Crescimento e purificação de cristais de telúrio 7N

Crescimento e purificação de cristais de telúrio 7N

I. Pré-tratamento e purificação preliminar da matéria-prima

1. ‌Seleção e trituração de matéria-prima‌

• ‌Requisitos de materiaisUtilizar minério de telúrio ou lama anódica (teor de Te ≥5%), preferencialmente lama anódica de fundição de cobre (contendo Cu₂Te, Cu₂Se) como matéria-prima.
• ‌Processo de pré-tratamento‌:
• Trituração grosseira até um tamanho de partícula ≤5mm, seguida de moagem em moinho de bolas até ≤200 mesh;
• Separação magnética (intensidade do campo magnético ≥0,8T) para remover Fe, Ni e outras impurezas magnéticas;
• Flotação por espuma (pH=8-9, coletores de xantato) para separar SiO₂, CuO e outras impurezas não magnéticas.
• ‌PrecauçõesEvite introduzir umidade durante o pré-tratamento úmido (é necessário secar antes da torrefação); controle a umidade ambiente em ≤30%.

1. ‌Torrefação e Oxidação Pirometalúrgicas‌

• ‌Parâmetros do processo‌:
• Temperatura de calcinação por oxidação: 350–600°C (controle em etapas: baixa temperatura para dessulfurização, alta temperatura para oxidação);
• Tempo de torrefação: 6–8 horas, com vazão de O₂ de 5–10 L/min;
• Reagente: Ácido sulfúrico concentrado (98% H₂SO₄), proporção em massa Te₂SO₄ = 1:1,5.
• ‌Reação Química‌:
  Cu2Te+2O2+2H2SO4→2CuSO4+TeO2+2H2OCu2​Te+2O2​+2H2​SO4​→2CuSO4​+TeO2​+2H2​O
• ‌Precauções‌: Controlar a temperatura ≤600°C para evitar a volatilização do TeO₂ (ponto de ebulição 387°C); tratar os gases de escape com lavadores de NaOH.

II. Eletrorrefino e Destilação a Vácuo

1. ‌Eletrorrefino‌

• ‌Sistema de Eletrólitos‌:
• Composição do eletrólito: H₂SO₄ (80–120g/L), TeO₂ (40–60g/L), aditivo (gelatina 0,1–0,3g/L);
• Controle de temperatura: 30–40°C, vazão de circulação 1,5–2 m³/h.
• ‌Parâmetros do processo‌:
• Densidade de corrente: 100–150 A/m², tensão da célula 0,2–0,4 V;
• Espaçamento entre eletrodos: 80–120 mm, espessura de deposição do cátodo 2–3 mm/8 h;
• Eficiência de remoção de impurezas: Cu ≤5ppm, Pb ≤1ppm.
• ‌PrecauçõesFiltrar regularmente o eletrólito (precisão ≤1μm); polir mecanicamente as superfícies do ânodo para evitar a passivação.

1. ‌Destilação a vácuo‌

• ‌Parâmetros do processo‌:
• Nível de vácuo: ≤1×10⁻²Pa, temperatura de destilação 600–650°C;
• Temperatura da zona do condensador: 200–250°C, eficiência de condensação do vapor de Te ≥95%;
• Tempo de destilação: 8–12h, capacidade de lote único ≤50kg.
• ‌Distribuição de impurezasImpurezas de baixo ponto de ebulição (Se, S) se acumulam na frente do condensador; impurezas de alto ponto de ebulição (Pb, Ag) permanecem nos resíduos.
• ‌PrecauçõesPré-bombear o sistema de vácuo para ≤5×10⁻³Pa antes do aquecimento para evitar a oxidação do Te.

III. Crescimento de cristais (cristalização direcional)

1. ‌Configuração do equipamento‌

• ‌Modelos de fornos para crescimento de cristais‌: TDR-70A/B (capacidade de 30 kg) ou TRDL-800 (capacidade de 60 kg);
• Material do cadinho: Grafite de alta pureza (teor de cinzas ≤5ppm), dimensões Φ300×400mm;
• Método de aquecimento: Aquecimento por resistência de grafite, temperatura máxima de 1200°C.

1. ‌Parâmetros do processo‌

• ‌Controle de Derretimento‌:
• Temperatura de fusão: 500–520°C, profundidade da poça de fusão 80–120mm;
• Gás protetor: Ar (pureza ≥99,999%), vazão de 10 a 15 L/min.
• ‌Parâmetros de cristalização‌:
• Taxa de extração: 1–3 mm/h, velocidade de rotação do cristal: 8–12 rpm;
• Gradiente de temperatura: Axial 30–50°C/cm, radial ≤10°C/cm;
• Método de resfriamento: Base de cobre resfriada a água (temperatura da água 20–25°C), resfriamento radiativo superior.

1. ‌Controle de impurezas‌

• ‌Efeito de segregaçãoImpurezas como Fe, Ni (coeficiente de segregação <0,1) acumulam-se nos contornos de grão;
• ‌Ciclos de Refusão‌: 3–5 ciclos, impurezas totais finais ≤0,1 ppm.

1. ‌Precauções‌:

• Cubra a superfície fundida com placas de grafite para suprimir a volatilização de Te (taxa de perda ≤0,5%);
• Monitore o diâmetro do cristal em tempo real usando medidores a laser (precisão de ±0,1 mm);
• Evite flutuações de temperatura superiores a ±2°C para prevenir o aumento da densidade de deslocamento (meta ≤10³/cm²).

IV. Inspeção de Qualidade e Principais Métricas

V. Protocolos Ambientais e de Segurança

1. ‌Tratamento de gases de escape‌:

• Exaustão de torrefação: Neutralizar SO₂ e SeO₂ com lavadores de NaOH (pH≥10);
• Exaustão por destilação a vácuo: Condensar e recuperar o vapor de Te; gases residuais adsorvidos por meio de carvão ativado.

1. ‌Reciclagem de Escória‌:

• Lodo anódico (contendo Ag, Au): Recuperar via hidrometalurgia (sistema H₂SO₄-HCl);
• Resíduos de eletrólise (contendo Pb, Cu): Retornar aos sistemas de fundição de cobre.

1. ‌Medidas de segurança‌:

• Os operadores devem usar máscaras de gás (o vapor de Te é tóxico); manter a ventilação com pressão negativa (taxa de renovação do ar ≥10 ciclos/h).

Diretrizes para Otimização de Processos

1. ‌Adaptação de Matérias-Primas‌: Ajustar a temperatura de calcinação e a proporção de ácido dinamicamente com base nas fontes de lodo anódico (por exemplo, fundição de cobre versus fundição de chumbo);
2. ‌Correspondência de taxa de extração de cristal‌: Ajustar a velocidade de extração de acordo com a convecção do fundido (número de Reynolds Re≥2000) para suprimir o superresfriamento constitucional;
3. ‌Eficiência energética‌: Utilize aquecimento de zona com temperatura dupla (zona principal a 500°C, subzona a 400°C) para reduzir o consumo de energia da resistência de grafite em 30%.