Металлургия редких металлов

ПРОИЗВОДСТВО ТАНТАЛА И НИОБИЯ

Тантал и ниобий получают восстановлением из соединений высокой чистоты: оксидов, комплексных фтористых солей, хлоридов. Промышленные способы получения металлов можно подразделить на четыре группы:

Натриетермическое восстановление из комплексных фторидов;

Восстановление из оксидов углеродом (карботермичес - кий способ);

Восстановление из оксидов алюминия (алюминотерми - ческий способ);

Восстановление из хлоридов водородом;

Электролиз расплавленных сред.

В связи с высокой температурой плавления тантал (~3000 С) и ниобия (~2500 С) их получают в результате восстановления всеми перечисленными способами, кроме тре­тьего, в форме порошков или спекшейся губки. Задача полу­чения компактных ковких тантала и ниобия осложняется тем, что эти металлы активно поглощают газы (водород, азот, кислород), примеси которых придают им хрупкость. Поэтому спекать спрессованные из порошков заготовки или плавить их необходимо в высоком вакууме.

Натриетермический способ производства порошков тантала и ниобия

Натриетермическое восстановление комплексных фторидов K2TaF7 и K2NbF7 - первый промышленный способ получения тантала и ниобия. Его применяют и в настоящее время. Для восстановления фтористых соединений тантала и ниобия при­годны натрий, кальций и магний, имеющие высокое сродство к фтору, как видно из приведенных ниже величин:

Эл<^ент Nb Та Na Mg Са

AG298, кДж/г-атом F. . . . -339 -358 -543 -527 -582

Для восстановления используют натрий, так как фторид натрия растворим в воде и может быть отделен отмывкой от порошков тантала и ниобия, тогда как фториды магния и кальция малорастворимы в воде и кислотах.

(2.18) (2.19)

Рассмотрим процесс на примере получения тантала. Вос­становление K2TaF7 натрием протекает с большим выделением тепла (даже при масштабах загрузки шихты до 5 кг), доста­точным для самопроизвольного течения процесса. После по­догрева шихты в одном месте до 450-500 С реакция быстро распространяется по всей массе шихты, причем температура достигает 800-900 С. Поскольку натрий плавится при 97 С, а кипит при 883 , очевидно, что в восстановлении участвуют жидкий и парообразный натрий:

K2TaF7 + 5NaW = Та + 5NaF + 2KF; K2TaF7 + 5Na(ra3) = Та + 5NaF + 2KF.

Удельные тепловые эффекты реакций (2.18) и (2.19) рав­ны 1980 и 3120кДж/кг шихты соответственно.

Восстановление ведут в стальном тигле, куда послойно загружают фторотанталат калия и кусочки натрия (~120 % от стехиометрически необходимого количества), которые наре­зают специальными ножницами. Сверху шихту засыпают слоем хлорида натрия, образующего с KF и NaF легкоплавкую смесь. Солевой расплав защищает от окисления частицы по­
рошка тантала. В наиболее простом варианте проведения процесса для возбуждения реакции стенку тигля у дна наг­ревают пламенем паяльной лампы до появления красного пят­на. Реакция быстро протекает по всей массе и заканчивает­ся за 1-2 мин. При таком осуществлении процесса вслед­ствие кратковременной выдержки продуктов при максимальной температуре (800-900 С) получаются тонкодисперсные по­рошки тантала, которые после отмывки солей содержат до 2 % кислорода.

Более крупнозернистый порошок с меньшим содержанием кислорода получают при помещении реакционного тигля в шахтную электропечь с выдержкой его в печи после оконча­ния реакции при 1000 °С.

Получающийся в результате восстановления тантал вкрап­лен в виде мелких частиц во фтористо-хлоридном шлаке, со­держащем избыточный натрий. После остывания содержимое тигля выбивают, дробят на щековой дробилке и загружают небольшими порциями в реактор с водой, где происходит "гашение" натрия и растворение основной массы солей. За­тем порошок последовательно промывают разбавленной неї (для более полной отмывки солей, растворения примеси же­леза и частично титана). Для понижения содержания оксидов тантала порошок иногда дополнительно отмывают холодной разбавленной плавиковой кислотой. Затем порошок промывают дистиллированной водой, фильтруют и сушат при 110-120 С.

