CN1658991A - 金属粉末生产方法及金属原料成型体 - Google Patents

金属粉末生产方法及金属原料成型体 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种能够有效地由金属化合物直接生产高纯度金属的金属粉末生产方法，并且优选地可使该方法连续进行。根据本发明的金属粉末生产方法是一种通过利用作为原料的金属化合物且还原该金属化合物生产金属粉末的方法，该方法包括以下步骤：模制步骤，在该步骤中，将金属化合物与粘合剂混合、进行成型、并且进行烧结，以生产金属化合物原料成型体；以及，还原步骤，在该步骤中，通过将金属化合物原料成型体与活性金属接触还原金属化合物而制成金属。

Description

金属粉末生产方法及金属原料成型体
技术领域
本发明涉及一种金属粉末生产方法以及可用于该金属粉末生产方法的金属化合物原料成型体(原料金属化合物成型体)。
背景技术
诸如铌和钽这样的高熔点稀有金属不但具有高熔点，而且由于它们在高温下具有化学活性，因此将块状金属制成粉末需要精密复杂的技术。作为用于生产这种稀有金属粉末的方法的一个实例是，微粒化过程，该方法将金属熔化并进行粉化所得到的金属流体，其是一种用于生产粉末的有效方法。然而，由于稀有金属熔点高，因此熔化稀有金属需要昂贵的设备。
此外，已知的另外一种方法是加氢-脱氢(HDH)法，在该方法中稀有金属与氢反应以形成一种氢化物并且机械粉碎所得到的氢化物。然而，这种方法难以生产均匀粒度的细粉末。
目前，将工业生产的钽粉末和其他高熔点稀有金属粉末用作电容器的材料，并且这种粉末主要通过金属热还原方法生产，其中利用活性金属作为还原剂将原料还原。使用金属热还原方法的优点是可以直接通过还原反应生产粉末状的钽。然而，通过这种还原反应难以有效地生产大量的均匀粉末，尤其当反应规模增加时会导致所生成粉末的均匀度下降的缺点。
在现有的情况下，通过利用大量的用于反应介质(稀释盐或稀释剂)的卤化物基熔盐并向该反应介质中加入少量原料和还原剂，从而可以进行均匀的还原反应来生产粉末状的钽。这种方法适合于生产高纯度的均匀粉末。另一方面，它仍然存在反应介质盐的需求量大及难以提高加工规模和速度的缺点。
如果通过上述方法利用大量反应介质盐的方法来还原铌，则可以获得均匀的粉末。然而，若在没有使用反应介质盐以及钽的生产过程的情况下还原铌，则难以获得均匀的粉末。
发明内容
本发明提供了一种通过利用用于原料的金属化合物且还原该金属化合物生产金属粉末的方法，该方法包括以下步骤：模制步骤，在该模制步骤中，将金属化合物与粘合剂混合、进行成型、并进行烧结，以生产金属化合物原料成型体；以及，还原步骤，在该还原步骤中，通过将金属化合物原料成型体与作为还原剂的活性金属接触来还原金属化合物原料成型体而制成金属。
可以将铌化合物用作金属化合物。可选地，可以将钽化合物作为金属化合物。可选地，还可以将选自锆、钛、铪、稀土金属、和锕系元素金属的金属元素的化合物作为金属化合物。
在模制步骤中，通过混合金属化合物、粘合剂、和作为反应剂的活性金属化合物，可以将金属化合物原料成型体进行模制成型。
优选地，将选自钙、镁、钠、钡、及钾的活性金属中至少一种作为还原剂。
优选地，将选自钙、镁、钠、钡、及钾的活性金属的化合物中至少一种作为反应剂。
优选地，将氧化铌或卤化铌用作铌化合物。
优选地，在还原步骤中成型体的温度在600-1300℃。
在模制步骤中，优选地，将金属化合物原料成型体成型成从在金属化合物原料成型体中任意点到该成型体表面的距离不长于10mm的形状。
优选地，金属粉末生产方法还包括一个步骤，在该步骤中，通过酸处理将还原步骤中形成的金属与活性金属及副产物相分离。
此外，本发明提供了一种金属化合物原料成型体，其通过将金属化合物和粘合剂混合、进行成型并进行烧结形成；其中从在该成型体的任意位置到该成型体表面的距离不长于10mm。
优选地，金属化合物包括选自铌、锆、钛、铪、钽、稀土金属、以及锕系元素金属的金属元素的化合物原料。
金属化合物原料成型体可以包括作为反应剂的选自钙、镁、钠、钡、及钾的至少一种化合物。优选地，反应剂是选自金属的氧化物、卤化物、及碳酸盐中的一种，该金属选自钙、镁、钠、钡、及钾中的至少一种。
附图说明
图1示出了根据本发明的金属生产装置的横截面框图；
图2示出了在实施例1中生产的铌粉末的电子显微照片；
图3示出了实施例2的实例A至E生产的钽粉末的电子显微照片；
