Способ получения сплава на основе переходного и редкоземельных элементов и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к способам металлотермического получения сплавов переходных и редкоземельных элементов с легирующими добавками и может быть использовано для получения лигатур и специальных сплавов. Способ заключается в формировании верхнего слоя шихты из оксида переходного элемента и восстановителя, преимущественно алюминия, нижнего слоя - из редкоземельных элементов, послойной загрузке шихты в реакционный объем, изолировании верхнего слоя шихты от нижнего слоя. При этом металлотермическое восстановление и расслоение металлической и шлаковой фаз осуществляют только в верхнем слое шихты, после расслоения фаз частично нарушают изоляцию между верхним и нижним слоями, причем шлаковую фазу отделяют до взаимодействия металлической фазы с редкоземельными элементами и кристаллизации сплава. Массовое отношение верхнего и нижнего слоев шихты составляет не менее 3,05. В качестве редкоземельных элементов используют церий, лантан, неодим, празеодим или их сплав. Верхний слой шихты может дополнительно содержать переходной элемент, в качестве которого используют железо, никель, кобальт, а нижний слой - легирующую добавку в виде кальция, алюминия, кремния, меди, бора. Расслоение металлической и шлаковой фаз ведут в течение 3-10 с. Устройство, реализующее способ, характеризуется тем, что днище тигля имеет массу, равную 0,05-0,20 массы металлической фазы, получаемой в результате восстановления, и выполнено с рядом выпускных каналов, диаметр которых D определяют из соотношения D=1^0,5•k₁, где 1 - толщина днища, а k₁ - эмпирический коэффициент, равный 0,64-1,04 (м)^0,5, при этом перегородка выполнена из легкоплавкого или легкосгораемого материала. Количество выпускных каналов N определяют согласно зависимости N=М•k₂, где М - масса металлической фазы, k₂ - эмпирический коэффициент, k₂≥0,004 кг^-1. Днище тигля может быть выполнено съемным. Корпус тигля и металлоприемник могут быть изготовлены из оксидной или фторидной керамики, из металла или графита. В последнем случае днище тигля соединено с его корпусом и металлоприемником посредством теплоизолирующих элементов. Количество теплоизолирующих элементов может быть один или более. Достигаемый результат заключается в повышении степени извлечения редкоземельных элементов в сплав практически до 100%. Изобретение позволяет получать сплавы различного состава в широком диапазоне концентраций редкоземельных и легирующих элементов. 2 c. и 15 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к металлургии, в частности к способам металлотермического получения сплавов переходных и редкоземельных элементов с легирующими добавками, и может быть использовано для получения лигатур и специальных сплавов.

При получении сплавов переходных и редкоземельных элементов металлотермическим способом с использованием восстановителей, таких как алюминий и кальций, образуется шлаковая фаза, в состав которой входят оксиды алюминия и кальция, а также фторид кальция. При контакте этой фазы с металлической фазой происходит обратное восстановление оксида алюминия металлами с большим, чем у алюминия сродством к кислороду, в том числе редкоземельными, что приводит к снижению выхода этих металлов в металлическую фазу. При этом восстановленный алюминий попадает в металлическую фазу, где его избыточное количество нежелательно. Наличие взаимодействия между металлической и шлаковой фазами приводит к затруднениям при их последующем механическом разделении. С другой стороны, любое изменение состава шихты при выплавке различных сплавов приводит к изменению температуры плавления и вязкости металлической и шлаковой фаз, изменению констант равновесия металлотермических реакций и реакций образования интерметаллидов. Таким образом, получение многих составов сплавов оказывается термодинамически невозможным ввиду конкурентного характера различных процессов восстановления и сплавообразования, ограниченности температурных интервалов возможного их осуществления. Даже в тех случаях, когда получение сплава заданного состава оказывается возможным, вопросы максимального извлечения редкоземельных элементов в сплав, равномерного распределения легирующих добавок в сплаве, отделения металла от шлака приходится каждый раз решать заново.

Известен способ получения сплавов переходного и редкоземельных элементов (см. патент США 4612047, Н. кл. 420/83, 1986), включающий формирование гомогенной шихты из фторида железа и фторидов редкоземельных элементов, к которым добавляют кальций в качестве восстановителя, загрузку шихты в замкнутый реакционный объем, подогрев шихты до начала металлотермического восстановления, восстановление при температуре не ниже 1600^oС, расслоение металлической и шлаковой фаз, кристаллизацию сплава и отделение его от шлаковой фазы. Часть фторида железа в шихте может заменяться металлическим железом. В состав шихты может также добавляться один или несколько легирующих элементов.

