CN101879603B - 钽粉的生产方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钽粉的生产装置，包括反应容器和与反应容器进行气密封的反应容器盖，反应容器盖上设有若干贯穿孔，贯穿孔内分别设有热电偶、搅拌装置和注钠管，反应容器盖上还设有加料口、进气口和排气口，该生产装置还包括碱金属收集器。本发明还公开了一种利用上述装置生产钽粉的方法。根据本发明方法制得的钽粉的氧、钾、钠含量低，并且通过碱金属收集器收集排除的碱金属蒸汽，减少对大气的污染，回收利用碱金属，降低生产成本。

Description

钽粉的生产方法和装置

技术领域

本发明涉及钽粉的生产方法和装置，特别涉及碱金属还原氟钽酸钾生产钽粉的方法及带有碱金属收集器的钠还原反应装置。 

背景技术

金属钽的粉末，粉表面生成的致密氧化膜具有单向导电的阀金属性质。制成的阳极膜化学性能稳定(特别是在酸性电解质中稳定)、电阻率高(7.5×1010Ω·cm)、介电常数大(27.6)、漏电流小。还具有工作温度范围宽(-80～200℃)、可靠性高、抗震和使用寿命长等优点。 

碱金属还原氟钽酸钾是制取钽粉的重要方法，特别是制取高比容钽粉的主要方法。自从赫利尔·马丁发明用钠还原氟钽酸钾制取钽粉到今天，已有约40年的历史，为了得到纯度高，比表面积大的钽粉，人们付出了许多努力，并对此提出了许多改进方法。 

碱金属还原氟钽酸钾的化学反应方程式为： 

K₂TaF₇+5Me＝Ta+2KF+5MeF 

上式中Me为碱金属，如金属钾、钠和它们的合金，通常使用金属钠。如果使用金属钠还原氟钽酸钾，其化学反应式为： 

K₂TaF₇+5Na＝Ta+2KF+5NaF 

在实际生产钽粉的过程中，为了得到较细颗粒的钽粉，在原料中加入稀释剂，如氯化钠、氯化钾、氟化钾及晶粒细化剂等。反应得到的生成物，为氯化钠、氯化钾、氟化钾和氟化钠的熔体包裹钽粉的凝结块。通常用纯水浸泡水洗这种凝结块，使钽粉与氯化钠、氯化钾、氟化钾和氟化钠分离得到钽粉。 

在钠还原氟钽酸钾时，如果加入的钠量不足，将有少量氟钽酸钾不能被还原，金属钽的收率低，这样所得到的钽粉氧含量高，且钾、钠含量也高。为了使上述反应完全，提高金属钽的收率，往往要过量地加入金属钠。 

钠还原氟钽酸钾进行完后，过剩的碱金属是以钾钠合金的形式存在于产物 中。以往人们以蒸汽形式放出部分碱金属，碱金属蒸汽中主要包括钾钠合金。然而，还有大量的碱金属存在于凝结块中。在有水存在的情况下，会产生钽酸盐和/或偏钽酸盐，化学反应如下： 

Ta+Me+nH₂O＝MeTaO₃·nH₂O 

在生产钽粉时，当钠还原氟钽酸钾的生成物中存在有碱金属时，就会形成难溶于酸的钽酸盐或不溶于酸的偏钽酸盐。特别是在制取高比表面积的电容器级钽粉时，由于钽粉的比表面积大，在强碱性溶液里，产生大量的钽酸盐和/或偏钽酸盐，这样就造成了钽金属的损失，而且，钽粉的氧含量和碱金属含量高。钽的应用都要求高纯度，如制造电解电容器阳极，要求氧、钾、钠含量低。 

含有碱金属蒸汽的废气排放到空气中对环境造成污染。在水洗搅拌钠还原氟钽酸钾的生成物时，要使用大量的水，大量的含碱的废水也会对环境造成污染。 

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种钽粉的生产方法，其通过负压排除碱金属，然后水洗，得到钽粉。相应的，还提供一种钽粉的生产装置。 

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种钽粉的生产装置，包括反应容器和与反应容器进行气密封的反应容器盖，反应容器盖上设有若干贯穿孔，贯穿孔内分别设有热电偶、搅拌装置和注钠管，反应容器盖上还设有加料口、进气口和排气口，该生产装置还包括碱金属收集器。 

进一步，所述反应容器的排气口和碱金属收集器相连，通过碱金属收集器向外排气和抽空。 

进一步，所述碱金属收集器包括罐体和与罐体气密封的盖体，罐体上部设有用于冷凝碱金属蒸汽的碱金属冷凝器，罐体的侧壁设有供冷却介质进出的冷却夹套，所述碱金属收集器还包括进气管和排气管，所述进气管一端与反应容器的排气口相连，另一端贯穿所述盖体直插入碱金属收集器的底部，所述排气管一端贯穿所述盖体，另一端与抽空系统相连。 

