Pasos y parámetros del proceso de cadmio

I. Pretratamiento de la materia prima y purificación primaria

1. ‌Preparación de materia prima de cadmio de alta pureza‌

• ‌Lavado con ácidoSumerja los lingotes de cadmio de grado industrial en una solución de ácido nítrico al 5-10 % a 40-60 °C durante 1-2 horas para eliminar los óxidos superficiales y las impurezas metálicas. Enjuáguelos con agua desionizada hasta alcanzar un pH neutro y séquelos al vacío.
• ‌Lixiviación hidrometalúrgica‌: Tratar los residuos que contienen cadmio (p. ej., escoria de cobre-cadmio) con ácido sulfúrico (concentración del 15-20 %) a 80-90 °C durante 4-6 horas, logrando una eficiencia de lixiviación de cadmio ≥95 %. Filtrar y añadir polvo de zinc (razón estequiométrica 1,2-1,5 veces mayor) para el desplazamiento y obtener cadmio esponjado.

1. ‌Fusión y colada‌

• Cargar cadmio esponjoso en crisoles de grafito de alta pureza, fundir en atmósfera de argón a 320-350 °C y verter en moldes de grafito para enfriamiento lento. Formar lingotes con una densidad ≥8,65 g/cm³.

II. Refinación de zonas

1. ‌Equipo y parámetros‌

• Se utilizan hornos de fusión de zona flotante horizontal con un ancho de zona fundida de 5-8 mm, una velocidad de desplazamiento de 3-5 mm/h y 8-12 pasadas de afinación. Gradiente de temperatura: 50-80 °C/cm; vacío ≤10⁻³ Pa‌
• ‌Segregación de impurezas‌: Las pasadas repetidas por zona concentran el plomo, el zinc y otras impurezas en la cola del lingote. Se elimina la sección final rica en impurezas (entre el 15 % y el 20 %), lo que permite alcanzar una pureza intermedia ≥99,999 %.

1. ‌Controles clave‌

• Temperatura de la zona fundida: 400-450 °C (ligeramente por encima del punto de fusión del cadmio de 321 °C);
• Velocidad de enfriamiento: 0,5-1,5 °C/min para minimizar los defectos de la red;
• Caudal de argón: 10-15 L/min para evitar la oxidación

III. Refinación electrolítica

1. ‌Formulación de electrolitos‌

• Composición del electrolito: sulfato de cadmio (CdSO₄, 80-120 g/L) y ácido sulfúrico (pH 2-3), con 0,01-0,05 g/L de gelatina añadida para mejorar la densidad de depósito del cátodo.

1. ‌Parámetros del proceso‌

• Ánodo: Placa de cadmio crudo; Cátodo: Placa de titanio;
• Densidad de corriente: 80-120 A/m²; Voltaje de celda: 2,0-2,5 V;
• Temperatura de electrólisis: 30-40 °C; Duración: 48-72 horas; Pureza del cátodo ≥99,99 %

IV. Destilación por reducción al vacío

1. ‌Reducción y separación a alta temperatura‌

• Colocar los lingotes de cadmio en un horno de vacío (presión ≤10⁻² Pa), añadir hidrógeno como reductor y calentar a 800-1000 °C para reducir los óxidos de cadmio a cadmio gaseoso. Temperatura del condensador: 200-250 °C; Pureza final ≥99,9995 %.

1. ‌Eficacia en la eliminación de impurezas‌

• Plomo residual, cobre y otras impurezas metálicas ≤0,1 ppm;
• Contenido de oxígeno ≤5 ppm

Crecimiento de monocristales de V. Czochralski

1. ‌Control de fusión y preparación de cristales semilla‌

• Cargar lingotes de cadmio de alta pureza en crisoles de cuarzo de alta pureza y fundirlos en argón a 340-360 °C. Utilizar semillas de cadmio monocristalinas con orientación <100> (diámetro de 5-8 mm), pre-recocidas a 800 °C para eliminar la tensión interna.

1. ‌Parámetros de extracción de cristales‌

• Velocidad de tracción: 1,0-1,5 mm/min (etapa inicial), 0,3-0,5 mm/min (crecimiento en estado estable);
• Rotación del crisol: 5-10 rpm (contrarrotación);
• Gradiente de temperatura: 2-5 °C/mm; Fluctuación de temperatura de la interfaz sólido-líquido ≤±0,5 °C

1. ‌Técnicas de supresión de defectos‌

• ‌Asistencia del campo magnético‌: Aplicar un campo magnético axial de 0,2-0,5 T para suprimir la turbulencia de la masa fundida y reducir las estrías de impurezas;
• ‌Enfriamiento controlado‌: La tasa de enfriamiento posterior al crecimiento de 10-20 °C/h minimiza los defectos de dislocación causados ​​por el estrés térmico.

VI. Posprocesamiento y control de calidad

1. ‌Mecanizado de cristales‌

• ‌Corte‌: Utilice sierras de alambre de diamante para cortar obleas de 0,5 a 1,0 mm a una velocidad de alambre de 20 a 30 m/s;
• ‌Pulido‌: Pulido químico mecánico (CMP) con mezcla de ácido nítrico-etanol (relación vol. 1:5), logrando rugosidad superficial Ra ≤0,5 nm.

1. ‌Estándares de calidad‌

• ‌Pureza‌: GDMS (espectrometría de masas de descarga luminiscente) confirma Fe, Cu, Pb ≤0,1 ppm;
• ‌Resistividad‌: ≤5×10⁻⁸ Ω·m (pureza ≥99,9999%);
• ‌Orientación cristalográfica‌: Desviación <0,5°; Densidad de dislocación ≤10³/cm²

VII. Direcciones de optimización de procesos

1. ‌Eliminación de impurezas dirigida‌

• Utilice resinas de intercambio iónico para la adsorción selectiva de Cu, Fe, etc., combinadas con refinación por zonas de múltiples etapas para lograr una pureza de grado 6N (99,9999 %)

1. ‌Actualizaciones de automatización‌

• Los algoritmos de IA ajustan dinámicamente la velocidad de tracción, los gradientes de temperatura, etc., aumentando el rendimiento del 85% al ​​93%;
• Ampliar el tamaño del crisol a 36 pulgadas, lo que permite una materia prima de lote único de 2800 kg, reduciendo el consumo de energía a 80 kWh/kg

1. ‌Sostenibilidad y recuperación de recursos‌

• Regenerar los residuos de lavado ácido mediante intercambio iónico (recuperación de Cd ≥99,5%);
• Tratar los gases de escape con adsorción de carbón activado + depuración alcalina (recuperación de vapor de Cd ≥98%)

Resumen

El proceso de crecimiento y purificación de cristales de cadmio integra hidrometalurgia, refinación física a alta temperatura y tecnologías de crecimiento de cristales de precisión. Mediante lixiviación ácida, refinación por zonas, electrólisis, destilación al vacío y crecimiento de Czochralski, junto con la automatización y prácticas ecológicas, permite la producción estable de monocristales de cadmio de ultraalta pureza grado 6N. Estos satisfacen la demanda de detectores nucleares, materiales fotovoltaicos y dispositivos semiconductores avanzados. Los avances futuros se centrarán en el crecimiento de cristales a gran escala, la separación selectiva de impurezas y la producción con bajas emisiones de carbono.