УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКА ТАНТАЛА Российский патент 2018 года по МПК B22F9/18 C22B34/20 

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к устройствам металлотермического получения первичного порошка тантала восстановлением из комплексного фтористого соединения в среде расплава галоидных солей щелочных металлов. Порошок может использоваться для производства радиотехнических конденсаторов, спеченных заготовок для обработки давлением и др.

Известно устройство для получения порошка тантала (United States Patent 5442978 «Tantalum production via a reduction of K₂TaF₇, with diluent salt, with reducing agent provided in a fast series of slug additions» / Richard Hildreth, Malcolm Shaw, Terrance B. Tripp, Leo G. Gibbons. 1995. МПК B22F 9/24; B22F 9/16; C22B 34/24; C22B 34/00; B22F 009/00).

Устройство имеет печь для обогрева реакционного сосуда, который имеет форму цилиндра или конуса с куполообразным дном. Крышка сосуда имеет устройство для уплотнения и центрирования вала мешалки и патрубок для загрузки восстановителя. Мешалка имеет возможность перемещения вверх и вниз вдоль оси вращения. Термоизмерительный элемент помещают в реакционный расплав через полость, расположенную в валу мешалки.

Недостаток известного устройства заключается в том, что крышка не имеет теплоизоляции, что увеличивает потери тепла.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является следующее устройство для получения порошка тантала (United States Patent 4149876 «Process for producing tantalum and columbium powder» / Carlos F. Rerat. 1979. МПК B22F 9/16; B22F 9/24; C22B 5/04; C22B 5/00; C22B 34/24; C22B 34/00; B22F 009/00). Данное устройство принято за прототип.

Устройство имеет печь для обогрева реакционного сосуда, которая оснащена устройством для принудительного охлаждения. Реакционный сосуд (тигель) изготавливают из никель-хромового жаропрочного сплава типа «Инконель» («Inconel»), он имеет форму цилиндра или конуса с куполообразным дном. Крышка сосуда имеет устройство для уплотнения и центрирования вала мешалки, патрубки для подачи и выхода аргона, а также патрубок для загрузки восстановителя и конденсатор для паров натрия. Мешалка имеет возможность перемещения вверх и вниз вдоль оси вращения. Термоизмерительный элемент помещают в реакционный расплав через отдельный порт.

Недостатком прототипа является то, что конструкция устройства налагает особые требования к конструкционным свойствам материала, из которого изготовлен тигель, т.к. тигель должен быть герметичен и прочен при температуре процесса, а также жаростоек. Этим условиям отвечает никель-хромовый сплав «Инконель». Внутренняя поверхность тигля должна быть устойчива к воздействию реакционного расплава. Этому условию отвечает чистый металлический никель.

Никель-хромовый сплав «Инконель», используемый для изготовления тигля, а также никель, используемый для изготовления футеровки (плакировки), имеют недостаток, заключающийся в их высокой стоимости.

При выбивке слитка восстановленного продукта существует опасность повредить фланцы. Повышенные габариты (высота) тигля усложняют обращение с ним, а также изготовление и ремонт.

Задачей изобретения является выделение тигля в отдельный вынимающийся элемент устройства.

Техническим результатом изобретения является упрощение и уменьшение стоимости изготовления и обслуживания устройства. Увеличение удобства при обслуживании и ремонте.

Сущность изобретения состоит в том, что в отличие от известного устройства, содержащего обогреваемый печью, оснащенной системой принудительного воздушного охлаждения, реакционный тигель, размещенный в реторте с теплоизолированной крышкой и патрубками для загрузки реагентов, системой регулирования и поддержания давления инертного газа в ней с мешалкой, выполненной с возможностью перемещаться вдоль оси вращения, и термоизмерительный элемент, выполненный с возможностью погружения в реакционный расплав, отличающееся тем, что в предлагаемом изобретении реакционный тигель выполнен из стали съемным, футерован никелем и расположенным на нем танталом, при этом на реакционный тигель сверху установлен колпак, а на крышке реторты над тиглем установлен экран.

Поскольку тигель в течение всего процесса восстановления находится в инертной среде, то требования к материалу тигля по жаропрочности и жаростойкости могут быть снижены. В результате проведенных испытаний установлено, что корпус тигля может быть изготовлен из углеродистой стали обыкновенного качества, например из стали Ст3 или ВСт3сп.

Сталь Ст3 не склонна к отпускной хрупкости, нефлокеночувствительна, сваривается без ограничений и имеет невысокую стоимость. При проведении ремонта корпус тигля может быть разрезан, при необходимости, подвергнут механической обработке и снова сварен или заменен.

