KR102376746B1 - A method for manufacuring tantalum powder using metallothermic reduction - Google Patents

A method for manufacuring tantalum powder using metallothermic reduction Download PDF

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Abstract

환원제를 증분 투입함으로써 미반응 원료물을 최소화하여 우수한 수율로 고순도 탄탈륨을 제련할 수 있는 금속열환원법을 이용한 탄탈륨의 제련 방법이 제공된다.
본 발명에 따른 금속열환원법을 이용한 탄탈륨의 제련 방법은 반응용기 내에 탄탈륨을 포함하는 원료물질 및 희석제를 장입하고 가열하는 단계, 상기 반응용기 내부로 환원제를 증분하여 투입하는 단계 및 상기 환원제와 상기 원료물질이 반응하여 탄탈륨이 생성되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Provided is a method for smelting tantalum using a metal thermal reduction method capable of smelting high-purity tantalum with excellent yield by minimizing unreacted raw materials by incrementally adding a reducing agent.
The method for smelting tantalum using the metal thermal reduction method according to the present invention comprises the steps of charging and heating a raw material and a diluent containing tantalum in a reaction vessel, incrementally introducing a reducing agent into the reaction vessel, and the reducing agent and the raw material and reacting the material to produce tantalum.

Description

금속열환원법을 이용한 탄탈륨의 제련 방법{A METHOD FOR MANUFACURING TANTALUM POWDER USING METALLOTHERMIC REDUCTION} Smelting method of tantalum using metal thermal reduction method

본 발명은 미반응 원료물을 최소화하여 우수한 수율로 고순도 탄탈륨을 제련할 수 있는 금속열환원법을 이용한 탄탈륨의 제련 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a smelting method of tantalum using a metal thermal reduction method capable of smelting high-purity tantalum with excellent yield by minimizing unreacted raw materials.

탄탈륨(Tantalum)은 뛰어난 내식성, 강도, 유전율, 가공성(전연성)의 특성을 지니고 있어 전기전자, 항공, 의료, 광학, 군사 분야 등 산업 전반에 폭넓게 활용되고 있으며, 특히 고용량 콘덴서, 반도체, 의료용 소재, 항공기엔진용 초합금, 발전용 가스터빈 등의 소재로 사용되고 있다. Tantalum has excellent corrosion resistance, strength, dielectric constant, and workability (ductility), so it is widely used in industries such as electrical and electronic, aviation, medical, optics, and military. It is used as a material for superalloys for aircraft engines and gas turbines for power generation.

탄탈륨 금속분말의 제조기술에는 Ta2O5를 탄소에 의해 환원하는 방법, Ca 및 Mg에 의한 환원법, TaCl5의 수소환원법, TaCl5를 Mg, Na 등의 환원제 금속으로 환원하는 방법, K2TaF7의 용융염 전해법 등이 있다. 탄소환원법의 경우에는 1500 ℃의 고온이 필요하며 잔류산소의 농도가 높다. TaCl5를 수소로 환원하는 방법은 HCl 부산물에 의한 부식문제가 심각한 것으로 알려져 있으며 입도조절이 힘들다는 단점이 있다. 또한 K2TaF7의 용융염 전해법은 수지상 형태의 분말이 얻어져 활용에 제약이 따른다는 문제점이 있다. The manufacturing technology of tantalum metal powder includes a method of reducing Ta 2 O 5 with carbon, a method of reducing with Ca and Mg, a method of reducing TaCl 5 with hydrogen, a method of reducing TaCl 5 with a reducing metal such as Mg and Na, K 2 TaF There is the molten salt electrolysis method of 7 . In the case of the carbon reduction method, a high temperature of 1500 ℃ is required and the concentration of residual oxygen is high. The method of reducing TaCl 5 to hydrogen is known to have a serious corrosion problem due to HCl by-products, and has a disadvantage in that it is difficult to control the particle size. In addition, the molten salt electrolysis method of K 2 TaF 7 has a problem in that a dendritic powder is obtained and there is a limitation in its utilization.

따라서 탄탈륨 금속분말은 대부분 Hunter 공정에 의해 생산되나, 높은 공정온도에 따른 낮은 수율과 부산물 제거를 위한 높은 폐수처리 문제가 발생한다. 기존의 탄탈륨 분말 제조방법은 원료물질, 환원제, 희석제를 동시 혼합 장입하여 반응을 시키는 Batch type process로 제조한다. 하지만 반응이 시작되면 폭발적인 반응으로 진행되기 때문에 미반응 원료물질이 생기게 되는 문제점이 있다.Therefore, tantalum metal powder is mostly produced by the Hunter process, but there is a problem of low yield due to high process temperature and high wastewater treatment to remove by-products. The existing tantalum powder manufacturing method is manufactured by a batch type process in which raw materials, reducing agents, and diluents are mixed and charged at the same time to react. However, when the reaction starts, there is a problem in that unreacted raw materials are generated because the reaction proceeds as an explosive reaction.

또한 반응온도 및 속도를 제어하기가 어려워 반응 후 생겨나는 부산물이 많고, 이를 제거하기 위한 대량의 폐수가 발생하여 환경 부하 문제 및 폐수 처리 비용 문제를 야기한다. 이에 안정된 공정으로 수율이 우수한 동시에 고순도의 탄탈륨 제련 방법 개발에 대한 요구가 절실한 실정이다. In addition, it is difficult to control the reaction temperature and speed, so there are many by-products generated after the reaction, and a large amount of wastewater is generated to remove them, which causes environmental load problems and wastewater treatment cost problems. Accordingly, there is an urgent need for the development of a tantalum smelting method with excellent yield and high purity through a stable process.