Описанный способ реализуется посредством устройства, представляющего собой герметичный металлический контейнер с тугоплавкой футеровкой или с водяным охлаждением, оборудованный системой внешнего подогрева и приспособлением для поджига шихты.

Недостатком этого способа является относительно низкий выход редкоземельных элементов в сплав и повышенная концентрация в нем примесей в результате обратного восстановления металла-восстановителя из его оксида редкоземельными элементами. Другим недостатком способа является то, что для каждого требуемого состава сплава возникает потребность в корректировке исходной шихты и условий проведения процесса. К недостаткам способа относится также применение в составе шихты гигроскопичного фторида железа. Фториды переходных металлов не встречаются в природе в виде распространенных минералов, а их искусственное приготовление путем фторирования оксидов является достаточно сложной и дорогой операцией. Образующийся шлак состоит из относительно тугоплавкого фторида кальция, что обусловливает необходимость ведения процесса при высокой температуре (1600^oС), и в замкнутом объеме ввиду того, что парциальное давление паров кальция при этой температуре превышает атмосферное.

К недостаткам устройства можно отнести необходимость использования герметичного контейнера с футеровкой из тугоплавкого материала или с водяным охлаждением, а также внешнего подогрева. Все эти обстоятельства усложняют и удорожают как способ, так и реализующее его устройство.

Известен также способ получения сплавов переходного и редкоземельных элементов (см. патент РФ 2060290, МПК⁶ С 22 С 28/00, С 22 В 5/04, 1996), включающий формирование верхнего и нижнего слоев шихты, причем верхний слой формируют из продуктов фторирования оксидов переходных металлов, переходных металлов в элементарном виде, алюминия и легирующих добавок, а нижний слой формируют из продуктов фторирования оксидов редкоземельных металлов, кальция или магния, послойную загрузку шихты в реакционный объем, осуществление металлотермического восстановления в атмосфере инертного газа, создаваемой в реакторе, где находится реакционный объем, легирование расплава в процессе его получения, расслоение металлической и шлаковой фаз, кристаллизацию сплава и отделение его от шлаковой фазы. В верхнем слое идет восстановление фторида переходного металла (железа) алюминием и легирование образующейся металлической фазы легирующими добавками, а в нижнем слое восстанавливаются редкоземельные элементы из их фторидов кальцием или магнием. При этом расслоение металлической и шлаковой фаз происходит как в верхнем, так и в нижнем слое. В качестве легирующих элементов используют бор, галлий, титан, уран или их соединения. Кристаллизация получаемого сплава происходит непосредственно в нижней части реакционного пространства. После охлаждения полученные продукты выгружают из реакционного объема и сплав отделяют от шлака.

Известный способ характеризуется недостаточно высоким выходом редкоземельных элементов в сплав и повышенной концентрацией в нем примесей по причине обратного восстановления части алюминия из его оксида редкоземельными элементами. В известном способе экзотермичность нижнего слоя шихты является недостаточной для эффективного разделения металлической и шлаковой фаз. Поэтому в шлаковой фазе задерживаются корольки сплава. Ограниченность дополнительного подвода тепла из верхнего слоя шихты делает невозможным получение сплавов с высоким содержанием редкоземельных элементов. К недостаткам способа относится также использование в составе шихты гигроскопичных фторида железа и фторидов редкоземельных металлов, что делает необходимым применение дополнительной операции фторирования оксидов.

Известно устройство для получения сплавов переходного и редкоземельных элементов (см. патент РФ 2113520, МПК⁶ С 22 В 5/04, С 22 В 34/00, С 22 В 59/00, 1998), включающее тигель с футерованными стенками и днищем и металлоприемник, размещенный под тиглем. В днище имеется выпускной канал с перегородкой, соединяющий тигель и металлоприемник. Между тиглем и металлоприемником имеется дополнительная емкость для приема шлака, сообщенная в верхней части с выпускным каналом, а в нижней части с металлоприемником. Металлоприемник имеет объем, равный объему получаемого слитка, а перегородка выполнена из материала сплава или компонента шихты.

Недостатки известного устройства заключаются в том, что получаемые слитки имеют недостаточно высокое качество по причине неполного разделения металлической и шлаковой фаз. Диаметр выпускного канала определяется необходимой скоростью выпуска расплавленного металла и должен быть достаточно большим. В связи с этим через него может вытекать не только металл, но и захваченные конвективными потоками шлаковые включения. Строгое соотношение между размерами металлоприемника и объемом получаемого слитка приводит к тому, что попавшие в слиток шлаковые включения вытесняют часть металла в дополнительную емкость, где он смешивается со шлаком.

