VII. Procesų optimizavimo kryptys

1. ‌Tikslinis priemaišų šalinimas‌

• Naudokite jonų mainų dervas selektyviai Cu, Fe ir kt. adsorbcijai kartu su daugiapakopiu zoniniu rafinavimu, kad būtų pasiektas 6N klasės grynumas (99,9999 %)

1. ‌Automatikos atnaujinimai‌

• Dirbtinio intelekto algoritmai dinamiškai reguliuoja traukimo greitį, temperatūros gradientus ir kt., padidindami našumą nuo 85 % iki 93 %;
• Padidinkite tiglio dydį iki 36 colių, kad būtų galima pagaminti 2800 kg vienos partijos žaliavos, sumažinant energijos suvartojimą iki 80 kWh/kg

1. ‌Tvarumas ir išteklių atkūrimas‌

• Regeneruoti rūgštinio plovimo atliekas jonų mainų būdu (Cd atgavimas ≥99,5 %);
• Išmetamosios dujos apdorojamos aktyvuotos anglies adsorbcija + šarminiu šveitimu (Cd garų atgavimas ≥98 %)

Santrauka

Kadmio kristalų auginimo ir gryninimo procesas apjungia hidrometalurgiją, aukštoje temperatūroje vykstantį fizikinį rafinavimą ir tikslaus kristalų auginimo technologijas. Rūgštinio išplovimo, zoninio rafinavimo, elektrolizės, vakuuminės distiliacijos ir Czochralski auginimo – kartu su automatizavimu ir ekologiškomis praktikomis – tai leidžia stabiliai gaminti 6N klasės itin grynus kadmio monokristalus. Jie atitinka branduolinių detektorių, fotovoltinių medžiagų ir pažangių puslaidininkinių įtaisų poreikius. Būsimi patobulinimai bus sutelkti į didelio masto kristalų auginimą, tikslinį priemaišų atskyrimą ir mažai anglies dioksido išskiriančią gamybą.