1. 한국 등록특허공보 제10-0438670호1. Korean Patent Publication No. 10-0438670 2. 한국 공개특허공보 제10-2001-0099260호2. Korean Patent Publication No. 10-2001-0099260

본 발명은 환원제를 증분 투입함으로써 미반응 원료물을 최소화하여 우수한 수율로 고순도 탄탈륨을 제련할 수 있는 금속열환원법을 이용한 탄탈륨의 제련 방법을 제공하고자 한다. An object of the present invention is to provide a method for smelting tantalum using a metal thermal reduction method capable of smelting high-purity tantalum with excellent yield by minimizing unreacted raw materials by incrementally adding a reducing agent.

그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.However, these tasks are exemplary, and the technical spirit of the present invention is not limited thereto.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 금속열환원법을 이용한 탄탈륨의 제련 방법은 반응용기 내에 탄탈륨을 포함하는 원료물질 및 희석제를 장입하고 가열하는 단계, 상기 반응용기 내부로 환원제를 증분하여 투입하는 단계 및 상기 환원제와 상기 원료물질이 반응하여 탄탈륨이 생성되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.A method for smelting tantalum using a metal thermal reduction method according to the technical idea of the present invention for achieving the above technical problem includes the steps of charging and heating a raw material and a diluent containing tantalum in a reaction vessel, and incrementally adding a reducing agent into the reaction vessel It characterized in that it comprises the step of adding and the reducing agent and the raw material react to produce tantalum.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 원료물질은 K2TaF7 일 수 있다.In some embodiments of the present invention, the raw material may be K 2 TaF 7 .

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 희석제는 NaCl, KCl, LiCl, 및 KF 중에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.In some embodiments of the present invention, the diluent may be at least one selected from NaCl, KCl, LiCl, and KF.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 희석제는 상기 원료물질 1 mol 당 6.2 mol 초과 6.7 mol 미만을 투입할 수 있다.In some embodiments of the present invention, the diluent may be added in an amount of more than 6.2 mol and less than 6.7 mol per 1 mol of the raw material.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 환원제는 Ca, Na 및 Mg 중에서 선택되는 하나 이상일 수 있다.In some embodiments of the present invention, the reducing agent may be at least one selected from Ca, Na, and Mg.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 환원제는 상기 원료물질 1 mol 당 5 내지 7 mol 투입할 수 있다.In some embodiments of the present invention, 5 to 7 mol of the reducing agent may be added per 1 mol of the raw material.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 환원제는 상기 반응용기 내부로 5분 간격으로 5회 증분하여 투입할 수 있다.In some embodiments of the present invention, the reducing agent may be introduced into the reaction vessel in increments of 5 times at intervals of 5 minutes.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 탄탈륨 생성 단계는 950℃ 이하에서 수행될 수 있다.In some embodiments of the present invention, the generating of tantalum may be performed at 950° C. or less.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제련된 탄탈륨의 순도는 99.95 중량% 이상일 수 있다.In some embodiments of the present invention, the purity of the smelted tantalum may be 99.95% by weight or more.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제련된 탄탈륨의 산소 함량은 988ppm 이하일 수 있다.In some embodiments of the present invention, the oxygen content of the smelted tantalum may be 988 ppm or less.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제련된 탄탈륨의 최종 수율은 83% 이상일 수 있다.In some embodiments of the present invention, the final yield of the smelted tantalum may be 83% or more.

본 발명에 따른 금속열환원법을 이용한 탄탈륨의 제련 방법은 환원제를 증분 투입함으로써 미반응 원료물을 최소화하여 우수한 수율로 고순도 탄탈륨을 제련할 수 있다.The method for smelting tantalum using the metal thermal reduction method according to the present invention can smelt high-purity tantalum with excellent yield by minimizing unreacted raw materials by incrementally adding a reducing agent.

또한 본 발명에 따른 금속열환원법을 이용한 탄탈륨의 제련 방법은 반응 온도 및 속도가 제어된 안정된 공정으로 생성되는 공정부산물을 저감함으로써 환경부하를 줄이고 폐수 처리비용을 절감할 수 있다.In addition, the method for smelting tantalum using the metal thermal reduction method according to the present invention can reduce environmental load and reduce wastewater treatment costs by reducing process by-products generated in a stable process with controlled reaction temperature and speed.

또한 본 발명에 따른 금속열환원법을 이용한 탄탈륨은 순도는 99.95 중량% 이상, 산소 함량은 988ppm 이하 및 83% 이상의 수율을 가질 수 있다.In addition, tantalum using the metal thermal reduction method according to the present invention may have a purity of 99.95% by weight or more, an oxygen content of 988ppm or less, and a yield of 83% or more.