Настоящее изобретение направлено на решение задачи увеличения выхода редкоземельных элементов в сплав за счет исключения обратного восстановления металла-восстановителя из его оксида редкоземельными элементами в результате отделения шлаковой фазы от металлической на ранней стадии процесса. Изобретение также решает задачу унификации способа при получении сплавов различного состава.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения сплава на основе переходного и редкоземельных элементов, включающем формирование верхнего слоя шихты из соединения переходного элемента и восстановителя и нижнего слоя шихты из редкоземельных элементов, послойную загрузку шихты в реакционный объем, осуществление металлотермического восстановления, взаимодействие металлической фазы с редкоземельными элементами, расслоение металлической и шлаковой фаз, кристаллизацию сплава и отделение шлаковой фазы, согласно изобретению верхний слой шихты изолируют от нижнего слоя, металлотермическое восстановление и расслоение металлической и шлаковой фаз осуществляют только в верхнем слое шихты, после расслоения фаз частично нарушают изоляцию между верхним и нижним слоями, при этом шлаковую фазу отделяют до взаимодействия металлической фазы с редкоземельными элементами и кристаллизации сплава.

Поставленная задача решается также тем, что в качестве соединения переходного элемента используют его оксид.

Поставленная задача решается также и тем, что в верхний слой шихты дополнительно вводят переходный элемент, в качестве которого используют железо, никель, кобальт.

Поставленная задача решается и тем, что в качестве восстановителя используют алюминий.

На решение поставленной задачи направлено то, что, в качестве редкоземельных элементов используют элементы, выбранные из группы, содержащей церий, лантан, неодим и празеодим.

На решение поставленной задачи направлено также то, что в качестве редкоземельных элементов берут их сплав.

На решение поставленной задачи направлено также и то, что в нижний слой шихты дополнительно вводят легирующую добавку.

На решение поставленной задачи направлено и то, что, в качестве легирующей добавки используют элементы, выбранные из группы, содержащей кальций, алюминий, кремний, медь и бор.

Решению поставленной задачи способствует то, что отношение массы верхнего и нижнего слоя шихты составляет не менее 3,05.

Решению поставленной задачи способствует также то, что расслоение металлической и шлаковой фаз ведут в течение 3-10 с.

Решению поставленной задачи способствует и то, что металлотермическое восстановление и расслоение фаз осуществляют в тигле с днищем с выпускными каналами, при этом масса днища равна 0,05-0,20 массы металлической фазы, получаемой в результате восстановления.

Решению поставленной задачи способствует также и то, что количество выпускных каналов N определяют согласно зависимости: N=M•k₂, где М - масса металлической фазы, кг; k₂ - эмпирический коэффициент, k₂≥0,004 кг^-1.

Поставленная задача решается также тем, что в устройстве для получения сплава на основе переходного и редкоземельных элементов, включающем тигель с корпусом и днищем, выполненным из графита, которое имеет выпускной канал и снабжено перегородкой, и металлоприемник, размещенный под тиглем, согласно изобретению днище тигля имеет ряд выпускных каналов, диаметр которых D определяют из соотношения: D=l^0,5•k₁, где l - толщина днища, м; k₁ - эмпирический коэффициент, k₁=0,64-1,04 (м)^0,5, при этом перегородка выполнена из легкоплавкого или легкосгораемого материала.

Еще одним отличием устройства является то, что днище тигля выполнено съемным.

Другим отличием устройства является то, что корпус тигля и металлоприемник изготовлены из оксидной или фторидной керамики.

Следующим отличием является то, что корпус тигля и металлоприемник изготовлены из металла или графита.

Отличием устройства является также то, что оно содержит один или более теплоизолирующих элементов, которые размещены между днищем тигля и металлоприемником.

Формирование шихты в виде двух слоев позволяет пространственно разделить и последовательно осуществить в едином процессе операции восстановления переходного металла и его взаимодействия с редкоземельными и легирующими элементами до заданной концентрации. Оптимизация каждой из этих операций осуществляется раздельно и по своим критериям. Такой подход облегчает выплавку сложных сплавов заранее заданного состава.

