Способ получения металлов и устройство для его осуществления
Изобретение относится к способу и устройству для получения металлов восстановлением водородом. Способ включает гомогенное восстановление их летучих соединений водородом в реакторе из огнеупорного материала при подаче с транспортировкой аргоном летучего соединения восстанавливаемого металла и подаче водорода в зону восстановления. Восстановление ведут в реакторе, состоящем из зоны испарения и зоны восстановления, путем подачи после испарения из зоны испарения летучего соединения металла в зону восстановления. При использовании в качестве соединений металлов галогенидов или оксидов металлов в зону восстановления подают соответственно галоген-водород или пары воды, при соотношении скоростей подачи водорода и аргона 1:2 с получением металла в виде металлической фольги, осаждаемой на нагретых стенках реактора. Устройство включает реактор, выполненный из огнеупорного материала - плавленого кварца, обрабатываемый материал в виде соединения получаемого металла, нагреватель и систему подачи газов. Реактор выполнен с кварцевой диафрагмой для разделения на зону испарения и зону восстановления, нагреваемые до температуры 850-950°С раздельно с помощью нагревателей. Техническим результатом является повышение степени чистоты металлов при восстановлении галогенидов и оксидов металлов. 2 н.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.
Изобретение относится к области металлургии галогенидов и оксидов, в частности к получению металлов восстановлением этих соединений водородом, и может использоваться при получении высокочистых металлов и их соединений, обладающих особыми физическими и химическими свойствами, что дает возможность использовать их в высоких технологиях при создании современных изделий.
Из уровня техники [SU 443119, МПК С23С 11/00, 15.12.1974] известен способ получения металлов, например никеля, и устройство для его осуществления. Способ включает гомогенное восстановление летучего соединения водородом в реакторе из огнеупорного материала при подаче с транспортировкой аргоном летучего соединения восстанавливаемого металла и подаче водорода в зону восстановления. В нем также раскрыто устройство для получения металла, включающее реактор, выполненный из огнеупорного материала - плавленого кварца, обрабатываемый материал в виде соединения получаемого металла, нагреватель и систему подачи газов. Однако этот способ не обеспечивает условий, определяющих получение металлов высокой чистоты, так как в циркулирующих продуктах восстановления концентрируются легколетучие и трудновосстановимые примеси, загрязняющие получаемый металл.
Цель изобретения - повышение степени чистоты металлов при получении высокочистых металлов восстановлением их галогенидов и оксидов.
Это достигается тем, что в способе получения металлов, включающем гомогенное восстановление их летучих соединений водородом в реакторе из огнеупорного материала при подаче с транспортировкой аргоном летучего соединения восстанавливаемого металла и подаче водорода в зону восстановления, восстановление ведут в реакторе, состоящем из зоны испарения и зоны восстановления, путем подачи после испарения из зоны испарения летучего соединения металла в зону восстановления, при этом при использовании в качестве соединений металлов галогенидов и оксидов металлов в зону восстановления подают соответственно галоген-водород или пары воды при соотношении скоростей подачи водорода и аргона 1:2 с получением металла в виде металлической фольги, осаждаемой на нагретых стенках реактора.
Это достигается тем в устройстве для получения металла, включающем реактор, выполненный из огнеупорного материала - плавленого кварца, обрабатываемый материал в виде соединения получаемого металла, нагреватель и систему подачи газов, реактор выполнен с кварцевой диафрагмой для разделения на зону испарения и зону восстановления, нагреваемых до температуры 850-950°С раздельно с помощью нагревателей, для осаждения металла в виде металлической фольги на нагретых стенках реактора.
На фиг.1 представлена схема устройства для реализации способа, где 1 - лодочка с обрабатываемым материалом; 2 - реактор; 3 - зона испарения; 4 - зона восстановления; 5 - кварцевая диафрагма; 6, 7 - нагреватели; 8 - восстановленный материал; 9 - трубка с соплом; 10 - кварцевая цилиндрическая вставка; 11 - система управления нагревом.
Способ получения металлов осуществляется следующим образом. Обрабатываемый материал 1 в виде хлорида металла помещают в реактор 2, выполненный из огнеупорного материала, например плавленого кварца, и состоящий из зоны испарения 3 и зоны восстановления 4, разделенных между собой кварцевой диафрагмой 5 и нагреваемых раздельно с помощью нагревателей 6 и 7. В зоне испарения 3 происходит испарение обрабатываемого материала 1, который в виде паров потоком газа-носителя транспортируется в зону восстановления 4, где происходит восстановление его водородом, подаваемым через трубку с соплом, восстановленный материал 8 в виде металлической фольги осаждается на нагретых стенках реактора 2 или на цилиндрической кварцевой вставке 10. Газ-носитель (аргон) перед поступлением в реактор 2 пропускают через концентрированную соляную кислоту, благодаря чему в реактор 2 осуществляют подачу продукта восстановления - соляной кислоты. Параметры проведения процесса: температура в зонах испарения и восстановления 850-950°С, соотношение скоростей водорода и аргона 1:2. Нижний температурный предел (850°С) определяется температурой испарения соединений металлов, а верхний (950°С) - возрастающей вероятностью загрязнения получаемого металла кремнием из материала реактора. Уменьшение содержания водорода и соответственно его скорости приводит к снижению массы восстановленного металла в зоне восстановления и, как следствие, к уменьшению выхода чистого металла. Увеличение содержания аргона и соответственно его скорости приводит к смещению зоны восстановления в сторону сопла, через которое подается водород, что неминуемо ведет к восстановлению металла на выходе из сопла, перекрытию последнего и полному прекращению процесса восстановления.
Пример 1.