Для предупреждения загрязнения порошка продуктами коррозии корпус тигля изнутри футеруют танталом. Танталовая футеровка не загрязняет получаемый порошок, однако у тантала как у конструкционного материала имеется ряд недостатков, которые не позволяют надежно защитить порошок от загрязнения, используя только танталовую футеровку. При повышенной температуре тантал активно поглощает газы (кислород, азот) и становится хрупким. Особенно страдают от охрупчивания сварные швы, они растрескиваются. При нагревании трещины расширяются, и шов теряет герметичность, при этом механическая прочность шва может сохраняться долгое время.

Для предприятий, имеющих полный цикл переработки от минерального сырья (или лома) до получения прокатной продукции, тантал, используемый для изготовления футеровки, является оборотным продуктом. Переработка отслужившей танталовой футеровки и изготовление новой обходится относительно недорого.

Для увеличения надежности между футеровкой из тантала и корпусом тигля размещают футеровку из никеля. Футеровка из никеля выполняет барьерную функцию, не допуская контакта реакционного расплава со стальным корпусом тигля при протечке футеровки из тантала. Поскольку при протечке футеровки из тантала с никелем контактирует лишь небольшая часть реакционного расплава, затекшего в пространство между футеровками, то вероятность загрязнения порошка продуктами коррозии никеля пренебрежимо мала.

Так как никелевая футеровка не несет механических нагрузок, то для изготовления футеровки может быть использован металл пониженной толщины, например 1,5-2 мм, вместо 4-5 мм.

Поскольку нарушение герметичности реторты не вызывает протечки и попадания в печь галоидных солей, металлического тантала и натрия, то требования к материалу реторты по жаропрочности и жаростойкости могут быть снижены. Реторта может быть изготовлена из хромоникелетитановой стали, например 12Х18Н10Т. Толщина используемого металла может быть снижена с 15-20 мм до 5-8 мм.

Хромоникелетитановая аустенитная сталь 12Х18Н10Т широко распространена в промышленности, сваривается без ограничений и имеет меньшую стоимость, чем никель - хромовые сплавы.

Так как реторту не футеруют, то ее ремонт легко осуществим. Прогоревшая часть реторты может быть заменена.

Дно реторты и тигля может быть изготовлено плоским или куполообразным. Плоское дно легче и соответственно дешевле в изготовлении. Применение куполообразного дна позволяет вынести сварные швы из зоны действия напряжений, возникающих в результате теплового расширения, и соответственно позволяет увеличить продолжительность службы. Форма дна не сказывается на свойствах получаемого порошка. Таким образом, выбор формы дна диктуется экономическими соображениями.

Для того чтобы защитить расплав от случайного попадания продуктов коррозии материала реторты и крышки, на тигель сверху устанавливают экран из никеля, далее - колпак, а на крышке над тиглем - еще один экран, также изготовленный и никеля.

Газы, выделяющиеся из солей при их нагреве и плавлении, например вода и хлористый водород, могут попасть в патрубки загрузки реагентов и конденсироваться там. Материал неустойчивый в растворе соляной кислоты будет растворяться, а продукты растворения будут стекать вниз и попадать в тигель. Никель устойчив в растворах соляной кислоты, поэтому патрубки загрузки реагентов изготавливают из никеля.

На Фиг. 1 показана принципиальная схема предлагаемого устройства для получения порошка тантала. Устройство содержит печь сопротивления (1) для обогрева реторты (3), оснащенную системой принудительного воздушного охлаждения (2). Реторта имеет теплоизолированную крышку (4) с патрубками для загрузки реагентов (5). Устройство оснащено приспособлением для поддержания и регулирования давления инертного газа, включающим в себя конденсатор паров натрия (18), выхлопной клапан (6) и автоматический клапан для подачи инертного газа (7).

В качестве выхлопного клапана может быть использован масляный гидрозатвор, а в качестве автоматического клапана для подачи инертного газа - редуктор второй ступени изолирующего дыхательного аппарата, например АП-2000.

Для перемешивания реакционного расплава аппарат оснащен мешалкой (8), приводимой в действие механизмом (9), позволяющим перемещать мешалку вверх и вниз вдоль оси вращения. Мешалка может быть выполнена составной: нижняя часть, вводимая в рабочий объем аппарата, из тантала или никеля, а верхняя - из стали.

