Максимальная температура восстановления 1100°С. При этой температуре MgO практически не реагирует с лантаноидами. Однако при более высоких температурах происходит частичное восстановление окиси магния расплавленным редкоземельным металлом и переход магния в сплав. Кальций высокой чистоты (очищенный дистилляцией в вакууме) в виде зерен размером ~0,6—1 мм перемешивается с хлоридом лантаноида в атмосфере сухого аргона в специальной камере. Смешивание в сухом аргоне необходимо для предотвращения поглощения влаги хлоридом и азота кальцием.

Кальций вводится в смесь с избытком ~15—20% против теоретически необходимого количества. При проведении процесса в малых масштабах теплоты реакции недостаточно для обеспечения расплавления образующегося металла и шлака.

Рис. 3. Реакционная бомба для восстановления хлоридов лантаноидов кальцием: 1 — стальная трубка диаметром 6,35 см; 2 — стальная крышка; 3 — набивка из СаО; 4 — футеровка из спеченного огнеупора; 5 — набивка СаО; 6 — шихта

С целью повышения термичности процесса в шихту добавляют в качестве подогревающей добавки йод (0,3—0,7 м. на 1 м. хлорида) и соответствующее количество кальция для образования CaJ₂. Введение йода, кроме того, снижает температуру плавления шлака, благодаря образованию эвтектики СаСl₂-СаJ₂.

Герметично закрытая бомба с шихтой нагревается до 700°C для возбуждения реакции. Металлы получаются в виде плотного слитка, хорошо отделяющегося от шлака, при среднем выходе 95%. Они содержат около 2% кальция, который удаляется переплавкой металла в вакууме в тиглях из окиси магния или окиси бериллия. При температуре процесса выше 1300°С (например, для гадолиния) тигли из окиси магния непригодны.

Было найдено, что наиболее инертным материалом по отношению к лантаноидам является тантал, практически не реагирующий с большей частью этих металлов вплоть до температуры 1500—1600°С.

Это позволило использовать тантал в качестве материала плавильного тигля. Тигли изготовляются путем сварки из танталовых листов толщиной 0,02—0,06 мм.

Восстановление ведется в танталовом тигле, закрытом перфорированной крышкой, в атмосфере аргона. При плавке в танталовом тигле удобно осуществлять нагрев токами высокой частоты. Поскольку тигель закрыт не герметично, применение подогревающей добавки йода к шихте исключается и необходимая температура обеспечивается только внешним нагревом. Редкоземельные металлы обычно плотно пристают к танталу и приходится механически отделять от них танталовую оболочку. В целях экономии тантала тигли изготовляют из тонких листов.

Для получения тугоплавких лантаноидов (Gd, Tb, Dy, Но, Er. Tu, Lu, Y) метод восстановления хлоридов оказался непригодным. Основное затруднение состояло в высокой упругости пара хлористого кальция при температурах 1500—1600°С (точка кипения СаС1₂ 2000°С).

Это вызвало необходимость замены хлоридов лантаноидов фторидами (точка кипения CaF₂ 2500°С, точка плавления 1418°С). Следует отменить, что фториды имеют дополнительное преимущество перед хлоридами в том отношении, что они мало гигроскопичны. Это сильно облегчает оперирование с ними. Восстановлением фторидов кальцием в танталовых тиглях в атмосфере аргона были получены все перечисленные тугоплавкие лантаноиды в виде слитков с выходом от 80 до 98%.

Этим же методом были получены легкоплавкие лантаноиды (La, Се, Рr, Nd). Однако в отличие от восстановления хлоридов этих металлов необходимо доводить температуру примерно до 1430°С с тем, чтобы шлак (CaF₂) расплавился.

После переплавки в вакууме в тиглях из тантала металлы, полученные восстановлением галогенидов, содержат не более сотых долей процента кальция, магния, тантала, кремния, железа, углерода и азота. Повышенное содержание тантала наблюдается у европия и лютеция (0,1%).[2]

1.2.2 Восстановление окислов с одновременной дистилляцией металлов

Выше указывалось, что самарий, европий и иттербий не удается получить восстановлением их хлоридов или фторидов кальцием. Восстановление протекает только до двухвалентных галогенидов.

Для получения этих металлов разработки метод восстановления их окислов лантаном в вакууме с одновременной дистилляцией образующихся металлов, которые имеют более высокую упругость пара, чем лантан.

Sm₂O₃ + 2La → 2Sm ↑ + La₂O₃. (1)

Несмотря на близкое сродство к кислороду у самария и лантана, реакция протекает в сторону восстановления, так как самарий удаляется из сферы реакции. Метод аналогичен получению кальция восстановлением его окиси алюминием в вакууме.

Пригодными восстановителями являются также церий и (если не требуется высокая чистота металлов) мишметалл.

