Способ получения металлов и сплавов

 

Изобретение относится к способу получения металлов и сплавов в виде компактных слитков, порошков или губки, включающему металлотермическую реакцию в режиме горения при размещении металла-восстановителя и соединений восстанавливаемых металлов в тигле, прозрачном для электромагнитного поля, нагревание и инициирование реакции с помощью индукционных токов непосредственно через тигель, охлаждение и кристаллизацию продуктов реакции. Сущность: размещение осуществляют путем загрузки металла-восстановителя в виде монолитного блока с полостями, заполненными восстанавливаемыми соединениями, при этом диапазон частоты индукционных токов составляет 50-67 000 Гц. 1 з.п.ф-лы.

Изобретение относится к металлургии цветных и редких металлов и сплавов на их основе, и в частности к получению компактных слитков, губки или порошков методом металлотермии.

Металлотермические процессы, протекающие в режиме горения, занимают одно из ведущих мест в металлургии редких металлов. В большинстве случаев основной целью металлотермического процесса является получение металла или сплава в виде компактного слитка. Если выделяющегося в результате металлотермической реакции тепла недостаточно для протекания металлотермической реакции в режиме горения, встает задача предварительного нагрева реакционной смеси. Другой задачей, которую приходится решать при получении редких металлов и их сплавов методом восстановительной плавки, является выбор материала тигля. Практически все редкие металлы являются химически активными, что ограничивает или исключает применение графитовых и керамических тиглей.

Для решения указанных двух задач эффективно зарекомендовали себя вакуумные индукционные печи с секционированными медными водоохлаждаемыми (холодными) тиглями (патент Великобритании 1269029, МКИ C22B).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ (патент Великобритании 1279396, МКИ C 22 B) получения металлов и сплавов, согласно которому реакционную смесь, приготовленную путем тщательного смешения порошка восстанавливаемого соединения и гранул металла-восстановителя, помещают в вертикальный металлический тигель, прозрачный для электромагнитного поля, нагревают реакционную смесь посредством высокочастотных токов, наведенных в шихте, охлаждается тигель таким образом, что создается твердый защитный слой шлака на его стенке, высокочастотный ток и охлаждение тигля подаются так, чтобы поддержать реакционную массу в расплавленном состоянии до полного разделения металла и шлака, после чего их охлаждают. Частота индукционных токов 400 000 10 000 000 Гц.

Недостатками данного способа являются: большой расход электроэнергии, обусловленный необходимостью поддержания длительное время продуктов плавки в жидком состоянии после металлотермической реакции до полного разделения металла и шлака при интенсивном охлаждении тигля; необходимость применения индукционного тока частотой 400 000 Гц и выше, что обусловлено низкой электропроводностью шлаковых расплавов; способ весьма неэффективен для осуществления процессов в тиглях больших диаметров из-за ярко выраженного поверхностного эффекта при применении частот диапазона 400 000 Гц и выше; значительные потери восстановительного металла и сплава в защитной шлаковой корке; значительные затраты на гранулирование металла-восстановителя; трудоемкость приготовления тщательно перемешанной реакционной смеси компонентов, которыея, как правило, резко различаются по насыпной плотности и крупности, что приводит к расслоению при загрузке в тигель.

Принимая во внимание изложенное, создан усовершенствованный способ получения компактных слитков губки и порошков цветных и редких металлов и сплавов на их основе методом восстановительной плавки, который включает преимущества проведения процесса в тиглях, прозрачных для электромагнитного поля, но является менее энергоемким и значительно упрощает проведение процесса, и в том числе операцию приготовления шихты.

Отличительным признаком изобретения, определяющим его новизну, является то, что металл-восстановитель загружают в тигель в виде монолитного блока с полостями, в которые помещают восстанавливаемое соединение. Форма монолитного блока металла-восстановителя подобна форме реакционного тигля. Объем полостей в блоке металла-восстановителя определяется исходя из состава реакционной смеси и насыпной массы восстанавливаемого соединения. Блок металла-восстановителя с полостями для загрузки восстанавливаемого соединения наиболее экономично получать методом литья в форму, в которой установлены стержни, образующие в блоке полости после их извлечения. Полости в блоке могут быть проделаны сверлением, но при этом образуется значительное количество отходов.

