Электролитический способ получения тантала

Получение тантала и ниобия восстановлением из хлоридов водородом

Алюминотермический способ получения ниобия и тантала из их пятиокисей

Способ основан на экзотермической реакции

3 Nb₂О₅ + 10 А1 = 6 Nb + 5 А1₂О₃ + 2650 кДж (2.84)

Высокий удельный тепловой эффект реакции 2480 кДж/кг шихты обеспечивает возможность проведения процесса без внешнего подогрева с выплавкой слитка ниобиевоалюминиевого сплава. При избытке алюминия в шихте, равном ~15 % от стехиометрического, получают сплав ниобия, содержащий 2 – 5 % алюминия при извлечении 98 %. Алюминотермическое восстановление проводят в стальном тигле с набивной футеровкой из прокаленных окислов магния или алюминия. Для удобства выгрузки продуктов плавки тигель делают разъемным. Через стенки вводят контакты для подвода электрического тока (20В, 15А) к запалу в виде нихромовой проволоки, помещенной в середине тигля.

Смесь тщательно высушенной пятиокиси ниобия и алюминиевого порошка крупностью 100 мкм загружают в тигель. Для исключения контакта с воздухом целесообразно поместить тигель в камеру, заполненную аргоном. После включения запала реакция протекает быстро по всей массе шихты.

Полученный слиток сплава дробят на куски и подвергают вакуум-термической обработке при 1800 – 2000 °С в печи с графитовым нагревателем при остаточном давлении 0,13 Па с целью удаления большей части алюминия (до его содержания ~0,2 %), Затем проводят рафинировочную плавку в электроннолучевой печи, получая слитки ниобия высокой чистоты с содержанием примесей, %: А1<0,002; С 0,005; Cu<0,0025; Fe<0,0025; Mg, Mn, Ni, Sn<0,001; Ni<0,005; O<0,010; Si<0,0025; Ti<0,005; V< 0,0025.

Пары TaCl₅ в смеси с водородом поступают из испарителя в реактор, в центре которого находится танталовая лента, нагреваемая прямым пропусканием электрического тока до 1200 – 1500 °С. Для равномерного распределения парогазовой смеси по длине ленты и обеспечения перпендикулярного к ее поверхности потока вокруг ленты установлен экран из нержавеющей стали с отверстиями. На нагретой поверхности происходит реакция

ТаСl₅ + 2,5 Н₂ = Та + 5 НС1 (2.85)

∆G^о_1600К = − 513 кДж

Оптимальные условия осаждения тантала: температура ленты 1200 – 1300 °С; концентрация ТаС1₅ в газовой смеси ~0,2 моля/моль смеси. Скорость осаждения в этих условиях равна 2,5 – 3,6 г/(см²∙ч) или 1,5 – 2,1 мм/ч.

Таким образом, за 24 ч получают пруток чистого тантала со средним диаметром 24 – 25 мм, который может быть прокатан в лист или переплавлен в электроннолучевой печи.

Тантал и ниобий нельзя выделить электролизом из водных растворов. Все разработанные процессы основаны на электролизе расплавленных сред.

Метод электролитического получения тантала подобен методу получения алюминия. Основой электролита служит раствор Ta₂O₅ в расплавленном K₂TaF₇ (аналогично смеси Al₂O₃ в Na₃AlF₆). Электролиз одного K₂TaF₇ не проводят вследствие возникающего при низких плотностях тока анодного эффекта. Устранение анодного эффекта достигается (как и при электролизе алюминия) добавлением в электролит Та₂O₅, поверхностно активной по отношению к графиту. Это улучшает смачивание графитового анода расплавом и повышает величину критической плотности тока. В процессе электролиза происходит разложение Ta₂O₅ с выделением на аноде не фтора, а кислорода, что облегчает проведение процесса.

Рекомендуемый составов электролитов, %: KCl 55; KF 27,5; K₂TaF₇ 17,5; Та₂O₅ 2,5 – 3.

Электролиз ведут при 680 – 720 °С, катодной плотности тока 50 А/дм² и анодной плотности тока 120 – 160 А/дм². Выход по току равен – 80 %, расход электроэнергии 2300 кВт∙ч/т тантала.

Дата добавления: 2014-01-11