Порошки содержат, %: О 0,5-2; Ті до 0,01; Fe до 0,005; Si до 0,1; С около 0,2; (Na+k) 0,1; Н 0,1.

Описанным выше способом с соблюдением примерно тех же режимов получают порошки ниобия восстановлением k2NbF7 натрием. Высушенные порошки ниобия имеют состав, %: Ті, Si, Fe 0,02-0,06; О около 0,5; N до 0,1; С 0,1-0,15.

Карботермический способ получения ниобия и тантала из оксидов

Этот способ был первоначально разработан для производ­ства ниобия из Nb2o5.

Ниобий может быть восстановлен из Nb2os углеродом при 1800-1900 °С в вакуумной печи:

Nb2Os + 5С = 2Nb + SCO. (2.20)

Шихта Nb205 + 5С содержит мало ниобия [57,2 %(по мас­се)] и даже в брикетированном состоянии имеет низкую плотность (~1,8г/см3). Вместе с тем на 1 кг шихты выде­ляется большой объем со (~0,34 м3). Эти обстоятельства делают невыгодным проведение процесса по реакции (2.20), так как производительность вакуумной печи при этом низ­кая. Поэтому процесс проводят в две стадии:

І стадия - получение карбида ниобия

Nb203 + 1С = 2NbC + 5CO; (2.2l)

П стадия - получение ниобия в вакуумных печах

Nb2Os + 5NbC = 7Nb + 5CO. (2.22)

Брикетированная шихта її стадии содержит 84,2 % (по массе) ниобия, плотность брикетов ~3 г/см3, объем образу­ющегося со 0,14 м3 на 1 кг шихты (~ в 2,5 раза меньше, чем в случае шихты Nb2o5 + sc). Это обеспечивает более высокую производительность вакуумной печи.

Существенное преимущество двустадийного процесса со­стоит также в том, что первую стадию можно проводить при атмосферном давлении в графитово-трубчатых печах сопро­тивления (рис. 29).

Для получения карбида ниобия (і стадии процесса) смесь - Nb2o5 с сажей брикетируют и брикеты нагревают в графито - вотрубчатой печи в атмосфере водорода или аргона при 1800-1900 °С (вдоль печи брикеты непрерывно продвигаются

ПРОИЗВОДСТВО ТАНТАЛА И НИОБИЯ

Рис. 29. Схема графитово-трубчатой печи сопротивления:

1 - кожух; 2 - графитовая труба накала; 3 - экранирующая графитовая труба; 4- сажевая теплоизолирующая засыпка; 5 - холодильник; 6 - контактные графи­товые конусы; 7 - охлаждаемая контактная головка; 8 - люк; 9 - шины, подво­дящие ток

Из расчета пребывания их в горячей зоне 1-1,5 ч). Измель­ченный карбид ниобия смешивают в шаровой мельнице с Nb2o5, взятой с небольшим избытком (3-5 %) против необхо­димого по реакции (2.22).

Шихту прессуют в заготовки под давлением 100 МПа, ко­торые нагревают в вакуумных печах с графитовыми нагрева­телями (или вакуумных индукционных печах с графитовой трубой) при 1800-1900 С. Выдержка заканчивается при дос­тижении остаточного давления 1,3-0,13 Па.

Реакции (2.21) и (2.22) являются суммарными. Они про­текают через промежуточные стадии образования низших ок­сидов (Nt>o2 и NbO), а также карбида Nb2c. Основные реак­ции I стадии:

Nb2Os + С = 2Nb02 + СО; (2.23)

Nb02 + С = NbO + СО; (2.24)

2NbO + 3С = Nb2C + 2СО; (2.25)

Nb2C + С = 2NbC. (2.26)

Реакции п стадии:

Nb2Os + 2NbC = 2Nb02 + Nb2C + CO; (2.27)

Nb02 + 2NbC = NbO + Nb2C + CO; (2.28)

NbO + Nb2C = 3Nb + CO. (2.29)

Металлический ниобий получается по завершающей ре­акции II стадии процесса (2.29). Равновесное давление со для реакции (2.29) при 1800 °С > 1,3 Па. Следовательно, проводить процесс необходимо при остаточном давлении меньшем, чем равновесное для данной реакции (0,5- 0,13 Па).

