RU2499848C2 - Plasma-carbon production method of rare-earth metals, and device for its implementation - Google Patents
Plasma-carbon production method of rare-earth metals, and device for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2499848C2 RU2499848C2 RU2011137921/02A RU2011137921A RU2499848C2 RU 2499848 C2 RU2499848 C2 RU 2499848C2 RU 2011137921/02 A RU2011137921/02 A RU 2011137921/02A RU 2011137921 A RU2011137921 A RU 2011137921A RU 2499848 C2 RU2499848 C2 RU 2499848C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- rare
- carbide
- metal
- earth metal
- anode
- Prior art date
Links
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 40
- 150000002910 rare earth metals Chemical class 0.000 title claims abstract description 36
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 16
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title description 14
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 29
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 29
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 19
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 19
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 17
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 14
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 9
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims abstract description 9
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 claims abstract description 9
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 8
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims abstract description 7
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims abstract description 7
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims abstract description 6
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 6
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 4
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 claims abstract description 4
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims abstract description 4
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 4
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- 239000003870 refractory metal Substances 0.000 claims description 14
- -1 But Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 229910052779 Neodymium Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 8
- 229910052684 Cerium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052692 Dysprosium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052691 Erbium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052688 Gadolinium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052765 Lutetium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052777 Praseodymium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052771 Terbium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 238000009835 boiling Methods 0.000 claims description 4
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 4
- 229910052746 lanthanum Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 4
- 229910052706 scandium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 3
- 229910052689 Holmium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 238000000988 reflection electron microscopy Methods 0.000 claims 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 7
- 238000000605 extraction Methods 0.000 abstract description 4
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 abstract description 4
- 239000000956 alloy Substances 0.000 abstract description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 238000002844 melting Methods 0.000 abstract 5
- 230000000712 assembly Effects 0.000 abstract 1
- 238000000429 assembly Methods 0.000 abstract 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 16
- 239000000047 product Substances 0.000 description 10
- 150000001247 metal acetylides Chemical class 0.000 description 7
- QEFYFXOXNSNQGX-UHFFFAOYSA-N neodymium atom Chemical compound [Nd] QEFYFXOXNSNQGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 239000002893 slag Substances 0.000 description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N Chlorine atom Chemical compound [Cl] ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- PXGOKWXKJXAPGV-UHFFFAOYSA-N Fluorine Chemical compound FF PXGOKWXKJXAPGV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 description 3
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 3
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 3
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 3
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical class [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 2
- 239000003638 chemical reducing agent Substances 0.000 description 2
- 238000003912 environmental pollution Methods 0.000 description 2
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 230000026030 halogenation Effects 0.000 description 2
- 238000005658 halogenation reaction Methods 0.000 description 2
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 2
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 2
- 238000007670 refining Methods 0.000 description 2
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 description 2
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 2
