RU2034073C1

RU2034073C1 - Method for production of metallic scandium

Info

Publication number: RU2034073C1
Authority: RU
Inventors: В.В. Данилов; А.Н. Зрячев; Л.И. Качур; М.И. Клюшников; В.В. Кротков; А.А. Молочков; Ю.А. Теплов; С.А. Цветков; Н.С. Чуглазов
Original assignee: Акционерная компания "Каскор"
Priority date: 1992-01-28
Filing date: 1992-01-28
Publication date: 1995-04-30

Abstract

FIELD: metallurgy. SUBSTANCE: prior to separation of phases, melted reaction products are held for 3-7 min, and crucible is turned round its horizontal axis to pour the products into water-cooled ingot mold. In this case, temperature in crucible upper part and at pouring spout is maintained within 1500-1550 C. Crucible is turned round horizontal axis through 100-110 deg. , and reaction products are poured with angular velocity of 0.17-0.19 rad/s. EFFECT: higher efficiency. 4 cl, 4 tbl

Description

Изобретение относится к металлургии редких металлов и может быть использовано для получения металлического скандия. The invention relates to the metallurgy of rare metals and can be used to produce metallic scandium.

В настоящее время чаще всего скандий получают металлотермией, используя в качестве исходных веществ безводный фторид или хлорид скандия, в качестве восстановителей магний и чаще кальций. Предпочтение отдается фториду, поскольку он не гигроскопичен, в качестве металла восстановителя используют стружку кальция [1]
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ кальциетермического получения скандия из его фторида. Процесс проводят в индукционной печи в среде аргона в тиглях из тантала. Фторид скандия восстанавливают при 1550-1600^оС кальцием, взятым с 10% -ным избытком по отношению к необходимому по реакции количеству. Получающийся расплавленный скандий собирается в нижней части тигля. После охлаждения тигель с продуктами плавки извлекается из печи, шлак отделяется от металла. Для уменьшения загрязнения скандия танталом к шихте добавляют фторид лития, образующий с шлаком эвтектику, и цинк для получения легкоплавкого сплава скандий-цинк-кальций.Currently, scandium is most often obtained by metallothermy, using anhydrous fluoride or scandium chloride as starting materials, magnesium and more often calcium as reducing agents. Fluoride is preferred because it is not hygroscopic; calcium chips are used as a reducing agent metal [1]
Closest to the invention in technical essence and the achieved result is a method for the calcium-thermal production of scandium from its fluoride. The process is carried out in an induction furnace in an argon medium in tantalum crucibles. Scandium fluoride is reduced with calcium 1550-1600 ^C, taken with a 10% excess relative to the amount required by the reaction. The resulting molten scandium is collected at the bottom of the crucible. After cooling, the crucible with the melting products is removed from the furnace, the slag is separated from the metal. To reduce scandium tantalum contamination, lithium fluoride is added to the charge, forming a eutectic with slag, and zinc to produce a low-melting alloy of scandium-zinc-calcium.

Содержание металлических примесей в скандии составляет 0,3% [2]
К недостаткам этого способа можно отнести большую продолжительность процесса и связанную с ней высокую степень загрязнения металла материалом тигля. Кроме того, наблюдается низкая стойкость тиглей вследствие механических повреждений при удалении шлаков и в связи с высокой растворимостью тантала в скандии.The content of metallic impurities in scandium is 0.3% [2]
The disadvantages of this method include the long process time and the associated high degree of metal contamination with crucible material. In addition, there is a low resistance of the crucibles due to mechanical damage during the removal of slag and due to the high solubility of tantalum in scandium.

Целью изобретения является повышение производительности процесса, повышение качества металла, увеличение ресурса работы тиглей. The aim of the invention is to increase the productivity of the process, improving the quality of the metal, increasing the life of the crucibles.

Цель достигается тем, что процесс ведут в индукционной печи в танталовом тигле с выдержкой продуктов плавки, с поворотом тигля вокруг горизонтальной оси и сливом в охлаждаемую медную изложницу. The goal is achieved by the fact that the process is conducted in an induction furnace in a tantalum crucible with exposure of the melting products, with the rotation of the crucible around the horizontal axis and the discharge into a cooled copper mold.

Процесс проводят следующим образом. The process is carried out as follows.