Формирование верхнего слоя шихты из соединения переходного элемента и восстановителя обусловлено необходимостью первоначальной выплавки основы сплава в виде заданного количества переходного элемента, нагретого до требуемой температуры, с получением шлака определенного состава, имеющего температуру плавления и вязкость, необходимые для эффективного разделения металлической и шлаковой фаз. Состав верхнего слоя шихты является неизменным при получении всех возможных составов сплавов с данным переходным металлом.

В качестве соединения переходного элемента используют его оксид. Такой выбор обусловлен широким распространением оксидов железа, никеля и кобальта и их негигроскопичностью.

Верхний слой шихты может дополнительно содержать переходный элемент в виде железа, никеля или кобальта, которые выполняют функцию теплового балласта и позволяют повысить извлечение переходного элемента в металлическую фазу.

Использование в качестве восстановителя алюминия обеспечивает необходимый тепловой эффект металлотермической реакции и получение металлической и шлаковой фаз с требуемыми характеристиками.

Формирование нижнего слоя шихты из редкоземельных элементов обусловлено необходимостью получения целевого сплава требуемого состава при их взаимодействии с металлической фазой, образующейся при металлотермическом восстановлении верхнего слоя шихты. В качестве редкоземельных элементов используют элементы, выбранные из группы, содержащей церий, лантан, неодим, празеодим или их сплавы, в том числе содержащие другие элементы.

Введение в нижний слой шихты легирующих добавок обусловлено необходимостью выплавки соответствующих сплавов. В качестве легирующих добавок используют элементы, выбранные из группы, содержащей кальций, алюминий, кремний, медь, бор. Выбор указанных редкоземельных и легирующих компонентов нижнего слоя шихты является предпочтительным, но он может быть расширен с учетом конкретных характеристик получаемого сплава.

Изолирование верхнего слоя шихты от нижнего позволяет отделить шлаковую фазу, образующуюся в верхнем слое, от редкоземельных элементов, а также легирующих добавок, находящихся в нижнем слое. Изолирование осуществляют посредством изолирующего элемента специальной конструкции.

Поскольку металлотермическое восстановление ведут в верхнем слое шихты, шлаковая фаза образуется только на начальной стадии процесса, что позволяет осуществить на этой стадии полное расслоение металлической и шлаковой фаз и их разделение. Для полного расслоения металлической и шлаковой фаз необходима выдержка полученного в верхнем слое расплава в течение 3-10 с. Это позволяет обеспечить максимальный выход переходного металла в металлическую фазу и способствует беспрепятственному перепусканию ее в нижний слой. При времени выдержки менее 3 с не происходит полного расслоения металлической и шлаковой фаз, а время выдержки более 10 с приводит к преждевременной кристаллизации металлической фазы вследствие больших потерь тепла.

Частичное нарушение изоляции между верхним и нижним слоями после расслоения фаз позволяет перепустить металлическую фазу в нижний слой, оставив шлаковую фазу в верхнем слое. Это становится возможным вследствие существенной разницы в вязкости, поверхностном натяжении и температуре плавления металлической и шлаковой фаз, получаемых в металлотермическом процессе.

Отделение шлаковой фазы до взаимодействия металлической фазы с редкоземельными элементами и кристаллизации сплава позволяет исключить контакт между шлаковой фазой и редкоземельными элементами, что способствует повышению извлечения редкоземельных компонентов в сплав и снижению содержания в нем примесей.

При перепускании металлической фазы в нижний слой происходит сплавление переходного элемента с редкоземельными, а также легирующими элементами за счет тепла металлической фазы без дополнительного подвода тепла извне. Расплавление компонентов нижнего слоя направлено на реализацию процесса выплавки сплава. Это возможно при условии, что масса верхнего слоя превосходит массу нижнего слоя не менее, чем в 3,05 раза. После расплавления компонентов нижнего слоя происходит образование сплава переходного и редкоземельных элементов, а также его легирование.

Осуществление металлотермического восстановления и расслоения фаз возможно в тигле с днищем, снабженным выпускными каналами. Для полного расслоения металлической и шлаковой фаз масса днища должна быть равна 0,05-0,20 массы металлической фазы, получаемой в результате восстановления. Это соответствует выдержке полученного в верхнем слое расплава в течение 3-10 с. При массе днища менее 0,05 и более 0,20 массы металлической фазы, получаемой в верхнем слое расплава, не происходит полного расслоения металлической и шлаковой фаз и имеет место преждевременная кристаллизация металлической фазы соответственно.

