Kroky a parametry procesu výroby kadmia

I. Předúprava surovin a primární čištění

1. ‌Příprava vysoce čistého kadmia jako vstupní suroviny‌

• ‌Kyselé mytíPonořte kadmiové ingoty průmyslové kvality do 5%-10% roztoku kyseliny dusičné o teplotě 40-60 °C na 1-2 hodiny, abyste odstranili povrchové oxidy a kovové nečistoty. Opláchněte deionizovanou vodou do neutrálního pH a osušte vysavačem.
• ‌Hydrometalurgické louženíOdpad obsahující kadmium (např. měď-kadmiová struska) se upravuje kyselinou sírovou (koncentrace 15–20 %) při teplotě 80–90 °C po dobu 4–6 hodin, čímž se dosáhne účinnosti vyluhování kadmia ≥95 %. Přefiltruje se a pro vytěsnění se přidá zinkový prášek (1,2–1,5násobek stechiometrického poměru), čímž se získá houba kadmia.

1. ‌Tavení a odlévání‌

• Do vysoce čistých grafitových kelímků se naplní houbovitý kadmium, roztaví se v argonové atmosféře při teplotě 320–350 °C a nalije se do grafitových forem pro pomalé ochlazování. Vytvoří se ingoty s hustotou ≥8,65 g/cm³.

II. Zónová rafinace

1. ‌Vybavení a parametry‌

• Používejte horizontální tavicí pece s plovoucí zónou s šířkou roztavené zóny 5–8 mm, rychlostí posuvu 3–5 mm/h a 8–12 rafinačními průchody. Teplotní gradient: 50–80 °C/cm; vakuum ≤10⁻³ Pa‌
• ‌Segregace nečistot‌: Opakované zóny procházejí koncentrací olova, zinku a dalších nečistot na konci ingotu. Odstraní se poslední sekce bohatá na nečistoty s 15–20 %, čímž se dosáhne střední čistoty ≥99,999 %.

1. ‌Klíčové ovládací prvky‌

• Teplota roztavené zóny: 400–450 °C (mírně nad bodem tání kadmia 321 °C);
• Rychlost ochlazování: 0,5–1,5 °C/min pro minimalizaci mřížkových vad;
• Průtok argonu: 10-15 l/min, aby se zabránilo oxidaci

III. Elektrolytická rafinace

1. ‌Složení elektrolytu‌

• Složení elektrolytu: Síran kademnatý (CdSO₄, 80–120 g/l) a kyselina sírová (pH 2–3) s přídavkem želatiny v množství 0,01–0,05 g/l pro zvýšení hustoty katodového depozitu

1. ‌Parametry procesu‌

• Anoda: deska ze surového kadmia; katoda: deska z titanu;
• Proudová hustota: 80–120 A/m²; Napětí článku: 2,0–2,5 V;
• Teplota elektrolýzy: 30–40 °C; Doba trvání: 48–72 hodin; Čistota katody ≥99,99 %

IV. Vakuová redukční destilace

1. ‌Redukce a separace za vysokých teplot‌

• Kadmiové ingoty se umístí do vakuové pece (tlak ≤10⁻² Pa), zavede se vodík jako redukční činidlo a zahřeje se na 800–1000 °C, aby se oxidy kadmia redukovaly na plynné kadmium. Teplota kondenzátoru: 200–250 °C; konečná čistota ≥99,9995 %

1. ‌Účinnost odstraňování nečistot‌

• Zbytkové olovo, měď a další kovové nečistoty ≤0,1 ppm;
• Obsah kyslíku ≤5 ppm

V. Czochralski Růst monokrystalů

1. ‌Řízení taveniny a příprava zárodečných krystalů‌

• Vložte vysoce čisté ingoty kadmia do vysoce čistých křemenných kelímků a tavte pod argonem při teplotě 340–360 °C. Použijte monokrystalická semena kadmia s orientací <100> (průměr 5–8 mm), předem žíhaná při 800 °C pro eliminaci vnitřního pnutí.

1. ‌Parametry tažení krystalů‌

• Rychlost tahání: 1,0–1,5 mm/min (počáteční fáze), 0,3–0,5 mm/min (ustálený růst);
• Otáčení kelímku: 5–10 ot./min (protiběžné otáčení);
• Teplotní gradient: 2–5 °C/mm; Kolísání teploty rozhraní pevná látka-kapalina ≤ ± 0,5 °C

1. ‌Techniky potlačení defektů‌

• ‌Pomoc s magnetickým polem‌: Aplikujte axiální magnetické pole o síle 0,2–0,5 T k potlačení turbulence taveniny a snížení ryhování nečistot;
• ‌Řízené chlazeníRychlost ochlazování po růstu 10–20 °C/h minimalizuje dislokační defekty způsobené tepelným namáháním.

VI. Následné zpracování a kontrola kvality

1. ‌Obrábění krystalů‌

• ‌Řezání‌: Pomocí diamantových lanových pil řezte destičky o tloušťce 0,5–1,0 mm rychlostí drátu 20–30 m/s;
• ‌LeštěníChemicko-mechanické leštění (CMP) směsí kyseliny dusičné a ethanolu (poměr obj. 1:5), dosažení drsnosti povrchu Ra ≤ 0,5 nm.

1. ‌Standardy kvality‌

• ‌ČistotaGDMS (hmotnostní spektrometrie s doutnavým výbojem) potvrzuje Fe, Cu, Pb ≤ 0,1 ppm;
• ‌Odpor‌: ≤5×10⁻⁸ Ω·m (čistota ≥99,9999 %);
• ‌Krystalografická orientaceOdchylka <0,5°; Hustota dislokací ≤10³/cm²

VII. Směry optimalizace procesů

1. ‌Cílené odstraňování nečistot‌

• Pro selektivní adsorpci Cu, Fe atd. použijte iontoměničové pryskyřice v kombinaci s vícestupňovou zónovou rafinací k dosažení čistoty stupně 6N (99,9999 %).

1. ‌Vylepšení automatizace‌

• Algoritmy umělé inteligence dynamicky upravují rychlost tažení, teplotní gradienty atd., čímž zvyšují výtěžnost z 85 % na 93 %;
• Zvětšení velikosti kelímku na 36 palců (91 cm), což umožňuje jednorázovou výrobu suroviny o objemu 2800 kg a snížení spotřeby energie na 80 kWh/kg.

1. ‌Udržitelnost a obnova zdrojů‌

• Regenerujte odpad z kyselého praní pomocí iontové výměny (výtěžnost Cd ≥99,5 %);
• Čištění výfukových plynů adsorpcí s aktivním uhlím + alkalickým čištěním (regenerace par Cd ≥98 %)

Shrnutí

Proces růstu a čištění krystalů kadmia integruje hydrometalurgii, vysokoteplotní fyzikální rafinaci a technologie přesného růstu krystalů. Prostřednictvím kyselého loužení, zónové rafinace, elektrolýzy, vakuové destilace a Czochralského růstu – ve spojení s automatizací a ekologickými postupy – umožňuje stabilní produkci ultračistých monokrystalů kadmia třídy 6N. Ty splňují požadavky na jaderné detektory, fotovoltaické materiály a pokročilé polovodičové součástky. Budoucí pokrok se zaměří na růst krystalů ve velkém měřítku, cílenou separaci nečistot a nízkouhlíkovou výrobu.