Предпочтительно используют активатор мешалки лопастного типа. Основные достоинства лопастного активатора - простота устройства и невысокая стоимость изготовления. Активаторы лопастного типа отличаются низким насосным действием (слабый осевой поток). Вследствие незначительности осевого потока лопастные мешалки перемешивают только те слои жидкости, которые находятся в непосредственной близости от лопастей мешалки. В заявляемом устройстве активатор мешалки располагают в верхней части расплава (16), где протекает реакция. Образующийся порошок оседает на дно тигля и в дальнейшем в реакции не участвует.

Для контроля температуры расплава устройство имеет термопару (10), заведенную в аппарат через отдельный порт. Реакционный тигель устройства выполнен в виде отдельного вынимающегося конструктивного элемента (11). Тигель футерован никелем (12) и поверх никеля танталом (13). На тигель сверху установлен колпак (14), а на крышке над тиглем установлен экран (15). Экран состоит из двух частей: конической, расположенной над тиглем, и цилиндрической, вкладывающейся в патрубок, на котором расположен блок уплотнения и центрирования вала мешалки (17).

Устройство работает следующим образом. В тигель (11) загружают соли. Если используют, например, две или три соли, то их загружают слоями. Для ускорения расплавления соли могут быть зашихтованы. Загруженный тигель помещают в реторту (3), на тигель сверху устанавливают колпак (14). Реторту с тиглем закрывают крышкой, на которой уже установлены и закреплены мешалка (8), экран (15), термопара (10) и конденсатор (18). Из реторты откачивают воздух и заполняют ее аргоном. После заполнения аргоном на конденсатор (18) устанавливают выхлопной клапан (6) и автоматический клапан для подачи аргона (7). Подготовленную реторту помещают в печь (1) и включают нагрев. Для удаления основной массы летучих примесей, содержащихся в солях, реторту выдерживают некоторое время при температуре 300-500°С, после чего температуру увеличивают и расплавляют соли. После расплавления солей мешалку (8) и термопару (10) опускают в расплав и включают перемешивание. В зависимости от требуемой температуры восстановления расплав (16) либо подогревают при помощи нагревателей, либо охлаждают при помощи системы принудительно воздушного охлаждения (2). После достижения необходимой температуры расплава нагрев или охлаждение прекращают и проводят загрузку реагентов. После завершения восстановления мешалку и термопару поднимают из расплава, а реторту выдерживают некоторое время в печи для лучшего расслаивания расплава, после чего вынимают из печи и охлаждают. После охлаждения реторту разбирают и вынимают тигель. При помощи кантователя тигель переворачивают. Если слиток не выпадает, то при помощи крюка-сбрасывателя тигель поднимают вверх и сбрасывают на стальную плиту для выбивки слитка. Слиток разбивают и направляют на переработку. Реторту, а также, при необходимости, другие детали устройства зачищают, моют, сушат и подготавливают к следующему восстановлению.

Изобретение относится к металлотермическому получению тантала восстановлением из комплексного фтористого соединения в среде расплава галоидных солей щелочных металлов Устройство содержит обогреваемый печью, оснащенной системой принудительного воздушного охлаждения, реакционный тигель, размещенный в реторте с теплоизолированной крышкой и патрубками для загрузки реагентов, системой регулирования и поддержания давления инертного газа в ней, и мешалкой, выполненной с возможностью перемещения вдоль оси вращения, и термоизмерительный элемент, выполненный с возможностью погружения в реакционный расплав. Реакционный тигель выполнен из стали съемным и футерован никелем и расположенным на нем танталом, при этом на реакционный тигель сверху установлен колпак, а на крышке реторты над тиглем установлен экран. Обеспечивается повышение удобства при обслуживании и ремонте. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для металлотермического получения тантала восстановлением из комплексного фтористого соединения в среде расплава галоидных солей щелочных металлов, содержащее обогреваемый печью, оснащенной системой принудительного воздушного охлаждения, реакционный тигель, размещенный в реторте с теплоизолированной крышкой и патрубками для загрузки реагентов, системой регулирования и поддержания давления инертного газа в ней, и мешалкой, выполненной с возможностью перемещения вдоль оси вращения, и термоизмерительный элемент, выполненный с возможностью погружения в реакционный расплав, отличающееся тем, что реакционный тигель выполнен из стали съемным и футерован никелем и расположенным на нем танталом, при этом на реакционный тигель сверху установлен колпак, а на крышке реторты над тиглем установлен экран.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что корпус тигля изготовлен из углеродистой стали.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что реторта и крышка реторты изготовлены из хромоникелетитановой стали.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что колпак тигля, экран и патрубки подачи реагентов изготовлены из никеля.