Wzrost i oczyszczanie kryształów telluru 7N

Wzrost i oczyszczanie kryształów telluru 7N

I. Wstępna obróbka surowca i wstępne oczyszczanie

1. ‌Wybór i kruszenie surowców‌

• ‌Wymagania materiałowe‌: Jako surowiec należy stosować rudę telluru lub szlam anodowy (zawartość Te ≥5%), najlepiej szlam anodowy z wytopu miedzi (zawierający Cu₂Te, Cu₂Se).
• ‌Proces wstępnej obróbki‌:
• Grube kruszenie do wielkości cząstek ≤5 mm, a następnie mielenie kulowe do wielkości oczek ≤200;
• Separacja magnetyczna (natężenie pola magnetycznego ≥0,8T) w celu usunięcia Fe, Ni i innych zanieczyszczeń magnetycznych;
• Flotacja pianowa (pH=8-9, kolektory ksantogenianowe) w celu oddzielenia SiO₂, CuO i innych zanieczyszczeń niemagnetycznych.
• ‌Środki ostrożności‌: Unikać wprowadzania wilgoci podczas mokrej obróbki wstępnej (wymagane jest osuszenie przed prażeniem); utrzymywać wilgotność otoczenia na poziomie ≤30%.

1. ‌Prażenie i utlenianie pirometalurgiczne‌

• ‌Parametry procesu‌:
• Temperatura prażenia utleniającego: 350–600°C (kontrola etapowa: niska temperatura dla odsiarczania, wysoka temperatura dla utleniania);
• Czas palenia: 6–8 godzin, przy przepływie O₂ 5–10 l/min;
• Odczynnik: Kwas siarkowy stężony (98% H₂SO₄), stosunek masowy Te₂SO₄ = 1:1,5.
• ‌Reakcja chemiczna‌:
  Cu2Te+2O2+2H2SO4→2CuSO4+TeO2+2H2OCu2​Te+2O2​+2H2​SO4​→2CuSO4​+TeO2​+2H2​O
• ‌Środki ostrożności‌: Utrzymywać temperaturę ≤600°C, aby zapobiec ulatnianiu się TeO₂ (temperatura wrzenia 387°C); oczyszczać gazy spalinowe za pomocą skruberów NaOH.

II. Elektrorafinacja i destylacja próżniowa

1. ‌Elektrorafinacja‌

• ‌Układ elektrolitowy‌:
• Skład elektrolitu: H₂SO₄ (80–120 g/l), TeO₂ (40–60 g/l), dodatek (żelatyna 0,1–0,3 g/l);
• Regulacja temperatury: 30–40°C, przepływ cyrkulacji 1,5–2 m³/h.
• ‌Parametry procesu‌:
• Gęstość prądu: 100–150 A/m², napięcie ogniwa 0,2–0,4 V;
• Odległość między elektrodami: 80–120 mm, grubość osadzania katody 2–3 mm/8 godz.;
• Skuteczność usuwania zanieczyszczeń: Cu ≤5ppm, Pb ≤1ppm.
• ‌Środki ostrożności‌: Regularnie filtruj elektrolit (dokładność ≤1μm); mechanicznie poleruj powierzchnie anod, aby zapobiec pasywacji.

1. ‌Destylacja próżniowa‌

• ‌Parametry procesu‌:
• Poziom próżni: ≤1×10⁻²Pa, temperatura destylacji 600–650°C;
• Temperatura strefy skraplacza: 200–250°C, sprawność kondensacji pary Te ≥95%;
• Czas destylacji: 8–12 godz., wydajność pojedynczej partii ≤50 kg.
• ‌Dystrybucja zanieczyszczeń‌: Zanieczyszczenia o niskiej temperaturze wrzenia (Se, S) gromadzą się na froncie skraplacza; zanieczyszczenia o wysokiej temperaturze wrzenia (Pb, Ag) pozostają w postaci pozostałości.
• ‌Środki ostrożności‌: Przed podgrzaniem należy wstępnie napompować układ próżniowy do ≤5×10⁻³Pa, aby zapobiec utlenianiu Te.

