СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГАЛЛИЯ Российский патент 2005 года по МПК C22B58/00 

Предлагаемое изобретение относится к металлургии редких металлов, в частности к способам получения галлия.

В настоящее время существует ряд способов получения галлия, большинство из которых основано на извлечении галлия посредством электролиза.

Так, в патенте РФ №2118391, кл. С 22 В 58/00, 1998 г., описан способ получения галлия из раствора глиноземного производства, включающий двухстадийную карбонизацию алюминатного раствора, отделение гидроксида алюминия от содощелочного раствора после первой стадии с получением пульпы после второй стадии, отделение осадка, обогащенного галлием, при этом карбонизацию проводят до содержания каустической щелочи не более 2,0 г/л в присутствии кальцийсодержащих соединений, а вторую стадию карбонизации проводят до содержания бикарбонатной щелочи 20-50 г/л.

Недостатком данного метода является низкое извлечение галлия, а также значительные затраты, связанные с реализацией этого способа.

Известен также способ извлечения галлия из поташного матричного раствора, включающий разбавление и карбонизацию раствора с получением пульпы, состоящей из галлийсодержащего осадка и бикарбонатного раствора, нейтрализацию пульпы маточным раствором, ее фильтрование, промывку отфильтрованного осадка, растворение промытого осадка каустическим раствором, при этом промывку отфильтрованного осадка проводят методом вытеснения до содержания бикарбоната натрия в конечной промводе от 0,1 до 3,0 г/л с использованием в качестве промывной жидкости щелочного раствора (патент РФ №2116369, кл. С 22 В 58/00, 1998 г.).

Основным недостатком данного способа является сложность схемы получения концентрата, включающая две стадии выделения галлийсодержащего осадка, три фильтрации и столько же промывок.

Наиболее близким техническим решением к настоящему изобретению является способ переработки отходов полупроводниковых соединений галлия, выбранный нами в качестве прототипа (патент РФ №2201465, кл. С 22 В 58/00, 1997 г.), основанный на термической обработке отходов в окислительной атмосфере при температуре 340°С-450°С, предусматривающий выщелачивание спека, выделение галлия из раствора электролизом.

Недостатком данного способа прямого извлечения галлия является необходимость устранения влияния примесей, так как при повышении в растворах относительного содержания примесей (ванадий, хром, молибден, мышьяк, неокисленная сера и др.) значительно понижается надежность электрохимических методов выделения галлия, а их использование, как правило, сопряжено со значительными затратами на установку дополнительного оборудования, низким извлечением галлия из растворов, высоким расходом алюминия.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение извлечения галлия при одновременном упрощении его извлечения, уменьшении затрат на осуществление данного способа, а также уменьшение примесей в извлекаемом галлии.

Техническим результатом, достигаемым при использовании заявляемого изобретения, является повышение извлечения галлия при одновременном упрощении его извлечения, уменьшение затрат на осуществление данного способа, а также уменьшение примесей в извлекаемом галлии.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе получения галлия из галлийсодержащего сырья, включающем термическую обработку, галлийсодержащее сырье перед термической обработкой помещают в печь для производства чугуна, производят выплавку галлийсодержащего чугуна, термическую обработку осуществляют при помещении расплавленного галлийсодержащего чугуна в электропечь нагревом до температуры не менее 1700°С с выделением газообразного галлия в течение времени, необходимого для выделения до 95% галлия, с последующим охлаждением газообразного галлия и выделением в емкостях для сбора.

Желательно, чтобы в качестве галлийсодержащнго сырья использовалось комплексное природное сырье и/или техногенные материалы с концентрацией галлия не менее 50 г/т.

Целесообразно, чтобы при выплавке галлийсодержащего чугуна использовали печь, выбранную из группы, содержащей доменную печь, шахтную печь, вагранку.

Предпочтительно, чтобы температуру расплавленного галлийсодержащего чугуна при помещении его в электропечь, поддерживали на уровне не менее 1400°С.

Желательно также, чтобы выделение газообразного галлия из галлийсодержащего чугуна в электропечи производили при давлении не более 1 мм рт. ст.

Предпочтительно, чтобы масса галлийсодержащего чугуна при помещении в электропечь составляла от 1 до 10 тонн.

Таким образом, при использовании предлагаемого способа удается извлекать достаточно большое количество галлия, так как печи для производства чугуна имеют значительные объемы для закладки комплексного природного сырья и/или техногенных материалов с достаточно высоким содержанием галлия.

Кроме того, при реализации данного способа не надо выделять значительные затраты на приобретение специального оборудования, так как способ реализуется при использовании широко распространенного оборудования, доменных, шахтных печей, электропечей, деконтаторов.

Также при использовании данного способа удается получить достаточно чистый галлий с небольшим содержанием примесей, а также процесс извлечения галлия можно производить одновременно и совместно с процессом получения чугуна. При этом качество чугуна не ухудшается, а только улучшается за счет содержания в нем галлия, а примеси, содержащиеся в чугуне, незначительно влияют на качество извлекаемого галлия.

Сущность способа заключается в следующем.

При выплавке чугуна в печь для его производства закладывается сырье с большим содержанием галлия, предпочтительно от 1 до 10 тонн. Желательно, чтобы концентрация галлия в закладываемом сырье достигала не менее 50 г/т. Далее производится выплавка чугуна.

После выплавки галлийсодержащего чугуна его помещают в электропечь в расплавленном виде, желательно при температуре не менее 1400°С, после чего производят выпаривание галлия при нагреве галлийсодержащего чугуна до температуры 1700°С и выше. Процесс выпаривания целесообразно проводить до выпаривания из чугуна 95% галлия. Затем пары галлия, полученные в результате выпаривания, помещают в деконтатор, где происходит их охлаждение и выделение в емкости для сбора галлия.