상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.The above-described effects of the present invention have been described by way of example, and the scope of the present invention is not limited by these effects.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 금속열환원법을 이용한 탄탈륨의 제련 방법을 개략적으로 보인 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 금속열환원법을 이용한 탄탈륨의 제련을 위하여 사용되는 제련 장치를 나타내는 그림이다.
도 3는 본 발명의 실시예에 따라 제련된 탄탈륨의 XRD 분석 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 제련된 탄탈륨의 SEM / EDS 분석 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 희석제 농도에 따른 탄탈륨 공정의 온도, 압력 및 제련된 탄탈륨 분말의 산소 함량을 측정한 그래프이다.
1 is a flowchart schematically illustrating a method for smelting tantalum using a metal thermal reduction method according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram illustrating a smelting apparatus used for smelting tantalum using a metal thermal reduction method according to an embodiment of the present invention.
3 is an XRD analysis graph of tantalum smelted according to an embodiment of the present invention.
4 is an SEM / EDS analysis photograph of smelted tantalum according to an embodiment of the present invention.
5 is a graph of measuring the temperature, pressure, and oxygen content of the smelted tantalum powder of the tantalum process according to the diluent concentration according to the embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을/ 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The embodiments of the present invention are provided to more completely explain the technical idea of the present invention to those of ordinary skill in the art, and the following examples may be modified in various other forms, The scope of the technical idea is not limited to the following examples. Rather, these embodiments are provided in order to more fully and complete the present disclosure, and to fully convey/completely the technical spirit of the present invention to those skilled in the art. As used herein, the term “and/or” includes any one and all combinations of one or more of those listed items. The same symbols refer to the same elements from time to time. Furthermore, various elements and regions in the drawings are schematically drawn. Therefore, the technical spirit of the present invention is not limited by the relative size or spacing drawn in the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 금속열환원법을 이용한 탄탈륨의 제련 방법을 개략적으로 보인 흐름도이다. 본 발명에 따른 금속열환원법을 이용한 탄탈륨의 제련 방법은 탄탈륨을 포함하는 원료물질 및 희석제 가열 단계, 환원제 증분 투입 단계 및 탄탈륨 생성 단계를 포함한다. 1 is a flowchart schematically illustrating a method for smelting tantalum using a metal thermal reduction method according to an embodiment of the present invention. The method for smelting tantalum using a metal thermal reduction method according to the present invention includes a step of heating a raw material containing tantalum and a diluent, an incremental input of a reducing agent, and a step of generating tantalum.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 금속열환원법을 이용한 탄탈륨의 제련을 위하여 사용되는 제련 장치를 나타내는 그림이다. 상기 제련장치는 하우징(10), 반응용기(20), 열전대(30), 교반기(40), 환원제 투입기(50) 및 제어기(60)로 구성될 수 있다. 상기 금속열환원은 제련 장치에서 수행되며 상기 제련 장치는 탄탈륨이 산소와 결합하여 산화되는 것을 방지하기 위한 진공수단, 반응용기를 적정온도로 가열하기 위한 발열수단을 포함할 수 있으며 환원 반응을 가속하기 위하여 반응물의 교반을 진행하는 교반기(40)를 포함할 수 있다. 특히 환원제를 증분 투입하기 위한 환원제 투입기(50)를 포함할 수 있다.2 is a diagram illustrating a smelting apparatus used for smelting tantalum using a metal thermal reduction method according to an embodiment of the present invention. The smelting apparatus may include a housing 10 , a reaction vessel 20 , a thermocouple 30 , a stirrer 40 , a reducing agent injector 50 , and a controller 60 . The metal thermal reduction is performed in a smelting apparatus, and the smelting apparatus may include a vacuum means for preventing tantalum from being oxidized by combining with oxygen, and a heating means for heating the reaction vessel to an appropriate temperature, and to accelerate the reduction reaction To this, it may include a stirrer 40 for stirring the reactants. In particular, it may include a reducing agent injector 50 for incrementally inputting the reducing agent.

특히 제련 장치의 구조재 선택에 있어서 Ni이 최적 구조재로 적합하다. STS(Fe)은 Ta와 반응하여 TaFe2 상을 전 온도 구간(0~1,000℃)에 형성한다. Mo, Ni 의 경우 환원제 ,원료, 희석제 등과 반응 하지 않아 전 온도 구간에서 안정하다. 화학적 안정성과 가격적인 측면을 고려 Ni이 최적 구조재로 적합함을 알 수 있다.In particular, when selecting a structural material for a smelting apparatus, Ni is suitable as an optimal structural material. STS(Fe) reacts with Ta to form a TaFe 2 phase over the entire temperature range (0 to 1,000°C). Mo and Ni do not react with reducing agents, raw materials, diluents, etc., so they are stable in all temperature ranges. Considering chemical stability and price, it can be seen that Ni is suitable as an optimal structural material.

상기 원료물질 및 희석제 가열 단계는 반응용기 내에 탄탈륨을 포함하는 원료물질 및 희석제를 장입하고 가열하는 단계이다. 상기 원료물질은 K2TaF7 이며, 이는 탄탈륨 원광석을 플루오르화수소산 및 유황산 혼합액에서 용해하여, 이후 여과 및 메틸이소부틸케톤(MIBK)을 이용하여 용매 추출하고, K2TaF7 를 결정화하는 것에 의해서 얻어질 수 있다. 이러한 과정은 불순도 레벨, 특히 니오븀(Nb)의 레벨을 낮추기 위하여 여러 번 반복적으로 수행될 수 있다. The heating of the raw material and the diluent is a step of charging and heating the raw material and the diluent including tantalum in the reaction vessel. The raw material is K 2 TaF 7 , This can be obtained by dissolving tantalum ore in a mixed solution of hydrofluoric acid and sulfuric acid, followed by filtration and solvent extraction using methyl isobutyl ketone (MIBK), and crystallizing K 2 TaF 7 . This process may be repeatedly performed several times in order to lower the level of impurity, in particular, the level of niobium (Nb).