Полученные спекшиеся пористые брикеты ниобия содер­жат, %: С 0,1-0,15; О 0,15-0,30; N 0,04-0,5. Для получе­ния компактного ковкого металла брикеты плавят в элек­тронно-лучевой печи. Другой путь состоит в получении из брикетов порошка (путем гидрирования при 450 С, измель­чения и последующего дегидрирования в вакууме), прессова­нии штабиков и их спекании в вакууме при 2300-2350 С. В процессах вакуумной плавки и спекания в вакууме кислород и углерод удаляются в составе со, а избыточный кислород в составе летучих низших оксидов.

Основные преимущества карботермического способа - вы­сокий прямой выход металла (не ниже 96 %) и применение дешевого восстановителя. Недостаток способа - сложность конструкций высокотемпературных вакуумных печей.

Карботермическим способом можно получать также тантал и сплавы ниобия с танталом.

Алюминатермический способ получения ниобия и тантала из высших оксидов

Разработанный в последние годы алюминометрический спо­соб получения ниобия восстановлением пентоксида ниобия алюминием благодаря малостадийности и простоте аппаратур­ного оформления обладает технико-экономическими преиму­ществами по сравнению с другими способами производства ниобия.

Способ основан на экзотермической реакции:

3Nb2Os + 10А1 = 6Nb + 5А1203; (2.30)

Доу = -925,3 + 0,1362т, кДж/моль Nb2o5.

Высокий удельный тепловой эффект реакции (2640 кДж/кг шихты стехиометрического состава) обеспечивает возмож­ность проведения процесса без внешнего подогрева с вы­плавкой слитка ниобиевоалюминиевого сплава. Успешное про­ведение внепечного алюмотермического восстановления воз­можно в том случае, если температура процесса выше темпе­ратуры плавления А12о3 = 2030 °С) и металлической фазы (сплав Nb +10 % ai плавится при 2050 °С). При избыт­ке алюминия в шихте 30 - 40 % сверх стехиометрического количества температура процесса достигает ~2150-2200 С. Вследствие быстрого протекания восстановления превышение температуры примерно на 100-150 С по сравнению с темпе­ратурами плавления шлаковой и металлической фаз достаточ­но для обеспечения их разделения. При указанном выше из­бытке алюминия в шихте получают сплав ниобия с 8-10 % алюминия при реальном извлечении ниобия 98-98,5 %.

Алюминотермическое восстановление проводят в стальном тигле с набивной футеровкой из прокаленных оксидов магния или алюминия. Для удобства выгрузки продуктов плавки ти­гель делают разъемным. Через стенки вводят контакты для подвода электрического тока (20 В, 15 А) к запалу в виде нихромовой проволоки, помещенной в шихту. Другой возмож­ный вариант - проведение процесса в массивном разъемном медном тигле, у стенок которого образуется гарниссажный защитный слой.

Смесь тщательно высушенного Nb2o5 и алюминиевого поро­шка крупностью ~100 мкм загружают в тигель. Целесообразно для исключения контакта с воздухом помещать тигель в ка­меру, заполненную аргоном.

После включения запала реакция протекает быстро по всей массе шихты. Полученный слиток сплава дробят на кус­ки и подвергают вакуумтермической обработке при 1800-2000 С в печи с графитовым нагревателем при оста­точном давлении ~0,13 Па с целью удаления большей части алюминия (до его содержания 0,2 %). Затем проводят рафи­нировочную плавку в электронно-лучевой печи, получая слитки ниобия высокой чистоты с содержанием примесей, %: А1 < 0,002; С 0,005; Си < 0,0025; Fe < 0,0025; Mg, Mn, Ni, Sn < 0,001; N 0,005; О < 0,010; Si < 0,0025; Ті < < 0,005; V < 0,0025.

