Этапы и параметры кадмиевого процесса

I. Предварительная обработка и первичная очистка сырья

1. ‌Подготовка сырья для получения кадмия высокой чистоты‌

• ‌Кислотная промывка‌: Погрузите слитки промышленного кадмия в 5%-10% раствор азотной кислоты при температуре 40-60°C на 1-2 часа для удаления поверхностных оксидов и металлических примесей. Промойте деионизированной водой до нейтрального pH и высушите вакуумом.
• ‌Гидрометаллургическое выщелачивание‌: Обработать отходы, содержащие кадмий (например, медно-кадмиевый шлак), серной кислотой (концентрация 15-20%) при температуре 80-90°C в течение 4-6 часов, достигая эффективности выщелачивания кадмия ≥95%. Отфильтровать и добавить цинковый порошок (в 1,2-1,5 раза больше стехиометрического соотношения) для вытеснения, чтобы получить губчатый кадмий‌

1. ‌Плавка и литье‌

• Губчатый кадмий загружают в тигли из высокочистого графита, расплавляют в атмосфере аргона при температуре 320-350°С и разливают в графитовые формы для медленного охлаждения. Формируют слитки плотностью ≥8,65 г/см³

II. Зонная очистка

1. ‌Оборудование и параметры‌

• Используйте горизонтальные плавильные печи с плавающей зоной с шириной зоны плавления 5-8 мм, скоростью перемещения 3-5 мм/ч и 8-12 проходами очистки. Температурный градиент: 50-80°C/см; вакуум ≤10⁻³ Па‌
• ‌Разделение примесей‌: Повторные проходы зоны концентрируют свинец, цинк и другие примеси в хвосте слитка. Удаляют последние 15-20% примесей, достигая промежуточной чистоты ≥99,999%

1. ‌Ключевые элементы управления‌

• Температура зоны расплава: 400-450°C (немного выше температуры плавления кадмия 321°C);
• Скорость охлаждения: 0,5-1,5°С/мин для минимизации дефектов решетки;
• Расход аргона: 10-15 л/мин для предотвращения окисления

III. Электролитическое рафинирование

1. ‌Состав электролита‌

• Состав электролита: сульфат кадмия (CdSO₄, 80-120 г/л) и серная кислота (pH 2-3), с добавлением 0,01-0,05 г/л желатина для повышения плотности катодного осадка‌

1. ‌Параметры процесса‌

• Анод: пластина из сырого кадмия; Катод: пластина из титана;
• Плотность тока: 80-120 А/м²; Напряжение элемента: 2,0-2,5 В;
• Температура электролиза: 30-40°C; Продолжительность: 48-72 часа; Чистота катода ≥99,99%‌

IV. Вакуумная редукционная дистилляция

1. ‌Высокотемпературное восстановление и разделение‌

• Поместите слитки кадмия в вакуумную печь (давление ≤10⁻² Па), введите водород в качестве восстановителя и нагрейте до 800-1000°C для восстановления оксидов кадмия до газообразного кадмия. Температура конденсатора: 200-250°C; Конечная чистота ≥99,9995%

1. ‌Эффективность удаления примесей‌

• Остаточное содержание свинца, меди и других металлических примесей ≤0,1 ppm;
• Содержание кислорода ≤5 ppm‌

В. Чохральский Выращивание монокристаллов

1. ‌Контроль расплава и подготовка затравочных кристаллов‌

• Загрузите слитки высокочистого кадмия в тигли из высокочистого кварца, расплавьте в атмосфере аргона при температуре 340-360°C. Используйте монокристаллические затравки кадмия с ориентацией <100> (диаметром 5-8 мм), предварительно отожженные при 800°C для устранения внутренних напряжений.

1. ‌Параметры вытягивания кристаллов‌

• Скорость вытягивания: 1,0-1,5 мм/мин (начальная стадия), 0,3-0,5 мм/мин (устойчивый рост);
• Вращение тигля: 5-10 об./мин (противовращение);
• Температурный градиент: 2-5°C/мм; Колебание температуры на границе раздела твердое тело-жидкость ≤±0,5°C‌

1. ‌Методы подавления дефектов‌

• ‌Помощь магнитного поля‌: Применить аксиальное магнитное поле 0,2–0,5 Тл для подавления турбулентности расплава и уменьшения примесных полос;
• ‌Управляемое охлаждение‌: Скорость охлаждения после роста 10–20 °C/ч сводит к минимуму дефекты дислокации, вызванные термическим напряжением‌.

VI. Постобработка и контроль качества

1. ‌Обработка Кристаллов‌

• ‌Резка‌: Используйте алмазные проволочные пилы для резки на пластины толщиной 0,5–1,0 мм со скоростью проволоки 20–30 м/с;
• ‌Полировка‌: Химико-механическая полировка (ХМП) смесью азотной кислоты и этанола (объемное соотношение 1:5), достигающая шероховатости поверхности Ra ≤0,5 нм.

1. ‌Стандарты качества‌

• ‌Чистота‌: GDMS (масс-спектрометрия с тлеющим разрядом) подтверждает содержание Fe, Cu, Pb ≤0,1 ppm;
• ‌Удельное сопротивление‌: ≤5×10⁻⁸ Ом·м (чистота ≥99,9999%);
• ‌Кристаллографическая ориентация‌: Отклонение <0,5°; Плотность дислокаций ≤10³/см²

VII. Направления оптимизации процесса

1. ‌Целенаправленное удаление примесей‌

• Использовать ионообменные смолы для селективной адсорбции Cu, Fe и т. д. в сочетании с многоступенчатой ​​зонной очисткой для достижения чистоты класса 6N (99,9999%)‌

1. ‌Модернизация автоматизации‌

• Алгоритмы ИИ динамически регулируют скорость вытягивания, температурные градиенты и т. д., увеличивая выход продукции с 85% до 93%;
• Увеличить размер тигля до 36 дюймов, что позволит обрабатывать 2800 кг сырья за одну партию, снизив потребление энергии до 80 кВт·ч/кг.

1. ‌Устойчивое развитие и восстановление ресурсов‌

• Регенерация кислотных промывочных отходов методом ионного обмена (извлечение Cd ≥99,5%);
• Очистка выхлопных газов методом адсорбции активированным углем + щелочная очистка (улавливание паров Cd ≥98%)‌

Краткое содержание

Процесс выращивания и очистки кристаллов кадмия объединяет гидрометаллургию, высокотемпературную физическую очистку и технологии точного выращивания кристаллов. Благодаря кислотному выщелачиванию, зонной очистке, электролизу, вакуумной дистилляции и выращиванию по методу Чохральского — в сочетании с автоматизацией и экологически чистыми методами — он обеспечивает стабильное производство монокристаллов кадмия сверхвысокой чистоты марки 6N. Они отвечают требованиям ядерных детекторов, фотоэлектрических материалов и современных полупроводниковых приборов. Будущие достижения будут сосредоточены на крупномасштабном выращивании кристаллов, целевом разделении примесей и низкоуглеродном производстве.