Восстановление производится в танталовом тигле, верхняя часть которого служит конденсатором и находится вне зоны нагрева. Для более полного улавливания металлов к верхней части тигля целесообразно присоединять конденсатор в виде танталовой трубки с рядом танталовых дисков (тарелок).

Смесь окисла с лантановой стружкой, взятой с избытком около 20%, помещают в танталовый тигель, который медленно нагревается в вакууме до 1400°С. Нагревание может производиться в печи электросопротивления или в индукционной печи. В процессе подъема температуры поддерживается вакуум не ниже 10^-4 мм рт. ст. Начало возгонки сопровождается резким падением давления (до ~ 10^-7 мм рт. ст.), так как испаряющиеся металлы активно поглощают остаточные газы.

Конденсированные металлы получаются в виде крупнокристаллической корки на поверхности танталового конденсатора. Они содержат <0,05% Та и лишь следы лантана.

Восстановление Sm₂O₃ (а также, вероятно, окислов Еu₂О₃ и Yb₂O₃) может быть осуществлено кальцием в герметичном аппарате с последующим отделением окиси кальция путем отгонки в вакууме самария и избытка кальция. Фракционной разгонкой самарий может быть очищен от кальция. Однако этот метод сложнее, чем метод восстановления лантаном.[2]

2. Расчет процесса восстановления фторидов редкоземельных металлов кальцием

Задание: Выполнить металлургический расчет восстановления фторидов РЗМ кальцием. Составить материальный баланс процесса, выбрать аппарат для восстановления.

Исходные данные:

1. Производительность цеха по РЗМ – 500 т/год;

2. Извлечение РЗМ в металл – 97%;

3. Расход металлического кальция – 110% от СКН;

4. Технический кальций содержит, %: 98,83 Ca; 10^-4 Li; 50∙10^-4 Al; 10∙10^-4

Mn; 50∙10^-4 Mg; 10∙10^-4 Si; 70∙10^-4 N; 3∙10^-4 S и 1,15 Cl;

1. Продолжительность процесса восстановления – 3 часа;

2. Восстановления проводят в тиглях, размерами, м: диаметр – 0,5; высота – 0,6.

Решение:

Расчет будем вести для скандия, а аппарат для его восстановления выбираем индукционную печь.

Восстановление скандия происходит по реакции:

2ScF₃ + 3Ca = 3CaF₂ + 2Sc (1)

x₁ = (3∙40∙500)/(2∙45) = 666,67 т – стехиометрически необходимое количество Ca.

С учетом избытка Ca требуется: x₂ = (666,67∙110)/100 = 733,33 т, тогда необходимое количество технического Ca составит:

x₃ = (733,33∙100)/98,83 = 742,0 т.

Так как извлечение Sc 97%, то необходимо загрузить ScF₃:

x₄ = (500∙102)/(45∙0,97) = 1168,4 т.

Будем считать, что в шлак переходят все примеси и невосстановившийся ScF₃, тогда масса шлака:

x₅ = m_{примеси} + m_CaF2 + m_ScF3 = (742∙1,17)/100 + (733,33∙3∙78)/40 + (1168,4∙0,03) = 8,68 + 1430 + 35,07 = 1473,75 т.

В таблице 1 приведен годовой материальный баланс восстановления фторида скандия кальцием.

Таблица 1. Годовой материальный баланс восстановления фторида скандия кальцием

Производство скандия происходит в реакционном тигле, помещенном в индукционную печь, для расчета количества этих печей принимаем, что рабочих дней в году 340, за один раз в печь загружается 1 тигель (n), продолжительность восстановления составляет 3 ч (t), после восстановления получается 40 кг скандия, тогда суточная (Т) производительность по Sc: М=500/340 = 1,47 т = 1470 кг.

Количество печей составит:

N = (М∙t)/(T∙m∙n) = (1470∙3)/(24∙40∙1) = 4,59 = 5шт.

Заключение

В ходе выполнения данной курсовой работы были подробно рассмотрены наиболее распространенные способы получения редкоземельных металлов, среди которых можно выделить: электролитический (электролиз хлоридов) и металлотермический (восстановление галоидных солей и окислов). В практической части рассчитан материальный баланс для процесса восстановления фторида скандия кальцием и выбран аппарат для восстановления и посчитано количество этих аппаратов. Выполненные расчеты показали сколько необходимо фторида скандия и восстановителя для обеспечения заданной производительности по РЗМ, а также расчеты показали, что для получения 500 т скандия за год потребуется 5 индукционных печей (при условии, что в них загружается за один раз 1 тигель).

Список используемой литературы

1. Сонгина О.А. Редкие металлы. – М.: Металлургия, 1964. – 568 с.

2. Зеликман А.Н. Металлургия редкоземельных металлов, тория и урана. – М.: Металлургия, 1960. – 384 с.

3. Редкоземельные элементы. Технология и применение. / Под ред. Ф. Виллани. Пер. с англ. - М.: Металлургия, 1985. – 375 с.