Признаком изобретения также является диапазон частот индукционных токов 50 67 000 Гц.

Применение металла-восстановителя в виде монолитного блока позволяет проводить предварительный нагрев реакционной смеси за время в несколько раз меньше и при меньшем расходе электроэнергии, чем при использовании измельченного восстановителя, когда его частицы отделены друг от друга частицами восстанавливаемого соединения.

Применение металла-восстановителя позволяет как минимум в 2 раза увеличить единовременную загрузку в реакционный тигель и тем самым повысить производительность оборудования.

Применение индукционных токов диапазона 50-67 000 Гц обеспечивает после расплавления металла-восстановителя интенсивное электромагнитное перемешивание реагирующих компонентов и создает условия для полного протекания металлотермической реакции.

Пример 1. Процесс получения металлического циркония в виде компактного слитка методом восстановления из фторида кальцием проводили в вакуумной индукционной (частота тока 2400 Гц) печи с холодным тиглем 100 мм. В монолитном блоке кальция o 98 мм и высотой 180 мм высверливали 4 полости o 35 мм на глубину 178 мм, после чего масса полученного блока кальция составляла 800 г. В высверленные полости набивали 1600 г тетрафторида циркония (насыпная масса 1,3 г/см³). Приготовленную таким образом шихту устанавливали в холодный тигель. Процесс вели в атмосфере аргона на мощности 100 кВт в течение 11 мин, по истечении которых кальций расплавлялся и наблюдалось бурное протекание металлотермической реакции. Продукты плавки охлаждали и извлекали из тигля. Выход циркония в слиток составил 96% (837 г).

Пример 2. Процесс получения сплава КТЦ-125 (основа цирконий, легирующий компонент ниобий 2,5%) проводили по методике, описанной в примере 1. Отличие заключалось в том, что порошок тетрафторида циркония предварительно смешивали с 22,4 г порошка металлического ниобия. Выход сплава в слиток составил 91% (812 г).

Пример 3. Процесс получения губки гафния проводили в той же печи. В монолитном блоке кальция o 98 мм и высотой 180 мм высверливали 4 полости o 35 мм на глубину 178 мм, после чего масса полученного блока кальция составляла 800 г. В полости набивали 2300 г фторида гафния (насыпная масса 2,9 г/см³). Приготовленную таким образом шихту устанавливали в холодный тигель. Процесс вели в атмосфере аргона на мощности 160 кВт в течение 6,5 мин. Охлажденный блок продуктов плавки извлекали из холодного тигля, помещали в танталовый с отверстиями в днище и нагревали в атмосфере аргона до 1500^oC. Шлак (фтористый кальций) расплавлялся и вытекал из танталового тигля через отверстия в днище, а тугоплавкая гафниевая губка оставалась в нем. Выход губки составил 88% (1420 г).

Пример 4. Процесс получения порошка вольфрама методом восстановления его оксида магния проводили в той же печи. В монолитном блоке магния o 98 мм и высотой 180 мм высверливали 4 полости o 35 мм на глубину 178 мм, после чего масса блока магния составляла 1000 г. В полости набивали 2580 г триоксида вольфрама (насыпная масса 3,5 г/см³) и устанавливали в холодный тигель. Процесс вели в атмосфере аргона на мощности 100 кВт в течение 8 мин, по истечении которых магний расплавлялся и протекала металлотермическая реакция. Продукт плавки охлаждали, извлекали из тигля, дробили и кипятили в течение 1 ч в 25%-ном растворе соляной кислоты. Выход вольфрамового порошка составил 93,7% (2224 г).

Формула изобретения

1. Способ получения металлов и сплавов в виде компактных слитков, порошков или губки, включающий металлотермическую реакцию при размещении металла-восстановителя и соединений восстанавливаемых металлов в тигле, прозрачном для электромагнитного поля, нагревание и инициирование реакции с помощью индукционных токов непосредственно через тигель, охлаждение и кристаллизацию продуктов реакции, отличающийся тем, что размещение осуществляют путем загрузки металла-восстановителя в виде монолитного блока с полостями, заполненными восстанавливаемыми соединениями.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что диапазон частоты индукционных токов составляет 50 67000 Гц.