图4示出了实施例2中的实例F至K中生产的钽粉末的电子显微照片；以及
图5A和5B示出了实施例2中生产的钽粉末的粒度分布图。
具体实施方式
根据本发明的金属粉末的生产方法是一种用于生产金属的工艺，利用金属化合物作为原料并还原该金属化合物，该方法包括以下步骤：模制步骤，在该模制步骤中，将金属化合物与粘合剂混合、成型、并进行烧结，以生产金属化合物原料成型体(预成形坯件)；以及，还原步骤，在该还原步骤中，通过将金属化合物原料成型体与作为还原剂的活性金属接触来还原金属化合物原料成型体而制成金属。可将铌化合物、钽化合物、锆化合物、钛化合物、铪化合物、稀土金属化合物、锕系元素金属化合物用作金属化合物。
作为根据本发明的金属粉末生产方法的一个实施例，以下将详细描述利用铌化合物来生产铌粉末的方法。
根据本发明的铌粉末的生产方法是一种通过利用用于原料的铌化合物且还原该铌化合物生产铌的工艺，该方法包括以下步骤：模制步骤，在该模制步骤中，将铌化合物与粘合剂混合以生产淤浆并将该淤浆模制成诸如板材状、线材状、或颗粒状这样的预定形状，并进行烧结以生成铌化合物原料成型体(预成形坯件)；以及，还原步骤，在该还原步骤中，通过将铌化合物原料成型体与作为还原剂的活性金属接触还原铌化合物而生成铌。可将氧化铌或卤化铌用作前述的铌化合物。
优选地，将选自钙、镁、钠、钡、及钾中的至少一种金属用作前述的活性金属。通过利用这种活性金属还原铌化合物原料成型体可以有效地进行还原反应。此外，由于可以最有效地进行还原反应，因此特别优选的是使用镁作为活性金属。
优选地，在上述还原步骤中成型体的温度在600-1300℃之间。如果成型体的温度低于600℃，则还原剂的蒸汽压力变低且反应趋向于不能充分反应，而如果成型体的温度高于1300℃，则有发生所制成的铌粉末烧结的趋势。
在前述的还原步骤中，优选地，将活性金属在汽化状态下与铌化合物原料成型体(预成形坯件)接触。在这种情况下，优选地，通过将铌化合物原料成型体放置到还原装置中保持通风进行还原反应。例如，利用支承材料将铌化合物原料成型体设置在带有加热装置的还原装置中的竖直位置，并且支承材料用于将多个铌化合物原料成型体支承在竖直位置，将活性金属放置到还原装置的底部，在支承材料上或者在相邻的铌化合物原料成型体之间，并且利用加热装置加热还原装置，将活性金属汽化并与铌化合物原料成型体接触，从而发生还原反应。以这种方式，通过将铌化合物原料成型体设置在还原装置中，可以保持通过气相的扩散路径，由于汽化的活性金属被均匀地扩散，因此使铌化合物原料成型体与活性金属可以更加均匀地接触，从而使还原反应在时间和空间上更加均匀地进行，同时还可以提高还原效率。此外，由于铌化合物原料成型体并不直接与还原装置接触，因此可以避免污染还原装置，从而提高所得到的铌粉末的纯度。
此外，在用于生产铌化合物原料成型体的上述模制步骤中，除了铌化合物和粘合剂以外，通过在反应剂中另外混合作为反应剂的活性金属可以生产铌化合物原料成型体。尽管作为前述反应剂的活性金属也可以用作粘合剂，也可以用作控制铌粉末的沉淀物的结构形态以及提高酸处理效率。通过这种方式，除了铌化合物和粘合剂以外，通过混入作为反应剂的活性金属化合物可以生产铌化合物原料成型体，从而在还原步骤中的反应进行得更加均匀，并且可以提高生产效率。此外，所得到的铌粉末的粒度也可以通过调整前述反应剂的类型和混合比进行控制。另外，也可以有效地防止来自反应器的污染。
优选地，将选自钙、镁、钠、钡、及钾的金属中的至少一种的化合物作为前述反应剂，而更优选地，使用这些金属的氧化物、卤化物、碳酸盐、氢氧化物、氯化物和/或氟化物。还原步骤的反应效率和均匀性可以进一步通过使用包含作为反应剂的这类活性金属化合物的成型体来提高。
此外，在前述的模制步骤中，制得的铌化合物原料成型体的形状优选为可使从成型体中任意点到该成型体表面的距离不长于10mm。前述的“从成型体中任意位置到该成型体表面的距离”表示从成型体内的任意位置到达表面的最短的距离。在该生产方法的还原步骤中，由于还原剂从铌化合物原料成型体的表面向成型体内部扩散，因而将包含在铌化合物原料成型体中的铌化合物还原。因此，如果成型体的形状如上所述，则在完成还原反应时距离成型体表面的还原剂的最大扩散距离不长于10mm，从成型体表面扩散到成型体内部的还原剂的扩散处理不是随位置的变化而显著变化的，并且贯穿该成型体铌原料可以被均匀且快速地还原。