Выбор количества выпускных каналов N согласно зависимости N=M•k₂ позволяет перепустить весь объем металлической фазы из верхнего слоя в нижний в течение промежутка времени, достаточного для сохранения перегрева металлической фазы, что необходимо для расплавления компонентов нижнего слоя шихты в виде редкоземельных и легирующих элементов, размещенных в нижнем слое шихты. Эмпирический коэффициент k₂≥0,004 кг^-1 зависит от вязкости металлической фазы и определяет скорость ее перепускания в нижний слой шихты. При величине коэффициента k₂<0,004 кг^-1 перепускание металлической фазы замедлится и будет сопровождаться чрезмерными потерями тепла, которого не хватит для расплавления редкоземельных и легирующих компонентов в нижнем слое шихты.

Указанные выше существенные отличия способа реализуются с помощью устройства для получения сплава на основе переходных и редкоземельных элементов.

Выбор диаметра D выпускных каналов в днище тигля согласно соотношению D= l^0,5•k₁ позволяет обеспечить свободное перепускание металлической фазы в металлоприемник и задержку шлаковой фазы на днище. Эмпирический коэффициент k₁ зависит от вязкости и поверхностного натяжения шлаковой и металлической фаз, от их температуры и краевого угла смачивания ими графита и составляет 0,64-1,04 (м)^0,5. При величине коэффициента k₁<0,64 перепускание металлической фазы в металлоприемник будет затруднено, а при k₁>1,04 будет происходить перепускание шлаковой фазы в металлоприемник вместе с металлической фазой.

Соединение днища тигля с его корпусом и металлоприемником посредством теплоизолирующих элементов обусловлено необходимостью минимизации потерь тепла на нагрев стенок тигля и металлоприемника при разогреве днища до и выше температуры плавления металлической фазы, что позволяет перепустить металлическую фазу из тигля в металлоприемник. В качестве теплоизолирующих элементов могут быть использованы кольцевые керамические или графитовые прокладки или вставки с ограниченной площадью контакта со стенками тигля и металлоприемника. Количество теплоизолирующих элементов может быть один или более.

Выполнение перегородки из легкоплавкого или легкосгораемого материала позволяет исключить попадание шихты из тигля в металлоприемник при загрузке шихты и не препятствует перепусканию металлической фазы из тигля в металлоприемник через выпускные каналы в днище тигля после завершения металлотермического восстановления.

Выполнение днища тигля съемным упрощает извлечение из тигля шлака, обеспечивая тем самым многократное использование устройства, несмотря на ограниченность срока службы днища тигля.

Изготовление корпуса тигля из керамики, преимущественно оксидной или фторидной, позволяет снизить потери тепла от днища на стенки тигля и осуществить тепловую изоляцию днища тигля от его корпуса. В случае изготовления корпуса тигля из металла или графита днище тигля целесообразно соединить с корпусом посредством теплоизолирующих элементов, например керамических. Для любого варианта выполнения корпуса тигля необходимо обеспечить тепловую изоляцию днища тигля.

Указанные выше свойства и функции совокупности признаков, входящих в заявляемые способ и устройство, позволяют повысить выход редкоземельных элементов в сплав, снизить концентрации в нем примесей и унифицировать способ при получении сплавов различного состава, т.е. обеспечивают решение поставленной в изобретении задачи.

Пример 1.

Осуществляют получение сплава LaNi₅(Ni-32%La) путем формирования верхнего слоя шихты из 3364 г NiO, 811 г Аl, а нижнего слоя - из 1153 г лантана. В реакционный объем последовательно загружают нижний слой шихты и изолирующий элемент, на который помещают верхний слой шихты. Соотношение масс верхнего и нижнего слоев составляет 3,62. Затем в верхнем слое шихты размещают электрический запал и с его помощью инициируют реакцию восстановления, которая имеет место только в верхнем слое. Полученный при этом расплав выдерживают в течение 5 с до полного расслоения металлической и шлаковой фаз, после чего частично нарушают изоляцию между верхним и нижним слоями, перепускают металлическую фазу в количестве 2450 г в нижний слой, где осуществляют расплавление компонентов нижнего слоя за счет тепла металлической фазы, ее взаимодействие с редкоземельными элементами, легирование и последующую кристаллизацию полученного сплава. Шлаковую фазу за счет значительного превышения вязкости (более, чем в 100 раз) по сравнению с металлической фазой удерживают на изолирующем элементе в верхнем слое. При перепускании металлической фазы в нижний слой температура и давление воздуха в зоне реакционного объема, расположенной между изолирующим элементом и нижним слоем шихты, возрастают более, чем в 7 раз. Для выравнивания давления избыток воздуха выпускают в течение 2-3 с в атмосферу. Масса слитка сплава составила 3603 г. Концентрация лантана в сплаве - 32,1%. Степень извлечения редкоземельных элементов в сплав составляет 100%.