В танталовый тигель, зафутерованный в плавильный узел индукционной печи, загружают порцию исходной шихты. Печь вакуумируют и заполняют аргоном. Включается нагрев, температуру в тигле поднимают до 1600^оС в нижней части тигля. При этом в верхней зоне тигля и на сливном носике температуру поддерживают в пределах 1500-1550^оС. Производят выдержку расплавленных продуктов реакции в течение 3-7 мин, после чего плавильный узел вместе с тиглем поворачивают вокруг горизонтальной оси на 100-110^о и производят слив с угловой скоростью 0,17-0,19 радиан/сек в медную водоохлаждаемую изложницу, имеющую форму обратного усеченного конуса, обеспечивающую получение слитка скандия с соотношением диаметра при основании и высоты получаемого слитка 1 1. После слива плавильный узел с тиглем возвращают в исходную позицию, а изложницу перемещают через вакуумный шлюз в буферную камеру, где металл отделяют от шлака, после чего ее возвращают в плавильную камеру на свое место.A portion of the initial charge is loaded into a tantalum crucible lined in a melting unit of an induction furnace. The furnace is evacuated and filled with argon. Included heating temperature in the crucible is raised to 1600 ^C at the bottom of the crucible. In the upper zone of the crucible and the discharge spout temperature is maintained in the range 1500-1550 ° ^C. Produce shutter molten reaction products for 3-7 minutes, after which a melting unit together with the crucible is rotated about a horizontal axis at ^about 100-110 and produce discharge with an angular velocity of 0.17-0.19 radian / s into a water-cooled copper mold having the shape of a reverse truncated cone, providing a scandium ingot with a ratio of the diameter at the base and the height of the obtained ingot 1 1. After draining, the melting unit with the crucible returns They grow to their original position, and the mold is moved through a vacuum lock into the buffer chamber, where the metal is separated from the slag, after which it is returned to the melting chamber in its place.

Из дозагрузочного устройства производят загрузку следующей порции исходной шихты и процесс повторяют. Поддержание температуры в верхней части тигля на уровне 1500-1550^оС позволяет наиболее полно осуществить процесс слива продуктов реакции. Ниже 1500^оС наблюдается заметное образование настылей на сливном носике, образование в шлаке множества неслившихся в слиток капель металла, что уменьшает выход металла в слиток. Превышение температуры 1550^оС в верхней части тигля связано с превышением температуры в тигле 1600^оС, т.е. перегревом расплава, что приводит к большему загрязнению скандия материалом тигля, к большему износу тигля. Поскольку растворимость тантала в жидком скандии неизмеримо растет с температурой (табл. 1).From the pre-loading device, the next portion of the initial charge is loaded and the process is repeated. Maintaining the temperature in the upper part of the crucible at the level of 1500-1550 ^о С allows the most complete implementation of the process of draining the reaction products. Below 1500 ^{° C} a noticeable material buildup at the pouring spout, the formation of slag in a plurality of unfused metal ingot drops, which reduces the yield of metal in the ingot. Exceeding temperatures ^of 1550 C in the upper part of the crucible is related to temperature in the crucible excess ^of 1600 C, e.g. overheating of the melt, which leads to greater contamination of scandium with crucible material, to greater wear of the crucible. Since the solubility of tantalum in liquid scandium increases immeasurably with temperature (Table 1).

Интервал выдержки 3-7 мин необходим для равномерного перегрева всего объема жидкой ванны до заданной температуры. An exposure interval of 3-7 minutes is necessary for uniform overheating of the entire volume of the liquid bath to a predetermined temperature.

Выдержка продуктов плавки менее 3 мин снижает выход металла в слиток из-за образования неслитин и ухудшения тепловых условий при разделении металла и шлака. Exposure of the melting products for less than 3 min reduces the yield of metal in the ingot due to the formation of neslitins and the deterioration of thermal conditions during the separation of metal and slag.