此外，前述的铌粉末生产方法还可以包括另外一个步骤，在该步骤中，通过酸处理将前述还原步骤中形成的铌、还原剂、反应剂、以及副产物进行分离。通过提供通过酸处理将这些物质进行分离的步骤，还原剂、反应剂、和在还原反应之后形成的副产物可以容易地从目标铌中分离出来，从而可以大规模生产高纯度的铌。此外，在根据本发明的生产方法中，由于将铌化合物原料成型体用于反应中，因此即使当还原后上述成型体形状也几乎被保持。因此，通过在还原后在成型体上进行酸处理，从而具有可以有效地除去还原剂和副产物的优点。
在传统的稀有金属生产方法中，人们认为不能获得均匀的粉末的最大原因在于，由于当还原量增加时还原剂向原料的扩散变得不均匀，因此由于原料部位的不同，在还原反应的进行条件下在时间和空间上造成不均匀性。相反，在根据本发明的铌粉末的生产方法中，由于通过混合铌原料、粘合剂、和/或反应剂生产铌化合物原料成型体，以及通过将该混合物与活性金属接触进行还原反应，因此即使还原量增加，还原反应也可以在时间和空间上均均匀地进行。此外，由于可以通过将铌化合物原料成型体放置到还原装置中进行还原反应，因此可以用一个简单的装置进行连续操作，并且还可以增加还原过程的规模，以及提高成批处理的效率。也就是说，尽管采用传统的金属热还原反应进行连续操作和过程的加速是困难的，但由于相对于生产、热处理、还原、清洗等等而言使用于上述铌粉末生产方法的铌化合物原料成型体易于实现连续的操作流程，因此该过程可以容易实现连续操作，并且可以增加规模。此外，尽管存在许多情况，在这些情况下，如果在传统方法的过程中将原料量增加，那么所得到的粉末的粒度等不均匀，且使生产率降低，但是根据本发明的前述生产方法，在保持所得到的粉末的粒度均匀的同时，也可以容易地实现还原过程的规模和速度增加，从而可以提高生产率。
以下，参照本发明第一实施例的附图对本发明进行更为详细的说明。图1示出了根据本发明的金属生产装置的一个具体实施例的截面图。
图1中所示的生产装置包括：反应器10，该反应器是一个由诸如不锈钢这样的耐热材料组成的密封容器；多个板状金属化合物原料成型体12，安装在反应器10内；以及支承材料13和14，设置在成型体12的上面和下面用于在竖直位置支承这些成型体12。将作为还原成型体12金属原料的还原剂的活性金属15置于反应器10的底部。此外，尽管附图中在反应器10中未示出加热装置，但是可以设置加热装置，用于将反应器10的内部加热到预定温度并汽化活性金属15。
将包含在成型体12内的金属化合物通过扩散反应器10内活性金属15的气体还原成金属，其利用前述加热装置加热和汽化活性金属15，然后将还原剂活性金属15从成型体12的表面扩散到内部。
在根据本发明的铌粉末生产方法中，铌粉末可以通过利用前述生产装置的金属热还原方法进行生产。为了生产前述铌粉末，首先在模制步骤中生产包含原料铌化合物的铌化合物原料成型体。通过将该铌原料与粘合剂以及反应剂混合、成型成预定的形状、接着在优选为300-1000℃的温度下进行烧制，更为优选的是800-1000℃，以除去粘合剂，这样就获得该成型体。如果前述烧制温度低于300℃，则由于粘合剂和反应剂不能完全去除，在下面的还原步骤中就会降低反应效率，并且所获得的粉末的纯度也会降低。如果烧制温度超过1000℃，则烧结过程过快，趋于在铌化合物原料成型体中引起显著变化。此外，尽管取决于成型体的尺寸和加热温度，优选地，烧制步骤进行1至12小时，更为优选的是1至6小时，甚至更为优选的是3至6小时。此外，在进行烧制时，优选在空气或氧气气氛下进行。
可以用于铌原料的铌化合物的实例包括Nb2O5、NbOx(优选铌的低价氧化物，其中X是0.5至2.5)、NbCl5和K2NbF7，在前述的铌化合物原料成型体中的铌原料的混合比优选至少为10％重量百分比，优选至少为50％重量百分比。尽管如果铌原料的混合比至少为10％重量百分比时、如果铌原料的混合比至少为50％重量百分比则还原反应可以充分进行，但是在将铌粉末分离期间通过酸处理所用的酸的量增加，其趋于导致沥滤效率降低。
毫无疑问可以使用任何粘合剂，无论还原反应如何，只要该粘合剂可以容易地通过热处理去除，可以使用的实例包括火棉胶和纤维素。此外，反应剂也可以用作粘合剂，并且可以通过混合铌原料和反应剂来形成成型体。在前述的铌化合物原料成型体中粘合剂的混合比优选是5-80％重量百分比，更加优选的是30-70％重量百分比，更为优选的是30-50％重量百分比。如果粘合剂的混合比小于5％重量百分比或者大于80％重量百分比，那么成型体的强度就趋于下降并且将难以形成成型体。