Принципиально возможно алюминотермическое получение тантала, однако процесс несколько сложней. Удельный теп­ловой эффект реакции восстановления 895 кДж/кг шихты. Вследствие высокой температуры плавления тантала и его сплавов с алюминием для выплавки слитка в шихту вводят оксид железа (из расчета получения сплава с 7-7,5 % желе­за и 1,5 % алюминия), а также подогревающую добавку - хлорат калия (бертолетову соль). Тигель с шихтой помещают в печь. При 925 С начинается самопроизвольная реакция. Извлечение тантала в сплав около 90 %.

После вакуумтермической обработки и электронно-лучевой плавки слитки тантала имеют высокую чистоту, сравнимую с приведенной выше для ниобия.

Получение тантала и ниобия восстановлением из их хлоридов водородом

Разработаны различные способы восстановления тантала и ниобия из их хлоридов: восстановление магнием, натрием и водородом. Наиболее перспективны некоторые варианты вос­становления водородом, в частности рассмотренный ниже способ восстановления паров хлоридов на нагретых подлож­ках с получением прутка компактного металла.

На рис. 30 приведена схема установки для получения тантала восстановлением паров ТаС15 водородом на тантало­вой ленте, нагретой до 1200-1400 °С. Пары ТаСІ5 в смеси с водородом поступают из испарителя в реактор, в центре ко­торого находится танталовая ленты, нагреваемая прямым пропусканием электрического тока до заданной температуры. Для равномерного распределения паро-газовой смеси по дли­не ленты и обеспечения перпендикулярного к ее поверхности потока вокруг ленты установлен экран из нержавеющей стали с отверстиями. На нагретой поверхности происходит ре­акция:

ТаС15 + 2,5 Н2 = Та + 5 HCl; AG°m к = -512 кДж. (2.31)

ПРОИЗВОДСТВО ТАНТАЛА И НИОБИЯ

Рис. 30. Схема установки для восстановления пентахлорида тантала водородом: 1 - фланец реактора; 2 - изолированный электроподвод; 3 - зажимные контакты; 4 - конденсатор для непрореагировавшего хлорида; 5 - танталовая лента; 6 - экраи с отверстиями,- 7 - корпус реактора; 8 - нагреватель реактора; 9 - обо­греваемый ротаметр; 10 - игольчатый вентиль; 11 - электропечь испарителя; 12 - испаритель пентахлорида тантала; 13 - ротаметр для водорода

Оптимальные условия осаждения тантала: температура ленты 1200-1300 °С, концентрация ТаСІ5 в газовой смеси ~ 0,2моля/моль смеси. Скорость осаждения в этих усло­виях равна 2,5-3,6 г/(см2 • ч) (или 1,5-2,1 мм/ч), Таким образом, за 24 ч получают пруток чистого тантала со сред­ним диаметром 24-25 мм, который может быть прокатан в лист, использован для переплавки в электронно-лучевой пе­чи или превращен в высокочистые порошки (путем гидрирова­ния, измельчения и дегидрирования порошка). Степень пре­вращения хлорида (прямое извлечение в покрытие) составля­ют 20-30 %. Непрореагировавший хлорид конденсируют и сно­ва используют. Расход электроэнергии равен 7-15 кВт • ч на 1 кг тантала в зависимости от принятого режима.

Водород после отделения паров НСІ поглощением водой может быть возвращен в процесс.

Описанным способом можно получать также прутки ниобия. Оптимальные условия осаждения ниобия: температура ленты 1000-1300 С, концентрация пентахлорида 0,1-0,2 моля/моль газовой смеси. Скорость осаждения металла равна 0,7-1,5 г/(см2-ч), степень превращения хлорида в металл 15-30%, расход электроэнергии 17-22 кВт*ч/кг металла. Процесс для ниобия ослажняется тем, что часть NbCl5 вос­станавливается в объеме реактора на некотором расстоянии от накаленной ленты до нелетучего NbCl3, осаждающегося на стенках реактора.

Электролитический способ получения тантала

Тантал и ниобий нельзя выделить электролизом из водных растворов. Все разработанные процессы основаны на элект­ролизе расплавленных сред.