상기 희석제 없이 가열하는 경우 반응 온도가 높아져서 장비 손상이 발생할 수 있다. 상기 희석제는 NaCl, KCl, LiCl, 및 KF 중에서 선택되는 하나 이상일 수 있다. 상기 각각의 희석제의 물성 수치를 확인한 결과, 흡열량은 HSC chemistry 계산에 따라 NaCl > KCl > KF이 유리하고, 용해도는 KF > NaCl > KCl, 융점은 KCl(770℃) < NaCl(801℃) < KF(858℃) 의 유리한 물성을 나타낸다. 특히 열역학적 계산, 물성 및 가격을 비교한 결과 물성 수치가 우수한 NaCl을 사용할 수 있다. When heating without the diluent, the reaction temperature may increase and damage to the equipment may occur. The diluent may be at least one selected from NaCl, KCl, LiCl, and KF. As a result of confirming the physical property values of each diluent, NaCl > KCl > KF is advantageous according to the HSC chemistry calculation for the endothermic value, the solubility is KF > NaCl > KCl, and the melting point is KCl (770 ℃) < NaCl (801 ℃) < It shows the advantageous physical properties of KF (858°C). In particular, as a result of comparing thermodynamic calculations, properties, and prices, NaCl with excellent properties can be used.

열역학적 계산을 확인하면 NaCl 희석제는 상기 K2TaF7 원료물질 1 mol 당 6 mol 투입하는 경우 열역학적으로 반응온도가 안정된다. 그러나 상기 K2TaF7 원료물질 1 mol 당 6.2 mol 미만으로 투입하는 경우 실제 반응온도가 너무 높고 6.7 mol 을 초과하면 제련된 탄탈륨의 산소 함량이 너무 높다. 따라서 상기 NaCl 희석제는 상기 K2TaF7 원료물질 1 mol 당 6.2 mol 초과 6.7 mol 미만을 투입할 수 있다.When the thermodynamic calculation is confirmed, the reaction temperature is thermodynamically stabilized when 6 mol of the NaCl diluent is added per 1 mol of the K 2 TaF 7 raw material. However, when the K 2 TaF 7 raw material is added at an amount of less than 6.2 mol per 1 mol, the actual reaction temperature is too high and when it exceeds 6.7 mol, the oxygen content of the smelted tantalum is too high. Therefore, the NaCl diluent may be added in an amount of more than 6.2 mol and less than 6.7 mol per 1 mol of the K 2 TaF 7 raw material.

상기 환원제 증분 투입 단계는 상기 반응용기 내부로 환원제를 증분하여 투입하는 단계이다. 상기 환원제는 Ca, Na 및 Mg 중에서 선택되는 하나 이상일 수 있다. 탄탈륨을 포함하는 원료물질은 Na, Ca, Mg 금속과 반응해 Ta 생성한다. 각각의 생성 부산물은 Na: NaF, Ca: CaF2 , Mg: MgF2 이며, 각 부산물 별 물(H2O) 용해도는 NaF (40.4 g/L), CaF2 (0.016 g/L), MgF2 (0.13 g/L)이다. Na 사용시 물에 잘 녹는 NaF를 형성 하여 순도 확보 및 공정시간 단축 가능하다.The step of incrementally adding the reducing agent is a step of incrementally adding the reducing agent into the reaction vessel. The reducing agent may be at least one selected from Ca, Na and Mg. Raw materials containing tantalum react with Na, Ca, and Mg metals to form Ta. Each by-product is Na: NaF, Ca: CaF 2 , Mg: MgF 2 , and the solubility of water (H 2 O) for each by-product is NaF (40.4 g/L), CaF 2 (0.016 g/L), MgF 2 (0.13 g/L). When Na is used, it is possible to secure purity and shorten the process time by forming NaF, which is well soluble in water.

또한 각 환원제별 0~9 mole에서 단열 온도 Tad를 계산한 결과, Ca(2,716℃~1,046℃), Mg(2,118℃~859℃), Na(1,771℃~855℃)를 나타내어 Na 사용시 발열제어에 효과적임을 확인하였다.In addition, as a result of calculating the adiabatic temperature T ad from 0 to 9 moles for each reducing agent, Ca (2,716 ℃ ~ 1,046 ℃), Mg (2,118 ℃ ~ 859 ℃), Na (1,771 ℃ ~ 855 ℃) to control the heat generation when using Na was confirmed to be effective.

본 발명에 사용된 "증분하여(incrementally)"란 용어는 상기 환원제를 하나 이상의 증분(increment) 또는 부분(portion)으로 반응용기에 첨가하여 상기환원제의 양을 증가시키는 것을 의미한다. 상기 증분의 양은 같을 수도 있고 다를 수도 있다. 상기 증분을 연속적으로 또는 이들을 조합하여 단계적으로 첨가할 수 있다. 따라서, 명세서 및 청구의 범위에 사용된 "증분하여"란 용어는 상기 환원제를 1회 이상의 증분으로 연속적 및 단계적으로 첨가하는 것을 모두를 포함한다. As used herein, the term "incrementally" means to increase the amount of the reducing agent by adding the reducing agent to the reaction vessel in one or more increments or portions. The amount of increments may be the same or different. The increments may be added in stages or a combination thereof. Accordingly, the term "incremental" as used in the specification and claims includes both the continuous and stepwise addition of the reducing agent in one or more increments.