当需要时将反应剂加入铌原料和粘合剂中以通过它们形成成型体。通过使反应剂分散在成型体中，可以提高还原步骤中的反应效率，并且铌原料的还原可以更加均匀地进行。优选地，将选自由钙、镁、钠、钡、和钾组成的组中的至少一种金属的化合物用作这种反应剂，更优选地，使用这些金属的氧化物、卤化物、碳酸盐、氢氧化物、氯化物、和/或氟化物。更加特别地，可以将氯化钙、碳酸钙、碳酸钠、或氯化钠等单独使用或作为混合物使用。前述反应剂的混合比优选为可使得相对于包含在成型体中的1摩尔铌而言优选地以0-2摩尔且更加优选地以0.5-1摩尔将反应剂中的阳离子进行调合。当相对于包含在成型体中的1摩尔铌而言反应剂中的阳离子超过2摩尔时，若通过处理分离所形成的铌则用于酸清洗的酸量趋于增加而沥滤效率趋于降低。
此外，在前述模制中所制得成型体的形状为使得从成型体中任意位置到该成型体表面的最短距离优选不长于10mm，且更优选是2-5mm。作为结果具有这种形状，由于可以使在要随后描述的还原步骤中从成型体表面扩散到成型体内部的还原剂的扩散距离不超过10mm，因此可以迅速且均匀地进行还原反应。特定形状的实例包括板材状、线材状、或颗粒状。在具有板材形状的情况下，该板材厚度优选不超过20mm以满足前述条件，而在具有线材形状的情况下，在垂直于中心线的横截面上，沿着长度方向外圆周与中心之间的距离优选不长于10mm。在具有颗粒形状的情况下，直径优选不超过20mm。
接着，根据前述的模制步骤中获得的成型体是将成型体12放入反应器10中，如图1所示。在图1中，成型物12是板材状或线材状，并且尽管从图中可以看出将它们支承在竖直位置，但是成型体12在反应器中的排布方式不局限于如图中所示的排布方式，它们的排布方式可以根据成型体的形状进行适当地改变。
此外，还将作为还原剂15的活形金属加入反应器10的底部。优选地，将选自由钙、镁、钠、钡、和钾组成的组中的一种或两种或更多种金属作为活性金属15。在如图中所示的生产装置中，尽管将活性金属15设置在反应器的底部，但是活性金属15也可以设置在如支承材料14上或设置在被支承在竖直位置的各成型体12之间。相对于100份重量的反应器10内的前述成型体12而言，优选地以50-400份重量且更优选地以100-300份重量加入前述活性金属15。当以小于50份重量使用前述活性金属15时，还原反应趋于不能充分地进行，甚至如果以大于400份重量使用时，还原效率也不会提高。
接着，通过密封反应器10完成还原步骤的准备工作。
将成型体12和活性金属15加入反应器10中，然后将该反应器10设置在加热炉中并进行加热。通过加热将活性金属15汽化且充满反应器10的内部，并且将它与成型体12接触。还原反应从成型体12的表面上开始进行，将包含在成型体12中的铌原料进行还原并生成金属铌。
在该还原步骤中，成型体12优选加热到600-1300℃，更加优选的是800-1000℃。当前述温度低于600℃时，作为还原剂的活性金属15的蒸汽压力趋于下降且还原反应趋于不能充分地进行。当前述温度高于1300℃时，所生成的铌粉末趋于进行烧结。尽管取决于成型体12的尺寸、加热温度等等，但是反应时间大约为1至6小时，而更具体而言，在板状成型体12具有几毫米的厚度并且在800℃或更高的温度下进行加热的情况下，如果反应时间是1小时或者更长，则将还原反应充分地完成。
接着，当使反应器10冷却之后，将已经充分完成还原反应的成型体从反应器10中取出。反应前成型体12的形状在反应后成型体的形状几乎保持不变，该成型体几乎由所生成的铌、由还原产生的活性金属化合物(副产物)、过量的还原剂、以及反应剂组成。接着，通过对反应器中取出的成型体进行酸处理，将所生产的铌从活性金属化合物、还原剂、反应剂、以及由于还原产生的反应产物中分离出来，从而可以获得铌粉末。在进行酸沥滤之后，例如通过利用水或有机溶剂的取代处理进行该酸处理。可将诸如盐酸、乙酸、硝酸、氢氟酸、或硫酸这样的各种酸用于前述的酸沥滤。
在根据本发明的生产方法中，由于获得的包含所生成的铌的成型体在完成了还原反应之后，具有与最初装载的成型体12相同的形状，因此在后续分离步骤中针对酸处理的酸渗透性而言是令人满意的，从而使得铌粉末可以迅速且均匀地被分离。
