способ получения скандия

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СКАНДИЯ, включающий натриетермическое восстановление его хлоридной соли в инертной атмосфере и вакуумтермическую обработку при 700 - 900^o, отличающийся тем, что восстановлению подвергают комплексную хлоридную соль скандия и щелочных металлов при 600 - 800^oС с подачей натрия порциями 0,20 - 0,48 г/см² через 60 - 100 мин, перед вакуумтермической обработкой проводят термообработку в инертной атмосфере при 750 - 900^o в течение 2 - 6 ч, а после вакуумтермической обработки проводят гидрометаллургическую обработку и дополнительную вакуумтермическую обработку при 1050 - 1300^oС в течение 1 - 5 ч.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии редких металлов и может быть использовано для производства крупнокристаллических частиц скандия высокой чистоты методом натриетермического восстановления.

Известен способ получения редкоземельных металлов лантана, церия, празеодима и неодима путем натриетермического восстановления их хлоридов при температуре 850-1000^оС в инертной атмосфере (патент Австрии N 329884, кл. 40 а 24, опубл. 1976).

Недостаток способа получение мелкодисперсных порошков вышеназванных редкоземельных металлов.

Известен способ (прототип) получения скандия, включающий натриетермическое восстановление хлорида скандия при температуре выше 800 и ниже 1500^оС в инертной атмосфере и вакуум-термическую обработки при температуре 750-1000^оС в течение 2-8 ч.

Недостаток способа получение скандия губчатой структуры низкой чистоты. На стадии натриетермического восстановления индивидуального хлорида скандия при названных выше температурах формируется губчатая структура, образованная из мелкодисперсных частиц скандия. В процессе вакуум-термической обработки, используемой для разделения продуктов реакции, не происходит полного удаления хлорида натрия и других примесных элементов вследствие низкой упругости пара, например хлорида натрия, при данных температурах. Отрицательную роль в полном разделении продуктов реакции играет сама губчатая структура металла, характеризуемая наличием большого количества пор малого диаметра, удаление примесных элементов из которых практически невозможно.

Цель изобретения получение крупнокристаллических частиц скандия размером 3-30 мм высокой чистоты.

Цель достигается тем, что в способе получения скандия, включающем натриетермическое восстановление его хлоридной соли и вакуум-термическую обработку при температуре 700-900^оС, восстановлению подвергают комплексную хлоридную соль скандия и щелочных металлов при температуре 680-800^оС с подачей натрия порциями 0,20-0,48 г/см² через 60-100 мин. Перед вакуум-термической обработкой проводят термообработку в инертной атмосфере при температуре 750-900^оС в течение 2-6 ч. После вакуум-термической обработки проводят гидрометаллургическую обработку и дополнительную вакуум-термическую обработку при температуре 1050-1300^оС в течение 1-5 ч.

Способ состоит в следующем. Исходный материал комплексную хлоридную соль скандия и щелочных металлов, например Sc_mK_nNa_pCl_k или Sc_mLi_nNa_pCl_k, где 1 < m<= 3, 0 < n < 4, 0 <= p < 3, 4 <k < 9, подвергают натриетермическому восстановлению при температуре 680-800^оС в инертной атмосфере, подавая натрий на поверхность расплава порциями 0,20-0,48 г/см² через 60-100 мин. Продукты восстановления термообрабатывают в инертной атмосфере при температуре 750-900^оС в течение 2-6 ч. Затем проводят вакуумметрическую обработку при температуре 700-900^оС, гидрометаллургическую обработку, снова вакуум-термическую обработку при температуре 1050-1300^оС в течение 1-5 ч.

Использование в качестве исходного материала комплексной хлоридной соли скандия и щелочных металлов, склонность к гидролизу которой значительно ниже в сравнении с хлоридом скандия, используемом в прототипе, позволяет значительно снизить на начальном этапе технологического процесса вредное воздействие окружающей среды (влаги, воздуха и т.д.). Это в значительной степени определяет чистоту получаемого скандия по такой примеси как кислород.

Крупность получаемого целевого продукта определяется двумя факторами: скоростью образования зародышей металла в процессе восстановления и скоростью роста зародышей до требуемого размера кристалла. Заявленные режимы натриетермического восстановления обеспечивают значительное превышение скорости роста зародышей кристаллов скандия над скоростью их появления, что приводит к формированию оптимального количества центров кристаллизации и обеспечивает начальный рост кристаллов. Заявленные режимы последующей термообработки в инертной атмосфере обеспечивают дальнейший рост зародышей кристаллических образований до требуемых размеров. Таким образом, получаемый скандий представляет собой крупные кристаллические образования в виде, например, игольчатых кристаллов, чешуек произвольной формы, дендритов и т.п. а не конгломераты дисперсных зерен (губку), как в прототипе.