В промышленной практике метод применяют для получения тантала. Так, на протяжении ряда лет электролитический метод производства тантала использовала фирма "Фенстил" (США), часть производимого тантала в Японии в настоящее время получают электролизом. Широкие исследования и про­мышленные испытания метода проведены в СССР.

Метод электролитического получения тантала подобен ме­тоду получения алюминия.

Основой электролита служит расплав солей K2TaF7 - KF - - КС1, в котором растворен оксид тантала Та205. Применение электролита, содержащего лишь одну соль - K2TaF7, практи­чески невозможно вследствие непрерывного анодного эффекта при использовании графитового анода. Электролиз возможен в ванне, содержащей K2TaF7, КС1 и NaCl. Недостаток этого электролита - накопление в нем в процессе электролиза фтористых солей, что приводит к снижению критической плотности тока и требует корректировки состава ванны. Этот недостаток устраняется введением в электролит Та205. Результатом электролиза в этом случае является электроли­тическое разложение оксида тантала с выделением на катоде тантала, а на аноде кислорода, реагирующего с графитом анода с образованием С02 и СО. Кроме того, введение в со­левой расплав Та205 улучшает смачивание расплавом графи­тового анода и повышает величину критической плотности тока.

Выбор состава электролита базируется на данных иссле­дований тройной системы K2TaF7-KCl-KF (рис.31). В этой системе установлены две двойные соли K2TaF7 • KF (или KjTaFg) и K2TaF7 • КС1 (или K3TaF7Cl), две тройные эвтекти­ки Еі и Е2, плавящиеся при 580 и 710 С соответственно, и перитектическая точка Р при 678 °С. При введении Та205 в расплав он взаимодействует с фторотанталатами с образова­нием оксофторотанталата:

3K3TaF8 + Ta2Os + 6KF = 5K3TaOF6. (2.32)

Аналогично протекает реакция с K3TaF7Cl. Образование оксофторидных комплексов тантала обусловливает раствори­мость Та205 в электролите. Предельная растворимость зави­сит от содержания K3TaF8 в расплаве и соответствует сте­хиометрии реакции (2.32).

На основе данных о влиянии состава электролита на по­казатели электролиза (критическую плотность тока, выход по току, извлечение, качество танталового порошка) совет­скими исследователями предложен следующий оптимальный со­став электролита: 12,5 % (по массе) K2TaF7, остальное КС1 и KF в отношении 2:1 (по массе). Концентрация вводимого Ta2Os 2,5-3,5 % (по массе). В данном электролите при тем­пературах 700-800 °С при использовании графитового анода напряжение разложения оксофторидного комплекса 1,4 В, тогда как для KF и КС1 напряжения разложения равны ~3,4 В и ~4,6 В соответственно.

Kf

ПРОИЗВОДСТВО ТАНТАЛА И НИОБИЯ

КС I K2TaF,-KCl KJaFf

% (мол.)

Рис. 31. Диаграмма плавкости системы K2TaF7-KF-KCl

При электролизе на катоде происходит ступенчатый раз­ряд катионов Та5+:

Та5+ + 2е >• Та3+ + Ъе *• Та0.

Процессы на аноде можно представить реакциями: TaOF63" - Зе = TaFs + F" + 0; 20 + С = С02; С02 + С = 2СО; TaFj + 3F~ = TaF|~. Ионы TaF|~, реагируя с вводимым в расплав Ta2Os, обра­зуют вновь ионы TaOF|~. При температурах электролиза 700-750 °С в составе газов -95 % С02, 5-7 % СО; 0,2-

0,3% О2.