通过这种方式，根据本发明的化合物原料成型体可以容易地针对在其生产过程中的热处理(模制)步骤、还原步骤、酸处理步骤、以及其他步骤中实现连续工作流程，在大规模加工中可以容易地提供成型体尺寸和质量的提高，并且即使所加工的成型体的数量增加，也可以防止反应速率和反应均匀性的降低。因此，根据本发明的生产方法以及根据本发明的化合物原料成型体，该方法可以容易地实现连续操作和生产规模的增加。
此外，根据本发明的铌粉末生产方法，由于通过以包含铌原料的成型体为介质进行还原反应，可以使原料迅速且均匀进行还原反应，因此其在获得高纯度和均匀粒度的铌粉末方面是有效。
尽管在前述的实施例中已经详细地解释了铌粉末的生产方法，但是根据本发明的生产方法同样可以应用到其他的金属粉末的生产中。也就是说，当使用目标金属的化合物作为原料时，在模制步骤中混合该化合物和粘合剂且成型成预定的形状，接着进行加热以生产金属化合物原料成型体，所获得的金属化合物原料成型体在还原步骤中通过活性金属进行还原，接着优选地通过酸处理将活性金属和副产物进行分离以生成目标金属粉末。优选地，将包含诸如锆、钛、铪、钽、稀土金属、和锕系元素金属这样的金属元素的化合物用作前述的金属化合物。
接着，更加详细地解释根据本发明的钽粉末生产方法。前述的钽粉末生产方法是一种通过使用钽化合物作为原料来生产钽且还原钽化合物的过程，包括以下步骤：模制步骤，在该模制步骤中，将钽化合物与粘合剂混合以生产淤浆，将该淤浆成型成诸如板材状、线材状、或颗粒状这样的预定形状，并且进行烧结以生成钽化合物原料成型体(预成形坯件)；以及，还原步骤，在该还原步骤中，通过将作为还原剂的活性金属与钽化合物原料成型体接触还原前述的金属化合物原料成型体而生成金属钽。可以使用的钽化合物的实例包括氧化钽和卤化钽。
在上述模制步骤中的烧制温度优选在300-1000℃之间，更优选在800-1000℃之间，尽管取决于成型体的尺寸、加热温度等等，焙烧温度优选是约0.5至12小时，更为优选的是约1至6小时，甚至更为优选的是约1至3小时。如果上述烧制温度低于300℃，则粘合剂不能完全从成型体中去除，在后续的还原反应中就会降低反应效率，并且所获得的粉末的纯度也会降低，但是如果温度超过1000℃，则钽化合物原料成型体会发生变形。此外，优选地在空气或氧气气氛中进行烧制。
优选地，将选自钙、镁、钠、钡、和钾组成的组中的至少一种金属用作前述活性金属。通过利用这种活性金属还原钽化合物原料成型体，从而使还原反应有效地进行。此外，使用活性金属镁是尤为优选的，这是因为可以最有效地进行还原反应。
在上述还原步骤中的成型体的温度优选在600-1300℃之间，更加优选的是在800-1000℃之间。如果成型体的温度低于600℃，则还原剂的蒸汽压力变低，反应趋向于不能充分反应，而如果温度高于1300℃，有发生钽粉末烧结的趋势。尽管取决于钽化合物原料成型体的尺寸和加热温度等等，在前述还原步骤中的反应时间优选是约1至24小时，更为优选的是约1至6小时，甚至更为优选的是约3至6小时。
此外，在前述的还原步骤中，活性金属优选以汽化状态与钽化合物原料成型体接触。此时，优选地，将钽化合物原料成型体放置到还原装置中保持通风进行还原反应。例如，利用支承材料将钽化合物原料成型体设置在带有加热装置的还原装置中的竖直位置，支承材料用于将多个钽化合物原料成型体支承在竖直位置，将活性金属放置到还原装置的底部、在支承材料上、或者在相邻的钽化合物原料成型体之间，利用加热装置加热还原装置，活性金属汽化，与钽化合物原料成型体接触，发生还原反应。以这种方式，通过将钽化合物原料成型体设置在还原装置中，可以保持通风。由于汽化的活性金属均匀扩散，因此钽化合物原料成型体和活性金属可以更加均匀地接触，从而使还原反应在时间和空间上更加均匀地进行，同时还可以提高还原效率。此外，由于钽化合物原料成型体并不直接与还原装置接触，因此可以避免污染还原装置，从而增加所得到的钽粉末的纯度。
此外，在用于生产钽化合物成型体的上述模制步骤中，除了钽化合物和粘合剂以外，通过加入作为反应剂的活泼金属可以生产钽化合物原料成型体。尽管作为前述反应剂的活性金属也可以用作粘合剂，也可以用于控制钽粉末的沉淀物的形态结构以及增加酸处理效率。通过这种方式，除了钽化合物和粘合剂以外，通过混入作为反应剂的活性金属化合物可以生产钽化合物原料成型体，从而在还原步骤中的反应更加均匀，生产效率也可以增加。此外，所获得的钽粉末的粒度也可以通过调整前述反应剂的类型和混合比进行控制。此外，也可以有效防止反应器的污染。
