Плазменно-углеродный способ получения редкоземельных металлов и устройство для его осуществления



Плазменно-углеродный способ получения редкоземельных металлов и устройство для его осуществления

 


Владельцы патента RU 2499848:

Открытое акционерное общество "Сибирский завод электротермического оборудования" "ОАО "Сибэлектротерм" (RU)

Изобретение относится к получению редкоземельных металлов. Способ включает углетермическое восстановление оксидного соединения редкоземельного металла в вакууме с получением порошка карбида редкоземельного металла, свободного от остатков примеси кислорода. Затем ведут его охлаждение, смешивание его с порошком тугоплавкого металла в соотношении, достаточном для протекания обменных реакций между карбидом редкоземельного металла и тугоплавким металлом, и нагревание смеси горячим объемным плазменным разрядом до температуры ≥1800°C. При этом улавливают испаряющийся редкоземельный металл на конденсаторах и получают твердосплавный карбид тугоплавкого металла. Устройство содержит вакуумную систему, катодный и анодный узлы, размещенные концентрически в камере, соосные с ними паропровод и конденсатор-холодильник. При этом внутренний электрод является анодом сильноточного вакуумного плазменного разряда, горящего в кольцевой разрядной полости, образованной соосными цилиндрическими электродами. Анод изготовлен из тугоплавкого электропроводного материала в виде тигля, имеющего емкость, а окружающий его тонкостенный катод, снаружи которого расположен пусковой нагреватель сопротивления, выполнен также из тугоплавкого электропроводящего материала, например, вольфрама, тантала или графита. Техническим результатом является повышение извлечения редкоземельного металла. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к получению редкоземельных металлов III группы периодической системы элементов, в том числе скандия (Sc), иттрия (Y), лантана (La), церия (Се), празеодима (Pr), неодима (Nd), гадолиния (Gd), тербия (Tb), диспрозия (Dy), гольмия (Но), эрбия (Er), лютеция (Lu). Указанную группу редкоземельных элементов объединяет общая химическая аналогия всех двенадцати металлов, высокая химическая активность и близкая температура их кипения (Tk>2500°С).

Из существующего уровня техники известен способ получения рассматриваемых редкоземельных металлов из оксидных соединений (см. Металлургия редких металлов. Зеликман А.Н., Крейн О.Е., Самсонов Г.В. / М.: «Металлургия», 1978. 560 с. Стр.529-540), состоящий из следующих операций:

1. Галогенирование оксидов газообразным фтором, хлором или растворами плавиковой и соляной кислот. Фильтрация и сушка полученных галоидных солей.

2. Смешение сухих порошков галоидных солей со стружкой металлов-восстановителей, например, Mg, Na или Са.

3. Нагрев полученной шихты до температур начала активного металлотермического восстановления галоидных солей (Тнагрева≥1000°С) и выдержка реагирующей массы при этой температуре без доступа воздуха до прекращения всех реакций.

4. Охлаждение прореагировавшей массы и отделение восстановленного металла от шлака.

5. Двойной рафинирующий переплав восстановленных металлов под вакуумом для очистки их от шлаков и примесей металлов-восстановителей.

6. Переработка шлаков для выделения редкоземельных металлов.

Недостатками известного способа, на устранение которых направлено наше предлагаемое изобретение, являются:

1. Низкий выход получаемых продуктов, так как при металлотермических процессах до 20% продукта остается в шлаках.

2. Производственная вредность и загрязнение окружающей среды фтором, хлором или кислотами при галогенировании оксидов.

3. Высокая себестоимость производства, так как восстановители получают электролизом расплавленных фторидов и хлоридов; при этом окружающая среда загрязняется фтором или хлором; необходимость двойного рафинирующего переплава для получения чистых металлов.

4. Наличие в металлах-восстановителях, хотя и незначительных, но все же неизбежных примесей, которые при восстановлении переходят в получаемые редкоземельные металлы.

Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в создании устройства и разработке способа для получения чистых редкоземельных металлов путем углетермического восстановления их оксидных соединений с получением полупродукта в виде карбидов редкоземельных металлов, не содержащих остатков невосстановленных оксидов.

Данная задача решается за счет того, что при осуществлении заявляемого способа получения редкоземельных металлов Sc, Y, La, Се, Pr, Nd, Gd, Tb, Dy, Но, Er, Lu, кипящих при температуре более 2500°С, путем углетермического восстановления их оксидных соединений с получением карбидов перечисленных металлов, не содержащих кислорода; в последующем, для дистилляционного выделения восстановленных редкоземельных металлов из карбидов и получения этих металлов в чистом виде порошки карбидов после охлаждения смешивают с порошками тугоплавких металлов в соотношении, необходимом и достаточном для протекания обменных реакций между карбидами редкоземельных металлов и тугоплавкими металлами, и нагревают до ≥1800°С для проведения обменных реакций с получением карбидов тугоплавких металлов и испарения получаемых чистых редкоземельных металлов с последующей конденсацией паров на конденсаторах; в результате за одну электротермическую операцию получают два товарных продукта: чистый редкоземельный металл и карбид тугоплавкого металла, а в качестве тугоплавких металлов для осуществления обменных реакций используют порошки металлов, например, порошки металлического вольфрама (W); процесс ведут в устройстве, содержащем вакуумную камеру с водоохдаждаемыми наружными стенками, вакуумную систему, катодный и анодный узлы, размещенные концентрически в камере, соосные с ними паропровод и конденсатор-холодильник, используемый для сбора испаряемых металлов; согласно изобретению, внутренний электрод является анодом сильноточного вакуумного плазменного разряда, горящего в кольцевой разрядной полости, образованной соосными цилиндрическими электродами, причем анод изготовлен из тугоплавкого электропроводного материала в виде стакана (тигля), в котором размещается вся технологическая загрузка, а окружающий его тонкостенный катод выполнен также из тугоплавкого электропроводного материала, например, вольфрама, тантала или графита, для запуска электропечи вокруг катода установлены нагреватели сопротивления.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков заявленного способа и устройства, является повышение извлечения основного продукта из исходных материалов, создание безотходного производства с минимальным загрязнением окружающей среды, получение чистых и сверхчистых металлов, снижение себестоимости получения редкоземельных металлов.

Технический результат достигается тем, что чистые редкоземельные металлы получают путем углетермического восстановления их оксидных соединений с получением полупродукта в виде карбидов редкоземельных металлов, не содержащих остатков невосстановленных оксидов, полупродукт смешивают с порошком тугоплавких металлов для обеспечения обменной реакции:

M e C 2 + 2 W = M e + 2 W C , ( 1 )

после которой редкоземельный металл испаряется, передается по паропроводу в область установки конденсатора и конденсируется, а карбид тугоплавкого металла (например, W) в порошковом виде остается в тигле электропечи. Извлечение ценных редкоземельных металлов возрастает с 80% по известной технологии до 95% и более с использованием заявляемого способа получения продуктов. Сокращается технологический цикл получения металлов, исключаются операции переработки шлаков для извлечения из них редкоземельных металлов, а также использование токсичных материалов.

Технический результат достигается также тем, что заявляемое устройство для реализации способа имеет катодно-анодный узел, обеспечивающий нагрев тигля-анода за счет сильноточного вакуумного плазменного разряда, горящего в кольцевой полости, образованной цилиндрическими электродами, внутренний электрод выполнен в виде стакана (тигля), в который помещается перерабатываемая исходная смесь: МеС2+W; смесь нагревается до температуры Т≥1800°С и проводится реакция замещения.