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical class Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000001206 Neodymium Chemical class 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000006230 acetylene black Substances 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 150000007513 acids Chemical class 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002090 carbon oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- GWXLDORMOJMVQZ-UHFFFAOYSA-N cerium Chemical compound [Ce] GWXLDORMOJMVQZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000001805 chlorine compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000004821 distillation Methods 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- KBQHZAAAGSGFKK-UHFFFAOYSA-N dysprosium atom Chemical compound [Dy] KBQHZAAAGSGFKK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- UYAHIZSMUZPPFV-UHFFFAOYSA-N erbium Chemical compound [Er] UYAHIZSMUZPPFV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 150000002222 fluorine compounds Chemical class 0.000 description 1
- UIWYJDYFSGRHKR-UHFFFAOYSA-N gadolinium atom Chemical compound [Gd] UIWYJDYFSGRHKR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- KJZYNXUDTRRSPN-UHFFFAOYSA-N holmium atom Chemical compound [Ho] KJZYNXUDTRRSPN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 235000011167 hydrochloric acid Nutrition 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N lanthanum atom Chemical compound [La] FZLIPJUXYLNCLC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OHSVLFRHMCKCQY-UHFFFAOYSA-N lutetium atom Chemical compound [Lu] OHSVLFRHMCKCQY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 1
- PUDIUYLPXJFUGB-UHFFFAOYSA-N praseodymium atom Chemical compound [Pr] PUDIUYLPXJFUGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001404 rare earth metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- SIXSYDAISGFNSX-UHFFFAOYSA-N scandium atom Chemical compound [Sc] SIXSYDAISGFNSX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 239000012265 solid product Substances 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- GZCRRIHWUXGPOV-UHFFFAOYSA-N terbium atom Chemical compound [Tb] GZCRRIHWUXGPOV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 1
- UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N tungsten carbide Chemical compound [W+]#[C-] UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000012808 vapor phase Substances 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N yttrium atom Chemical compound [Y] VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P10/00—Technologies related to metal processing
- Y02P10/20—Recycling
Landscapes
- Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к металлургии, в частности к получению редкоземельных металлов III группы периодической системы элементов, в том числе скандия (Sc), иттрия (Y), лантана (La), церия (Се), празеодима (Pr), неодима (Nd), гадолиния (Gd), тербия (Tb), диспрозия (Dy), гольмия (Но), эрбия (Er), лютеция (Lu). Указанную группу редкоземельных элементов объединяет общая химическая аналогия всех двенадцати металлов, высокая химическая активность и близкая температура их кипения (Tk>2500°С).The invention relates to metallurgy, in particular to the production of rare-earth metals of group III of the periodic system of elements, including scandium (Sc), yttrium (Y), lanthanum (La), cerium (Ce), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), gadolinium (Gd), terbium (Tb), dysprosium (Dy), holmium (Ho), erbium (Er), lutetium (Lu). The indicated group of rare-earth elements is united by a common chemical analogy of all twelve metals, high chemical activity and close boiling point (T k > 2500 ° C).
Из существующего уровня техники известен способ получения рассматриваемых редкоземельных металлов из оксидных соединений (см. Металлургия редких металлов. Зеликман А.Н., Крейн О.Е., Самсонов Г.В. / М.: «Металлургия», 1978. 560 с. Стр.529-540), состоящий из следующих операций:From the existing level of technology there is a known method for producing the considered rare-earth metals from oxide compounds (see Metallurgy of rare metals. Zelikman AN, Krein O.E., Samsonov GV / M .: Metallurgy, 1978. 560 p. Page 529-540), consisting of the following operations:
1. Галогенирование оксидов газообразным фтором, хлором или растворами плавиковой и соляной кислот. Фильтрация и сушка полученных галоидных солей.1. Halogenation of oxides by gaseous fluorine, chlorine or solutions of hydrofluoric and hydrochloric acids. Filtration and drying of the obtained halide salts.
2. Смешение сухих порошков галоидных солей со стружкой металлов-восстановителей, например, Mg, Na или Са.2. Mixing dry powders of halide salts with shavings of metal reducing agents, for example, Mg, Na or Ca.
3. Нагрев полученной шихты до температур начала активного металлотермического восстановления галоидных солей (Тнагрева≥1000°С) и выдержка реагирующей массы при этой температуре без доступа воздуха до прекращения всех реакций.3. Heating the resulting mixture to the temperatures of the onset of active metallothermal reduction of halide salts ( heating T ≥1000 ° C) and holding the reacting mass at this temperature without air until all reactions cease.
4. Охлаждение прореагировавшей массы и отделение восстановленного металла от шлака.4. Cooling the reacted mass and separating the reduced metal from the slag.
5. Двойной рафинирующий переплав восстановленных металлов под вакуумом для очистки их от шлаков и примесей металлов-восстановителей.5. Double refining remelting of reduced metals under vacuum to remove them from slags and impurities of reducing metals.