Пример 2.

Осуществляют получение сплава, содержащего 18% РЗМ и 18% Аl, остальное - железо. Формируют верхний слой шихты из 4100 г Fе₃O₄, 1270 г Аl и нижний слой - из 700 г мишметалла, представляющего сплав церия, лантана, неодима и празеодима, и 700 г Аl в виде гранул или проволоки. Соотношение масс верхнего и нижнего слоев составляет 3,84. Процесс ведут в соответствии с условиями примера 1. Отличие заключается в том, что полученный при этом расплав выдерживают в течение 5 с до полного расслоения металлической и шлаковой фаз, а количество металлической фазы, перепускаемой в нижний слой, составляет 2450 г. Масса слитка сплава составила 3850 г. Концентрация алюминия и суммы редкоземельных металлов в сплаве составила 18,1% и 17,8% соответственно. Степень извлечения редкоземельных элементов в сплав равна 100%.

Пример 3.

Осуществляют получение сплава 70%Со-20%Се-10%Сu путем формирования верхнего слоя шихты из 3583 г Сo₃O₄, 1107 г Аl, а нижнего слоя - из 700 г церия и 350 г меди. Соотношение масс верхнего и нижнего слоев равно 4,47. Процесс ведут в соответствии с условиями примера 1. Отличие заключается в том, что полученный при этом расплав выдерживают в течение 6 с до полного расслоения металлической и шлаковой фаз, а количество металлической фазы, перепускаемой в нижний слой, составляет 2450 г. Масса слитка сплава - 3500 г. Концентрация церия и меди в сплаве равна 20,1% и 10,1% соответственно. Степень извлечения редкоземельных элементов в сплав составляет 100%.

Пример 4.

Осуществляют получение сплава Fe-25%Si-10%P3M-l%Ca-2%Al путем формирования верхнего слоя шихты из 4100 г Fе₃O₄, 1270 г Аl, 1110 г Fe, а нижнего слоя - из 1400 г кремния, 560 г мишметалла, 56 г кальция и 112 г алюминия. Соотношение масс верхнего и нижнего слоев равно 3,05. Процесс ведут в соответствии с условиями примера 1. Отличие заключается в том, что полученный при этом расплав выдерживают в течение 3 с до полного расслоения металлической и шлаковой фаз. Количество металлической фазы, перепускаемой в нижний слой - 3470 г. Металлотермическое восстановление и расслоение фаз осуществляют в тигле с днищем с выпускными каналами, масса которого составляет 0,05 массы металлической фазы (173,5 г), а количество выпускных каналов равно 14. Масса слитка полученного сплава - 5598 г. Концентрация кремния, суммы РЗМ, кальция и алюминия в сплаве составила 24,8%, 10,1%, 1% и 2% соответственно. Степень извлечения редкоземельных элементов в сплав равна 100%.

Пример 5.

Осуществляют получение сплава Fe-6%Nd-0,002%B путем формирования верхнего слоя шихты из 4100 г Fе₃O₄, 1270 г Аl, а нижнего слоя - из 520 г отходов сплава Nd₂Fe₁₄B с концентрацией неодима и бора 34% и 1% соответственно. Соотношение масс верхнего и нижнего слоев составляет 10,3. Процесс ведут в соответствии с условиями примера 1. Отличие заключается в том, что полученный при этом расплав выдерживают в течение 10 с до полного расслоения металлической и шлаковой фаз. Количество металлической фазы, перепускаемой в нижний слой - 2450 г. Металлотермическое восстановление и расслоение фаз осуществляют в тигле с днищем с выпускными каналами, масса которого составляет 0,2 массы металлической фазы (490 г), а количество выпускных каналов равно 10. Масса слитка полученного сплава - 2970 г. Концентрация неодима и бора в сплаве составила 6,1% и 0,002%, соответственно. Степень извлечения редкоземельных элементов в сплав равна 100%.

На фиг.1 показан вертикальный разрез устройства для получения сплава на основе переходного и редкоземельных элементов с корпусом тигля и металлоприемником, выполненными из керамики; На фиг. 2 - вертикальный разрез устройства с корпусом тигля и металлоприемником, выполненными из металла или графита.

