СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF METALS RECEIVING AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

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.
298K
4,2K
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 (R/R) 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. NiCl<sub>2</sub>,
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
298К
4,2K
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 (R/R) кристаллов никеля, полученных по предлагаемому способу, составляет 4000, что превосходит известные мировые результаты.
Пример 3.
298К
4,2K
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 (R/R) 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.