Růst a čištění krystalů telluru 7N

Růst a čištění krystalů telluru 7N

I. Předúprava a předběžné čištění surovin

1. ‌Výběr surovin a drcení‌

• ‌Materiální požadavkyJako surovinu použijte telurovou rudu nebo anodový kal (obsah Te ≥5 %), nejlépe anodový kal z tavení mědi (obsahující Cu₂Te, Cu₂Se).
• ‌Proces předúpravy:
• Hrubé drcení na velikost částic ≤ 5 mm, následované mletím v kulovém mletí na velikost částic ≤ 200 mesh;
• Magnetická separace (intenzita magnetického pole ≥0,8 T) pro odstranění Fe, Ni a dalších magnetických nečistot;
• Pěnová flotace (pH = 8-9, xanthátové sběrače) k oddělení SiO₂, CuO a dalších nemagnetických nečistot.
• ‌OpatřeníBěhem mokré předúpravy (před pražením je nutné sušení) se vyhněte vniknutí vlhkosti; vlhkost okolí musí být ≤30 %.

1. ‌Pyrometalurgické pražení a oxidace‌

• ‌Parametry procesu:
• Teplota oxidačního pražení: 350–600 °C (stupňovitá regulace: nízká teplota pro odsiřování, vysoká teplota pro oxidaci);
• Doba pražení: 6–8 hodin, s průtokem O₂ 5–10 l/min;
• Činidlo: Koncentrovaná kyselina sírová (98% H₂SO₄), hmotnostní poměr Te₂SO₄ = 1:1,5.
• ‌Chemická reakce:
  Cu2Te+2O2+2H2SO4→2CuSO4+TeO2+2H2OCu2​Te+2O2​+2H2​SO4​→2CuSO4​+TeO2​+2H2​O
• ‌Opatření‌: Regulujte teplotu ≤600 °C, aby se zabránilo odpařování TeO₂ (bod varu 387 °C); odpadní plyn upravte pomocí praček NaOH.

II. Elektrorafinace a vakuová destilace

1. ‌Elektrolytická rafinace‌

• ‌Elektrolytický systém:
• Složení elektrolytu: H₂SO₄ (80–120 g/l), TeO₂ (40–60 g/l), přísada (želatina 0,1–0,3 g/l);
• Regulace teploty: 30–40 °C, cirkulační průtok 1,5–2 m³/h.
• ‌Parametry procesu:
• Proudová hustota: 100–150 A/m², napětí článku 0,2–0,4 V;
• Rozteč elektrod: 80–120 mm, tloušťka katodového nanášení 2–3 mm/8 h;
• Účinnost odstraňování nečistot: Cu ≤ 5 ppm, Pb ≤ 1 ppm.
• ‌OpatřeníPravidelně filtrujte elektrolyt (přesnost ≤ 1 μm); mechanicky leštěte povrchy anod, abyste zabránili pasivaci.

1. ‌Vakuová destilace‌

• ‌Parametry procesu:
• Úroveň vakua: ≤1×10⁻²Pa, destilační teplota 600–650 °C;
• Teplota kondenzační zóny: 200–250 °C, účinnost kondenzace páry Te ≥95 %;
• Doba destilace: 8–12 hodin, kapacita jedné dávky ≤50 kg.
• ‌Distribuce nečistotNízkovroucí nečistoty (Se, S) se hromadí na čele kondenzátoru; vysokovroucí nečistoty (Pb, Ag) zůstávají ve zbytcích.
• ‌Opatření‌: Před ohřevem napumpujte vakuový systém na ≤5×10⁻³Pa, aby se zabránilo oxidaci Te.

III. Růst krystalů (směrová krystalizace)

1. ‌Konfigurace zařízení‌

• ‌Modely pecí pro růst krystalůTDR-70A/B (nosnost 30 kg) nebo TRDL-800 (nosnost 60 kg);
• Materiál kelímku: Vysoce čistý grafit (obsah popela ≤5 ppm), rozměry Φ300×400 mm;
• Způsob ohřevu: Grafitový odporový ohřev, maximální teplota 1200 °C.

1. ‌Parametry procesu‌

• ‌Kontrola tavení:
• Teplota tání: 500–520 °C, hloubka tavné lázně 80–120 mm;
• Ochranný plyn: Ar (čistota ≥99,999 %), průtok 10–15 l/min.
• ‌Parametry krystalizace:
• Rychlost tahání: 1–3 mm/h, rychlost otáčení krystalu 8–12 ot./min.
• Teplotní gradient: Axiální 30–50 °C/cm, radiální ≤ 10 °C/cm;
• Způsob chlazení: Vodou chlazená měděná základna (teplota vody 20–25 °C), horní radiační chlazení.

1. ‌Kontrola nečistot‌

• ‌Segregační efektNečistoty jako Fe, Ni (segregační koeficient <0,1) se hromadí na hranicích zrn;
• ‌Cykly přetavování3–5 cyklů, konečný obsah celkových nečistot ≤0,1 ppm.

1. ‌Opatření:

• Povrch taveniny zakryjte grafitovými deskami, aby se potlačilo odpařování Te (míra ztrát ≤ 0,5 %).
• Sledování průměru krystalu v reálném čase pomocí laserových měřidel (přesnost ±0,1 mm);
• Zabraňte kolísání teploty >±2 °C, abyste zabránili zvýšení hustoty dislokací (cíl ≤10³/cm²).

IV. Kontrola kvality a klíčové metriky

V. Protokoly o ochraně životního prostředí a bezpečnosti

1. ‌Čištění výfukových plynů:

• Pražení výfukových plynů: Neutralizujte SO₂ a SeO₂ pomocí praček NaOH (pH ≥ 10);
• Odpad z vakuové destilace: Kondenzace a regenerace páry Te; zbytkové plyny adsorbované aktivním uhlím.

1. ‌Recyklace strusky:

• Anodový kal (obsahující Ag, Au): Získání hydrometalurgií (systém H₂SO₄-HCl);
• Zbytky z elektrolýzy (obsahující Pb, Cu): Návrat do systémů tavení mědi.

1. ‌Bezpečnostní opatření:

• Obsluha musí nosit plynové masky (páry Te jsou toxické); udržovat podtlakovou ventilaci (výměna vzduchu ≥10 cyklů/h).

Pokyny pro optimalizaci procesů

1. ‌Adaptace surovinDynamicky upravujte teplotu pražení a poměr kyselin na základě zdrojů anodového kalu (např. tavení mědi vs. olova);
2. ‌Přizpůsobení rychlosti tahání krystalů‌: Upravte rychlost tažení podle konvekce taveniny (Reynoldsovo číslo Re≥2000), abyste potlačili konstituční podchlazení;
3. ‌Energetická účinnost‌: Použijte dvouteplotní zónové ohřevy (hlavní zóna 500 °C, podzóna 400 °C) pro snížení spotřeby energie grafitového rezistoru o 30 %.