상기 환원제는 상기 반응용기 내부로 5분 간격으로 5회 증분하여 투입할 수 있으며, 상기 환원제는 상기 원료물질 1 mol 당 5 내지 7 mol 투입할 수 있다. 환원제를 증분 투입함으로써 원료물질과 환원제 간의 균일한 반응 유도가 가능하여 미반응 원료물을 최소화할 수 있고, 우수한 수율로 고순도 탄탈륨을 제련할 수 있다. 또한 미량불순물의 혼입도 현저하게 감소하여 부산물 제어에 용이하다. 따라서 반응 온도 및 속도가 제어된 안정된 공정으로 생성되는 공정부산물을 저감함으로써 환경부하를 줄이고 폐수 처리비용을 절감할 수 있다.The reducing agent may be incremented 5 times at intervals of 5 minutes into the reaction vessel, and 5 to 7 mol of the reducing agent may be added per 1 mol of the raw material. By incrementally adding the reducing agent, it is possible to induce a uniform reaction between the raw material and the reducing agent, thereby minimizing unreacted raw materials and smelting high-purity tantalum with excellent yield. In addition, the mixing of trace impurities is also remarkably reduced, making it easy to control by-products. Therefore, it is possible to reduce environmental load and reduce wastewater treatment costs by reducing process by-products generated by a stable process with controlled reaction temperature and speed.

상기 탄탈륨 생성 단계는 상기 환원제와 상기 원료물질이 반응하여 탄탈륨이 생성되는 단계이다. K2TaF7 + 5Na → Ta + 2KF + 5NaF 의 반응식으로 K2TaF7 원료물질과 Na 환원제가 반응하여 탄탈륨이 생성된다.The tantalum generation step is a step in which the reducing agent and the raw material react to generate tantalum. Tantalum is produced by the reaction of K 2 TaF 7 + 5Na → Ta + 2KF + 5NaF with the K 2 TaF 7 raw material and the Na reducing agent.

상기 탄탈륨 생성 단계는 950℃ 이하에서 수행될 수 있다. 본 발명에 따른 금속열환원법을 이용한 탄탈륨의 제련 방법은 반응 온도 및 속도가 제어된 안정된 공정으로 생성되는 공정부산물을 저감함으로써 환경부하를 줄이고 폐수 처리비용을 절감할 수 있다. 본 발명에 따른 금속열환원법을 이용한 탄탈륨은 순도는 99.95 중량% 이상, 산소 함량은 988ppm 이하 및 83% 이상의 수율을 가질 수 있다.The tantalum generation step may be performed at 950° C. or less. The method for smelting tantalum using the metal thermal reduction method according to the present invention can reduce environmental load and reduce wastewater treatment costs by reducing process by-products generated in a stable process with controlled reaction temperature and speed. Tantalum using the metal thermal reduction method according to the present invention may have a purity of 99.95% by weight or more, an oxygen content of 988ppm or less, and a yield of 83% or more.

즉, 본 발명에 따른 금속열환원법을 이용한 탄탈륨의 제련 방법은 환원제를 증분 투입함으로써 미반응 원료물을 최소화하여 우수한 수율로 고순도 탄탈륨을 제련할 수 있다. 또한 반응 온도 및 속도가 제어된 안정된 공정으로 생성되는 공정부산물을 저감함으로써 환경부하를 줄이고 폐수 처리비용을 절감할 수 있다. 또한 본 발명에 따른 금속열환원법을 이용한 탄탈륨은 순도는 99.95 중량% 이상, 산소 함량은 988ppm 이하 및 83% 이상의 수율 등의 우수한 특성을 가질 수 있다.That is, the smelting method of tantalum using the metal thermal reduction method according to the present invention can minimize unreacted raw materials by incrementally adding a reducing agent, thereby smelting high-purity tantalum with excellent yield. In addition, it is possible to reduce the environmental load and reduce the cost of wastewater treatment by reducing the process by-products generated by a stable process with controlled reaction temperature and speed. In addition, tantalum using the metal thermal reduction method according to the present invention may have excellent characteristics such as a purity of 99.95 wt% or more, an oxygen content of 988 ppm or less, and a yield of 83% or more.

실시예Example

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.Hereinafter, the configuration and operation of the present invention will be described in more detail through preferred embodiments of the present invention. However, this is presented as a preferred example of the present invention and cannot be construed as limiting the present invention in any sense.

여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.Content not described here will be omitted because it can be technically inferred sufficiently by a person skilled in the art.

탄탈륨의 제련smelting of tantalum

본 발명에 따른 금속열환원법을 이용한 탄탈륨의 제련은 도 1과 같이 원료물질 및 희석제 가열 단계, 환원제 증분 투입 단계 및 탄탈륨 생성 단계로 진행하였다. The smelting of tantalum using the metal thermal reduction method according to the present invention proceeded as shown in FIG. 1 in a heating step of a raw material and a diluent, an incremental inputting of a reducing agent, and a tantalum generation step.