优选地，将选自钙、镁、钠、钡、和钾的至少一种金属的化合物用作前述反应剂，并且，优选地，使用这些金属的氧化物、卤化物、碳酸盐、氢氧化物、氯化物和/或氟化物。更具体而言，可以将氯化钙、碳酸钙、碳酸钠、氯化钠等单独或作为混合物使用。前述反应剂的混合比优选为可使得相对于1摩尔包含在成型体中的钽将反应剂中的阳离子优选地以0-2摩尔且更加优选的是0.5-1摩尔进行混合。还原步骤中的反应效率和均匀性可以进一步通过使用包含作为还原剂的这种类型的活性金属化合物来提高。
此外，在前述的模制步骤中，钽化合物原料成型体成型形状优选为从金属化合物原料成型体中任意位置到该成型体表面的距离不超过10mm。前述的“从金属化合物原料成型体中任意位置到该成型体表面的距离”所表示的到达表面的距离是距离成型体中的任意位置的最短的距离。在该生产方法的还原步骤中，由于还原剂从钽化合物原料成型体的表面向成型体中扩散，将包含在钽化合物原料成型体中的钽化合物还原。因此，如果成型体的形状如上所述，在完成还原反应中，还原剂从成型体表面的最大扩散距离不超过10mm，对从成型体的表面扩散到成型体中的还原剂的扩散处理没有随着位置显著变化，钽原料可以均匀且快速地在整个成型体中还原。
此外，前述的钽粉末生产方法还可以增加一个步骤，在该步骤中，前述还原步骤中形成的钽通过酸处理与还原剂、反应剂、以及副产物分离。通过提供一个步骤，在该步骤中，通过酸处理将这些物质分离，可以容易地将目标的钽、还原剂、反应剂、和伴随还原反应产生的副产物进行分离，从而可以大规模地生产高纯度的钽。此外，在根据本发明的制造方法中，由于将钽化合物原料成型体用于反应中，甚至当还原之后，几乎也可以保持前述成型体的形状。因此，通过在还原反应之后进行酸处理，从而具有可以有效地去除还原剂和副产物的优点。
尽管本发明通过实施例进行了详细描述，但是下述的实施例并不用于限制本发明。
实施例1
在本实施例中，利用图1所示的生产装置，通过金属热还原反应生产铌。
将重量百分比含量为0-80％的反应剂(选自CaCl2、CaCO3、Na2CO3、和NaCl中的一种或两种或更多)加入铌原料中(Nb2O5，100g)中。更具体而言，加入的反应剂的量使得阳离子的量(Ca2+，Na+)相对于1摩尔Nb而言分别为0、1/10、1/5、或1/2摩尔。
接着，将前述的铌原料和反应剂与粘合剂混合以生产淤浆。将5％的火棉胶溶液(5％硝化纤维、40％乙醚、和55％乙醇)用作粘合剂，具有与前述的原料和还原剂相同的体积。
在将适量的丙酮加入所得到的淤浆中以调节粘度后，将淤浆倒入厚度为几毫米且宽度为20cm的模具中，以制成多个成型体。制成的成型体的两个厚度约为3mm和6mm。
接着，所得到的成型体在空气温度为1000℃下的炉子中烧结1小时，以将粘合剂、溶剂、和水分从铌原料和反应剂的混合物中彻底除去。作为进行该烧制的结果，可以保存该还原剂并防止所形成的铌粉末的碳污染。
将多个所获得的成型体和镁还原剂(活性金属15)放置在反应器10中，同时保证反应器10的通风和密封反应器10。接着，包含成型体12和还原剂15的反应器10在1000℃下放置在电炉中达6小时，在充分还原反应之后，将整个反应器从炉子中取出并且使其进行冷却。
还原反应之后在利用含水乙酸溶液(1+1)粗略地清洗所获得的成型体(金属铌粉末、助剂、MgO、和Mg的混合物)之后，用1N的含水HCl溶液将成型体清洗两次，接着用水、酒精、和丙酮进行取代，然后进行干燥。
对所获得的铌进行评价：图2示出了所获得的铌粉末的扫描电子显微镜照片，该铌粉末制备过程为，使50×20×3mm方形物的化合物原料成型体与镁蒸汽在1000℃下反应6小时，使其冷却，利用水乙酸溶液(1+1)粗略地清洗，用1N的含水HCl溶液将成型体清洗两次，用水、酒精、和丙酮进行取代，并进行干燥。此外，根据助剂的类型(水平轴线)和阳离子比例(竖直轴线)将图2中的照片以矩阵形式进行排列。
如该图所示，铌粉末的粒度可以通过改变化合物原料成型体中助剂的类型和量来控制。其中一幅照片的水平宽度是约15μm，尽管粉末尺寸取决于助剂的类型和量，但可以获得最初粒度在0.5-3μm之间的铌粉末。
实施例2
在本实施例中，同样利用图1所示的生产装置，通过金属热还原反应来制造钽。
通过以如表1所示的组成混合钽原料(Ta2O5)、反应剂(选自CaCl2、CaCO3、Na2CO3、NaCl中的至少一种)、和粘合剂制备淤浆。将5％的火棉胶溶液(5％硝化纤维、40％乙醚、和55％乙醇)用作粘合剂，具有与前述的钽原料和反应剂相同的体积。可以通过改变反应剂的量和所加入的粘合剂调节前述淤浆的粘度。
