Металлургия редких металлов

ПОЛУЧЕНИЕ ВАНАДИЯ

Способ получения и рафинирования металлического вана­дия определяется требованиями, предъявляемыми к чистоте металла в зависимости от конкретной области его приме­нения.

В чистом виде вандий, как и другие тугоплавкие металлы (титан, цирконий, ниобий), получают термической диссоциа­цией иодида ванадия.

Наиболее распространены кальцетермический и алюмино- термический методы восстановления V205. Реакция

V2Os+5Ca = 2V+5CaC>+1460 кДж (3.16)

Экзотермична; выделяющегося тепла достаточно для расплав­ления образующегося ванадия, который собирается в крупные корольки. Реакцию проводят в герметичной стальной бомбе в тигле из магнезита. Чистота металла 99,5 %, что обеспечи­вает легкую прокатку на холоду в фольгу толщиной 0,08 мм.

Недостатки металлотермического метода: 1) большой рас­ход восстановителя; 2) высокие требования к чистоте ис­ходных материалов и футеровке бомбы; 3) ограниченная воз­можность понижения содержания кислорода в металле (так, сродство кальция к кислороду понижается с увеличением температуры); 4) степень извлечения ванадия 50-84 %; 5) взрывоопасноть, малая производительность и периодичность процесса.

Перспективный способ получения ванадия - восстановле­ние его оксидов углеродом в вакууме при 1250-1700 °С. Ис­пользование химически чистых исходных материалов, особен­но по нелетучим компонентам, обеспечивает получение спектрально чистого металла. Высокий вакуум и непрерывное удаление газов из зоны реакции обеспечивают низкое со­держание примесей внедрения. Достоинства карботермическо - го метода - дешевый восстановитель, раскисляющая способ­ность которого в высоком вакууме превышает раскисляющую способность кальция и магния, возможность непрерывного контроля и корректирования процесса на любой стадии, вы­сокая производительность и степень извлечения.

Известен ряд методов восстановления VC13 и VC12 магни­ем, литием, натрием, калием, кальцием, цирконием, водоро­дом (рис.38).

ЩСІг

Переплавка металла в вакууме с помощью электронной бомбардировки значительно повышает чистоту металла. Дру­гой способ повышения чистоты металла - электрорафинирова­ние. По одному из способов электролитом служил расплав: при 620 °С 51% КС1, 41% LiCl, 8 %VC12. Кальциетерми - ческий кусковой ванадий чисто­той 99,47 % служил анодом, мо­либденовый стержень - катодом. Процесс проводили в атмосфере инертного газа при напряжении на электродах 0,30-0,54 В. Электролиз проводили в две ступени.

Содержание примесей в ис­ходном и рафинированном вана­дии после 2-й ступени состав­ляло, • 104, %: Водо

Ршс.38. Схема установки для восстановле­ния VC13 магнием

Al С Fe Mn Mo N О Si Ті

Содержание примесей в ванадии:

Исходном... 30 410 320 20 125 2416 1370 498 24

После элек­трорафи­нирования... 1 10 1 1 1 Ю 70 15 1

Полученный ванадий был высокопластичен и применялся для изготовления деталей ядерного реактора.

Эффективный метод рафинирования ванадия - вакуумная электронно-лучевая зонная плавка. Очистка металла в этом случае происходит за счет зонного рафинирования и за счет преимущественного испарения примесных элементов. Если ли­митирующей стадией процесса массопереноса примеси из рас­плава в газовую фазу является скорость испарения ее с по­верхности расплава, то коэффициент разделения можно рас­считать по формуле:

„о АЯ д.

Р - Мме к = —е КІ, (3.17)

Р° Мі

Me

Где р° и р° - давление пара примесного компонента і и і Me

Рафинируемого металла; М,- и - молекулярные массы при­месного и основного компонента; ЛЯ - энтальпия образова­ния интерметаллического соединения рафинируемый металл - примесь; Т - температура расплава; R - универсальная га­зовая постоянная.

При скорости движения зоны 1 мм/мин степень очистки ванадия от летучих примесей составляет: для Fe 100, Al 1170, Ni 5000. Очистка от труднолетучих примесей (Мо, Nb, Hf, Zr) наблюдается также при низких скоростях плавки за счет зонной перекристаллизации. При больших скоростях движения зоны и малых концентрациях примеси степень очистки снижается, поскольку лимитирующей стадией процес­са массопереноса является диффузия примеси к поверхности расплава.

Чистейший ванадий - типичный пластичный металл. Однако механические свойства ванадия сильно зависят от степени его чистоты. Особенно резко ухудшают качество металла да­же малые содержания примесей внедрения - углерода, кисло­рода, азота и водорода. Они наиболее трудно удаляются из ванадия при его получении. Примеси других элементов в со­поставимых количествах гораздо меньше, чем примеси внед­рения, ухудшают качество ванадия.