반응용기 내에 탄탈륨을 포함하는 원료물질 K2TaF7 및 희석제 NaCl를 장입하고 가열하였다. 상기 NaCl는 K2TaF7 1 mol 당 6.2, 6.5 및 6.7 mol를 각각 투입하였다.The raw material K 2 TaF 7 and the diluent NaCl containing tantalum were charged into the reaction vessel and heated. The NaCl was added in 6.2, 6.5 and 6.7 mol per 1 mol of K 2 TaF 7 , respectively.

반응용기 내부로 환원제 Na 을 증분하여 투입하였다. 상기 Na는 K2TaF7 1 mol 당 5, 6 및 7 mol를 각각 반응용기 내부로 5분 간격으로 5회 증분하여 투입하였다. 비교예로 Na는 K2TaF7 1 mol 당 5, 6 및 7 mol를 일괄 투입하였다.The reducing agent Na was added incrementally into the reaction vessel. The Na was added 5, 6, and 7 mol per 1 mol of K 2 TaF 7 into the reaction vessel in 5 increments at 5 minute intervals, respectively. As a comparative example, 5, 6, and 7 mol of Na per 1 mol of K 2 TaF 7 were added in batches.

상기 환원제와 원료물질이 반응하여 탄탈륨이 생성되면 생성된 탄탈륨을 분쇄, 세정 및 건조하여 탄탈륨 분말을 제조하였다. 2% H2O2 및 1% HF용액에 1시간, 20% (HCl+HNO3) 용액에 1시간의 세정을 진행하였다.When the reducing agent and the raw material react to produce tantalum, the produced tantalum was pulverized, washed, and dried to prepare tantalum powder. Washing was performed for 1 hour in 2% H 2 O 2 and 1% HF solution, and 20% (HCl+HNO 3 ) solution for 1 hour.

탄탈륨 분말 물성 평가Evaluation of Tantalum Powder Properties

상기 제조방법에 따라 제련된 탄탈륨 분말에 대한 물성 평가를 진행하였다. 도 3는 환원제를 원료물질 1 mol 당 5, 6 및 7 mol를 증분 투입하여 제련된 탄탈륨의 XRD 분석 그래프이고, 도 4는 환원제를 원료물질 1 mol 당 5, 6 및 7 mol를 증분 투입하여 제련된 탄탈륨의 SEM / EDS 분석 사진이다. XRD 확인으로 단상의 Ta을 확인하였고 EDS 분석으로 Ta 이외 다른 불순물 검출이 없음을 확인하였다.The physical properties of the smelted tantalum powder according to the manufacturing method were evaluated. 3 is an XRD analysis graph of tantalum smelted by incrementally adding 5, 6, and 7 mol of a reducing agent per 1 mol of raw material, and FIG. 4 is a smelting by incrementally adding 5, 6 and 7 mol of reducing agent per 1 mol of raw material. SEM/EDS analysis picture of tantalum. Single-phase Ta was confirmed by XRD confirmation, and it was confirmed by EDS analysis that no impurities other than Ta were detected.

아래 표 1은 본 발명에 일 실시예에 따라 환원제를 원료물질 1 mol 당 5, 6 및 7 mol 을 일괄 투입 및 증분 투입하여 제련된 탄탈륨 분말에 대하여 순도, 산소 함량 및 최종 수율을 확인하였다. Table 1 below shows the purity, oxygen content, and final yield of the tantalum powder smelted by batch input and incremental input of 5, 6, and 7 mol per mol of the raw material as a reducing agent according to an embodiment of the present invention.

환원제 함량reducing agent content 일괄투입batch input 증분투입Incremental input 순도
(ICP분석)
중량%
water
(ICP analysis)
weight%
5 mol5 mol 99.9299.92 99.9599.95
6 mol6 mol 99.9799.97 99.9999.99 7 mol7 mol 99.9699.96 99.9899.98 산소함량
(ICP분석)
중량%
oxygen content
(ICP analysis)
weight%
5 mol5 mol 10761076 988988
6 mol6 mol 868868 824824 7 mol7 mol 894894 834834 최종수율
%
final yield
%
5 mol5 mol 7272 8383
6 mol6 mol 8787 9292 7 mol7 mol 8585 8989

상기 표 1과 같이 환원제 Na을 증분 투입함에 따라 순도 및 산소함량에 유리함을 알 수 있으며, 원료물질 1 mol 당 5 내지 7 mol Na 환원제를 5분 간격으로 5회 증분하여 투입하는 조건에서 제련된 탄탈륨은 순도는 99.95 중량% 이상, 산소 함량은 988ppm 이하 및 83% 이상의 수율을 가짐을 확인하였다. As shown in Table 1, it can be seen that as the reducing agent Na is incrementally added, it is advantageous for purity and oxygen content, and tantalum refined under the condition that 5 to 7 mol Na reducing agent per 1 mol of raw material is incremented 5 times at 5 minute intervals It was confirmed that the silver purity was 99.95% by weight or more, the oxygen content was 988ppm or less, and had a yield of 83% or more.

