СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО СКАНДИЯ Российский патент 1995 года по МПК C22B59/00 

Изобретение относится к металлургии редких металлов, в частности к получению металлического скандия.

Существует способ получения металлического скандия методом магниетермического восстановления [1]
Недостатком данного способа является получение сплава магний-скандий, содержащего не более 24 мас. последнего, что затрудняет выделение из него чистого металла.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ [2] при котором фторид скандия восстанавливают до металла кальцием при 1550-1600^о С в тигле из тугоплавкого металла (тантала, ниобия, молибдена, вольфрама).

Применяемый в качестве исходного сырья фторид скандия представляет собой мелкодисперсный порошок (20-150 мкм) с насыпной массой 0,2-0,3 г/см³, в то время как теоретическая плотность составляет 2,6 г/см³. Использование такого порошка на операции восстановления резко ограничивает загрузку в реакционные тигли, снижая производительность оборудования. До 2 мас. фторида скандия теряется за счет пылеуноса.

Кроме того, исходный фторид содержит от 0,02 до 0,2 мас. фторидов редкоземельных металлов, что приводит при восстановлении к загрязнению ими получаемого скандия. Очистить скандий от примесей таких РЗМ, как иттрий и иттербий методами вакуумной плавки и дистилляции практически невозможно ввиду небольшого различия упругости паров.

Целью предлагаемого изобретения является повышение производительности оборудования и снижение потерь на операции восстановления, а также повышение качества получаемого скандия.

Цель достигается тем, что в известном способе перед проведением операции восстановления фторид скандия сублимируют или дистиллируют при нагревании в вакууме или инертной атмосфере до 800-1500^о С, пары конденсируют, конденсат охлаждают и измельчают. С целью более эффективной очистки от примесей фторид скандия предварительно смешивают с фторидом кальция, взятом в количестве 5-60% от массы исходного фторида скандия.

Получаемый в результате сублимации или дистилляции конденсат фторида скандия представляет собой монолитную массу с плотностью, близкой к теоретической. Это позволяет получать из него крупнокристаллический порошок (4-10 мм), оптимальный для кальциетермического восстановления и практически непылящий. При такой крупности порошка насыпная масса его составляет 1,2-1,4 г/см³, что позволяет резко увеличить загрузку в тигель на операции восстановления. Эффект очистки фторида скандия от фторидов РЗМ достигается за счет того, что температура кипения фторида скандия 1527^о С, а фторидов всех РЗМ лежит в пределах 2227-2427^о С. В результате сублимации и дистилляции фториды РЗМ конденсируются в твердом остатке. Однако в процессе испарения фторида скандия концентрация фторидов РЗМ в твердом остатке возрастает, что приводит к повышению их парциального давления и в конечном итоге к загрязнению получаемого конденсата. С целью подавления указанного отрицательного эффекта черновой фторид скандия смешивают с фторидом кальция. Поскольку фторид кальция является практически нелетучим в предлагаемом диапазоне температур ( t кипения 2900^о С), то он после испарения фторида скандия будет являться растворителем для фторидов РЗМ, резко снижая их давление паров в соответствии с законом Рауля.

Верхний предел температуры испарения фторида скандия, равный 1500^о С, обусловлен тем, что дальнейшее его повышение приводит к бурному прохождению процесса с выбросом реакционной массы из тигля. Также вследствие невозможности контроля за ходом процесса конденсации образуется рыхлый конденсат, что приводит к получению при дроблении порошка фторида скандия с меньшей насыпной массой и, как следствие, снижается производительность на операции восстановления.

Нижний предел температуры испарения фторида скандия, равный 800^о С, обусловлен тем, что дальнейшее снижение приводит к резкому снижению производительности на данной операции без повышения эффективности очистки.

Верхний предел количества фторида кальция 60 мас. добавляемого в черновой фторид скандия, обусловлен тем, что дальнейшее его повышение не сказывается на качестве получаемого фторида скандия в пределах чувствительности существующего метода анализа.

Нижний предел количества добавляемого фторида кальция обусловлен тем, что дальнейшее его снижение не обеспечивает эффекта подавления испарения фторидов РЗМ.

Эксперименты по прототипу и предлагаемому способу проводили в индукционной печи типа ИСВ-0,016 с танталовым тиглем диаметром 80 мм и высотой 300 мм.

В качестве исходного сырья применяли порошок фторида скандия, полученный методом газового гидрофторирования и имеющий насыпную массу 0,27 г/см³. В качестве восстановителя использовали стружку кальция.

В экспериментах по предлагаемому способу черновой фторид скандия предварительно рафинировали методом сублимации и дистилляции в вакууме 10^-2-10^-3 мм рт. ст. или инертной атмосфере (аргон, гелий) при нагревании в тигле из графита, выложенного молибденовым листом. Пары фторида скандия улавливали на медном водоохлаждаемом конденсаторе. Конденсат дробили до крупности 4-10 мм и направляли на восстановление. Результаты экспериментов по прототипу и предлагаемому способу представлены в таблице.

Как следует из приведенных данных, предлагаемый способ позволяет получить фторид скандия с большей насыпной массой, что увеличивает производительность операции восстановления в среднем в 1,9 раза, потери на пылеунос снижаются с 2,2 до 0,13 мас.

Содержание иттрия и иттербия в рафинированном фториде и получаемом из него скандии снижается с 0,2; 0,12 до 0,002; 0,001 мас. соответственно.

За пределами предлагаемых параметров наблюдается либо снижение производительности на сублимации без повышения качества (опыт 10), либо увеличивается расход фторида кальция (опыт 13), либо снижается качество получаемого фторида скандия (опыт 11 и 12), а также снижается производительность на операции восстановления (опыт 11).

Способ прошел опытно-промышленные испытания и рекомендован к внедрению на ПО ПГМК.

Использование: получение металлического скандия кальциетермическим восстановлением фторида скандия. Сущность: фторид скандия перед восстановлением сублимируют или дистиллируют в вакууме или инертной атмосфере при 800-1500°С, конденсат охлаждают и измельчают. Перед сублимацией или дистилляцией фторид скандия смешивают с фторидом кальция, взятым в количестве 5-60% от массы фторида скандия. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО СКАНДИЯ, включающий восстановление фторида скандия кальцием, отличающийся тем, что фторид скандия перед выставлением сублимируют или дистиллируют в вакууме или инертной атмосфере при 800 1500^oС с последующим охлаждением и измельчением полученного конденсата. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что фторид скандия перед сублимацией или дистилляцией смешивают с фторидом кальция, взятым в количестве 5 60% массы фторида скандия.