Известно, что при процессах кристаллизации металлических частиц из расплава примеси концентрируются на поверхности и в объеме мелкодисперсных кристаллических образований. Формирование крупно-кристаллических частиц скандия с менее развитой поверхностью приводит к уменьшению его загрязнения примесями из расплава.

Первая вакуумная обработка, в отличие от прототипа, обеспечивает отгонку избыточного натрия, а гидрометаллургическая обработка отделение хлоридов щелочных металлов. По указанной выше причине гидрометаллургическая обработка обеспечит для крупнокристаллических частиц более высокую очистку от примесей и наименьшее загрязнение такими примесями, как кислород, азот из воздуха на этой операции. Дополнительная вакуум-термическая обработка применяется с целью наиболее глубокой очистки от таких примесей как калий и хлор, присутствующих в материале в значительных количествах (до десяти долей процента). Такие примеси не удаляются гидрометаллургической обработкой, так как связаны между собой и скандием в сложные оксихлоридные комплексы.

Нижний температурный предел натриетермического восстановления (680^оС) обусловлен температурой плавления исходной комплексной хлоридной соли скандия и щелочных металлов. При температуре восстановления выше 800^оС скорость появления зародышей металла становится соизмеримой со скоростями их роста, что приводит к образованию мелкокристаллических частиц скандия. Это способствует большему загрязнению скандия примесями из расплава и затрудняет их удаление по последующих операциях. При высоких температурах (>880^оС) происходит загрязнение частиц скандия материалом аппаратуры за счет термодиффузии.

Увеличение порции восстановителя, подаваемой на поверхность расплава, до величины более 0,48 г/см² и/или уменьшение периодичности подачи до величины менее 60 мин способствуют локальному повышению температуры в реакционной зоне вследствие экзотермичности реакции восстановления скандия и, следовательно, приводят к образованию мелкокристал- лических частиц скандия низкой чистоты. Уменьшение порции восстановителя до величины менее 0,20 г/см² и/или увеличение периодичности подачи до величины более 100 мин нецелесообразно вследствие уменьшения производительности способа.

При температуре термообработки в инертной атмосфере выше 900^оС начинается активное перемешивание расплава, вызванное, в частности, кипением избытка металла-восстановителя, что препятствует росту кристаллов скандия. Нижний температурный предел термообработки (750^оС) обусловлен температурой плавления смеси хлоридов натрия и калия.

Продолжительность термообработки в инертной атмосфере менее 2 ч является недостаточной для обеспечения диффузионных процессов роста кристаллов скандия. Увеличения продолжительности термообработки более 6 ч не влияет на структурные характеристики получаемого скандия и нецелесообразно по экономическим аспектам. Нижние температурный и/или временной пределы дополнительной вакуум-термической обработки (1050^оС, 1 ч) определяются скоростью диффузионных процессов и упругостью паров хлорсодержащих соединений. При температуре вакум-термической обработки выше 1300^оС происходит значительное спекание кристаллического скандия, а также возникают потери его из-за сублимации. Увеличение времени выдержки более 5 ч не влияет на структурные и качественные характеристики получаемого скандия и нецелесообразно по экономическим аспектам.

П р и м е р 1. Процесс получения металлического скандия в виде крупных кристаллов произвольной формы осуществляли путем проведения натриетермического восстановления из расплава комплексной хлоридной соли ScK₂NaCl₆. Процесс проводили в атмосфере аргона в реакционном стакане из ниобия с внутренним диаметром 170 мм. Температура восстановления 750^оС, масса загруженной комплексной хлоридной соли 4,0 кг при массовом содержании в ней скандия 12% Расплавленный металлический натрий из специального дозирующего устройства подавали на поверхность расплава соли порциями по 68 г (0,30 г/см²) через каждые 80 мин. После подачи последней порции натрия продукты восстановления подвергали термообработке в атмосфере аргона при температуре 800^оС в течение 4 ч. Затем проводили первую вакуум-термическую обработку при 800^оС в течение 30 мин. После охлаждения реакционную массу извлекали из стакана и подвергали гидрометаллургической обработке водными растворами аммиака с последующей промывкой кристаллов скандия водой и спиртом. Затем кристаллы скандия подвергали дополнительной вакуум-термической обработке при температуре 1200^оС в течение 3 ч. Общее извлечение в металл составило 98,3% при массовом содержании кристаллов размером 3-30 мм 85% Содержание примесей в кристаллах полученного скандия составляло, мас. кислород 0,050; хлор 0,0049; калий 0,0025; железо 0,0006.

П р и м е р ы 2-15. Способ осуществляли аналогичным образом, меняя значения заявляемых параметров. Результаты представлены в таблице.

Таким образом, использование предлагаемого способа получения скандия обеспечивает возможность получения крупнокристаллических частиц скандия размером 3-30 мм высокой степени чистоты по таким примесям, как кислород, хлор, калий, железо.