[증분 투입 효과][Effect of Incremental Input]

환원제 함량에 상관없이 환원제를 증분하여 투입하면, 순도, 산소함량, 수율이 모두 향상된다. 추가로 정련 공정을 하지 않아도 환원제 증분 투입만으로도 순도 99.99%인 Ta을 얻을 수 있다는 것은 획기적이다. 환원제 증분 투입으로, 순도 향상과 함께, 최종 수율이 4~11% 향상되는 것이 두드러진다.If the reducing agent is added incrementally regardless of the reducing agent content, purity, oxygen content, and yield are all improved. It is groundbreaking that Ta with a purity of 99.99% can be obtained only by incrementally adding a reducing agent without an additional refining process. With the incremental addition of reducing agent, it is noticeable that the final yield is improved by 4-11% with the improvement of purity.

[화학양론비 초과 투입 효과][Effect of exceeding the stoichiometric ratio]

환원제를 화학양론비를 초과하여 투입하면, 순도, 산소함량, 수율이 모두 향상되는데, 환원제 함량이 화학양론비인 5 mol에서 6 mol로 증가하면 순도와 수율이 높아지고 산소함량이 낮아지다가, 환원제 함량이 7 mol이 되면 순도, 산소함량, 수율이 환원제 6 mol인 경우 보다 조금 떨어진다. 따라서 환원제는 화학양론비를 초과하여 투입하는 것이 바람직하고, 5 mol 초과 7 mol, 6 내지 7 mol 범위인 것이 더욱 바람직하다.When the reducing agent is added in excess of the stoichiometric ratio, purity, oxygen content, and yield are all improved. When the reducing agent content is increased from the stoichiometric ratio of 5 mol to 6 mol, the purity and yield increase, the oxygen content decreases, and the reducing agent content decreases. When it becomes 7 mol, the purity, oxygen content, and yield are slightly lower than when the reducing agent is 6 mol. Therefore, the reducing agent is preferably added in excess of the stoichiometric ratio, more preferably in the range of more than 5 mol to 7 mol and 6 to 7 mol.

위와 같이 환원제의 증분 투입은 외부공급으로 인해 원료 물질과 환원제 간의 균일한 반응 유도가 가능해 미반응 원료 물질 없이 회수율이 증가할 뿐 만 아니라 미량 불순물의 혼입도가 현저하게 감소하여 부산물 제어에 용이함을 확인하였다.As above, incremental input of reducing agent can induce a uniform reaction between raw materials and reducing agent due to external supply, so recovery rate without unreacted raw materials is increased, and the mixing of trace impurities is remarkably reduced, so it is easy to control by-products. did

아래 표 2는 본 발명에 일 실시예에 따라 희석제를 원료물질 1 mol 당 각각 6.2, 6.5 및 6.7 mol 을 투입한 실험의 공정 조건이다. 도 5는 표 2의 공정 조건에서 희석제 농도에 따른 탄탈륨 공정의 온도, 압력 및 제련된 탄탈륨 분말의 산소 함량을 측정한 그래프이다.Table 2 below shows process conditions of an experiment in which 6.2, 6.5, and 6.7 mol of a diluent per 1 mol of a raw material, respectively, were added according to an embodiment of the present invention. 5 is a graph of measuring the temperature, pressure, and oxygen content of the smelted tantalum powder of the tantalum process according to the diluent concentration under the process conditions of Table 2;

KK 22 TaFTaF 77 NaNa NaClNaCl 투입방법Input method 공정 분위기fair atmosphere 1mol1 mol 6 mol6 mol 6.7 mol6.7 mol Na34.48g 6.896g씩 5분간격 5회투입Inject Na34.48g 6.896g 5 times every 5 minutes 산소:660ppm이내Oxygen: within 660ppm
수분:0.1ppmMoisture: 0.1ppm
내부압력:0.1psiInternal pressure: 0.1psi
1 mol1 mol 6 mol6 mol 6.5 mol6.5 mol Na34.48g 6.896g씩 5분간격 5회투입Inject Na34.48g 6.896g 5 times every 5 minutes 산소:30ppm이내Oxygen: less than 30ppm
수분:0.1ppmMoisture: 0.1ppm
내부압력:0.1psiInternal pressure: 0.1psi
1 mol1 mol 6 mol6 mol 6.2 mol6.2 mol Na34.48g 6.896g씩 5분간격 5회투입Inject Na34.48g 6.896g 5 times every 5 minutes 산소:30ppm이내Oxygen: less than 30ppm
수분:0.1ppmMoisture: 0.1ppm
내부압력:0.1psiInternal pressure: 0.1psi

열역학적 계산을 확인하면 NaCl 희석제는 상기 K2TaF7 원료물질 1 mol 당 6 mol 투입하는 경우 열역학적으로 반응온도가 안정된다. 그러나 도 5와 같이, 상기 K2TaF7 원료물질 1 mol 당 6.2 mol 이하로 투입하는 경우 실제 반응온도가 1000℃를 초과하므로 너무 높다. 또한, 희석제를 K2TaF7 원료물질 1 mol 당 6.7 mol 이상 투입하면 반응온도와 산소 함량이 증가하는 경향이 나타난다. 따라서 상기 NaCl 희석제는 상기 K2TaF7 원료물질 1 mol 당 6.2 mol 초과 투입하는 것이 바람직하고, 6.2 mol 초과 6.7 mol 미만을 투입하는 것이 더욱 바람직하다.When the thermodynamic calculation is confirmed, the reaction temperature is thermodynamically stabilized when 6 mol of the NaCl diluent is added per 1 mol of the K 2 TaF 7 raw material. However, as shown in FIG. 5 , when the K 2 TaF 7 raw material is added at an amount of 6.2 mol or less per 1 mol, the actual reaction temperature exceeds 1000° C., so it is too high. In addition, when 6.7 mol or more of the diluent is added per 1 mol of K 2 TaF 7 raw material, the reaction temperature and oxygen content tend to increase. Therefore, the NaCl diluent is preferably added in excess of 6.2 mol per 1 mol of the K 2 TaF 7 raw material, and more preferably more than 6.2 mol and less than 6.7 mol.