Для получения высокочистого компактного кобальта в зону испарения трубчатого кварцевого реактора помещали лодочку с хлоридом кобальта, в зону восстановления помещали кварцевую цилиндрическую вставку для осаждения восстановленного металла, через кварцевое сопло диаметром 1-2 мм в зону восстановления подавали водород. Испаряемый хлорид кобальта транспортировали с помощью аргона в зону восстановления через кольцевую кварцевую диафрагму. Процесс вели при температуре 850-950°С. Аргон для переноса паров хлорида кобальта предварительно насыщали хлористым водородом, пропуская его через барботер с соляной кислотой. В результате на поверхности трубчатой подложки, расположенной в зоне восстановления и контактирующей с парами летучего соединения, нарастал слой компактного металлического кобальта. Отношение сопротивлений (R298K/R4,2K) кристаллов кобальта, полученных по предлагаемому способу, составляло более 200, что является высокой величиной для этого металла и свидетельствует о его высокой чистоте.
Пример 2.
Для получения высокочистого компактного никеля в зону испарения трубчатого кварцевого реактора помещали лодочку с хлоридом никеля, в зону восстановления помещали кварцевую цилиндрическую вставку для осаждения восстановленного металла, через кварцевое сопло диаметром 1-2 мм в зону восстановления подавали водород. Испаряемый хлорид никеля транспортировали с помощью аргона в зону восстановления через кольцевую кварцевую диафрагму. Процесс вели при температуре 850-950°С. Аргон для переноса паров хлорида никеля предварительно насыщали хлористым водородом, пропуская его через барботер с соляной кислотой.
| Таблица 1. Результаты масс-спектрометрического анализа образцов Ni (ppm). |
|||||
| Примесь | Исх. NiCl2, | Фольга | Кристалл | ||
| Способ | |||||
| ОСЧ | известный | предлагаемый | известный | предлагаемый | |
| Натрий | 10,0 | 0,1 | 0,1 | 0,1 | 0,1 |
| Калий | 10,0 | 0,1 | 0,1 | 0,1 | 0,1 |
| Кальций | 10,0 | 0,1 | 0,1 | 0,3 | 0,1 |
| Магний | 10,0 | 1,0 | 0,3 | 1,0 | 0,3 |
| Барий | 10,0 | 1,0 | 0,3 | 0,3 | 0,3 |
| Алюминий | 10,0 | 1,0 | 0,1 | 0,3 | 0,1 |
| Железо | 30,0 | 1,0 | 0,3 | 0,3 | 0,1 |
| Кобальт | 10,0 | 0,3 | 0,1 | 0,3 | 0,1 |
| Медь | 5,0 | 1,0 | 0,3 | 1,0 | 0,1 |
| Кремний | 100,0 | 1,0 | 0,3 | 1,0 | 0,1 |
| Марганец | 10,0 | 0,3 | 0,1 | 0,3 | 0,01 |
На поверхности трубчатой вставки, помещенной в зону восстановления и контактирующей с парами летучего соединения, образовывался слой компактного металлического никеля. Результаты масс-спектрометрического анализа образцов никеля в виде фольги и выращенных кристаллов приведены в Таблице 1. Отношение сопротивлений (R298К/R4,2K) кристаллов никеля, полученных по предлагаемому способу, составляет 4000, что превосходит известные мировые результаты.
Пример 3.
Для получения высокочистого компактного молибдена высокой чистоты в зону испарения трубчатого кварцевого реактора помещали лодочку с оксидом молибдена, в зону восстановления помещали кварцевую цилиндрическую вставку для осаждения восстановленного металла, через кварцевое сопло диаметром 1-2 мм в зону восстановления подавали водород. Пары оксида молибдена транспортировали аргоном, насыщаемым предварительно парами воды пропусканием его через барботер с водой, в зону восстановления через кольцевую кварцевую диафрагму. Процесс вели при температуре 850-950°С. В результате на поверхности трубчатой подложки, расположенной в зоне восстановления и контактирующей с парами летучего соединения, наращивался слой компактного металлического молибдена. Отношение сопротивлений (R298К/R4,2K) кристаллов молибдена, полученных на стадии зонной перекристаллизации предлагаемого способа, составляло более 40000, что является высокой величиной для этого металла и свидетельствует о его высокой чистоте.
Таким образом, использование предлагаемого способа и устройства для его реализации позволяет снизить содержание примесей в очищаемых металлах и их соединениях на 3-4 порядка величины, тогда как известный способ - на 1-3 порядка величины. Кроме того, проведение гомогенного водородного восстановления по предлагаемому способу позволяет управлять глубиной процесса очистки. Немаловажно и то, что способ прост и управляем в аппаратурном оформлении.
1. Способ получения металлов, включающий гомогенное восстановление их летучих соединений водородом в реакторе из огнеупорного материала при подаче с транспортировкой аргоном летучего соединения восстанавливаемого металла и подаче водорода в зону восстановления, отличающийся тем, что восстановление ведут в реакторе, состоящем из зоны испарения и зоны восстановления, путем подачи после испарения из зоны испарения летучего соединения металла в зону восстановления, при этом при использовании в качестве соединений металлов галогенидов или оксидов металлов в зону восстановления подают соответственно галоген-водород или пары воды, при соотношении скоростей подачи водорода и аргона 1:2 с получением металла в виде металлической фольги, осаждаемой на нагретых стенках реактора.
2. Устройство для получения металлов, включающее реактор, выполненный из огнеупорного материала - плавленого кварца, обрабатываемый материал в виде соединения получаемого металла, нагреватель и систему подачи газов, отличающееся тем, что реактор выполнен с кварцевой диафрагмой для разделения на зону испарения и зону восстановления, нагреваемых до температуры 850-950°С раздельно с помощью нагревателей, для осаждения металла в виде металлической фольги на нагретых стенках реактора.