III. Wzrost kryształów (Krystalizacja kierunkowa)

1. ‌Konfiguracja sprzętu‌

• ‌Modele pieców do wzrostu kryształów‌: TDR-70A/B (nośność 30 kg) lub TRDL-800 (nośność 60 kg);
• Materiał tygla: grafit wysokiej czystości (zawartość popiołu ≤5ppm), wymiary Φ300×400mm;
• Metoda grzania: grzanie oporowe grafitowe, maksymalna temperatura 1200°C.

1. ‌Parametry procesu‌

• ‌Kontrola topnienia‌:
• Temperatura topnienia: 500–520°C, głębokość jeziorka stopionego materiału 80–120 mm;
• Gaz ochronny: Ar (czystość ≥99,999%), przepływ 10–15 l/min.
• ‌Parametry krystalizacji‌:
• Prędkość wyciągania: 1–3 mm/h, prędkość obrotowa kryształu 8–12 obr./min;
• Gradient temperatury: osiowy 30–50°C/cm, promieniowy ≤10°C/cm;
• Metoda chłodzenia: chłodzona cieczą podstawa miedziana (temperatura wody 20–25°C), górne chłodzenie radiacyjne.

1. ‌Kontrola zanieczyszczeń‌

• ‌Efekt segregacji‌: Zanieczyszczenia takie jak Fe, Ni (współczynnik segregacji <0,1) gromadzą się na granicach ziaren;
• ‌Cykle przetapiania‌: 3–5 cykli, końcowa całkowita ilość zanieczyszczeń ≤0,1 ppm.

1. ‌Środki ostrożności‌:

• Przykryj powierzchnię stopu płytkami grafitowymi, aby ograniczyć ulatnianie się Te (stopień strat ≤0,5%);
• Monitorowanie średnicy kryształu w czasie rzeczywistym za pomocą mierników laserowych (dokładność ±0,1 mm);
• Należy unikać wahań temperatury >±2°C, aby zapobiec wzrostowi gęstości dyslokacji (cel ≤10³/cm²).

IV. Kontrola jakości i kluczowe wskaźniki

V. Protokóły dotyczące środowiska i bezpieczeństwa

1. ‌Oczyszczanie spalin‌:

• Spaliny z prażenia: zneutralizować SO₂ i SeO₂ za pomocą płuczek NaOH (pH ≥10);
• Spaliny z destylacji próżniowej: skraplanie i odzyskiwanie pary Te; gazy resztkowe adsorbowane przez węgiel aktywny.

1. ‌Recykling żużla‌:

• Szlam anodowy (zawierający Ag, Au): Odzyskać poprzez hydrometalurgię (układ H₂SO₄-HCl);
• Pozostałości elektrolizy (zawierające Pb, Cu): Powrót do układów wytopu miedzi.

1. ‌Środki bezpieczeństwa‌:

• Operatorzy muszą nosić maski gazowe (opary Te są toksyczne), utrzymywać wentylację podciśnieniową (szybkość wymiany powietrza ≥10 cykli/h).

Wytyczne dotyczące optymalizacji procesów

1. ‌Adaptacja surowców‌: Dynamiczna regulacja temperatury prażenia i stosunku kwasów w oparciu o źródła szlamu anodowego (np. wytapianie miedzi lub ołowiu);
2. ‌Dopasowanie szybkości wyciągania kryształów‌: Dostosuj prędkość wyciągania zgodnie z konwekcją stopu (liczba Reynoldsa Re≥2000), aby zapobiec przechłodzeniu konstytucyjnemu;
3. ‌Efektywność energetyczna‌: Użyj dwustrefowego ogrzewania (strefa główna 500°C, podstrefa 400°C), aby zmniejszyć zużycie energii przez opornik grafitowy o 30%.