위와 같이, 본 발명에 따른 금속열환원법을 이용한 탄탈륨의 제련 방법은 환원제를 증분 투입함으로써 미반응 원료물을 최소화하여 우수한 수율로 고순도 탄탈륨을 제련할 수 있다. 또한 반응 온도 및 속도가 제어된 안정된 공정으로 생성되는 공정부산물을 저감함으로써 환경부하를 줄이고 폐수 처리비용을 절감할 수 있으며, 제련된 탄탈륨은 순도는 99.95 중량% 이상, 산소 함량은 988ppm 이하 및 83% 이상의 수율을 가질 수 있다.As described above, in the method for smelting tantalum using the thermal reduction method according to the present invention, it is possible to smelt high-purity tantalum with excellent yield by minimizing unreacted raw materials by incrementally adding a reducing agent. In addition, it is possible to reduce the environmental load and reduce wastewater treatment costs by reducing the process by-products generated by a stable process with controlled reaction temperature and speed. It may have a higher yield.

이상에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 전술한실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명의 기술적 사상이 속하는 기술 분야 에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.The technical spirit of the present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and it is the technical spirit of the present invention that various substitutions, modifications and changes are possible without departing from the technical spirit of the present invention. It will be apparent to those of ordinary skill in the art to which this belongs.

10: 하우징 20: 반응용기
30: 열전대 40: 교반기
50: 환원제 투입기 60: 제어기
10: housing 20: reaction vessel
30: thermocouple 40: agitator
50: reducing agent input device 60: controller

Claims (11)

탄탈륨 제련방법에 있어서,
반응용기 내에 탄탈륨을 포함하는 원료물질 및 희석제를 일괄 장입하고 가열하는 단계;
상기 반응용기 내부로 환원제를 증분하여 투입하는 단계; 및
상기 환원제와 상기 원료물질이 반응하여 탄탈륨이 생성되는 단계를 포함하며,
상기 환원제는 Ca, Na 및 Mg 중에서 선택되는 하나 이상으로 상기 원료물질 1 mol 당 5 내지 7 mol 투입되며,
상기 증분하여 투입하는 단계는, 상기 환원제를 상기 반응용기 내부로 5분 간격으로 5회 증분하여 투입함으로써,
상기 탄탈륨 생성 단계는 950℃ 이하에서 수행되어 반응 온도 및 속도가 제어된 안정된 공정으로 공정부산물을 저감하고, 최종 수율이 4 내지 11% 향상되며, 상기 제련된 탄탈륨의 순도는 99.95 중량% 이상, 산소 함량은 988ppm 이하 및 최종 수율은 83% 이상인 것을 특징으로 하는 금속열환원법을 이용한 탄탈륨의 제련 방법.
In the tantalum smelting method,
Batch charging and heating the raw material and the diluent containing tantalum in the reaction vessel;
incrementally introducing a reducing agent into the reaction vessel; and
and the step of reacting the reducing agent with the raw material to produce tantalum,
The reducing agent is one or more selected from Ca, Na and Mg, and 5 to 7 mol is added per 1 mol of the raw material,
In the incrementally inputting step, by incrementally introducing the reducing agent into the reaction vessel 5 times at an interval of 5 minutes,
The tantalum generation step is performed at 950 ° C. or less to reduce process by-products in a stable process in which the reaction temperature and speed are controlled, and the final yield is improved by 4 to 11%, and the purity of the smelted tantalum is 99.95 wt% or more, oxygen A method for smelting tantalum using a metal thermal reduction method, characterized in that the content is 988 ppm or less and the final yield is 83% or more.
제1항에 있어서,
상기 원료물질은 K2TaF7인 것을 특징으로 하는 금속열환원법을 이용한 탄탈륨의 제련 방법
According to claim 1,
The raw material is K 2 TaF 7 Method for smelting tantalum using a metal thermal reduction method, characterized in that
제1항에 있어서,
상기 희석제는 NaCl, KCl, LiCl, 및 KF 중에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 금속열환원법을 이용한 탄탈륨의 제련 방법
According to claim 1,
The diluent is at least one selected from NaCl, KCl, LiCl, and KF. Method for smelting tantalum using a thermal reduction method
제3항에 있어서,
상기 희석제는 상기 원료물질 1 mol 당 6.2 mol 초과 6.7 mol 미만을 투입하는 것을 특징으로 하는 금속열환원법을 이용한 탄탈륨의 제련 방법.
4. The method of claim 3,
The diluent is a method of smelting tantalum using a metal thermal reduction method, characterized in that more than 6.2 mol and less than 6.7 mol is added per 1 mol of the raw material.
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