способ получения сплава металл-фосфор

Формула изобретения

1. Способ получения сплава металл-фосфор, включающий восстановление фосфата металла в атмосфере водорода при нагревании в присутствии соединения этого металла, отличающийся тем, что в качестве фосфата металла и соединения металла соответственно используют фосфат меди и оксид меди, при этом восстановление проводят в две стадии, на первой из которых поддерживают температуру в интервале 300 355^oС до полного восстановления меди, а на второй в интервале 600 800^oС до полного восстановления фосфора и растворения его в меди.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что фосфат меди и оксид меди используют при соотношении 1 0,5 2.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии, в частности к получению сплавов медь-фосфор методом водородного восстановления.

Известен способ получения сплава медь-фосфор, содержащего 7 10 мас. фосфора [1] согласно которому красный фосфор загружают в ковш, в отдельном тигле расплавляют медь и заливают ее в ковш с фосфором, при этом фосфор переходит в газовую фазу и растворяется в расплавленной меди.

Недостатком этого способа является необходимость использования красного фосфора, который является дорогостоящим и экологически опасным продуктом. Значительная часть фосфора, находящегося в газовой фазе, теряется в ходе взаимодействия его с расплавленной медью, что приводит к дополнительным затратам и загрязнению окружающей среды.

Наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению является способ получения фосфида галлия [2] путем восстановления водородом фосфата галлия в интервале температур 750 1100^oC в присутствии элементарного фосфора, фосфида галлия и/или фосфина. Восстановление ведут в турбулентном токе водорода в течение 11 12 ч при расходе водорода 500 1000 л/ч. Добавка фосфора и/или фосфина обеспечивает выход фосфида галлия в сплав Ga-GaP в количестве не ниже 80%

Недостатком способа является присутствие паров фосфора в газовой фазе, что снижает эффективность использования фосфора, низкая скорость его взаимодействия с галлием, что замедляет процесс, а также большой расход водорода. Это ведет к снижению производительности и экономических показателей способа. Восполнение потери фосфора путем использования добавок фосфора и/или фосфина не позволяют получить стехиометрический состав GaP. Кроме того, наличие паров фосфора и фосфина представляет экологическую опасность в случае разгерметизации реакционного объема.

Изобретение направлено на решение задачи повышения эффективности использования фосфора с процессе получения фосфорсодержащих сплавов меди за счет исключения элементарного фосфора из состава газовой фазы при одновременном снижении расхода водорода и увеличении производительности способа. Изобретение позволяет получать сплавы медь-фосфор с различным содержанием фосфора, устранить экологически вредные факторы и улучшить экономические показатели.

Для решения поставленной задачи в рассматриваемом способе получения сплава металл-фосфор, включающем восстановление фосфата металла в атмосфере водорода при повышенной температуре в присутствии соединения металла, в качестве фосфата металла и соединения металла берут соответственно фосфат меди и оксид меди, при этом восстановление ведут в две стадии, на первой из которых температуру поддерживают в интервале 300 355^oC до полного восстановления меди, а на второй в интервале 600 800^oC до полного восстановления фосфора и растворения его в меди.

Решение поставленной задачи обеспечивается и тем, что фосфат меди и оксид меди берут в соотношении 1:0,5-2.

Согласно изобретению процесс восстановления фосфата меди ведут в две стадии, характеризующиеся различным температурным режимом. На первой стадии восстанавливают медь, при этом фосфор в виде его кислот равномерно распределяется на поверхности частиц меди. На второй стадии на поверхности меди восстанавливают фосфор. При этом в пределах выбранного температурного интервала фосфор в газовую фазу не переходит, полностью растворяясь в меди. Это позволяет избежать потерь фосфора, снизить расход водорода и время восстановления и исключить экологическую опасность.