Устройство (см. фиг.1) включает керамические тигель 1 и металлоприемник 2, размещенный под тиглем 1. Тигель 1 и металлоприемник 2 имеют цилиндрическую форму снаружи и коническую - изнутри. Тигель 1 содержит корпус 3 и графитовое днище 4, в котором предусмотрен ряд выпускных каналов 5. На днище 4 установлена перегородка 6, выполненная из легкосгораемого или легкоплавкого материала, например крафт-бумаги или алюминиевой фольги. В совокупности днище 4 и перегородка 6 выполняют функцию изолирующего элемента. Днище 4 тигля 1 установлено в верхней части металлоприемника 2 и соприкасается через перегородку 6 с нижним торцом корпуса 3. Масса днища 4 составляет 0,05-0,20 массы металлической фазы, получаемой в результате восстановления переходного металла в верхнем слое 7 шихты, расположенном на перегородке 6. Диаметр D выпускных каналов 5 определяют из соотношения D=l^0,5•k₁. Количество выпускных каналов N рассчитывают согласно зависимости N=М•k₂. В верхней части металлоприемника 2 предусмотрен ряд отверстий 8, предназначенных для снятия избыточного давления воздуха в металлоприемнике 2 при перепускании в него из тигля 1 металлической фазы и взаимодействии ее с нижним слоем 10 шихты. Днище 4 металлоприемника 2 может быть выполнено съемным для удобства извлечения готового сплава.

В случае выполнения корпуса тигля и металлоприемника из металла или графита (см. фиг.2) днище 4 тигля 1 соединено с корпусом 3 и металлоприемником 2 посредством кольцевых теплоизолирующих керамических элементов 11, 12, которые размещены в нижней части корпуса 3 и в верхней части металлоприемника 2 между днищем 4 тигля 1 и металлоприемником 2.

Работа устройства для получения сплава на основе переходного и редкоземельных элементов осуществляется следующим образом.

Приготовленные компоненты нижнего слоя 10 шихты загружают в металлоприемник 2 (см. фиг.1). В верхней торцевой части металлоприемника 2 устанавливают днище 4 и перегородку 6. Сверху на перегородку 6 устанавливают корпус 3 тигля. Приготовленные компоненты верхнего слоя 7 шихты размещают на перегородке 6 внутри корпуса 3. Затем в верхнем слое 7 шихты размещают электрический запал (на фиг.1 не показан) и с его помощью инициируют реакцию восстановления, которая происходит только в верхнем слое. Перегородка 6 взаимодействует с образующейся металлической фазой и либо сгорает, либо растворяется в ней. Полученная металлическая фаза, поступающая на днище 4 и в отверстия 5, захолаживается и кристаллизуется в отверстиях и на поверхности днища 4 в связи с более низкой температурой днища. При достижении днищем температуры, равной температуре плавления металлической фазы, отверстия 5 становятся проницаемыми для металлической фазы, оставаясь непроницаемыми для шлаковой фазы по причине ее значительно большей вязкости (более чем в 100 раз) по сравнению с вязкостью металлической фазы. Продолжительность нагрева днища обусловлена временем полного расслоения металлической и шлаковой фаз и составляет 3-10 с. Полученную металлическую фазу перепускают в металлоприемник 2, где происходит расплавление компонентов нижнего слоя 10 за счет тепла металлической фазы из верхнего слоя 7, ее взаимодействие с редкоземельными элементами, легирование и последующая кристаллизация полученного сплава. Шлаковая фаза остается на днище 4. При перепускании металлической фазы в металлоприемник 2 температура и давление воздуха в зоне реакционного объема, расположенной между днищем 4 и нижним слоем 10 шихты, возрастают более чем в 7 раз. Для выравнивания давления избыток воздуха выпускают в течение 2-3 с в атмосферу через отверстия 8. После остывания устройства и продуктов реакции в нем устройство разбирают. Вначале разъединяют тигель 1 и металлоприемник 2. Отделяют днище 4 от корпуса 3 тигля. Полученный сплав и шлак извлекают соответственно из металлоприемника 2 и тигля 1. Повторное использование днища 4 возможно на протяжении 3-4 плавок.

