способ получения слитков ниобия высокой чистоты с регламентированным уровнем электрофизических свойств

Формула изобретения

Способ получения слитков ниобия высокой чистоты, включающий электронно-лучевой переплав расходуемой ниобиевой заготовки, отличающийся тем, что для получения слитков ниобия с заданным в интервале 200...500 значением соотношения удельных электросопротивлений при температурах 293 К и 9,2 К, в качестве расходуемой заготовки используют заготовку из ниобия сорта НБ-1 и равномерно распределенного по ее длине ниобия, полученного иодидным рафинированием, при этом отношение масс ниобия сорта НБ-1 и ниобия, полученного иодидным рафинированием, определяют из соотношения удельных электросопротивлений при температурах 293 К и 9,2 К, по выражению

m_n /m_u=(500- ₂₉₃/ _9,2)/(800+2× ₂₉₃/ _9,2),

где m_n - масса ниобия сорта НБ-1, г;

m_u - масса ниобия, полученного иодидным рафинированием, г;

₂₉₃ - удельное электросопротивление ниобия при температуре 293 К, Ом·м²/м;

_9,2 - удельное электросопротивление ниобия при температуре 9,2 К, Ом·м²/м.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области специальной электрометаллургии и может быть использовано для получения слитков ниобия высокой чистоты с регламентированным уровнем электрофизических свойств, в том числе с заданным в интервале 200...500 значением соотношения удельных электросопротивлений при Т=293 К и Т=9,2 К.

Известен способ получения слитков ниобия высокой чистоты путем шестикратного электронно-лучевого переплава чернового ниобия, полученного алюминотермическим восстановлением пятиокиси ниобия, в электронно-лучевой печи, оснащенной паромасляными высоковакуумными насосами при рабочем давлении в камере печи ~5·10^-4 Па [1].

Недостатком данного способа является невысокая производительность, малые значения ₂₉₃/ _9,2, которые находятся в пределах 100-350 и нерегулируемо изменяются как от плавки к плавке, так и по сечению одного слитка.

Недостатками данного способа являются необходимость наличия и эксплуатация очень сложного оборудования, связанная с созданием сверхвысокого вакуума, низкая производительность процесса из-за длительного периода подготовки электронно-лучевой печи к плавке, а также нерегулируемого значения ₂₉₃/ _9,2, изменяющегося в очень широких пределах.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ получения слитков ниобия высокой чистоты, включающий электронно-лучевой переплав расходуемой ниобиевой заготовки (Зеликман А.Н. Ниобий и тантал, Москва, Металлургия, 1990, с.202[2]).

Предложенный нами способ отличается от известного тем, что для получения слитков ниобия высокой чистоты, в том числе с заданным в интервале 200-500 значением соотношения удельных электросопротивлений при температурах 293 К и 9.2 К, в качестве расходуемой заготовки используют заготовку из ниобия сорта НБ-1 и равномерно распределенного по ее длине ниобия, полученного йодидным рафинированием, определяют из соотношения удельных электросопротивлений при температурах 293 К и 9.2 К по выражению, изложенному в формуле изобретения и в описании.

Технической задачей, решаемой с помощью данного изобретения, является получение слитков ниобия высокой чистоты с заданным в интервале 200...500 отношением удельных электросопротивлений при Т=293 К и Т=9,2 К, обеспечивающее повышение производительности процесса до 13% и снижение себестоимости слитков ниобия высокой чистоты до 25% в зависимости от заданного значения ₂₉₃/ _9,2.

