خطوات ومعلمات عملية الكادميوم

1. المعالجة المسبقة للمواد الخام والتنقية الأولية

1. ‌تحضير خام الكادميوم عالي النقاء‌

• ‌الغسيل الحمضي‌: اغمر سبائك الكادميوم الصناعية في محلول حمض النيتريك بتركيز 5%-10% عند درجة حرارة 40-60 درجة مئوية لمدة ساعة إلى ساعتين لإزالة الأكاسيد السطحية والشوائب المعدنية. اشطفها بالماء منزوع الأيونات حتى يصبح الرقم الهيدروجيني متعادلًا، ثم جففها بالمكنسة الكهربائية.
• ‌الاستخلاص الهيدروميتالورجي‌: عالج النفايات المحتوية على الكادميوم (مثل خبث النحاس والكادميوم) بحمض الكبريتيك (تركيز 15-20%) عند درجة حرارة 80-90 درجة مئوية لمدة 4-6 ساعات، لتحقيق كفاءة استخلاص كادميوم ≥ 95%. صفِّ وأضف مسحوق الزنك (بنسبة 1.2-1.5 ضعف النسبة المتكافئة) للإزاحة للحصول على كادميوم إسفنجي.

1. ‌الصهر والصب‌

• حمِّل الكادميوم الإسفنجي في بوتقات جرافيت عالية النقاء، ثم صهره تحت جو من الأرجون عند درجة حرارة تتراوح بين 320 و350 درجة مئوية، ثم صبه في قوالب جرافيت للتبريد البطيء. شكّل سبائك بكثافة ≥8.65 جم/سم³.

II. تكرير المناطق

1. ‌المعدات والمعلمات‌

• استخدم أفران صهر أفقية عائمة بعرض منطقة منصهرة يتراوح بين 5 و8 مم، وسرعة دوران تتراوح بين 3 و5 مم/ساعة، و8-12 دورة تكرير. تدرج درجة الحرارة: 50-80 درجة مئوية/سم؛ ضغط فراغ ≤ 10⁻³ باسكال.
• ‌فصل الشوائب‌: تُركّز عمليات المرور المتكررة للمناطق الرصاص والزنك والشوائب الأخرى عند ذيل السبيكة. يُزال الجزء الأخير الغني بالشوائب بنسبة 15-20%، لتحقيق نقاء متوسط ​​≥ 99.999%.

1. ‌عناصر التحكم الرئيسية‌

• درجة حرارة المنطقة المنصهرة: 400-450 درجة مئوية (أعلى قليلاً من نقطة انصهار الكادميوم البالغة 321 درجة مئوية)؛
• معدل التبريد: 0.5-1.5 درجة مئوية/دقيقة لتقليل عيوب الشبكة؛
• معدل تدفق الأرجون: 10-15 لتر/دقيقة لمنع الأكسدة

ثالثًا: التكرير الكهربائي

1. ‌صياغة الإلكتروليت‌

• تكوين الإلكتروليت: كبريتات الكادميوم (CdSO₄، 80-120 جم/لتر) وحمض الكبريتيك (درجة الحموضة 2-3)، مع إضافة 0.01-0.05 جم/لتر من الجيلاتين لتعزيز كثافة رواسب الكاثود‌

1. ‌معلمات العملية‌

• الأنود: صفيحة الكادميوم الخام؛ الكاثود: صفيحة التيتانيوم؛
• كثافة التيار: 80-120 أمبير/م²؛ جهد الخلية: 2.0-2.5 فولت؛
• درجة حرارة التحليل الكهربائي: 30-40 درجة مئوية؛ المدة: 48-72 ساعة؛ نقاء الكاثود ≥99.99%

رابعًا: التقطير بالاختزال الفراغي

1. ‌التخفيض والفصل في درجات الحرارة العالية‌

• ضع سبائك الكادميوم في فرن تفريغ (ضغط ≤10⁻² باسكال)، وأضف الهيدروجين كعامل اختزال، ثم سخّنه إلى درجة حرارة تتراوح بين 800 و1000 درجة مئوية لاختزال أكاسيد الكادميوم إلى كادميوم غازي. درجة حرارة المكثف: 200-250 درجة مئوية؛ نقاء نهائي ≥99.9995%.

