Étapes et paramètres du procédé de traitement au cadmium

I. Prétraitement et purification primaire des matières premières

1. ‌Préparation de matières premières de cadmium de haute pureté‌

• ‌lavage à l'acideImmerger les lingots de cadmium de qualité industrielle dans une solution d'acide nitrique à 5-10 % à 40-60 °C pendant 1 à 2 heures afin d'éliminer les oxydes de surface et les impuretés métalliques. Rincer à l'eau déminéralisée jusqu'à neutralité du pH et sécher sous vide.
• ‌lixiviation hydrométallurgiqueTraiter les déchets contenant du cadmium (par exemple, les scories de cuivre-cadmium) avec de l'acide sulfurique (concentration de 15 à 20 %) à 80-90 °C pendant 4 à 6 heures, en atteignant une efficacité de lixiviation du cadmium ≥ 95 %. Filtrer et ajouter de la poudre de zinc (rapport stœchiométrique de 1,2 à 1,5) pour déplacer le cadmium et obtenir du cadmium spongieux.

1. ‌Fusion et coulage‌

• Introduire le cadmium spongieux dans des creusets en graphite de haute pureté, le faire fondre sous atmosphère d'argon à 320-350 °C, puis le couler dans des moules en graphite pour un refroidissement lent. Former des lingots d'une densité ≥ 8,65 g/cm³.

II. Raffinement de zone

1. ‌Équipement et paramètres‌

• Utiliser des fours de fusion à zone flottante horizontale avec une largeur de zone fondue de 5 à 8 mm, une vitesse de déplacement de 3 à 5 mm/h et 8 à 12 passes d'affinage. Gradient de température : 50 à 80 °C/cm ; vide ≤ 10⁻³ Pa.
• ‌Ségrégation des impuretésDes passages répétés dans la zone de concentration permettent d'éliminer le plomb, le zinc et autres impuretés présentes à la fin du lingot. La dernière section, riche en impuretés (15 à 20 %), est ensuite éliminée, ce qui permet d'atteindre une pureté intermédiaire ≥ 99,999 %.

1. ‌Commandes principales‌

• Température de la zone fondue : 400-450°C (légèrement supérieure au point de fusion du cadmium de 321°C) ;
• Vitesse de refroidissement : 0,5 à 1,5 °C/min pour minimiser les défauts du réseau cristallin ;
• Débit d'argon : 10 à 15 L/min pour prévenir l'oxydation

III. Raffinage électrolytique

1. ‌Formulation d'électrolytes‌

• Composition de l'électrolyte : sulfate de cadmium (CdSO₄, 80-120 g/L) et acide sulfurique (pH 2-3), avec ajout de 0,01-0,05 g/L de gélatine pour améliorer la densité du dépôt cathodique.

1. ‌Paramètres du processus‌

• Anode : Plaque de cadmium brut ; Cathode : Plaque de titane ;
• Densité de courant : 80-120 A/m² ; Tension de cellule : 2,0-2,5 V ;
• Température d'électrolyse : 30-40 °C ; Durée : 48-72 heures ; Pureté de la cathode ≥ 99,99 %

IV. Distillation par réduction sous vide

1. ‌Réduction et séparation à haute température‌

• Introduire les lingots de cadmium dans un four sous vide (pression ≤ 10⁻² Pa), introduire de l'hydrogène comme réducteur et chauffer à 800-1000 °C pour réduire les oxydes de cadmium en cadmium gazeux. Température du condenseur : 200-250 °C ; pureté finale ≥ 99,9995 %.

1. ‌Efficacité d'élimination des impuretés‌

• Plomb résiduel, cuivre et autres impuretés métalliques ≤0,1 ppm ;
• Teneur en oxygène ≤5 ppm

V. Czochralski Croissance monocristalline

1. ‌Contrôle de la fusion et préparation des germes cristallins‌

• Introduire des lingots de cadmium de haute pureté dans des creusets en quartz de haute pureté et les faire fondre sous argon à 340-360 °C. Utiliser des germes monocristallins de cadmium orientés <100> (diamètre 5-8 mm), préalablement recuits à 800 °C pour éliminer les contraintes internes.

1. ‌Paramètres d'étirage des cristaux‌

• Vitesse de traction : 1,0-1,5 mm/min (phase initiale), 0,3-0,5 mm/min (croissance en régime permanent) ;
• Rotation du creuset : 5-10 tr/min (contre-rotation) ;
• Gradient de température : 2-5°C/mm ; fluctuation de température à l'interface solide-liquide ≤±0,5°C

1. ‌Techniques de suppression des défauts‌

• ‌Assistance par champ magnétique‌: Appliquer un champ magnétique axial de 0,2 à 0,5 T pour supprimer la turbulence de la fusion et réduire les stries d'impuretés ;
• ‌Refroidissement contrôlé‌: Un taux de refroidissement post-croissance de 10 à 20 °C/h minimise les défauts de dislocation causés par les contraintes thermiques‌.

VI. Post-traitement et contrôle de la qualité

1. ‌Usinage de cristaux‌

• ‌Coupe‌: Utilisez des scies à fil diamanté pour découper des plaquettes de 0,5 à 1,0 mm à une vitesse de fil de 20 à 30 m/s ;
• ‌Polissage‌: Polissage chimico-mécanique (CMP) avec un mélange d'acide nitrique et d'éthanol (rapport vol. 1:5), permettant d'obtenir une rugosité de surface Ra ≤ 0,5 nm.

1. ‌Normes de qualité‌

• ‌Pureté‌: GDMS (spectrométrie de masse à décharge luminescente) confirme Fe, Cu, Pb ≤0,1 ppm ;
• ‌Résistivité‌: ≤5×10⁻⁸ Ω·m (pureté ≥99,9999%) ;
• ‌Orientation cristallographiqueDéviation < 0,5° ; densité de dislocations ≤ 10³/cm²

VII. Orientations d'optimisation des processus

1. ‌Élimination ciblée des impuretés‌

• Utiliser des résines échangeuses d'ions pour l'adsorption sélective du Cu, du Fe, etc., combinée à un raffinage de zone en plusieurs étapes pour atteindre une pureté de grade 6N (99,9999 %).

1. ‌Mises à niveau de l'automatisation‌

• Les algorithmes d'IA ajustent dynamiquement la vitesse de traction, les gradients de température, etc., augmentant ainsi le rendement de 85 % à 93 % ;
• Augmenter la taille du creuset à 36 pouces permet de traiter 2 800 kg de matière première par lot, réduisant ainsi la consommation d'énergie à 80 kWh/kg.

1. ‌Durabilité et récupération des ressources‌

• Régénérer les déchets de lavage acide par échange d'ions (récupération de Cd ≥99,5%) ;
• Traiter les gaz d'échappement par adsorption sur charbon actif + lavage alcalin (récupération de vapeur de Cd ≥98%)

Résumé

Le procédé de croissance et de purification des cristaux de cadmium intègre l'hydrométallurgie, le raffinage physique à haute température et les techniques de croissance cristalline de précision. Grâce à la lixiviation acide, au raffinage de zone, à l'électrolyse, à la distillation sous vide et à la croissance Czochralski, combinés à l'automatisation et à des pratiques respectueuses de l'environnement, il permet une production stable de monocristaux de cadmium ultra-purs de qualité 6N. Ces monocristaux répondent aux exigences des détecteurs nucléaires, des matériaux photovoltaïques et des dispositifs semi-conducteurs avancés. Les développements futurs porteront sur la croissance cristalline à grande échelle, la séparation ciblée des impuretés et une production à faible émission de carbone.