Etapas e parâmetros do processo de cádmio

I. Pré-tratamento de matéria-prima e purificação primária

1. ‌Preparação de matéria-prima de cádmio de alta pureza‌

• ‌Lavagem ácida‌: Mergulhe lingotes de cádmio de nível industrial em solução de ácido nítrico de 5% a 10% a 40-60 °C por 1 a 2 horas para remover óxidos superficiais e impurezas metálicas. Enxágue com água deionizada até atingir pH neutro e seque a vácuo.
• ‌Lixiviação Hidrometalúrgica‌: Tratar resíduos contendo cádmio (por exemplo, escória de cobre-cádmio) com ácido sulfúrico (concentração de 15-20%) a 80-90 °C por 4-6 horas, alcançando uma eficiência de lixiviação de cádmio ≥95%. Filtrar e adicionar pó de zinco (razão estequiométrica de 1,2-1,5 vezes) para deslocamento, a fim de obter cádmio esponjoso.

1. ‌Fusão e Fundição‌

• Carregar cádmio esponjoso em cadinhos de grafite de alta pureza, fundir sob atmosfera de argônio a 320-350 °C e despejar em moldes de grafite para resfriamento lento. Formar lingotes com densidade ≥8,65 g/cm³.

II. Refino de Zona

1. ‌Equipamentos e Parâmetros‌

• Utilizar fornos de fusão de zona flutuante horizontal com largura de zona fundida de 5 a 8 mm, velocidade de deslocamento de 3 a 5 mm/h e 8 a 12 passes de refino. Gradiente de temperatura: 50 a 80 °C/cm; vácuo ≤10⁻³ Pa.
• ‌Segregação de Impurezas‌: Passadas repetidas na zona concentram chumbo, zinco e outras impurezas na cauda do lingote. Removem-se os últimos 15-20% da seção rica em impurezas, alcançando-se uma pureza intermediária ≥99,999%.

1. ‌Controles de tecla‌

• Temperatura da zona fundida: 400-450°C (ligeiramente acima do ponto de fusão do cádmio, 321°C);
• Taxa de resfriamento: 0,5-1,5°C/min para minimizar defeitos de rede;
• Taxa de fluxo de argônio: 10-15 L/min para evitar oxidação

III. Refino Eletrolítico

1. ‌Formulação de eletrólitos‌

• Composição do eletrólito: sulfato de cádmio (CdSO₄, 80-120 g/L) e ácido sulfúrico (pH 2-3), com 0,01-0,05 g/L de gelatina adicionada para aumentar a densidade do depósito catódico.

1. ‌Parâmetros do Processo‌

• Ânodo: Placa de cádmio bruto; Cátodo: Placa de titânio;
• Densidade de corrente: 80-120 A/m²; Tensão da célula: 2,0-2,5 V;
• Temperatura de eletrólise: 30-40°C; Duração: 48-72 horas; Pureza do cátodo ≥99,99%‌

IV. Destilação por redução a vácuo

1. ‌Redução e Separação em Alta Temperatura‌

• Colocar lingotes de cádmio em um forno a vácuo (pressão ≤ 10⁻² Pa), introduzir hidrogênio como redutor e aquecer a 800-1000 °C para reduzir os óxidos de cádmio a cádmio gasoso. Temperatura do condensador: 200-250 °C; pureza final ≥ 99,9995%.

1. ‌Eficácia na remoção de impurezas‌

• Chumbo residual, cobre e outras impurezas metálicas ≤0,1 ppm;
• Conteúdo de oxigênio ≤5 ppm‌

Crescimento de cristal único V. Czochralski

1. ‌Controle de fusão e preparação de cristais de semente‌

• Carregar lingotes de cádmio de alta pureza em cadinhos de quartzo de alta pureza, fundir sob argônio a 340-360 °C. Utilizar sementes de cádmio monocristalinas orientadas a <100> (diâmetro de 5-8 mm), pré-recozidas a 800 °C para eliminar tensões internas.

1. ‌Parâmetros de extração de cristais‌

• Velocidade de tração: 1,0-1,5 mm/min (estágio inicial), 0,3-0,5 mm/min (crescimento em estado estacionário);
• Rotação do cadinho: 5-10 rpm (contra-rotação);
• Gradiente de temperatura: 2-5°C/mm; Flutuação de temperatura da interface sólido-líquido ≤±0,5°C‌

1. ‌Técnicas de Supressão de Defeitos‌

• ‌Assistência de campo magnético‌: Aplique um campo magnético axial de 0,2-0,5 T para suprimir a turbulência da fusão e reduzir as estrias de impurezas;
• ‌Resfriamento controlado‌: A taxa de resfriamento pós-crescimento de 10-20°C/h minimiza os defeitos de deslocamento causados ​​pelo estresse térmico‌.

VI. Pós-processamento e controle de qualidade

1. ‌Usinagem de Cristal‌

• ‌Corte‌: Use serras de fio diamantado para cortar em wafers de 0,5-1,0 mm a uma velocidade de fio de 20-30 m/s;
• ‌Polimento‌: Polimento químico-mecânico (CMP) com mistura de ácido nítrico-etanol (razão vol. 1:5), obtendo rugosidade superficial Ra ≤0,5 nm.

1. ‌Padrões de Qualidade‌

• ‌Pureza‌: GDMS (espectrometria de massa de descarga luminescente) confirma Fe, Cu, Pb ≤0,1 ppm;
• ‌Resistividade‌: ≤5×10⁻⁸ Ω·m (pureza ≥99,9999%);
• ‌Orientação Cristalográfica‌: Desvio <0,5°; Densidade de deslocamento ≤10³/cm²

VII. Direções de Otimização de Processos

1. ‌Remoção de impurezas direcionada‌

• Use resinas de troca iônica para adsorção seletiva de Cu, Fe, etc., combinadas com refino de zona de múltiplos estágios para atingir pureza de grau 6N (99,9999%)

1. ‌Atualizações de automação‌

• Algoritmos de IA ajustam dinamicamente a velocidade de extração, gradientes de temperatura, etc., aumentando o rendimento de 85% para 93%;
• Aumente o tamanho do cadinho para 36 polegadas, permitindo um lote único de matéria-prima de 2.800 kg, reduzindo o consumo de energia para 80 kWh/kg

1. ‌Sustentabilidade e Recuperação de Recursos‌

• Regenerar resíduos de lavagem ácida por meio de troca iônica (recuperação de Cd ≥99,5%);
• Tratar gases de exaustão com adsorção de carvão ativado + lavagem alcalina (recuperação de vapor de Cd ≥98%)‌

Resumo

O processo de crescimento e purificação de cristais de cádmio integra hidrometalurgia, refino físico de alta temperatura e tecnologias de crescimento de cristais de precisão. Por meio de lixiviação ácida, refino por zona, eletrólise, destilação a vácuo e crescimento Czochralski – aliados à automação e práticas ecologicamente corretas –, permite a produção estável de monocristais de cádmio de ultra-alta pureza grau 6N. Estes atendem às demandas por detectores nucleares, materiais fotovoltaicos e dispositivos semicondutores avançados. Os avanços futuros se concentrarão no crescimento de cristais em larga escala, na separação direcionada de impurezas e na produção de baixo carbono.