ПРОИЗВОДСТВО ТАНТАЛА И НИОБИЯ

ПРОИЗВОДСТВО ТАНТАЛА И НИОБИЯ

Среди испытанных в СССР конструкций электролизеров лучшие результаты были получены в тех, где катодом служит тигель из никеля (или сплава никеля с хромом), в центре

ПРОИЗВОДСТВО ТАНТАЛА И НИОБИЯ

Рис.32. Схема электролизера для получения тантала:

1 - бункер с питателем подачи Та205; 2 - электромагнитный вибратор питателя; 3 - кронштейн с креплением для анода; 4 - полый графитовый анод с отверстия­ми в стенке; 5 - тигель-катод из нихрома; 6 - крышка; 7 - теплоизолирующий стакан; 8 - штурвал для подъема авода; 9 - пробка со стержнем для подвода тока

Которого расположен полый графитовый анод с отверстиями в стенках (рис. 32). Оксид тантала подают периодически ав­томатическим вибропитателем в полый анод. При таком спо­собе питания исключается механическое загрязнение катод­ного осадка нерастворившейся пятиокисью тантала. Газы удаляют через бортовой отсос. При температуре электролиза 700-720 С, непрерывном питании ванны Та205 (т. е. при ми­нимальном числе анодных эффектов), катодной плотности то­ка 30-50 А/дм2 и отношении DjDк = 2*4 прямое извлечение тантала составляет 87-93 %, выход по току 80 %.

Электролиз ведут до заполнения катодным осадком 2/3 полезного объема тигля. По окончании электролиза анод поднимают и электролит вместе с катодным осадком охлажда­ют. Применяют два способа обработки катодного продукта с целью отделения электролита от частиц танталового порош­ка: измельчение с воздушной сепарацией и вакуум-терми - ческую очистку.

Вакуум-термический способ, разработанный в СССР, со­стоит в отделении основной массы солей от тантала выплав­кой (вытапливанием) в атмосфере аргона с последующим уда­лением остатка испарением в вакууме при 900 С. Выплав­ленный и сконденсированный электролит возвращают на электролиз.

Та измельчением с воздушной сепарацией 30—70 мкм, а при использовании вакуум-термической обработки - 100-120 мкм.

Порошки содержат примесей, %: О 0,1-0,2; С 0,03-0,2; (Fe+Ni) 0,03-0,1; F 0,01; Si до 0,1. Содержание кислорода примерно в 10 раз ниже, чем в порошках натриетермического восстановления, что объясняется крупными размерами частиц электролитического порошка.

Получение ниобия из оксифторидно-хлоридных электроли­тов, подобно танталу, не дало положительных разультатов вследствие того, что при разряде на катоде образуются низшие оксиды, загрязняющие металл. Выход по току низкий.

Для ниобия (а также для тантала) перспективны бескис­лородные электролиты. Пентахлориды ниобия и тантала рас­творяются в расплавленных хлоридах щелочных металлов с образованием комплексных солей A/eNbCl6 и MeTaCl6. При электролитическом разложении этих комплексов на катоде выделяются крупнокристаллические осадки ниобия и тантала, а на графитовом аноде - хлор.

Металлургия редких металлов

Кобальт

Кобальт - это цветной металл серебристо-белого цвета с синеватым оттенком. Этот металл немного тверже железа. Окисление кобальта происходит при температуре свыше трехсот градусов с образованием оксида желтого цвета. В раздробленном …

В чем может быть выгода медных канализационных труб?

Если вы решите построить дачу или загородный дом, стоит запомнить одну очень важную вещь – нельзя экономить на проводке, канализации, водоснабжении, отоплении и т.п. Иначе, в случае какой-нибудь аварии, ремонт …

ПОРОШКОВАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ БЕРИЛЛИЯ

Литой бериллий обычно имеет крупнокристаллическую структуру, что в связи с большой анизотропией свойств кристаллов бериллия затрудняет его обработку давлением. Поэтому большую часть компактных бериллиевых заготовок и изделий производят методами порошковой …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел. +38 05235 7 41 13 Завод
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 067 561 22 71 — гл. менеджер (продажи всего оборудования)
+38 067 2650755 - продажа всего оборудования
+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи всего оборудования
e-mail: msd@inbox.ru
msd@msd.com.ua
Скайп: msd-alexandriya

Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Представительство МСД в Киеве: 044 228 67 86
Дистрибьютор в Турции
и странам Закавказья
линий по производству ПСВ,
термоблоков и легких бетонов
ооо "Компания Интер Кор" Тбилиси
+995 32 230 87 83
Теймураз Микадзе
+90 536 322 1424 Турция
info@intercor.co
+995(570) 10 87 83

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.