然后，将所得淤浆加入到模具中以制成板状、厚度为5-10mm的成型体。
接着，将所得到的成型体在空气温度为1000℃的炉子中烧结3小时，从而将粘合剂、溶剂、和水分从钽原料和反应剂中彻底除去。作为进行烧结的结果，可以保存该还原剂并防止形成的钽粉末的碳污染。
将4-10片所获得的成型体和20克的镁还原剂(活性金属15)放置在反应器10中，同时保证反应器的通风，并通过钨惰性气体焊接密封反应器10。接着，包含成型体12和还原剂15的反应器10在700-1000℃下放置在电炉中达6-24小时，在进行充分还原反应之后，将整个反应器从炉子中取出并使其冷却。
还原反应之后在利用水乙酸溶液(1+1)粗略地清洗所获得的成型体(金属钽粉末、助剂、MgO、和Mg的混合物)之后，用1N的含水HCl溶液将成型体清洗两次，接着用水、酒精、和丙酮进行取代，然后进行干燥。
表1
  实例  反应剂类型     X          混合比例       还原步骤
   Ta2O5(g)    还原剂(g)  时间(小时)     温度(℃)
    A   CaCl2     1     5.18     2.61     6     1000
    B   CaCO3     1     4.96     2.25     6     1000
    C   CaO     1     5.16     1.29     6     1000
    D   Na2CO3     1     5.00     1.15     6     1000
    E   NaCl     1     5.03     1.40     6     1000
    F   --     0     5.07     --     6     1000
    G   CaCl2     0.1     5.02     0.27     6     1000
    H   CaCl2     0.2     5.03     0.50     6     1000
    I   CaCl2     0.5     5.12     1.26     6     1000
    J   CaCl2     1     5.10     2.52     6     1000
    K   CaCl2     2     5.02     4.98     6     1000
    L   CaCl2     1     5.01     2.54     6     700
    M   CaCl2     1     5.01     2.54     6     800
    N   CaCl2     1     5.01     2.54     6     900
    O   CaCl2     1     5.01     2.54     6     1000
    P   CaCl2     1     3.05     1.52     3     1000
    Q   CaCl2     1     3.04     1.52     6     1000
    R   CaCl2     1     3.03     1.56     12     1000
    S   CaCl2     1     3.04     1.55     24     1000
此外，在表1中，X表示相对于1摩尔钽而言包含在反应剂中的阳离子的摩尔数。
利用扫描电子显微镜观察所获得的钽粉末的状态，并且通过光学衍射分析来显示粒度分布。
图3和图4是示出扫描电子显微镜显示的实例A至K中所得到的钽粉末的状态照片。如图3所示，所获得的钽粉末呈珊瑚状，其具有0.1-0.5μm的粒度。此外，在使用钙化合物反应剂时，所获得的钽粉末的粒度是均匀的。相反，当使用NaCl或NaCO3作为反应剂时，所获得的包含两种类型颗粒的钽粉末，这两种类型的颗粒包括那些具有0.1-0.2μm小粒度的颗粒以及具有约0.5μm大粒度的颗粒。此外，如图4所示，为通过提高成型体中还原剂的混合比所获得的钽粉末的粒度。