Таким образом, при использовании предлагаемого способа возможно получать достаточно большое количество галлия высокого качества при незначительных затратах на его производство, а также повысить извлечение галлия при одновременном упрощении его извлечения, уменьшении затрат на осуществление данного способа, а также уменьшить примеси в извлекаемом галлии.

Рассмотрим конкретный пример выполнения изложенного выше изобретения.

Пример

Способ проводился на специальной опытно-промышленной установке, главным агрегатом которой являлась индукционно-вакуумная печь VIM-12 (Vacuum Induction Melting). Основные параметры печи отражены в таблице.

Таблица
Технические параметры индукционно-вакуумной печи VIM-12ПараметрЗначениеМощность, кВт100Номинальная частота, кГц3Номинальное напряжение, В400Рабочий объем тигля (mах), л15Масса плавки (mах), кг80Вакуум (mах), мм рт.ст.1 (с расплавом)Максимальная температура расплава,°С1700

Эксперимент состоял в том, что расплав чугуна легировали галлием, а затем обрабатывали под вакуумом при температуре 1700°С.

Как известно, чистый галлий плавится при температуре 29°С. Низкая температура плавления данного металла затрудняет работу с ним. При легировании галлием расплава чугуна в вакуумно-индукционной печи типа VIM-12 существует риск мгновенного расплавления галлия уже в загрузочной камере до попадания в расплав, С одной стороны, это может привести к существенным потерям металла и повлиять на достоверность результатов опытов, с другой стороны, могли быть повреждены важные элементы печи. По упомянутым причинам было принято решение давать галлий в печь не в чистом виде, а в виде сплава, который обладал бы достаточно высокой температурой плавления. В графитовом тигле, в атмосфере нейтрального газа был приготовлен сплав, состоящий из 80 мас.% Sn и 20 мас.% Ga. Фазовая диаграмма Ga-Sn показывает, что растворимость галлия в олове при комнатной температуре составляет около 4%. По этой причине при достижении температуры 400°С расплав Ga-Sn при интенсивном перемешивании быстро охлаждался. В результате затвердевания был получен перенасыщенный галлием раствор. Полученный сплав был использован в качестве легирующего элемента, что позволило обеспечить необходимую концентрацию галлия в чугуне.

В тигель печи VIM-12 было помещено 100 кг чугуна, который был расплавлен в атмосфере аргона под давлением 100 мм рт.ст. При достижении температуры 1400°С в расплав было добавлено 50 грамм заранее приготовленного сплава Sn-Ga, что обеспечило концентрацию галлия в чугуне - 100 г/т. Расплав в течение 5 минут интенсивной плавки был перемешен и усреднен. Затем, в течение 10 мин температура расплава была увеличена до 1700°С. После этого были включены вакуумные насосы. Давление в рабочей камере в течение 3 минут было снижено с 100 мм рт.ст. до 1 мм рт.ст. Через 10 минут после достижения необходимого остаточного давления, была взята первая проба. Две другие пробы были взяты с интервалом в 10 минут.

Химический анализ проб показал последовательное уменьшение содержания галлия в расплаве соответственно до 56, 32 и 4 г/т (ppm).

Изобретение относится к металлургии редких металлов, в частности к способам получения галлия. Способ получения галлия из галлийсодержащего сырья заключается в том, что галлийсодержащее сырье помещают в печь для производства чугуна и производят выплавку галлийсодержащего чугуна. Расплавленный галлийсодержащий чугун помещают в электропечь и осуществляют его термическую обработку нагревом до температуры не менее 1700°С, далее производят выпаривание галлия из галлийсодержащего чугуна с выделением газообразного галлия в течение определенного времени, необходимого для выпаривания из галлийсодержащего чугуна до 95% галлия, после чего газообразный галлий охлаждают и собирают в емкости, при этом в качестве галлийсодержащего сырья используют комплексное природное сырье и/или техногенные материалы с концентрацией галлия не менее 50 г/т, а масса помещаемого в электропечь чугуна составляет от 1 до 10 тонн. Технический результат заключается в увеличении извлечения галлия при одновременном упрощении его извлечения, а также уменьшении количества примесей в извлекаемом галлии. 5 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ получения галлия из галлийсодержащего сырья, включающий термическую обработку, отличающийся тем, что перед термической обработкой галлийсодержащее сырье помещают в печь для производства чугуна и производят выплавку галлийсодержащего чугуна, термическую обработку осуществляют при помещении расплавленного галлийсодержащего чугуна в электропечь нагревом до температуры не менее 1700°С с выделением газообразного галлия в течение времени, необходимого для выделения до 95% галлия, с последующим охлаждением газообразного галлия и выделением в емкостях для сбора.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве галлийсодержащего сырья используют комплексное природное сырье и/или техногенные материалы с концентрацией галлия не менее 50 г/т.3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что при выплавке галлийсодержащего чугуна используют печь, выбранную из группы, содержащей доменную печь, шахтную печь, вагранку.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что температуру расплавленного галлийсодержащего чугуна при помещении его в электропечь поддерживают на уровне не менее 1400°С.5. Способ по п.1, отличающийся тем, что выделение газообразного галлия из галлийсодержащего чугуна в электропечи производят при давлении не более 1 мм рт.ст.6. Способ по п.1, отличающийся тем, что масса галлийсодержащего чугуна при помещении в электропечь составляет от 1 до 10 т.