Способ получения сплавов редкоземельный металл-железо для постоянных магнитов Советский патент 1992 года по МПК C22C1/00 C22B59/00 

Изобретение относится к производству магнитных сплавов или лигатур на основе редкоземельных металлов (РЗМ) с железом, имеющих более высокие энергетические характеристики по сравнению с другими маг- нитотвердыми материалами.

Известен способ получения сплавов путем сплавления чистых РЗМ с железом и другими компонентами сплава.

Осуществление такого способа требует получения на первой стадии чистых РЗМ, что само по себе довольно сложная малопроизводительная и энергоемкая операция с использованием дорогостоящих танталовых тиглей и дальнейшего спавления их с железом, также при высоких температурах в алундовых керамических или набивных тиглях.

Известен способ получения магнитных сплавов неодим-железо или неодим-железо-бор путем прямого кальциетермического восстановления хлорида неодима в присутствии железного порошка и хлорида кальция. Процесс ведут при 750-1000°С с выдержкой 1 ч.

Недостатком этого способа является применение в качестве исходного материала весьма гигроскопичного хлорида неодима, требующего специальной сушки перед использованием.

Наиболее близким по своей технической сущности к изобретению является способ, где в качестве основного исходного компонента используется фторид неодима. Способ осуществляется следующим образом. Шихту, состоящую из фторида неодиЫ

Ю

Ё

:Ю

ма, хлорида кальция, металлического железа и стружки кальция, загружают в стальной тигель, расплавляют в инертной атмосфере при 750-1000°С. Расплав выдерживают при 1 ч и затем сливают в металлическую изложницу. Однако тигель в данном случае под- плавляется. Извлечение неодима в слиток составляет 93,2-94,5%.

Недостатками способа можно считать недостаточно высокое извлечение неодима в слиток, повышенную энергоемкость процесса и малый срок службы реакционных тиглей в результате длительных выдержек расплавленных металлической и шлаковой фаз.

Целью изобретения является повышение извлечения РЗМ в слиток, снижение энергозатрат и увеличение срока службы реакционого тигля.

Поставленная цель достигается тем, что нагрев шихты ведут до 650-700°С, выдерживают при этой температуре 30-60 мин, а затем повышаюттемпературудо расплавления продуктов плавки со скоростью 20-100 град/мин с последующим сливом расплава в изложницу.

Предлагаемый режим проведения процесса отличается тем, что температура 650- 700°С обеспечивает протекание восстановительной реакции РЗМРз+3/2 Са РЗМ н- 3/2CaF2, когда все компоненты находятся в твердом состоянии, а равновесие сдвигается в сторону образования РЗМ за счет диффузии металла через шлаковую фазу. Взаимодействие фторидов РЗМ с кальцием в твердофазном диффузионном режиме обеспечивает увеличение степени восстановления РЗМ за счет снижения испарения кальция и соответственно повышения его концентрации в шихте. Спекание шихты, происходящее при 650-700°С, улучшает контакт реагентов во время восстановления. Оно также приводит к сближению твердых частиц РЗМ и железа, способствует их дальнейшему взаимодействию и коалес- ценции в расплаве. Все это способствует повышению извлечения металлов в слиток. Кроме того, твердофазное восстановление и спекание шихты позволяют свести до минимума время контакта расплава с.тиглем и значительно увеличить срок службы последнего. Выдержка шихты при более низких температурах позволяет снизить энергозатраты на проведение процесса.

Скорость дальнейшего нагрева шихты до полного расплавления (20-100 град/мин) определяет степень коалесценции частиц металлов, полноту формирования слитка, а также время взаимодействия расплава с материалом тигля.

Способ осуществляют следующим образом.

Шихту, состоящую из фторидов РЗМ, хлорида кальция, а также металлического

железа и стружки кальция, перемешивают и загружают в реакционный стальной тигель, который помещают в рабочую зону печи. В качестве фторидов РЗМ могут использоваться фториды неодима, празеодима, церия, тербия, диспрозия, иттербия, скандия как отдельно, так и в смеси при любом соотношении. Печьвакуумируют до остаточного давления 1 -10 мм рт.ст., а затем заполняют инертным газом. Нагрев ведут

до 650-700°С. При этой температуре проводят изотермическую выдержку 30-60 мин, затем шихту нагревают со скоростью 20- 100 град/мин до полного расплавления, а расплав сразу сливают в металлическую изложницу. После остывания расплава продукты плавки извлекают из изложницы и проводят отделение металлической фазы от. шлаковой.

