Stappen en parameters van het cadmiumproces

I. Voorbehandeling en primaire zuivering van de grondstoffen

1. ‌Voorbereiding van hoogzuivere cadmiumgrondstof‌

• ‌ZuurwassenDompel industriële cadmiumstaven gedurende 1-2 uur onder in een 5-10% salpeterzuuroplossing bij 40-60 °C om oppervlakteoxiden en metaalverontreinigingen te verwijderen. Spoel af met gedemineraliseerd water tot een neutrale pH en droog onder vacuüm.
• ‌Hydrometallurgische uitlogingBehandel cadmiumhoudend afval (bijv. koper-cadmiumslak) met zwavelzuur (15-20% concentratie) bij 80-90 °C gedurende 4-6 uur, waarbij een cadmiumuitlogingsrendement van ≥95% wordt bereikt. Filter het mengsel en voeg zinkpoeder (1,2-1,5 keer de stoichiometrische verhouding) toe ter vervanging om sponscadmium te verkrijgen.

1. ‌Smelten en gieten‌

• Doe cadmiumspons in zeer zuivere grafietkroezen, smelt het onder een argonatmosfeer bij 320-350 °C en giet het in grafietvormen voor langzame afkoeling. Vorm staven met een dichtheid van ≥8,65 g/cm³.

II. Zoneraffinage

1. ‌Apparatuur en parameters‌

• Gebruik horizontale zweefzone-smeltovens met een smeltzonebreedte van 5-8 mm, een doorloopsnelheid van 3-5 mm/u en 8-12 raffinagegangen. Temperatuurgradiënt: 50-80 °C/cm; vacuüm ≤ 10⁻³ Pa‌
• ‌OnzuiverheidsscheidingDoor herhaalde zonepassages worden lood, zink en andere onzuiverheden aan het uiteinde van de gietling geconcentreerd. Het laatste, onzuiverheidsrijke gedeelte van 15-20% wordt verwijderd, waardoor een tussenzuiverheid van ≥99,999% wordt bereikt.

1. ‌Belangrijkste bedieningselementen‌

• Temperatuur van de smeltzone: 400-450 °C (iets boven het smeltpunt van cadmium van 321 °C);
• Afkoelsnelheid: 0,5-1,5 °C/min om roosterdefecten te minimaliseren;
• Argonstroomsnelheid: 10-15 l/min om oxidatie te voorkomen.

III. Elektrolytische raffinage

1. ‌Elektrolytformulering‌

• Samenstelling van de elektrolyt: Cadmiumsulfaat (CdSO₄, 80-120 g/L) en zwavelzuur (pH 2-3), met 0,01-0,05 g/L gelatine toegevoegd om de dichtheid van de kathodeafzetting te verhogen.

1. ‌Procesparameters‌

• Anode: Ruwe cadmiumplaat; Kathode: Titaniumplaat;
• Stroomdichtheid: 80-120 A/m²; Celspanning: 2,0-2,5 V;
• Elektrolysetemperatuur: 30-40 °C; Duur: 48-72 uur; Kathodezuiverheid ≥99,99%

IV. Vacuümreductiedestillatie

1. ‌Reductie en scheiding bij hoge temperaturen‌

• Plaats cadmiumstaven in een vacuümoven (druk ≤10⁻² Pa), voeg waterstof toe als reductiemiddel en verhit tot 800-1000 °C om cadmiumoxiden te reduceren tot gasvormig cadmium. Condensortemperatuur: 200-250 °C; Eindzuiverheid ≥99,9995%.

1. ‌Effectiviteit van het verwijderen van onzuiverheden‌

• Resterend lood, koper en andere metaalverontreinigingen ≤0,1 ppm;
• Zuurstofgehalte ≤5 ppm

V. Czochralski Eenkristalgroei

1. ‌Smeltbeheersing en voorbereiding van zaadkristallen‌

• Plaats cadmiumstaven van hoge zuiverheid in kwartskroezen van hoge zuiverheid en smelt ze onder argon bij 340-360 °C. Gebruik cadmiumzaadkristallen met een <100>-oriëntatie (diameter 5-8 mm), die vooraf zijn gegloeid bij 800 °C om interne spanningen te elimineren.