图5A是示出实例B、D、和O中得到的钽粉末的粒度分布图。如曲线所示，当使用钠化合物作为反应剂时，趋于获得比使用钙化合物时具有更小粒度的粉末。此外，其还示出了在使用钙化合物时，所获得的钽粉末的粒度是更加均匀的。
图5B是示出实例H、I、和O中得到的钽粉末的粒度分布图。如该曲线所示，可知所获得的钽粉末的粒度随成型体中的反应剂的混合比例的增加而增加。
基于这些结果，可以看出，钽粉末的粒度可以通过改变化合物原料成型体中的反应剂的类型和数量来控制。
工业应用性
如上所述，根据本发明的铌粉末生产方法，由于可以使还原反应均匀地进行，且可将铌化合物原料成型体放置到还原装置中连续进行还原反应，因此可以提高工艺规模，并且可以利用简单的装置来有效地进行批量加工，从而可以直接由铌化合物中有效地生产高纯度的铌粉末。
此外，根据本发明的钽粉末生产方法，由于可以使还原反应均匀地进行且可将钽化合物原料成型体放置到还原装置中，连续进行还原反应，因此可以提高工艺规模，并且可以利用简单的装置来有效地进行批量加工，从而可以直接由钽化合物中有效地生产高纯度的钽粉末。
此外，根据本发明的金属粉末生产方法，不仅可以生产铌和钽粉末，而且也可以从金属化合物有效地生产出高纯度的如锆、钛、铪、稀土金属、和锕系元素金属的粉末，并且优选地，可以进行连续生产。
此外，根据本发明的化合物原料成型体是一种金属化合物的成型体，通过混合金属化合物和粘合剂，接着成型为预定形状，烧制而形成，由于具有从成型体中的任意位置到成型体表面的距离不超过10mm的结构，因此还原剂从成型体的表面扩散的距离可以不长于10mm，从而可以使金属化合物更加均匀且迅速地还原。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种金属粉末生产方法，其利用金属化合物作为原料并还原所述原料进行生产，所述方法包括以下步骤：
模制步骤，在所述模制步骤中，将所述金属化合物与粘合剂混合、进行成型、并且进行烧结以生产金属化合物原料成型体；以及
还原步骤，在所述还原步骤中，通过将所述金属化合物原料成型体与作为还原剂的活性金属接触以还原所述金属化合物原料成型体而制成金属。
2.根据权利要求1所述的金属粉末生产方法，其中将铌化合物用作所述金属化合物。
3.根据权利要求1所述的金属粉末生产方法，其中将钽化合物用作所述金属化合物。
4.根据权利要求1所述的金属粉末生产方法，其中将选自锆、钛、铪、稀土金属、以及锕系元素金属的金属元素的化合物用作所述金属化合物。
5.根据权利要求1所述的金属粉末生产方法，其中在所述模制步骤中，所述金属原料成型体通过混合金属化合物、粘合剂、以及作为反应剂的活性金属化合物进行模制成型。
6.根据权利要求1所述的金属粉末生产方法，其中将选自钙、镁、钠、钡、以及钾中的至少一种活性金属用作所述还原剂。
7.根据权利要求2所述的金属粉末生产方法，其中将选自钙、镁、钠、钡、以及钾中的至少一种活性金属的化合物用作所述反应剂。
8.根据权利要求2所述的金属粉末生产方法，其中将选自氧化铌和卤化铌中的一种用作所述铌化合物。
9.根据权利要求1所述的金属粉末生产方法，其中在所述还原步骤中，所述金属化合物原料成型体的温度是600-1300℃。
10.根据权利要求1所述的金属粉末生产方法，其中在所述模制步骤中，将所述金属化合物原料成型体成型成从在所述金属化合物原料成型体内任意位置到所述成型体表面的距离不长于10mm的形状。
11.根据权利要求1所述的金属粉末生产方法，其中还另外包括一个步骤，在所述步骤中，通过酸处理将在所述还原步骤中形成的所述金属与所述活性金属和副产物进行分离。
12.一种金属化合物原料成型体，其通过混合金属化合物和粘合剂、模制成型、以及烧制而形成；其中
从在所述成型体内的任意位置到所述成型体的表面的距离不长于10mm。
13.根据权利要求12所述的金属化合物原料成型体，其中所述金属化合物包含选自铌、锆、钛、铪、钽、稀土金属、以及锕系元素金属的金属元素的化合物原料。
14.根据权利要求12所述的金属化合物原料成型体，其中所述金属化合物原料成型体包括用作所述反应剂的至少一种金属的化合物，所述金属选自钙、镁、钠、钡、以及钾。
15.根据权利要求14所述的金属化合物原料成型体，其中所述反应剂是选自至少一种金属的氧化物、卤化物、以及碳酸盐中的一种，并且所述金属选自钙、镁、钠、钡、以及钾。
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