7Nテルル結晶の成長と精製

7Nテルル結晶の成長と精製

‌I. 原料の前処理と予備精製‌

1. ‌原材料の選定と粉砕‌

• ‌材料要件‌：原料としてテルル鉱石または陽極スライム（Te含有量≥5％）、好ましくは銅製錬陽極スライム（Cu₂Te、Cu₂Seを含む）を使用します。
• ‌前処理プロセス：
• 粒径が5mm以下になるまで粗粉砕し、その後ボールミルにかけて200メッシュ以下になるまで粉砕する。
• 磁気分離（磁場強度≥0.8T）によりFe、Ni、その他の磁性不純物を除去します。
• SiO₂、CuO、およびその他の非磁性不純物を分離するためのフロス浮選（pH = 8〜9、キサンテートコレクター）。
• ‌予防: 湿式前処理中に水分が入り込まないようにし（焙煎前に乾燥が必要）、周囲の湿度を 30% 以下に制御します。

1. ‌高温冶金焙焼と酸化‌

• ‌プロセスパラメータ：
• 酸化焙焼温度：350～600℃（段階制御：低温で脱硫、高温で酸化）。
• 焙煎時間：6～8時間、O₂流量：5～10L/分
• 試薬：濃硫酸（98％H₂SO₄）、質量比Te₂SO₄ = 1:1.5。
• ‌化学反応：
  Cu2Te+2O2+2H2SO4→2CuSO4+TeO2+2H2OCu2Te+2O2+2H2SO4→2CuSO4+TeO2+2H2O
• ‌予防：TeO₂の揮発（沸点387℃）を防ぐため、温度を600℃以下に制御し、排ガスをNaOHスクラバーで処理します。

II. 電解精製と真空蒸留

1. ‌電気精錬‌

• ‌電解質システム：
• 電解質組成：H₂SO₄（80〜120g/L）、TeO₂（40〜60g/L）、添加剤（ゼラチン0.1〜0.3g/L）；
• 温度制御：30～40℃、循環流量1.5～2m³/h。
• ‌プロセスパラメータ：
• 電流密度：100～150 A/m²、セル電圧0.2～0.4V。
• 電極間隔：80～120mm、陰極堆積厚さ2～3mm/8時間。
• 不純物除去効率：Cu≤5ppm、Pb≤1ppm。
• ‌予防: 定期的に電解液を濾過し（精度≤1μm）、不動態化を防ぐために陽極表面を機械的に研磨します。

1. ‌真空蒸留‌

• ‌プロセスパラメータ：
• 真空度：≤1×10⁻²Pa、蒸留温度600～650℃。
• 凝縮器ゾーン温度：200～250℃、蒸気凝縮効率≥95%。
• 蒸留時間：8～12時間、1バッチあたりの容量≤50kg。
• ‌不純物分布: 低沸点不純物（Se、S）は凝縮器の前面に蓄積され、高沸点不純物（Pb、Ag）は残留物に残ります。
• ‌予防‌: Teの酸化を防ぐため、加熱前に真空システムを≤5×10⁻³Paまでプレポンプしてください。

‌III. 結晶成長（方向性結晶化）‌

1. ‌機器構成‌

• ‌結晶成長炉モデル：TDR-70A/B（容量30kg）またはTRDL-800（容量60kg）；
• るつぼ材質：高純度グラファイト（灰分含有量≤5ppm）、寸法Φ300×400mm。
• 加熱方式：グラファイト抵抗加熱、最高温度1200℃。

1. ‌プロセスパラメータ‌

• ‌メルトコントロール：
• 溶融温度：500～520℃、溶融池の深さ80～120mm。
• 保護ガス：Ar（純度≥99.999%）、流量10～15 L/分。
• ‌結晶化パラメータ：
• 引き上げ速度：1～3mm/h、結晶回転速度8～12rpm。
• 温度勾配：軸方向30～50℃/cm、半径方向≤10℃/cm。
• 冷却方式：水冷銅ベース（水温20～25℃）、上部放射冷却。

1. ‌不純物管理‌

• ‌分離効果: Fe、Niなどの不純物（偏析係数<0.1）が粒界に蓄積します。
• ‌再溶解サイクル：3～5サイクル、最終的な総不純物量は0.1ppm以下。

1. ‌予防：

• Teの揮発を抑制するために溶融表面をグラファイト板で覆う（損失率≤0.5%）。
• レーザーゲージを使用して結晶の直径をリアルタイムで監視します（精度 ±0.1mm）。
• 転位密度の増加を防ぐために、±2°Cを超える温度変動を避けてください（目標≤10³/cm²）。

IV. 品質検査と主要指標

‌V. 環境および安全プロトコル‌

1. ‌排気ガス処理：

• 焙煎排気：NaOHスクラバーでSO₂とSeO₂を中和する（pH≥10）。
• 真空蒸留排気：Te蒸気を凝縮して回収し、残留ガスは活性炭で吸着します。

1. ‌スラグリサイクル：

• 陽極スライム（Ag、Au含有）：湿式製錬（H₂SO₄-HCl系）で回収。
• 電気分解残渣（Pb、Cu含有）：銅製錬システムに戻します。

1. ‌安全対策：

• 作業者はガスマスクを着用し（ガスは有毒です）、負圧換気を維持する必要があります（空気交換率は10サイクル/時間以上）。

プロセス最適化ガイドライン

1. ‌原材料の適応：陽極スライムの供給源（例：銅と鉛の製錬）に基づいて焙焼温度と酸比を動的に調整します。
2. ‌結晶引き上げ速度マッチング: 溶融塩の対流（レイノルズ数Re≥2000）に応じて引き上げ速度を調整し、本質的な過冷却を抑制します。
3. ‌エネルギー効率: デュアル温度ゾーン加熱（メインゾーン 500°C、サブゾーン 400°C）を使用して、グラファイト抵抗の電力消費を 30% 削減します。