Предлагаемый плазменно-углеродный способ получения перечисленных выше металлов состоит из следующих операций:

1. Смешивание порошкообразных оксидов редкоземельных металлов с углеродсодержащим компонентом, например, с ацетиленовой сажей. Количество углеродсодержащего компонента берется по расчету от стехиометрии для проведения углетермического восстановления оксида металла и связывания восстановленного металла в наиболее прочный карбид, например, неодима, т.е. в двойной карбид неодима (NdC2). При этом соотношение исходных компонентов для плазменно-углеродного процесса получения металлического неодима рассчитывается по реакции:

N d 2 O 3 + 7 C = 2 N d C 2 + 3 C O . ( 2 )

Одиннадцать указанных выше металлов являются химическими аналогами неодима, входящими в III группу периодической системы элементов. Приведенные выше для неодима реакция и формулы будут идентичны для всех остальных - только с неизбежной заменой химических обозначений самих металлов и соответствующих атомных постоянных.

2. Нагрев шихты без доступа воздуха до температуры более 2000°С с откачкой выделяющихся при восстановлении оксидов углерода и получением порошков чистых карбидов. Связывание восстанавливаемых металлов углеродом является тем необходимым условием, выполнение которого, наряду с высокой температурой нагрева и применением вакуума, обеспечивает успех нового технического решения для получения редкоземельных металлов, то есть получение в конечном итоге веществ, не содержащих кислород, исключая экологически вредные операции металлотермического восстановления. Положительный результат обеспечивается в силу двух обстоятельств физико-химического характера. Во-первых, избыток любого реагента (в данном случае, углерода, см. реакцию (2)) способствует протеканию процессов в направлении расхода этого реагента и выделения СО. Но это сугубо количественная закономерность «действующих масс» многократно усиливается, если избыток углерода связывает восстановленный металл в прочное соединение, например, NdC2. В этом случае образование прочных карбидов по реакциям типа (2) обеспечивает конечный успех, так как только в этом случае удается удержать восстанавливаемые металлы в конденсированной фазе и предотвратить их испарение при температурах, необходимых для протекания восстановления, освободив конденсированную систему от кислорода.

3. Охлаждение полученных порошков карбидов редкоземельных металлов и смешивание их с порошками чистых тугоплавких металлов в соотношении, обеспечивающим при нагреве до температуры Т≥1800°С протекание обменной реакции на примере неодима по типу реакции (I):

N d C 2 + 2 W = N d + 2 W C . ( 3 )

Обменная реакция (3) записана при использовании тугоплавкого металла -вольфрама, так как получаемые продукты (конденсат Nd и WC) являются твердыми продуктами, которые имеют широкое применение в промышленности: неодим как основа новых магнитных материалов (Nd-F-B), карбид вольфрама как основа твердых сплавов, имеющих широкое применение при механической обработке металлов. Получение их одновременно за одну технологическую операцию является важным признаком существенного отличия, определяющим преимущества нового технического решения.

Техническая сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежом, на котором изображено устройство, позволяющее реализовать предлагаемый плазменно-углеродный способ получения редкоземельных металлов.

Вакуумная электропечь с объемным плазменным разрядом содержит конденсатор 1, в котором формируется наращиваемый конденсат 2, вакуумную камеру 3, паропровод 4, экранную теплоизоляцию 5, катод 6, тигель-анод 7, разрядную полость 8, катододержатель 10, анододержатель 11, изолирующую засыпку 12, токоподводы 13, изолятор-уплотнитель 14, пусковые нагреватели сопротивления 15. Электропечь комплектуется типовой вакуумной системой, обеспечивающей рабочее давление в вакуумной камере до 1·10-3 мм рт.ст.

Тигель-анод 7 изготавливается из графита, тантала или вольфрама и устанавливается по оси печи. В тигель загружается сыпучая или таблетированная шихта 9. Соосно с тиглем-анодом с зазором 10-15 мм устанавливается катод 6, изготовленный из графита, тантала или вольфрама. Снаружи катода по периметру располагаются графитовые стержневые нагреватели, обеспечивающие нагрев катода до температуры 1900°С, при которой зажигается объемный плазменный разряд между катодом и тиглем-анодом. После зажигания разряда нагреватели сопротивления отключаются. Коаксиально рассматриваемой системе снаружи нагревателей сопротивления устанавливаются отражательные экраны, выполненные из графита, тантала, вольфрама и жаропрочной стали. Конденсатор электропечи 7, установленный соосно с тиглем-анодом 7, охлаждается водой или воздухом, обеспечивая на поверхности конденсации температуру ниже конденсации паров редкоземельных металлов.