Работа устройства в случае выполнения корпуса тигля и металлоприемника из металла или графита (см. фиг.2) осуществляется аналогичным образом. Отличие заключается в том, что после загрузки нижнего слоя шихты 10 в металлоприемник 2 в верхней торцевой части металлоприемника 2 устанавливают кольцевой теплоизолирующий керамический элемент 12. В нем размещают днище 4 с перегородкой 6. Сверху на перегородку 6 последовательно устанавливают кольцевой теплоизолирующий керамический элемент 11 и корпус 3 тигля 1. Разборку устройства после выплавки сплава осуществляют следующим образом. Вначале разъединяют тигель 1 и металлоприемник 2. При этом керамический элемент 11 и днище 4 отделяются вместе с тиглем 1, а керамический элемент 12 остается в металлоприемнике 2. Затем керамический элемент 12 отделяют от металлоприемника 2, а керамический элемент 11 и днище 4 от корпуса 3 тигля. Полученный сплав и шлак извлекают соответственно из металлоприемника 2 и тигля 1.

Как следует из примеров 1-5 использование предлагаемого способа и устройства для получения сплава на основе переходного и редкоземельных элементов позволяет по сравнению с прототипом повысить степень извлечения редкоземельных элементов в сплав практически до 100%. Изобретение позволяет получать сплавы различного состава в широком диапазоне концентраций редкоземельных и легирующих элементов.

Формула изобретения

1. Способ получения сплава на основе переходного и редкоземельных элементов, включающий формирование верхнего слоя шихты из соединения переходного элемента и восстановителя и нижнего слоя шихты из редкоземельных элементов, послойную загрузку шихты в реакционный объем, осуществление металлотермического восстановления, взаимодействие металлической фазы с редкоземельными элементами, расслоение металлической и шлаковой фаз, кристаллизацию сплава и отделение шлаковой фазы, отличающийся тем, что верхний слой шихты изолируют от нижнего слоя, металлотермическое восстановление и расслоение металлической и шлаковой фаз осуществляют только в верхнем слое шихты, после расслоения фаз частично нарушают изоляцию между верхним и нижним слоями, при этом шлаковую фазу отделяют до взаимодействия металлической фазы с редкоземельными элементами и кристаллизации сплава.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве соединения переходного элемента используют его оксид.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в верхний слой шихты дополнительно вводят переходный элемент, в качестве которого используют железо, никель, кобальт.

4. Способ по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что в качестве восстановителя используют алюминий.

5. Способ по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что в качестве редкоземельных элементов используют элементы, выбранные из группы, содержащей церий, лантан, неодим и празеодим.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что в качестве редкоземельных элементов берут их сплав.

7. Способ по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что в нижний слой шихты дополнительно вводят легирующую добавку.

8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что в качестве легирующей добавки используют элементы, выбранные из группы, содержащей кальций, алюминий, кремний, медь и бор.

9. Способ по любому из пп. 1-8, отличающийся тем, что отношение массы верхнего и нижнего слоев шихты составляет не менее 3,05.

10. Способ по любому из пп. 1-9, отличающийся тем, что расслоение металлической и шлаковой фаз ведут в течение 3-10 с.

11. Способ по п. 10, отличающийся тем, что металлотермическое восстановление и расслоение фаз осуществляют в тигле с днищем с выпускными каналами, при этом масса днища равна 0,05-0,20 массы металлической фазы, получаемой в результате восстановления.

12. Способ по п. 11, отличающийся тем, что количество выпускных каналов N определяют согласно зависимости
N= М•k₂,
где М - масса металлической фазы, кг;
k₂ - эмпирический коэффициент, к₂≥0,004 кг^-1.

13. Устройство для получения сплава на основе переходного и редкоземельных элементов, включающее тигель с корпусом и днищем, выполненным из графита, которое имеет выпускной канал и снабжено перегородкой, и металлоприемник, размещенный под тиглем, отличающееся тем, что днище тигля имеет ряд выпускных каналов, диаметр которых D определяют из соотношения:
D= 1^0,5•k₁,
где l - толщина днища, м;
k₁ - эмпирический коэффициент, k₁= 0,64-1,04 (м)^0,5,
при этом перегородка выполнена из легкоплавкого или легкосгораемого материала.

14. Устройство по п. 13, отличающееся тем, что днище тигля выполнено съемным.

15. Устройство по любому из пп. 13, 14, отличающееся тем, что корпус тигля и металлоприемник изготовлены из оксидной или фторидной керамики.

16. Устройство по любому из пп. 13-15, отличающееся тем, что корпус тигля и металлоприемник изготовлены из металла или графита.

17. Устройство по п. 16, отличающееся тем, что оно содержит один или более теплоизолирующих элементов, которые размещены между днищем тигля и металлоприемником.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2