1. ‌Parameters voor kristaltrekking‌

• Treksnelheid: 1,0-1,5 mm/min (beginfase), 0,3-0,5 mm/min (stabiele groeifase);
• Rotatie van de smeltkroes: 5-10 omwentelingen per minuut (tegenrotatie);
• Temperatuurgradiënt: 2-5 °C/mm; temperatuurschommeling aan het grensvlak vast-vloeistof ≤ ± 0,5 °C

1. ‌Technieken voor het onderdrukken van defecten‌

• ‌Magnetische veldondersteuning‌: Pas een axiaal magnetisch veld van 0,2-0,5 T toe om turbulentie in het smeltbad te onderdrukken en onzuiverheidsstrepen te verminderen;
• ‌Gecontroleerde koelingEen afkoelsnelheid van 10-20 °C/u na de groei minimaliseert dislocatiedefecten die worden veroorzaakt door thermische spanning.

VI. Nabewerking en kwaliteitscontrole

1. ‌Kristalbewerking‌

• ‌Snijden‌: Gebruik diamantdraadzagen om plakjes van 0,5-1,0 mm te snijden met een draadsnelheid van 20-30 m/s;
• ‌PolijstenChemisch-mechanisch polijsten (CMP) met een mengsel van salpeterzuur en ethanol (volumeverhouding 1:5), waarbij een oppervlakteruwheid Ra ≤0,5 nm wordt bereikt.

1. ‌Kwaliteitsnormen‌

• ‌Zuiverheid‌: GDMS (Glow Discharge Mass Spectrometry) bevestigt dat Fe, Cu en Pb ≤0,1 ppm zijn;
• ‌Soortelijke weerstand‌: ≤5×10⁻⁸ Ω·m (zuiverheid ≥99,9999%);
• ‌Kristallografische oriëntatie‌: Afwijking <0,5°; Dislocatiedichtheid ≤10³/cm²

VII. Richtlijnen voor procesoptimalisatie

1. ‌Gerichte verwijdering van onzuiverheden‌

• Gebruik ionenwisselingsharsen voor selectieve adsorptie van Cu, Fe, enz., in combinatie met meertrapszonezuivering om een ​​6N-zuiverheid (99,9999%) te bereiken.

1. ‌Automatiseringsupgrades‌

• AI-algoritmes passen dynamisch de treksnelheid, temperatuurgradiënten, enz. aan, waardoor de opbrengst stijgt van 85% naar 93%;
• Vergroot de smeltkroesgrootte tot 36 inch, waardoor in één batch 2800 kg grondstof verwerkt kan worden en het energieverbruik daalt tot 80 kWh/kg.

1. ‌Duurzaamheid en hergebruik van grondstoffen‌

• Regenereer het afvalwater van de zuurwas via ionenuitwisseling (Cd-terugwinning ≥99,5%);
• Behandel uitlaatgassen met adsorptie van actieve kool + alkalische gaswassing (terugwinning van cadmiumdamp ≥98%)

Samenvatting

Het proces voor de groei en zuivering van cadmiumkristallen integreert hydrometallurgie, hogetemperatuur-fysische raffinage en precisiekristalgroeitechnologieën. Door middel van zure uitloging, zone-raffinage, elektrolyse, vacuümdestillatie en Czochralski-groei – in combinatie met automatisering en milieuvriendelijke werkwijzen – maakt het een stabiele productie mogelijk van ultrazuivere cadmium-eenkristallen van 6N-kwaliteit. Deze voldoen aan de eisen voor kerndetectoren, fotovoltaïsche materialen en geavanceerde halfgeleiderapparaten. Toekomstige ontwikkelingen zullen zich richten op grootschalige kristalgroei, gerichte scheiding van onzuiverheden en koolstofarme productie.