П р и м е р. В индукционной печи проводят экспериментальные плавки по получению сплавов РЗМ-железо в различных технологических режимах. В процессе работы варьируют температуры и время твердофазного восстановления, а также скорость

нагрева шихты до расплавления продуктов взаимодействия. Параллельно проводят плавку с параметрами аналогичными прототипу.

Условия проведения экспериментов и их результаты приведены в таблице.

Как видно из таблицы, нагрев шихты менее температуры 650°С приводит к сильному понижению показателя по извлечению, так как при этих температурах твердофазная восстановительная реакция протекает с очень малой скоростью и в небольшой степени (опыт 2). Выдержка при температуре более 700°С приводит к частичному расплавлению продуктов плавки и соответственно снижению срока службы тигля (опыт 3), а также повышенному расходу электроэнергии. Кроме того, частичное сте- кание расплава на дно тигля приводит к

нарушению необходимой пропорциональности компонентов шихты в зоне реакции и понижению извлечения РЗМ. При выдержке расплава менее 30 мин восстановительная реакция не протекает полностью вследствие образования на твердых частицах металла шлаковой корки, диффузия металла через которую растянута во времени (опыт 4). Увеличение выдержки (более 60 мин) не приводит к повышению извлечения, а обуславливает лишь дополнительные энергетические затраты (опыт 5), Если скорость

нагрева шихты менее 20 град/мин, значительно возрастет время контакта постепенно образующегося расплава шлаковой и металлической фаз с материалом тигля, что снижает срок его службы (опыт 6). В то же время увеличение скорости нагрева (более 100 град/мин) приводит к ухудшению коа- лесценции мелких частиц металлов, препятствует процессу формирования слитка (опыт 7) и соответственно понижает извлечение РЗМ. Превышение скорости нагрева вызывает дополнительный расход электроэнергии. В качестве объективной характеристики степени износа тигля используют глубину взаимодействия расплава с его стенками. При проведении плавок согласно прототипу глубина взаимодействия составляет 4-5 мм за одну плавку (опыт 1). Предлагаемый способ обеспечивает глубину взаимодействия не более 0,5-1 мм за одну плавку.

Энергетические затраты на проведение процесса восстановления определяют по потребляемой за все время проведения плавки мощности. Если по прототипу потребляемая мощность составляет 90 кВт/ч, то предлагаемые условия проведения про0

5

0

5

цесса обеспечивают снижение расхода электроэнергии до 37-40 кВт ч.

Таким образом из приведенных данных следует, что предлагаемый способ по сравнению с известным позволит повысить извлечение РЗМ в слиток на 2-3%, снизить глубину взаимодействия расплава со стенками тигля, увеличив тем самым срок службы плавильных тиглей (с 2 по известному до 10 плавок по предлагаемому), сократить затраты электроэнергии на длительный нагрев шихты с 90 до 40 кВт ч.

Формула изобретения Способ получения сплавов редкоземельный металл-железо для постоянных магнитов, включающий кальциетермиче- ское восстановление фторидов редкоземельных металлов в присутствии хлорида кальция и железного порошка при нагреве шихты, отличающийся тем, что. с целью повышения извлечения редкоземельного металла в слиток, снижения энергозатрат и увеличения срока службы реакционного тигля, нагрев шихты ведут до 650-700°С с выдержкой при этой температуре 30-60 мин и с последующим повышением температуры до расплавления продуктов со скоростью 20-100 град/мин.

Использование: производство магнитных сплавов или лигатур на основе редкоземельных металлов с железом. Сущность изобретения: получение сплавов редкоземельный металл - железо для постоянных магнитов кальциетермическим восстановлением фторидов редкоземельных металлов в присутствии хлорида кальция и железного порошка при нагреве шихты до 650-700°С с выдержкой при этой температуре 30-60 мин и последующим повышением температуры до расплавления продуктов со скоростью 20-100 град/мин. 1 табл. ё