Прямыми экспериментами было установлено, что разработанная система нагрева обладает высоким энергетическим КПД и в тигле-аноде, где находится шихта, достигаются и поддерживаются горячим объемным плазменным разрядом температуры, необходимые для осуществления реакции (1) или (3). В разрядную полость между тиглем-анодом и катодом подается аргон, в атмосфере которого горит объемный кольцевой вакуумный плазменный разряд при питании электрической цепи постоянным током (напряжение до 60 В, рабочий ток до 7000 А). При этом шихта, находящаяся в тигле-аноде, нагревается и в ней протекает реакция (3) с выделением продукта (редкоземельного металла) в паровой фазе. Пары металла по паропроводу 4 поступают на охлаждаемую поверхность конденсатора, конденсируются в твердую фазу и формируют получаемый продукт. В тигле-аноде в твердой фазе остается второй продукт технологии - карбид вольфрама.

Предлагаемый способ и устройство для его осуществления обладают следующими преимуществами:

1. Новый способ получения редкоземельных металлов является безотходной технологией, исключающей выбросы в окружающую среду вредных компонентов. Моноксид углерода, выделяющийся при переводе оксида металлов в карбид (см. реакцию (2)), легко дожигается до диоксида углерода на выходе из печей.

2. Прямой выход и извлечение редкоземельных металлов из их оксидов возрастает с 80% по известной технологии до 95% и более по предлагаемой.

3. Сокращается количество технологических переделов и устраняются операции с переработкой шлаков для извлечения из них редкоземельных металлов.

4. За счет сопряженного и совместного получения двух товарных продуктов: конденсатов редкоземельных металлов и карбидов тугоплавких металлов существенно снижается удельный расход электроэнергии и другие эксплуатационные расходы, характерные для многостадийных способов получения редкоземельных металлов.

1. Способ получения редкоземельного металла, кипящего при температуре ≥2500°C из ряда: Sc, Y, La, Се, Pr, Nd, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Lu, включающий углетермическое восстановление его оксидного соединения в вакууме с получением порошка карбида редкоземельного металла, свободного от остатков примеси кислорода, охлаждение порошка карбида, смешивание его с порошком тугоплавкого металла в соотношении, необходимом и достаточном для протекания обменных реакций между карбидом редкоземельного металла и тугоплавким металлом, и нагревание смеси горячим объемным плазменным разрядом до температуры ≥1800°C с улавливанием испаряющегося редкоземельного металла на конденсаторах и получением твердосплавного карбида тугоплавкого металла.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве карбидообразующего тугоплавкого металла используют порошки металлического вольфрама.

3. Устройство для получения редкоземельного металла, кипящего при температуре ≥2500°C, из ряда: Sc, Y, La, Се, Pr, Nd, Gd, Tb, Dy, Но, Er, Lu, содержащее вакуумную камеру с водоохлаждаемыми наружными стенками, вакуумную систему, цилиндрические электроды, размещенные концентрически в камере, соосные с ними паропровод и конденсатор-холодильник, используемые для сбора РЗМ, при этом внутренний электрод, являющийся анодом сильноточного вакуумного плазменного разряда, расположен в кольцевой разрядной полости, образованной соосными цилиндрическими электродами, изготовлен из тугоплавкого электропроводного материала в виде тигля, имеющего емкость, достаточную для размещения шихты из карбида редкоземельного металла и порошка тугоплавкого металла, а окружающий его тонкостенный электрод, являющийся катодом, выполнен также из тугоплавкого электропроводящего материала, например вольфрама, тантала или графита.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что снаружи катода расположен пусковой нагреватель сопротивления.

5. Устройство по п.3 или 4, отличающееся тем, что оно снабжено загрузочным лотком, позволяющим подавать шихту в тигель анода во время проведения технологического процесса.



