7N Tellurkristallwachstum und -reinigung

7N Tellurkristallwachstum und -reinigung

I. Rohstoffvorbehandlung und Vorreinigung

1. ‌Rohstoffauswahl und Zerkleinerung‌

• ‌Materialanforderungen‌: Verwenden Sie Tellurerz oder Anodenschlamm (Te-Gehalt ≥ 5 %), vorzugsweise Anodenschlamm aus der Kupferschmelze (enthält Cu₂Te, Cu₂Se) als Rohstoff.
• ‌Vorbehandlungsprozess‌:
• Grobzerkleinern auf eine Partikelgröße von ≤ 5 mm, anschließend Kugelmahlen auf ≤ 200 Maschenweite;
• Magnetische Trennung (Magnetfeldstärke ≥0,8T) zum Entfernen von Fe, Ni und anderen magnetischen Verunreinigungen;
• Schaumflotation (pH=8-9, Xanthatsammler) zur Trennung von SiO₂, CuO und anderen nichtmagnetischen Verunreinigungen.
• ‌Vorsichtsmaßnahmen‌: Vermeiden Sie die Zufuhr von Feuchtigkeit während der Nassvorbehandlung (Trocknen vor dem Rösten erforderlich); kontrollieren Sie die Umgebungsfeuchtigkeit auf ≤ 30 %.

1. ‌Pyrometallurgisches Rösten und Oxidieren‌

• ‌Prozessparameter‌:
• Oxidationsrösttemperatur: 350–600 °C (gestufte Regelung: niedrige Temperatur zur Entschwefelung, hohe Temperatur zur Oxidation);
• Röstdauer: 6–8 Stunden, bei einer O₂-Flussrate von 5–10 l/min;
• Reagenz: Konzentrierte Schwefelsäure (98 % H₂SO₄), Massenverhältnis Te₂SO₄ = 1:1,5 .
• ‌Chemische Reaktion‌:
  Cu2Te+2O2+2H2SO4→2CuSO4+TeO2+2H2OCu2​Te+2O2​+2H2​SO4​→2CuSO4​+TeO2​+2H2​O
• ‌Vorsichtsmaßnahmen‌: Kontrolltemperatur ≤600 °C, um eine Verflüchtigung von TeO₂ zu verhindern (Siedepunkt 387 °C); Abgas mit NaOH-Wäschern behandeln.

II. Elektroraffination und Vakuumdestillation

1. ‌Elektroraffination‌

• ‌Elektrolytsystem‌:
• Elektrolytzusammensetzung: H₂SO₄ (80–120 g/l), TeO₂ (40–60 g/l), Zusatzstoff (Gelatine 0,1–0,3 g/l);
• Temperaturregelung: 30–40°C, Umwälzleistung 1,5–2 m³/h.
• ‌Prozessparameter‌:
• Stromdichte: 100–150 A/m², Zellspannung 0,2–0,4 V;
• Elektrodenabstand: 80–120 mm, Kathodenabscheidungsdicke 2–3 mm/8 h;
• Effizienz der Verunreinigungsentfernung: Cu ≤5 ppm, Pb ≤1 ppm.
• ‌Vorsichtsmaßnahmen‌: Elektrolyt regelmäßig filtern (Genauigkeit ≤1 μm); Anodenoberflächen mechanisch polieren, um Passivierung zu verhindern.

1. ‌Vakuumdestillation‌

• ‌Prozessparameter‌:
• Vakuumniveau: ≤1×10⁻²Pa, Destillationstemperatur 600–650°C;
• Temperatur der Kondensatorzone: 200–250 °C, Te-Dampfkondensationseffizienz ≥95 %;
• Destillationszeit: 8–12 Stunden, Einzelchargenkapazität ≤ 50 kg.
• ‌Verunreinigungsverteilung‌: Niedrigsiedende Verunreinigungen (Se, S) sammeln sich an der Kühlerfront, hochsiedende Verunreinigungen (Pb, Ag) verbleiben in Rückständen.
• ‌Vorsichtsmaßnahmen‌: Pumpen Sie das Vakuumsystem vor dem Erhitzen auf ≤5×10⁻³Pa vor, um eine Te-Oxidation zu verhindern.