1. ‌فعالية إزالة الشوائب‌

• بقايا الرصاص والنحاس والشوائب المعدنية الأخرى ≤0.1 جزء في المليون؛
• محتوى الأكسجين ≤5 جزء في المليون

نمو البلورات المفردة في. تشوخرالسكي

1. ‌التحكم في الذوبان وإعداد بلورات البذور‌

• حمِّل سبائك الكادميوم عالية النقاء في بوتقات كوارتز عالية النقاء، ثم صُهِر تحت غاز الأرجون عند درجة حرارة تتراوح بين 340 و360 درجة مئوية. استخدم بذور كادميوم أحادية البلورة موجهة نحو <100> (قطرها 5-8 مم)، مُسخَّنة مسبقًا عند درجة حرارة 800 درجة مئوية لإزالة الإجهاد الداخلي.

1. ‌معلمات سحب البلورة‌

• سرعة السحب: 1.0-1.5 مم/دقيقة (المرحلة الأولية)، 0.3-0.5 مم/دقيقة (نمو الحالة المستقرة)؛
• دوران البوتقة: 5-10 دورة في الدقيقة (دوران مضاد)؛
• تدرج درجة الحرارة: 2-5 درجة مئوية/مم؛ تقلب درجة حرارة واجهة المادة الصلبة والسائلة ≤±0.5 درجة مئوية

1. ‌تقنيات قمع العيوب‌

• ‌مساعدة المجال المغناطيسي‌: تطبيق مجال مغناطيسي محوري بقوة 0.2-0.5 طن لقمع اضطراب الذوبان وتقليل خطوط الشوائب؛
• ‌التبريد المتحكم‌: معدل التبريد بعد النمو بمقدار 10-20 درجة مئوية/ساعة يقلل من عيوب الخلع الناتجة عن الإجهاد الحراري‌.

سادسا. مرحلة ما بعد المعالجة ومراقبة الجودة

1. ‌تصنيع الكريستال‌

• ‌القطع‌: استخدم مناشير الأسلاك الماسية لتقطيع رقائق بقطر 0.5-1.0 مم بسرعة سلكية تتراوح بين 20 و30 مترًا في الثانية؛
• ‌تلميع‌: التلميع الكيميائي الميكانيكي (CMP) بخليط حمض النيتريك والإيثانول (نسبة حجمية 1:5)، لتحقيق خشونة السطح Ra ≤ 0.5 نانومتر.

1. ‌معايير الجودة‌

• ‌نقاء‌: يؤكد جهاز مطياف الكتلة بالتفريغ المتوهج (GDMS) أن Fe وCu وPb ≤0.1 جزء في المليون؛
• ‌المقاومة‌: ≤5×10⁻⁸ Ω·m (نقاء ≥99.9999%)؛
• ‌التوجه البلوري‌: الانحراف <0.5 درجة؛ كثافة الخلع ≤10³/سم²

٧. اتجاهات تحسين العمليات

1. ‌إزالة الشوائب المستهدفة‌

• استخدام راتنجات التبادل الأيوني للامتصاص الانتقائي للنحاس والحديد وما إلى ذلك، جنبًا إلى جنب مع تنقية المناطق متعددة المراحل لتحقيق نقاء من الدرجة 6N (99.9999٪)

1. ‌ترقيات الأتمتة‌

• تعمل خوارزميات الذكاء الاصطناعي على ضبط سرعة السحب وتدرجات درجات الحرارة وما إلى ذلك بشكل ديناميكي، مما يؤدي إلى زيادة العائد من 85% إلى 93%؛
• زيادة حجم البوتقة إلى 36 بوصة، مما يتيح توفير مواد خام دفعة واحدة بحجم 2800 كجم، مما يقلل استهلاك الطاقة إلى 80 كيلو وات في الساعة/كجم

1. ‌الاستدامة واستعادة الموارد‌

• تجديد نفايات الغسيل الحمضي عن طريق التبادل الأيوني (استرداد الكادميوم ≥ 99.5٪)؛
• معالجة غازات العادم باستخدام امتصاص الكربون المنشط + التنظيف القلوي (استعادة بخار الكادميوم ≥ 98٪)

ملخص

تدمج عملية نمو وتنقية بلورات الكادميوم تقنيات التعدين المائي، والتكرير الفيزيائي عالي الحرارة، ونمو البلورات الدقيق. ومن خلال الاستخلاص الحمضي، وتكرير المناطق، والتحليل الكهربائي، والتقطير الفراغي، ونمو تشوكرالسكي، إلى جانب الأتمتة والممارسات الصديقة للبيئة، تُمكّن هذه العملية من إنتاج بلورات كادميوم أحادية فائقة النقاء من فئة 6N بشكل مستقر. تُلبي هذه البلورات احتياجات أجهزة الكشف النووية، والمواد الكهروضوئية، وأجهزة أشباه الموصلات المتقدمة. وستركز التطورات المستقبلية على نمو البلورات على نطاق واسع، وفصل الشوائب بشكل مُستهدف، والإنتاج منخفض الكربون.