 

Похожие патенты:

Настоящее изобретение относится к способу извлечения церия из отработанных железокалиевых катализаторов дегидрирования олефиновых углеводородов. Способ заключается в том, что извлечение церия осуществляют после предварительной подготовки катализатора.

Изобретение относится к области гидрометаллургии, а именно к способу извлечения ценных компонентов из продуктивных растворов переработки черносланцевых руд. Способ включает сорбцию ценных компонентов из продуктивных растворов противотоком ионитами при регулируемом pH среды и окислительно-восстановительного потенциала Eh.

Изобретение относится к области извлечения ценных веществ - алюминия, ванадия, урана, молибдена и редкоземельных металлов из черносланцевых руд. Способ переработки черносланцевых руд включает измельчение, противоточное двухстадиальное выщелачивание раствором серной кислоты при нагревании, разделение образующихся после выщелачивания пульп на обеих стадиях фильтрованием.

Изобретение относится к гидрометаллургии и может быть использовано для извлечения редких металлов из бедных, упорных, ультрадисперсных руд. Способ переработки черносланцевых руд с извлечением редких металлов включает выщелачивание руды раствором серной кислоты с растворением редких металлов.

Изобретение относится к способу переработки фосфогипса. .

Изобретение относится к способу переработки фосфогипса. .
Изобретение относится к аналитической химии, в частности к способу количественного определения церия в стали и сплавах. .
Изобретение относится к составу и способу получения твердого экстрагента для извлечения скандия из сернокислых растворов. .

Изобретение относится к гидрометаллургической переработке минерального сырья, в частности к скандийсодержащим «хвостам», полученным при обогащении титаномагнетитовых руд методом мокрой магнитной сепарации.
Изобретение относится к способу переработки кианитового концентрата и может быть использовано при производстве глинозема, корундовых огнеупоров, керамики, силумина и алюминия.

Изобретение относится к способу переработки твердых или расплавленных веществ и/или пирофоров, в частности, легких фракций, образующихся при измельчении. .

Изобретение относится к технологиям восстановления металлов из неорганических оксидов. .
Изобретение относится к способу обеднения твердых медно-цинковых шлаков. .

Изобретение относится к способу переработки железотитанового концентрата. .
Изобретение относится к области металлургии олова и может быть использовано для получения олова при переработке касситеритовых концентратов. .

Изобретение относится к металлургии, в частности к восстановлению оксидов металлов углеродсодержащими веществами и получению конечного продукта в различном фазовом состоянии.

Изобретение относится к обогащению низкокачественного угля, не пригодного для производства восстановленного металла обычным углеродно-композитным способом, с получением обогащенного угля, подходящего для этого углеродно-композитного способа.

Изобретение относится к пирометаллургии, в частности к получению ниобия из его оксида, и может быть использовано для производства феррониобия. .

Изобретение относится к способу получения карбида кальция. Способ включает термическую обработку дробленых известняка и угля с отводом газообразных продуктов, которые используют для производства углекислоты. Термическую обработку ведут в одном реакторе. На первом этапе в процессе ввода сырья в реактор его подвергают нагреву до 1000°-1200°С теплопередачей от конструктивных элементов загрузочного канала и воздействием на сырье плазменного луча в зоне свободного перемещения частиц сырья. Термическую обработку сырья осуществляют в атмосфере диоксида углерода. Последующий синтез карбида кальция осуществляют при температуре как минимум 1700-1800° индукционным нагревом реакционной массы. Полученный расплав карбида кальция отводят. Из верхней части реактора отводят газообразные продукты, из которых выделяют окись углерода и диоксид углерода, причем как минимум часть отводимого диоксида углерода используют для заполнения загрузочного канала. Для производства углекислоты используют объем диоксида углерода, оставшийся после заполнения загрузочного канала, и весь объем окиси углерода. Техническим результатом является повышение выхода целевого продукта и снижение энергоемкости процесса. 1 ил.
Наверх