6. Переработка шлаков для выделения редкоземельных металлов.6. Slag processing for the separation of rare earth metals.
Недостатками известного способа, на устранение которых направлено наше предлагаемое изобретение, являются:The disadvantages of this method, the elimination of which is directed by our proposed invention, are:
1. Низкий выход получаемых продуктов, так как при металлотермических процессах до 20% продукта остается в шлаках.1. Low yield of the products obtained, since during metallothermal processes up to 20% of the product remains in the slag.
2. Производственная вредность и загрязнение окружающей среды фтором, хлором или кислотами при галогенировании оксидов.2. Industrial hazards and environmental pollution by fluorine, chlorine or acids during the halogenation of oxides.
3. Высокая себестоимость производства, так как восстановители получают электролизом расплавленных фторидов и хлоридов; при этом окружающая среда загрязняется фтором или хлором; необходимость двойного рафинирующего переплава для получения чистых металлов.3. The high cost of production, since reducing agents are obtained by electrolysis of molten fluorides and chlorides; while the environment is polluted by fluorine or chlorine; the need for double refining to produce pure metals.
4. Наличие в металлах-восстановителях, хотя и незначительных, но все же неизбежных примесей, которые при восстановлении переходят в получаемые редкоземельные металлы.4. The presence in reducing metals, although insignificant, but nevertheless inevitable impurities, which during reduction go into the resulting rare-earth metals.
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в создании устройства и разработке способа для получения чистых редкоземельных металлов путем углетермического восстановления их оксидных соединений с получением полупродукта в виде карбидов редкоземельных металлов, не содержащих остатков невосстановленных оксидов.The problem to which the claimed technical solution is directed is to create a device and develop a method for producing pure rare-earth metals by carbon thermal reduction of their oxide compounds to obtain an intermediate in the form of rare-earth metal carbides that do not contain residues of unreduced oxides.
Данная задача решается за счет того, что при осуществлении заявляемого способа получения редкоземельных металлов Sc, Y, La, Се, Pr, Nd, Gd, Tb, Dy, Но, Er, Lu, кипящих при температуре более 2500°С, путем углетермического восстановления их оксидных соединений с получением карбидов перечисленных металлов, не содержащих кислорода; в последующем, для дистилляционного выделения восстановленных редкоземельных металлов из карбидов и получения этих металлов в чистом виде порошки карбидов после охлаждения смешивают с порошками тугоплавких металлов в соотношении, необходимом и достаточном для протекания обменных реакций между карбидами редкоземельных металлов и тугоплавкими металлами, и нагревают до ≥1800°С для проведения обменных реакций с получением карбидов тугоплавких металлов и испарения получаемых чистых редкоземельных металлов с последующей конденсацией паров на конденсаторах; в результате за одну электротермическую операцию получают два товарных продукта: чистый редкоземельный металл и карбид тугоплавкого металла, а в качестве тугоплавких металлов для осуществления обменных реакций используют порошки металлов, например, порошки металлического вольфрама (W); процесс ведут в устройстве, содержащем вакуумную камеру с водоохдаждаемыми наружными стенками, вакуумную систему, катодный и анодный узлы, размещенные концентрически в камере, соосные с ними паропровод и конденсатор-холодильник, используемый для сбора испаряемых металлов; согласно изобретению, внутренний электрод является анодом сильноточного вакуумного плазменного разряда, горящего в кольцевой разрядной полости, образованной соосными цилиндрическими электродами, причем анод изготовлен из тугоплавкого электропроводного материала в виде стакана (тигля), в котором размещается вся технологическая загрузка, а окружающий его тонкостенный катод выполнен также из тугоплавкого электропроводного материала, например, вольфрама, тантала или графита, для запуска электропечи вокруг катода установлены нагреватели сопротивления.This problem is solved due to the fact that when implementing the inventive method for producing rare earth metals Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Gd, Tb, Dy, But, Er, Lu, boiling at a temperature of more than 2500 ° C, by carbon thermal reduction their oxide compounds to produce carbides of the listed metals that do not contain oxygen; subsequently, for distillation of the reduced rare-earth metals from carbides and obtaining these metals in pure form, carbide powders after cooling are mixed with refractory metal powders in a ratio necessary and