Решение поставленной задачи достигают тем, что осуществляют электронно-лучевой переплав расходуемой ниобиевой заготовки, отличающийся тем, что для получения слитков ниобия с заданным в интервале 200...500 значением соотношения удельных электросопротивлений при температурах 293 К и 9.2 К, в качестве расходуемой заготовки используют заготовку из ниобия сорта НБ-1 и равномерно распределенного по ее длине ниобия, полученного йодидным рафинированием, при этом отношение масс ниобия сорта НБ-1 и ниобия, полученного йодидным рафинированием, определяют из соотношения удельных электросопротивлений при температурах 293 К и 9.2 К, по выражению:

m_n/m_u =(500- ₂₉₃/ _9,2)/(800+2× ₂₉₃/ _9,2),

где m_n - масса ниобия сорта НБ-1, г;

m_u - масса ниобия, полученного йодидным рафинированием, г;

₂₉₃ - удельное электросопротивление ниобия при Т=293 К, Ом·м²/м;

_9,2 - удельное электросопротивление ниобия при Т=9,2 К, Ом·м²/м.

Проведенные заявителем эксперименты по получению слитков ниобия высокой чистоты со значением отношения ₂₉₃/ _9,2=200...500, результаты которых приведены в таблице 1, показывают, что использование при ЭЛП расходуемой заготовки, состоящей из ниобия сорта НБ-1 и ниобия, полученного йодидным рафинированием, в соотношении m_n/m_u=0...0,25 позволяет получать металл с заданным значением ₂₉₃/ _9,2 в интервале 200...500.

Так, использование расходуемой заготовки, состоящей из 100% ниобия йодидного рафинирования, позволяет получать слитки с ₂₉₃/ _9,2=500, а добавка ниобия сорта НБ-1 в количестве 0,14 и 0,25 от массы ниобия йодидного рафинирования позволила получить значения ₂₉₃/р_9,2=300 и 200 соответственно.

Таблица 1. Результаты экспериментов по получению слитков ниобия высокой чистоты.
№	Состав расходуемой заготовки	Отношение массы ниобия НБ-1 к массе ниобия йодидного рафинирования в составе расходуемой заготовки, mn/m u	Значение отношения удельных электросопротивлений, 293/ 9,2
1	Йодидный ниобий	0	499,1
2	Йодидный ниобий +НБ-1	0,14	312
3	Йодидный ниобий +НБ-1	0,20	227
4	Йодидный ниобий +НБ-1	0,25	200,4
	Йодидный ниобий +НБ-1	0,26	128

Примеры осуществления предлагаемого способа.

Пример 1.

Для получения слитков ниобия высокой чистоты с заданными значениями ₂₉₃/ _9,2=210±10 и 300±10, технология и технико-экономические показатели которого приведены в таблице 2, в качестве расходуемой заготовки использовали слиток ниобия сорта НБ-1 диаметром 0,1 м, длиной 0,7 м и массой 46250 г, вдоль образующей которого равномерно распределяли 74 прутка ниобия диаметром 0,02 м каждый, полученных йодидным рафинированием, общей массой 138750 г (m_n /m_u=0,25) - для заданного значения ₂₉₃/ _9,2=210±10 и расходуемую заготовку из слитка ниобия НБ-1 диаметром 0,07 м, длиной 0,7 м, массой 25900 г и 87 прутков ниобия общей массой 185000 г, полученного йодидным рафинированием (m_n/m_u=0,14) - для заданного значения ₂₉₃/ _9,2=300±10. Расходуемые заготовки подвергали электронно-лучевому переплаву в двухпушечной электронно-лучевой печи типа ЭДП 07/500, оснащенной высоковакуумными паромасляными насосами с азотной ловушкой. Переплав осуществляли в кристаллизатор диаметром 0,17 м через промежуточную емкость размерами 0,25×0,25 м, при этом мощность электронной пушки, обогревающей расплав в кристаллизаторе, составляла 170 кВт, а мощность электронной пушки, работающей на сплавление расходуемой заготовки и обогрев расплава в промежуточной емкости, составляла 150 кВт. В результате проведения переплава со скоростью 11,1 г/сек при рабочем вакууме 7·10^-4 Па были получены 2 слитка ниобия диаметром 0,167 м массой по 185000 г.