Увеличение выдержки более 7 мин снижает ресурс работы тигля, снижается и выход металла вследствие наблюдающегося испарения металла, увеличивается содержание тантала в скандии (табл. 2). Поворот плавильного узла, а с ним и тигля на угол 100-110^о вокруг горизонтальной оси необходим для полного слива продуктов плавки. Меньший угол поворота не позволяет слить весь расплав, при превышении наблюдается снижение выхода металла в слиток, рост гарнисажа на стенке изложницы. Слив с угловой скоростью 0,17 0,19 радиан/сек позволяет слить максимально без потерь все продукты реакции. Слив с большей скоростью приводит к увеличению потерь металла из-за его разбрызгивания. При сливе с меньшей скоростью снижается выход металла в слиток. Вследствие медленного слива наблюдается захолаживание струи металла, при этом наблюдается рост гарнисажа на сливном носике, ухудшаются тепловые условия для полного разделения металла и шлака в изложнице, что увеличивает количество неслившихся корольков металла в слиток (табл. 3). Предлагаемая форма изложницы в виде обратного усеченного конуса, обеспечивающая получение слитка с соотношением диаметра при основании и высоты 1 1, необходима для создания условий полного разделения металла и шлака.An increase in the exposure time of more than 7 min reduces the crucible's working life, the metal yield also decreases due to the observed metal evaporation, and the content of tantalum in scandium increases (Table 2). The rotation of the melting unit, and with it the crucible at an angle of 100-110 ^about around the horizontal axis, is necessary for the complete discharge of the melting products. A smaller angle of rotation does not allow the entire melt to be drained; when exceeded, a decrease in the yield of metal in the ingot, an increase in the skull on the mold wall are observed. Drain with an angular velocity of 0.17 0.19 rad / s allows you to drain all reaction products as losslessly as possible. Draining at a higher speed leads to an increase in metal loss due to its spatter. When draining at a lower speed, the metal yield in the ingot decreases. Due to the slow discharge, a cooling of the metal stream is observed, while the growth of the skull on the drain nose is observed, the thermal conditions for the complete separation of metal and slag in the mold are worsened, which increases the number of unfilled metal kings in the ingot (Table 3). The proposed form of the mold in the form of a reverse truncated cone, providing an ingot with a ratio of diameter at the base and height of 1 1, is necessary to create conditions for the complete separation of metal and slag.

П р и м е р. В танталовый тигель диаметром 90 мм и высотой 200 мм, установленный в плавильный узел индукционной печи, загружалась шихта, состоящая из фторида скандия 500 г и кальция 315 г, взятого с 5%-ным избытком к стехиометрии, а также для снижения температуры процесса хлористый кальций 150 г. Печь вакуумировалась до 1˙10^-1 мм рт.ст. после чего заполнялась аргоном. Включался нагрев и температура в тигле поднималась до 1600^оС в нижней части тигля. При этом в верхней части тигля и на сливном носике температура составляла 1525^оС. После протекания реакции проводилась выдержка расплава 5 мин, и продукты плавки сливали с угловой скоростью 0,18 радиан/сек в водоохлаждаемую изложницу. После этого изложница перемещалась из плавильной камеры в буферную камеру, где и производилось отделение металла от шлака. Далее изложница возвращалась на свое место, а из дозагрузочного устройства производилась дозагрузка шихты, и процесс повторялся.PRI me R. In a tantalum crucible with a diameter of 90 mm and a height of 200 mm, installed in a melting unit of an induction furnace, a charge consisting of scandium fluoride 500 g and calcium 315 g taken with a 5% excess to stoichiometry was loaded, as well as calcium chloride to reduce the process temperature 150 g. The furnace was evacuated to 1˙10 ^-1 mm Hg. after which it was filled with argon. Comprises heating in a crucible and the temperature was raised to 1600 ^C at the bottom of the crucible. In the upper part of the crucible and the discharge spout temperature was ^about 1525 C. After the reaction was carried out the melt is maintained for 5 min and smelting products were fused with the angular velocity of 0.18 rad / sec in a water-cooled mold. After this, the mold was moved from the melting chamber to the buffer chamber, where metal was separated from the slag. Further, the mold returned to its place, and the charge was reloaded from the loading device, and the process was repeated.

По сравнению с известным способом изобретение позволяет повысить производительность в 5 раз, снизить загрязнение металла материалом тигля, увеличить ресурс работы тигля в 2 раза. (табл. 4). Compared with the known method, the invention allows to increase productivity by 5 times, reduce metal pollution by material of the crucible, increase the life of the crucible by 2 times. (tab. 4).

Способ прошел промышленные испытания и рекомендован к внедрению на ПО ПГМК. The method has passed industrial tests and is recommended for implementation at the PGMK software.

Claims

1. METHOD FOR PRODUCING A METALLIC SCANDIUM, including calcium thermal reduction in a tantalum crucible in an inert atmosphere at 1550 1600 ^° C and phase separation, characterized in that, in order to increase the productivity of the process, improve the quality, increase the life of the crucibles, the molten are exposed before phase separation reaction products 3 7 min, the crucible is rotated around a horizontal axis and the products are poured into a water-cooled mold.

2. The method according to claim 1, characterized in that during recovery, the temperature in the upper part of the crucible and on the drain nose is maintained in the range of 1500 - 1550 ^o C.

3. The method according to PP.1 and 2, characterized in that the crucible is rotated around a horizontal axis by 100 110 ^o .

4. The method according to PP.1,2 and 3, characterized in that the reaction products are discharged with an angular velocity of 0.17 0.19 rad · s.