sufficient for exchange reactions between rare-earth carbides and refractory metals to occur and heated to ≥1800 ° С for exchange reactions to produce carbides of refractory metals and evaporation of the resulting pure rare-earth metals, followed by condensation of ditch on capacitors; as a result, two commodity products are obtained in one electrothermal operation: pure rare-earth metal and refractory metal carbide, and metal powders, for example, tungsten metal (W) powders, are used as refractory metals to carry out exchange reactions; the process is carried out in a device containing a vacuum chamber with water-cooled outer walls, a vacuum system, cathode and anode nodes placed concentrically in the chamber, a steam pipe coaxial with them, and a condenser-cooler used to collect evaporated metals; according to the invention, the internal electrode is the anode of a high-current vacuum plasma discharge burning in an annular discharge cavity formed by coaxial cylindrical electrodes, the anode made of a refractory electrically conductive material in the form of a glass (crucible), in which the entire process charge is placed, and the thin-walled cathode surrounding it is made also from refractory electrically conductive material, for example, tungsten, tantalum or graphite, heaters are installed to start the electric furnace around the cathode whether resistance.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков заявленного способа и устройства, является повышение извлечения основного продукта из исходных материалов, создание безотходного производства с минимальным загрязнением окружающей среды, получение чистых и сверхчистых металлов, снижение себестоимости получения редкоземельных металлов.The technical result provided by the above set of features of the claimed method and device is to increase the extraction of the main product from the starting materials, the creation of non-waste production with minimal environmental pollution, obtaining pure and ultrapure metals, reducing the cost of obtaining rare earth metals.
Технический результат достигается тем, что чистые редкоземельные металлы получают путем углетермического восстановления их оксидных соединений с получением полупродукта в виде карбидов редкоземельных металлов, не содержащих остатков невосстановленных оксидов, полупродукт смешивают с порошком тугоплавких металлов для обеспечения обменной реакции:The technical result is achieved by the fact that pure rare-earth metals are obtained by carbon thermal reduction of their oxide compounds to obtain an intermediate in the form of carbides of rare-earth metals that do not contain residues of unreduced oxides, the intermediate is mixed with a powder of refractory metals to ensure an exchange reaction:
после которой редкоземельный металл испаряется, передается по паропроводу в область установки конденсатора и конденсируется, а карбид тугоплавкого металла (например, W) в порошковом виде остается в тигле электропечи. Извлечение ценных редкоземельных металлов возрастает с 80% по известной технологии до 95% и более с использованием заявляемого способа получения продуктов. Сокращается технологический цикл получения металлов, исключаются операции переработки шлаков для извлечения из них редкоземельных металлов, а также использование токсичных материалов.after which the rare-earth metal evaporates, is transferred through the steam line to the condenser installation area and condenses, and the carbide of the refractory metal (for example, W) remains in powder form in the crucible of the electric furnace. Extraction of valuable rare-earth metals increases from 80% by known technology to 95% or more using the proposed method for producing products. The metal production cycle is reduced, slag processing operations to extract rare earth metals, and the use of toxic materials are excluded.
Технический результат достигается также тем, что заявляемое устройство для реализации способа имеет катодно-анодный узел, обеспечивающий нагрев тигля-анода за счет сильноточного вакуумного плазменного разряда, горящего в кольцевой полости, образованной цилиндрическими электродами, внутренний электрод выполнен в виде стакана (тигля), в который помещается перерабатываемая исходная смесь: МеС2+W; смесь нагревается до температуры Т≥1800°С и проводится реакция замещения.The technical result is also achieved by the fact that the claimed device for implementing the method has a cathode-anode assembly providing heating of the crucible-anode due to a high-current vacuum plasma discharge burning in an annular cavity formed by cylindrical electrodes, the inner electrode is made in the form of a glass (crucible), which is placed the processed feed mixture: MeC 2 + W; the mixture is heated to a temperature of T≥1800 ° C and a substitution reaction is carried out.
