Crecimiento y purificación de cristales de telurio 7N

Crecimiento y purificación de cristales de telurio 7N

I. Pretratamiento y purificación preliminar de la materia prima

1. ‌Selección y trituración de materias primas‌

• ‌Requisitos de materiales‌: Utilice mineral de telurio o lodo de ánodo (contenido de Te ≥5%), preferiblemente lodo de ánodo de fundición de cobre (que contenga Cu₂Te, Cu₂Se) como materia prima.
• ‌Proceso de pretratamiento:
• Trituración gruesa hasta un tamaño de partícula ≤5 mm, seguido de molienda de bolas hasta una malla ≤200;
• Separación magnética (intensidad de campo magnético ≥0,8T) para eliminar Fe, Ni y otras impurezas magnéticas;
• Flotación por espuma (pH=8-9, colectores de xantato) para separar SiO₂, CuO y otras impurezas no magnéticas.
• ‌Precauciones‌: Evitar la introducción de humedad durante el pretratamiento húmedo (requiere secado antes del tostado); controlar la humedad ambiente ≤30%.

1. ‌Tostación y oxidación pirometalúrgica‌

• ‌Parámetros del proceso:
• Temperatura de tostado por oxidación: 350–600 °C (control por etapas: temperatura baja para desulfuración, temperatura alta para oxidación);
• Tiempo de tostado: 6–8 horas, con un caudal de O₂ de 5–10 L/min;
• Reactivo: Ácido sulfúrico concentrado (98% H₂SO₄), relación de masa Te₂SO₄ = 1:1,5.
• ‌Reacción química:
  Cu2Te+2O2+2H2SO4→2CuSO4+TeO2+2H2OCu2​Te+2O2​+2H2​SO4​→2CuSO4​+TeO2​+2H2​O
• ‌Precauciones‌: Controlar la temperatura ≤600°C para evitar la volatilización de TeO₂ (punto de ebullición 387°C); tratar los gases de escape con depuradores de NaOH.

II. Electrorrefinación y destilación al vacío

1. ‌Electrorrefinación‌

• ‌Sistema de electrolitos:
• Composición del electrolito: H₂SO₄ (80–120 g/L), TeO₂ (40–60 g/L), aditivo (gelatina 0,1–0,3 g/L);
• Control de temperatura: 30–40°C, caudal de circulación 1,5–2 m³/h.
• ‌Parámetros del proceso:
• Densidad de corriente: 100–150 A/m², voltaje de celda 0,2–0,4 V;
• Espaciado de electrodos: 80–120 mm, espesor de deposición del cátodo 2–3 mm/8 h;
• Eficiencia de eliminación de impurezas: Cu ≤5 ppm, Pb ≤1 ppm.
• ‌Precauciones‌: Filtrar periódicamente el electrolito (precisión ≤1 μm); pulir mecánicamente las superficies del ánodo para evitar la pasivación.

1. ‌Destilación al vacío‌

• ‌Parámetros del proceso:
• Nivel de vacío: ≤1×10⁻²Pa, temperatura de destilación 600–650 °C;
• Temperatura de la zona del condensador: 200–250 °C, eficiencia de condensación de vapor de Te ≥95 %;
• Tiempo de destilación: 8–12 h, capacidad de lote único ≤50 kg.
• ‌Distribución de impurezas‌: Las impurezas de bajo punto de ebullición (Se, S) se acumulan en el frente del condensador; las impurezas de alto punto de ebullición (Pb, Ag) permanecen en los residuos.
• ‌Precauciones‌: Bombee previamente el sistema de vacío a ≤5×10⁻³Pa antes de calentar para evitar la oxidación del Te.

III. Crecimiento cristalino (cristalización direccional)

1. ‌Configuración del equipo‌

• ‌Modelos de hornos de crecimiento de cristales‌: TDR-70A/B (capacidad de 30 kg) o TRDL-800 (capacidad de 60 kg);
• Material del crisol: grafito de alta pureza (contenido de cenizas ≤5 ppm), dimensiones Φ300×400 mm;
• Método de calentamiento: calentamiento por resistencia de grafito, temperatura máxima 1200°C.

1. ‌Parámetros del proceso‌

• ‌Control de fusión:
• Temperatura de fusión: 500–520 °C, profundidad del baño de fusión: 80–120 mm;
• Gas protector: Ar (pureza ≥99,999%), caudal 10–15 L/min.
• ‌Parámetros de cristalización:
• Velocidad de tracción: 1–3 mm/h, velocidad de rotación del cristal 8–12 rpm;
• Gradiente de temperatura: axial 30–50°C/cm, radial ≤10°C/cm;
• Método de enfriamiento: Base de cobre refrigerada por agua (temperatura del agua 20–25 °C), enfriamiento radiativo superior.

1. ‌Control de impurezas‌

• ‌Efecto de segregación‌: Las impurezas como Fe, Ni (coeficiente de segregación <0,1) se acumulan en los límites de los granos;
• ‌Ciclos de refusión‌: 3–5 ciclos, impurezas totales finales ≤0,1 ppm.

1. ‌Precauciones:

• Cubra la superficie de la masa fundida con placas de grafito para suprimir la volatilización de Te (tasa de pérdida ≤0,5%);
• Monitorización del diámetro del cristal en tiempo real mediante medidores láser (precisión ±0,1 mm);
• Evite fluctuaciones de temperatura >±2°C para evitar el aumento de la densidad de dislocación (objetivo ≤10³/cm²).

IV. Inspección de calidad y métricas clave

V. Protocolos ambientales y de seguridad

1. ‌Tratamiento de gases de escape:

• Escape de tostación: Neutralizar SO₂ y SeO₂ con depuradores de NaOH (pH ≥ 10);
• Escape de destilación al vacío: Condensar y recuperar el vapor de Te; los gases residuales se adsorben mediante carbón activado.

1. ‌Reciclaje de escorias:

• Lodo anódico (que contiene Ag, Au): recuperar mediante hidrometalurgia (sistema H₂SO₄-HCl);
• Residuos de electrólisis (que contienen Pb, Cu): Retorno a los sistemas de fundición de cobre.

1. ‌Medidas de seguridad:

• Los operadores deben usar máscaras de gas (el vapor de Te es tóxico); mantener una ventilación con presión negativa (tasa de intercambio de aire ≥10 ciclos/h).

Directrices de optimización de procesos

1. ‌Adaptación de la materia prima‌: Ajustar la temperatura de tostado y la relación ácida de forma dinámica en función de las fuentes de lodo del ánodo (por ejemplo, fundición de cobre frente a fundición de plomo);
2. ‌Coincidencia de la tasa de extracción de cristales‌: Ajuste la velocidad de tracción de acuerdo con la convección de la masa fundida (número de Reynolds Re≥2000) para suprimir el sobreenfriamiento constitucional;
3. ‌Eficiencia energética‌: Utilice calefacción por zonas de temperatura dual (zona principal 500 °C, subzona 400 °C) para reducir el consumo de energía de la resistencia de grafito en un 30 %.