作为本发明的一种实施方式，所述碱金属冷凝器是由多层挡板组成，板与板之间有1-6cm距离，每片板与罐体内壁有1-10cm的缝隙，进气管贯穿挡板插入罐体的底部。 

作为本发明的一种实施方式，碱金属冷凝器为底部有孔的金属篮子，里面容纳金属丝或金属屑，篮子与罐体内壁之间有1-10cm的缝隙。 

一种利用上述装置生产钽粉的方法，钠还原氟钽酸钾的反应完成以后，在600℃～900℃负压排除碱金属，然后水洗，得到钽粉。 

进一步，钠还原氟钽酸钾的反应完成以后，在600℃～900℃抽真空0.5～2小时，抽真空到500Pa～800Pa，然后水洗，得到钽粉。 

进一步，反应容器的排气口和碱金属收集器相连，通过碱金属收集器向外排气和抽空。 

本发明具有以下有益效果：1)根据本发明方法制得的钽粉的氧、钾、钠含量低。2)通过碱金属收集器收集排除碱金属蒸汽，减少对大气的污染，回收利用碱金属，降低生产成本。 

附图说明

图1是本发明所述的钽粉生产装置的一种实施例的结构示意图； 

图2是本发明所述的钽粉生产装置的另一种实施例的结构示意图。 

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的钽粉的生产方法和装置的具体实施方式、特征及功效，详细说明如下。 

如图1所示，是本发明所述的反应装置主要包括反应容器1，反应容器盖2，其与反应容器气密封，在反应容器盖2上设有若干贯穿孔，贯穿孔内分别设有注钠管3、搅拌装置和热电偶5，所述搅拌装置包括搅拌杆41和搅拌桨42，搅拌杆41上端用电机带动。在反应容器盖2的中心位置附近设置有充气口7和用于添加氟钽酸钾的加料管6、注钠管3，在反应容器盖的边缘位置设置有排气 口8。所述反应容器1的排气口8通过进气管96和碱金属收集器相连，通过碱金属收集器向外排气和抽空。所述碱金属收集器包括罐体91和与罐体气密封的盖体92，罐体91上部设有冷凝碱金属蒸汽的碱金属冷凝器93，罐体91的下部为收集容纳碱金属的区域，罐体91的侧壁设有供冷却介质进出的冷却夹套，夹套的下部是冷却介质的进口94，夹套的上部是冷却介质的出口95，所述碱金属收集器还包括进气管96和排气管97，所述进气管96一端与反应容器的排气口8相连，另一端贯穿所述盖体92直插入碱金属收集器的底部，所述排气管97一端贯穿所述盖体，另一端与抽空系统相连。 

如图1所示，碱金属冷凝器93是由多层挡板组成，板与板之间有一定距离，例如1-6cm，每片板与罐体内壁有1-10cm的缝隙，进气管96贯穿挡板插入罐体91的底部。碱金属蒸汽通过碱金属冷凝器93而凝聚成液体滴下，在罐体91底部收集。 

作为本发明反应装置的另一种实施方式，如图2所示，碱金属冷凝器93′为底部有孔的金属篮子，里面容纳金属丝或金属屑，篮子与罐体内壁之间有1-10cm的缝隙，碱金属蒸汽通过碱金属冷凝器93′而凝聚成液体滴下，在罐体91底部收集。 

在钠还原过程中及反应完后的保温过程中，将碱金属收集器的进气管96接到反应容器1的排气口8，含有碱金属蒸汽的混合气体通过碱金属收集器收集后再排放到大气中。 

钠还原反应完成后，将碱金属收集器的排气口连接真空泵，如机械泵、水环泵。可以从900℃开始抽空，优选在600℃～800℃抽空0.5～2小时，真空度达到500pa～800pa。抽空可在一温度变化的范围内进行。 

碱金属收集器可以一个或一个以上串联使用。 

实施例1 

使用如图1所示的装置，将碱金属收集器的进气管96接到反应容器1的排气口8。将160kg的氟钽酸钾和100kg的氯化钠装入反应容器1中，抽空后充入 氩气，将反应容器吊入电热炉10中，升温到900℃，搅拌，保温1小时后开始注钠，共注入49kg金属钠。继续搅拌保温，从充气口7送入氩气，从排气口8排气20分钟。然后停止加热并继续充气、排气，当反应容器内温度下降到800℃时，将碱金属收集器的排气口连接真空泵进行抽空，抽空1小时，然后冷却到室温。将反应容器里的凝固产物取出，破碎后水洗，得到钽粉70.13kg，钽的收率是95.0％。从碱金属收集器收集到碱金属1.12kg，净化后再利用。分析钽粉的氧、钾、钠含量，数据列于表1。 