III. Kristallwachstum (gerichtete Kristallisation)

1. ‌Gerätekonfiguration‌

• ‌Modelle von Kristallzüchtungsöfen‌: TDR-70A/B (30 kg Kapazität) oder TRDL-800 (60 kg Kapazität);
• Tiegelmaterial: Hochreiner Graphit (Aschegehalt ≤ 5 ppm), Abmessungen Φ300 × 400 mm;
• Heizmethode: Graphitwiderstandsheizung, maximale Temperatur 1200 °C.

1. ‌Prozessparameter‌

• ‌Schmelzkontrolle‌:
• Schmelztemperatur: 500–520°C, Schmelzbadtiefe 80–120mm;
• Schutzgas: Argon (Reinheit ≥99,999 %), Durchflussrate 10–15 L/min.
• ‌Kristallisationsparameter‌:
• Ziehgeschwindigkeit: 1–3 mm/h, Kristallrotationsgeschwindigkeit 8–12 U/min;
• Temperaturgradient: Axial 30–50 °C/cm, radial ≤ 10 °C/cm;
• Kühlmethode: Wassergekühlte Kupferbasis (Wassertemperatur 20–25 °C), Strahlungskühlung von oben.

1. ‌Verunreinigungskontrolle‌

• ‌Segregationseffekt‌: Verunreinigungen wie Fe, Ni (Segregationskoeffizient <0,1) sammeln sich an Korngrenzen;
• ‌Umschmelzzyklen‌: 3–5 Zyklen, endgültige Gesamtverunreinigungen ≤0,1 ppm.

1. ‌Vorsichtsmaßnahmen‌:

• Bedecken Sie die Schmelzoberfläche mit Graphitplatten, um die Te-Verflüchtigung zu unterdrücken (Verlustrate ≤ 0,5 %).
• Überwachen Sie den Kristalldurchmesser in Echtzeit mithilfe von Lasermessgeräten (Genauigkeit ±0,1 mm);
• Vermeiden Sie Temperaturschwankungen >±2°C, um eine Erhöhung der Versetzungsdichte zu verhindern (Ziel ≤10³/cm²).

IV. Qualitätsprüfung und Kennzahlen

V. Umwelt- und Sicherheitsprotokolle

1. ‌Abgasnachbehandlung‌:

• Röstabluft: SO₂ und SeO₂ mit NaOH-Wäschern neutralisieren (pH≥10);
• Abgase aus der Vakuumdestillation: Te-Dampf kondensieren und zurückgewinnen; Restgase werden über Aktivkohle adsorbiert.

1. ‌Schlackenrecycling‌:

• Anodenschlamm (enthält Ag, Au): Gewinnung durch Hydrometallurgie (H₂SO₄-HCl-System);
• Elektrolyserückstände (Pb, Cu enthaltend): Rückführung in Kupferschmelzanlagen.

1. ‌Sicherheitsmaßnahmen‌:

• Die Bediener müssen Gasmasken tragen (Tetradampf ist giftig) und für Unterdruckbelüftung sorgen (Luftaustauschrate ≥ 10 Zyklen/h).

‌Leitfaden zur Prozessoptimierung‌

1. ‌Rohstoffanpassung‌: Passen Sie Rösttemperatur und Säureverhältnis dynamisch an die Anodenschlammquellen an (z. B. Kupfer- oder Bleischmelze);
2. ‌Kristallziehratenanpassung‌: Passen Sie die Ziehgeschwindigkeit entsprechend der Schmelzkonvektion (Reynolds-Zahl Re≥2000) an, um eine konstitutionelle Unterkühlung zu unterdrücken;
3. ‌Energieeffizienz‌: Verwenden Sie eine Zweitemperaturzonenheizung (Hauptzone 500 °C, Nebenzone 400 °C), um den Stromverbrauch des Graphitwiderstands um 30 % zu senken.