От верха, середины и низа слитков вырезали поперечные темплеты, из которых изготавливали образцы для измерения ₂₉₃/ _9,2, которые подвергали 90%-ной холодной деформации с последующим вакуумным отжигом при Т=1473 К в течение 4000 сек, после чего измеряли значение ₂₉₃/ _9,2 четырехконтактным методом при постоянном токе.

Полученные значения параметра ₂₉₃/ _9,2 находились в пределах 205-210 и 295-307 соответственно, что полностью соответствовало заданным значениям.

Пример 2.

Для получения слитка ниобия высокой чистоты с заданным значением ₂₉₃/ _9,2=300±10 в качестве расходуемой заготовки ЭЛП использовали прутки ниобия диаметром 0,02 м, полученных йодидным рафинированием с осаждением на проволоку диаметром 0,007 м, изготовленную из ниобия сорта НБ-1. Общая масса расходуемой заготовки, состоящей из 40 прутков, составила 108000 г, из которых масса проволоки из ниобия сорта НБ-1 m_n=134440 г, а масса ниобия, осажденного на ней в процессе йодидного рафинирования m_u =94560 г (соотношение m_n/m_u=0,14).

В результате ЭЛП данной расходуемой заготовки был получен слиток ниобия массой 107200 г, от верхней и нижней частей которого отбирали образцы и измеряли ₂₉₃/ _9,2 по приведенной выше методике.

Полученные значения ₂₉₃/ _9,2 находились в пределах 297-307, что полностью соответствовало заданным значениям.

Переплав расходуемой заготовки, состоящей из 100% ниобия, полученного йодидным рафинированием, по той же технологии привел к получению слитка ниобия со значением ₂₉₃/ _9,2=495-501 (по прототипу).

Сравнение технико-экономических показателей получения слитков ниобия высокой чистоты с заданным значением ₂₉₃/ _9,2=300±10 по предлагаемому способу показало возможность повышения производительности процесса на 14% и снижение себестоимости металла на 11,5% за счет использования более дешевого ниобия сорта НБ-1 по сравнению с прототипом.

Предлагаемый способ может быть применен при промышленном производстве ниобия высокой чистоты с заданным значением ₂₉₃/ _9,2 в интервале 200-500 и изготовлении изделий из него, применяемых в физико-энергетических установках, работающих с использованием явления низкотемпературной сверхпроводимости.

Таблица 2. Технология и технико-экономические показатели процесса получения слитков ниобия высокой чистоты.
№	Технология	Заданное отношение удельных электросопротивлений 293/ 9,2	Отношение масс ниобия НБ-1 и йодидного ниобия в расходуемой заготовке ЭЛП, mn/mu	Фактическое отношение удельных электросопротивлений в слитке ниобия, 293/ 9,2	Стоимость слитка ниобия высокой чистоты, руб./кг	Примечание
1	Электронно-лучевой переплав расходуемой заготовки, состоящей из ниобия НБ-1 и йодидного ниобия	300±10	0,14	295...307	13000	по предлагаемому способу
2	Электронно-лучевой переплав расходуемой заготовки, состоящей из ниобия НБ-1 и йодидного ниобия	210±10	0,25	205...210	11625	по предлагаемому способу
3	Электронно-лучевой переплав расходуемой заготовки, состоящей из 100% йоидного ниобия	300±10	0	495...501	15000	по прототипу

Источники информации

1. Производство ниобия высокой чистоты фирмой W/C/Heraeus GmbH,

“Journal of less-common metals”, 1988, V.139, №1, p.p.1-14.

2. Зеликман А.Н., Коршунов Б.Г, Елютин А.В. “Ниобий и тантал”, М. “Металлургия”, 1990 г., с.202.

3. Р.Ф.Ролстен. “Йодидные металлы и йодиды металлов”, М. “Металлургия”, 1968 г., с.121-123 /прототип/.