比较例1 

使用现有的反应装置，其反应容器的排气口直接通向大气。将160kg的氟钽酸钾和100kg的氯化钠装入反应容器1中，抽空后充入氩气，将反应容器吊入电热炉10中，升温到900℃，搅拌，保温1小时后开始注钠，共注入49kg金属钠。继续搅拌保温，从充气口7送入氩气，从排气口8排气20分钟。然后停止加热，冷却到室温，将产物从反应容器里取出，破碎后水洗，得到钽粉69.91kg，钽的收率是94.71％。分析钽粉的氧、钾、钠含量，数据列于表1。 

实施例2 

使用如图2所示的装置，将碱金属收集器的进气管96接到反应容器1的排气口8。将100kg氯化钾、60kg氯化钠和40kg氟化钾装入反应容器1中，抽空后充入氩气，将反应容器吊入电热炉10中，升温到850℃，搅拌，保温1小时后将30kg氟钽酸钾加入反应容器1中，开始注钠并继续搅拌，然后分3次，每次加入20kg氟钽酸钾，加入氟钽酸钾后开始注钠。共加入氟钽酸钾90kg，注入金属钠27.6kg。继续搅拌保温，从充气口7送入氩气，从排气口8排气20分钟。然后停止加热并继续充气、排气，当反应容器内温度下降到600℃时，将碱金属收集器的排气口连接真空泵进行抽空，抽空保温30分钟，然后冷却到室温，将产物从反应容器里取出，破碎后水洗，得到钽粉38.20kg，钽的收率是92.00％。分析钽粉的氧、钾、钠含量，数据列于表1。 

比较例2 

使用现有的反应装置，其反应容器的排气口直接通向大气。将100kg氯化钾、60kg氯化钠和40kg氟化钾装入反应容器1中，抽空后充入氩气，将反应容器吊入电热炉10中，升温到850℃，搅拌，保温1小时候后将30kg氟钽酸钾加入反应容器1中，开始注钠并继续搅拌，然后分3次，每次加入20kg氟钽酸钾，加入氟钽酸钾后开始注钠。共加入氟钽酸钾90kg，注入金属钠27.6kg。继续搅拌保温，从充气口7送入氩气，从排气口8排气20分钟。然后停止加热冷却到室温，将产物从反应容器里取出，破碎后水洗，得到钽粉37.72kg，钽的收率是90.83％。分析钽粉的氧、钾、钠含量，数据列于表1。 

表1钽粉中氧、钾、钠含量(ppm) 

	O	K	Na
				实施例1	2000	4	4
比较例1	2500	13	10
				实施例2	3600	9	4
比较例2	4100	18	7

从表1的数据可以看出，使用本发明的方法和装置得到的钽粉，其氧、钾、钠含量较低。 

在本说明书中，单位ppm是指以质量比表示的“百万分之一”。 

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。 

Claims (7)

1.一种钽粉的生产装置，包括反应容器和与反应容器进行气密封的反应容器盖，反应容器盖上设有若干贯穿孔，贯穿孔内分别设有热电偶、搅拌装置和注钠管，反应容器盖上还设有加料口、进气口和排气口，其特征在于，该生产装置还包括碱金属收集器，所述碱金属收集器包括罐体和与罐体气密封的盖体，罐体上部设有用于冷凝碱金属蒸汽的碱金属冷凝器，罐体的侧壁设有供冷却介质进出的冷却夹套，所述碱金属收集器还包括进气管和排气管，所述进气管一端与反应容器的排气口相连，另一端贯穿所述盖体直插入碱金属收集器的底部，所述排气管一端贯穿所述盖体，另一端与抽空系统相连。

2.一种如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述反应容器的排气口和碱金属收集器相连，通过碱金属收集器向外排气和抽空。

3.一种如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述碱金属冷凝器是由多层挡板组成，板与板之间有1-6cm距离，每片板与罐体内壁有1-10cm的缝隙，进气管贯穿挡板插入罐体的底部。

4.一种如权利要求1所述的装置，其特征在于，碱金属冷凝器为底部有孔的金属篮子，里面容纳金属丝或金属屑，篮子与罐体内壁之间有1-10cm的缝隙。

5.一种利用如权利要求1所述装置生产钽粉的方法，其特征在于，钠还原氟钽酸钾的反应完成以后，在600℃～900℃负压排除碱金属，然后水洗，得到钽粉。

6.一种如权利要求5所述的方法，其特征在于，钠还原氟钽酸钾的反应完成以后，在600℃～900℃抽真空0.5～2小时，抽真空到500Pa～800Pa，然后水洗，得到钽粉。

7.一种如权利要求5所述的方法，其特征在于，反应容器的排气口和碱金属收集器相连，通过碱金属收集器向外排气和抽空。