способ получения сплавов на основе редкоземельных металлов, скандия и иттрия

Формула изобретения

Способ получения сплавов на основе редкоземельных металлов, скандия и иттрия, включающий металлотермическое восстановление их галогенидов в атмосфере инертного газа при активном перемешивании в присутствии легирующих компонентов в чистом виде и флюсов, отличающийся тем, что восстановление ведут в индукционной печи с тиглем, прозрачным для электромагнитного поля, путем раздельного расплавления металла-восстановителя и смеси восстанавливаемого соединения с легирующими компонентами и флюсами и проведения реакции в жидкой фазе, а после восстановления продукты плавки выдерживают в расплавленном состоянии при электромагнитном перемешивании 0,5 20 мин, кристаллизуют и охлаждают.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии редких металлов и сплавов на их основе, в частности к получению компактных слитков методом металлотермии.

Металлотермические процессы занимают одно из ведущих мест в металлургии редких металлов. В большинстве случае основной целью металлотермических процессов является получение металла или гомогенного сплава в виде компактного слитка. Если выделяющегося в результате металлотермической реакции тепла недостаточно для расплавления продуктов плавки и образования компактных слитков, то необходимо вводить дополнительное тепло. Основными способами, позволяющими получать восстановленный металл или сплав на его основе в компактной форме при недостатке тепла металлотермической реакции, являются предварительный нагрев исходной шихты [пат. США 3537844] или подвод тепла к продуктам плавки от внешнего источника [заявка Японии N 63157823 от 22.12.86]

Наиболее близким к предлагаемому является способ получения сплавов РЗМ [1] согласно которому металлотермическое восстановление галогенидов РЗМ ведут в присутствии легирующих компонентов и флюсов в нейтральной газовой среде при активном перемешивании со скоростью 300 об/мин в течение 1 ч в огнеупоpном реакторе.

Недостатками данного способа являются: применение специального механического перемешивающего устройства, погружаемого в расплав, содержащий хлориды и являющийся весьма агрессивным, что приводит к коррозии перемешивающего устройства и загрязнению получаемого сплава; длительная (1 ч ) выдержка продуктов плавки в расплавленном состоянии, что сопровождается значительным расходом электроэнергии.

Цель изобретения создание способа получения компактных слитков сплавов на основе РЗМ, Y и SO, который является менее энергоемким, более производительным и не требует применения специального перемешивающего устройства, контактирующего с расплавом.

Сущность изобретения заключается в такой организации процесса, при которой нагревание исходных компонентов шихты позволяет повысить их теплосодержание до такого уровня, когда выделяющегося в результате металлотермической реакции тепла будет достаточно для получения не только чистого РЗМ в виде компактного слитка, но и гомогенных сплавов с другими элементами, загружаемыми в реакционный тигель в чистом виде. Источником энергии для нагревания исходных компонентов и перемешивания расплава служит электромагнитное поле.

Отличительными признаками настоящего изобретения, определяющего его новизну, являются: раздельное расплавление монолитного металла восстановителя и смеси восстанавливаемого галогенида с легирующими металлами и флюсами в индукционной печи с тиглем, прозрачным для электромагнитного поля, смешение расплавов и проведение реакции восстановления в жидкой фазе, выдержка продуктов плавки в расплавленном состоянии при электромагнитном перемешивании в течение 0,5-20 мин.

Эффективность раздельного расплавления металла восстановителя и восстанавливаемого соединения и последующего смешения расплавов позволяет достичь более высокой температуры смеси, чем это имеет место при их совместном нагревании. Так, максимальная температура, достигаемая при нагревании смеси фторида РЗМ с кальцием, совпадает с температурой плавления кальция, поскольку при появлении жидкого кальция реакция восстановления переходит в режим горения. Выделяющегося при этом тепла недостаточно для расплавления образующихся продуктов плавки и получения металла в виде компактного слитка. Тем более этого тепла не будет достаточно при введении в реакционный тигель легирующих компонентов, которые являются тепловым балластом.

Если же кальций и фториды РЗМ, температуры плавления которых лежат в интервале 1227-1427^оС, расплавлять раздельно, а потом смешать, то температура смеси будет выше, чем температура плавления кальция. Следовательно, будет достигнута и более высокая температура металлотермической реакции. Как показали термодинамические расчеты, при такой организации процесса выделяющегося тепла достаточно не только для получения чистых РЗМ, но и сплавов на их на основе при введении легирующих компонентов в чистом виде в количестве до 40% от массы сплава.

Применение индукционного нагрева и тигля, прозрачного для электромагнитного поля, позволяют проводить и расплавление компонентов, а также электромагнитное перемешивание реакционной смеси без введения в расплав механических перемешивающих устройств, что значительно упрощает технологический процесс и исключает загрязнение получаемого сплава материалом перемешивающего устройства.

Поскольку реакционная смесь не готовится перед или в процессе загрузки в тигель, то нет необходимости измельчать металл-восстановитель, но наиболее целесообразно применять его в монолитной форме. При этом значительно увеличивается разовая загрузка в тигель и повышается производительность оборудования.

Легирующие компоненты и флюсы наиболее целесообразно смешивать с исходными галогенидами, поскольку при введении их в металл восстановитель резко снижается активность последнего и не достигается полноты протекания реакции восстановления.

Нижний предел времени выдержки продуктов реакции восстановления в расплавленном состоянии обусловлен тем, что дальнейшее его уменьшение не обеспечивает достаточно полного разделения продуктов плавки.

Верхний предел не приводит к сколько-либо значительному возрастанию выхода в слиток.

П р и м е р 1. Процесс получения сплава неодим железо бор с содержанием железа 30 мас. и бора 1 мас. методом кальциетермического восстановления проводили в индукционной печи с медным разрезным водоохлаждаемым (холодным) тиглем диаметром 100 мм. Слиток кальция цилиндрической формы массой 380 г устанавливали на медный водоохлаждаемый поддон. Сверху подвешивали танталовый диск диаметром 98 мм, толщиной 10 мм, с отверстиями диаметром 6 мм, на который засыпалась шихта, состоявшая из смеси фторида неодима массой 1120 г, порошка железа массой 350 г и порошка бора массой 12 г. Индукционный нагрев проводили на мощности 40 кВт в течение 4,5 мин для расплавления кальция. Затем мощность поднимали до 180 кВт, фторид неодима расплавлялся, стекал через отверстия в диске и реагировал с расплавом кальция. После окончания металлотермической реакции продукты выдерживали в расплавленном состоянии при электромагнитном перемешивании 2 мин на мощности 180 кВт. Выход в слиток составил 97,8 мас.

П р и м е р 2. Процесс получения сплава скандий цинк с содержанием последнего 15 мас. методом восстановления фторида скандия кальцием проводили в той же установке. Масса слитка кальция составляла 430 г, шихта состояла из 700 г фторида скандия, 250 г безводного хлорида кальция и 55 г стружки цинка. Продукты выдерживали в расплавленном состоянии 7 мин. Выход в слиток составил 97,3 мас.

П р и м е р 3. Аналогично опытам 1 и 2 проводили процесс получения сплава иттрий магний с содержанием последнего 24 мас. методом восстановления фторида иттрия кальцием. Масса слитка кальция составляла 430 г, шихта состояла из 1000 г фторида иттрия, 250 г безводного хлорида кальция и 190 г магния. Продукты выдерживали в расплавленном состоянии 5 мин. Выход в слиток составил 98,5 мас.