Croissance et purification des cristaux de tellure 7N

Croissance et purification des cristaux de tellure 7N

I. Prétraitement et purification préliminaire des matières premières

1. ‌Sélection et broyage des matières premières‌

• ‌Exigences matérielles‌: Utiliser du minerai de tellure ou de la boue d'anode (teneur en Te ≥ 5 %), de préférence de la boue d'anode de fusion du cuivre (contenant Cu₂Te, Cu₂Se) comme matière première.
• ‌Processus de prétraitement‌:
• Concassage grossier jusqu'à une taille de particules ≤ 5 mm, suivi d'un broyage à boulets jusqu'à ≤ 200 mesh ;
• Séparation magnétique (intensité du champ magnétique ≥ 0,8 T) pour éliminer le Fe, le Ni et d'autres impuretés magnétiques ;
• Flottation par mousse (pH = 8-9, collecteurs de xanthate) pour séparer SiO₂, CuO et autres impuretés non magnétiques.
• ‌Précautions‌: Éviter l'introduction d'humidité lors du prétraitement humide (nécessite un séchage avant la torréfaction) ; contrôler l'humidité ambiante ≤ 30 %.

1. ‌Grillage et oxydation pyrométallurgiques‌

• ‌Paramètres du processus‌:
• Température de grillage par oxydation : 350–600°C (contrôle par étapes : basse température pour la désulfuration, haute température pour l'oxydation) ;
• Temps de torréfaction : 6 à 8 heures, avec un débit d'O₂ de 5 à 10 L/min ;
• Réactif : Acide sulfurique concentré (98 % H₂SO₄), rapport massique Te₂SO₄ = 1:1,5.
• ‌Réaction chimique‌:
  Cu2Te+2O2+2H2SO4→2CuSO4+TeO2+2H2OCu2​Te+2O2​+2H2​SO4​→2CuSO4​+TeO2​+2H2​O
• ‌Précautions‌: Contrôler la température ≤600°C pour éviter la volatilisation du TeO₂ (point d'ébullition 387°C) ; traiter les gaz d'échappement avec des épurateurs NaOH.

‌II. Électroraffinage et distillation sous vide‌

1. ‌Électroraffinage‌

• ‌Système d'électrolytes‌:
• Composition électrolytique : H₂SO₄ (80–120 g/L), TeO₂ (40–60 g/L), additif (gélatine 0,1–0,3 g/L) ;
• Contrôle de la température : 30–40°C, débit de circulation 1,5–2 m³/h.
• ‌Paramètres du processus‌:
• Densité de courant : 100–150 A/m², tension de cellule 0,2–0,4 V ;
• Espacement des électrodes : 80–120 mm, épaisseur du dépôt cathodique 2–3 mm/8 h ;
• Efficacité d'élimination des impuretés : Cu ≤ 5 ppm, Pb ≤ 1 ppm.
• ‌Précautions‌: Filtrer régulièrement l'électrolyte (précision ≤1μm) ; polir mécaniquement les surfaces des anodes pour éviter la passivation.

1. ‌Distillation sous vide‌

• ‌Paramètres du processus‌:
• Niveau de vide : ≤1×10⁻²Pa, température de distillation 600–650°C ;
• Température de la zone de condensation : 200–250 °C, efficacité de condensation de la vapeur Te ≥ 95 % ;
• Temps de distillation : 8 à 12 h, capacité de lot unique ≤ 50 kg.
• ‌Répartition des impuretés‌: Les impuretés à bas point d'ébullition (Se, S) s'accumulent au front du condenseur ; les impuretés à haut point d'ébullition (Pb, Ag) restent dans les résidus.
• ‌Précautions‌: Pré-pomper le système de vide à ≤5×10⁻³Pa avant le chauffage pour éviter l'oxydation du Te.

III. Croissance cristalline (cristallisation directionnelle)

1. ‌Configuration de l'équipement‌

• ‌Modèles de fours de croissance cristalline‌: TDR-70A/B (capacité de 30 kg) ou TRDL-800 (capacité de 60 kg) ;
• Matériau du creuset : Graphite de haute pureté (teneur en cendres ≤5ppm), dimensions Φ300×400mm ;
• Méthode de chauffage : Chauffage par résistance graphite, température maximale 1200°C.

1. ‌Paramètres du processus‌

• ‌Contrôle de la fusion‌:
• Température de fusion : 500–520°C, profondeur du bain de fusion 80–120 mm ;
• Gaz protecteur : Ar (pureté ≥ 99,999 %), débit 10–15 L/min.
• ‌Paramètres de cristallisation‌:
• Taux de tirage : 1–3 mm/h, vitesse de rotation du cristal 8–12 tr/min ;
• Gradient de température : axial 30–50°C/cm, radial ≤10°C/cm ;
• Méthode de refroidissement : Base en cuivre refroidie à l'eau (température de l'eau 20–25°C), refroidissement radiatif par le haut.

1. ‌Contrôle des impuretés‌

• ‌Effet de ségrégation‌: Des impuretés telles que Fe, Ni (coefficient de ségrégation < 0,1) s'accumulent aux joints de grains ;
• ‌Cycles de refusion‌: 3–5 cycles, impuretés totales finales ≤ 0,1 ppm.

1. ‌Précautions‌:

• Couvrir la surface fondue avec des plaques de graphite pour supprimer la volatilisation du Te (taux de perte ≤ 0,5 %) ;
• Surveiller le diamètre des cristaux en temps réel à l'aide de jauges laser (précision ± 0,1 mm) ;
• Évitez les fluctuations de température > ± 2 °C pour éviter l'augmentation de la densité de dislocations (cible ≤ 10³/cm²).

IV. Inspection de la qualité et indicateurs clés

V. Protocoles environnementaux et de sécurité

1. ‌Traitement des gaz d'échappement‌:

• Échappement de torréfaction : Neutraliser le SO₂ et le SeO₂ avec des épurateurs NaOH (pH≥10) ;
• Échappement de distillation sous vide : Condenser et récupérer les vapeurs de Te ; gaz résiduels adsorbés via charbon actif.

1. ‌Recyclage des scories‌:

• Boue anodique (contenant Ag, Au) : Récupération par hydrométallurgie (système H₂SO₄-HCl) ;
• Résidus d'électrolyse (contenant du Pb, du Cu) : Retour aux systèmes de fusion du cuivre.

1. ‌Mesures de sécurité‌:

• Les opérateurs doivent porter des masques à gaz (les vapeurs de Te sont toxiques) ; maintenir une ventilation à pression négative (taux de renouvellement d'air ≥ 10 cycles/h).

‌Directives d'optimisation des processus‌

1. ‌Adaptation des matières premières‌: Ajuster la température de torréfaction et le rapport acide de manière dynamique en fonction des sources de boues anodiques (par exemple, fusion du cuivre ou du plomb) ;
2. ‌Correspondance du taux d'extraction des cristaux‌: Ajuster la vitesse de tirage en fonction de la convection de la masse fondue (nombre de Reynolds Re≥2000) pour supprimer la surfusion constitutionnelle ;
3. ‌Efficacité énergétique‌: Utilisez un chauffage à double zone de température (zone principale 500 °C, sous-zone 400 °C) pour réduire la consommation électrique de la résistance en graphite de 30 %.