Использование на первой стадии интервала температур 300 355^oC обусловлено тем, что при температуре ниже 300^oC фосфат меди не взаимодействует с водородом. При температуре выше 300^oC имеет место механизм двухстадийного восстановления меди

3CuOP₂O₅+1/2H₂=2CuOP₂O₅+1/2Cu₂O +1/2H₂O

2CuOP₂O₅+1/2H₂=CuOP₂O₅+1/2Cu₂O+1/2H₂O

CuOP₂O₅+1/2H₂=1/2Cu₂O+P₂O₅+1/2H₂O

CuO+1/2H₂=1/2Cu₂O+1/2H₂O

Cu₂O + H₂ 2Cu + H₂O

При этом в интервале 300 355^oC фосфор связывается в кислоты, близкие по составу к метафосфорной кислоте, частицы которых равномерно распределяются на поверхности восстанавливаемой меди. При температуре выше 355^oC фосфор связывается в кислоты, близкие по составу к пирофосфорной кислоте, которые в виде сплошной пленки покрывают частицы восстанавливаемой меди, препятствуя ее полному восстановлению. Кроме того, при температуре выше 355^oC эти кислоты активно испаряются, что приводит к потерям фосфора.

Использование на второй стадии интервала температур 600 800^oC обусловлено тем, что при температуре ниже 600^oC кислоты, близкие по составу к метафосфорной, не взаимодействуют с водородом. В интервале 600 - 800^oC фосфор восстанавливается на поверхности контакта частиц меди и кислоты и растворяется в меди. При температуре выше 800^oC кислоты, близкие по составу к метафосфорной, разлагаются и испаряются, что приводит к потерям фосфора.

Введение в фосфат меди оксида меди в отношении 1:0,5-2 позволяет управлять содержанием фосфора в получаемом сплаве медь-фосфор в пределах от 8 до 14% фосфора.

Сущность и преимущества изобретения могут быть проиллюстрированы следующими примерами:

Пример 1. 250 г фосфата меди и 250 г оксида меди в виде порошка крупностью менее 0,11 мм помещают в электрическую печь и восстанавливают в атмосфере водорода в две стадии. На первой стадии процесс ведут при 300^oC в течение 60 мин с расходом водорода 5,5 л/мин, а на второй при 600^oC в течение 240 мин с расходом водорода 2,5 л/мин. Полученный продукт имеет вид спеченной губки и представляет собой сплав медь-фосфор с содержанием фосфора 10,8%

Пример 2. 340 г фосфата меди и 170 г оксида меди в виде порошка крупностью менее 0,1 мм помещают в электрическую печь и восстанавливают в атмосфере водорода в две стадии. На первой стадии процесс ведут при 355^oC в течение 50 мин с расходом водорода 5,5 л/мин, а на второй при 800^oC в течение 220 мин с расходом водорода 2,5 л/мин. Полученный продукт имеет вид монолитного слитка и представляет собой сплав медь-фосфор с содержанием фосфора 13,6%

Пример 3. 170 г фосфата меди и 340 г оксида меди в виде порошка крупностью менее 0,1 мм помещают в электрическую печь и восстанавливают в атмосфере водорода в две стадии. На первой стадии процесс ведут при 320^oC в течение 40 мин с расходом водорода 5,5 л/мин, а на второй при 700^oC в течение 190 мин с расходом водорода 2,5 л/мин. Продукт имеет вид спеченной губки, содержание фосфора в нем составляет 8,0%

Материальный баланс по фосфору для Примеров 1-3 свидетельствует о том, что количество фосфора в конечном сплаве равно количеству фосфора в исходном фосфате меди. Анализ воды продукта реакции восстановления показал отсутствие растворенных соединений фосфора.

Как видно из приведенных примеров, предлагаемый способ позволяет получить сплав меди с фосфором, концентрация которого в сплаве зависит от соотношения между фосфатом и оксидом меди и составляет 8 14 мас. Расход водорода и длительность процесса снижены по сравнению с прототипом. Элементарный фосфор в газовой фазе отсутствует, что повышает эффективность его использования и устраняет опасность загрязнения окружающей среды.