Предлагаемый плазменно-углеродный способ получения перечисленных выше металлов состоит из следующих операций:The proposed plasma-carbon method for producing the above metals consists of the following operations:
1. Смешивание порошкообразных оксидов редкоземельных металлов с углеродсодержащим компонентом, например, с ацетиленовой сажей. Количество углеродсодержащего компонента берется по расчету от стехиометрии для проведения углетермического восстановления оксида металла и связывания восстановленного металла в наиболее прочный карбид, например, неодима, т.е. в двойной карбид неодима (NdC2). При этом соотношение исходных компонентов для плазменно-углеродного процесса получения металлического неодима рассчитывается по реакции:1. Mixing powdered rare earth oxides with a carbon-containing component, for example, acetylene black. The amount of the carbon-containing component is taken from the calculation of stoichiometry for carrying out carbon thermal reduction of the metal oxide and binding of the reduced metal to the most durable carbide, for example, neodymium, i.e. double neodymium carbide (NdC 2 ). The ratio of the starting components for the plasma-carbon process for producing metallic neodymium is calculated by the reaction:
Одиннадцать указанных выше металлов являются химическими аналогами неодима, входящими в III группу периодической системы элементов. Приведенные выше для неодима реакция и формулы будут идентичны для всех остальных - только с неизбежной заменой химических обозначений самих металлов и соответствующих атомных постоянных.Eleven of the above metals are chemical analogues of neodymium, included in group III of the periodic system of elements. The reaction and formulas given above for neodymium will be identical for all the others - only with the inevitable replacement of the chemical designations of the metals themselves and the corresponding atomic constants.
2. Нагрев шихты без доступа воздуха до температуры более 2000°С с откачкой выделяющихся при восстановлении оксидов углерода и получением порошков чистых карбидов. Связывание восстанавливаемых металлов углеродом является тем необходимым условием, выполнение которого, наряду с высокой температурой нагрева и применением вакуума, обеспечивает успех нового технического решения для получения редкоземельных металлов, то есть получение в конечном итоге веществ, не содержащих кислород, исключая экологически вредные операции металлотермического восстановления. Положительный результат обеспечивается в силу двух обстоятельств физико-химического характера. Во-первых, избыток любого реагента (в данном случае, углерода, см. реакцию (2)) способствует протеканию процессов в направлении расхода этого реагента и выделения СО. Но это сугубо количественная закономерность «действующих масс» многократно усиливается, если избыток углерода связывает восстановленный металл в прочное соединение, например, NdC2. В этом случае образование прочных карбидов по реакциям типа (2) обеспечивает конечный успех, так как только в этом случае удается удержать восстанавливаемые металлы в конденсированной фазе и предотвратить их испарение при температурах, необходимых для протекания восстановления, освободив конденсированную систему от кислорода.2. Heating the mixture without air access to a temperature of more than 2000 ° C with evacuation of carbon oxides released during reduction and obtaining pure carbides powders. The bonding of the reduced metals with carbon is the necessary condition, the fulfillment of which, along with a high heating temperature and the use of vacuum, ensures the success of a new technical solution for the production of rare-earth metals, that is, ultimately obtaining oxygen-free substances, excluding environmentally harmful metallothermic reduction operations. A positive result is provided due to two circumstances of a physico-chemical nature. Firstly, an excess of any reagent (in this case, carbon, see reaction (2)) contributes to the processes in the direction of consumption of this reagent and the release of CO. But this purely quantitative regularity of the "acting masses" is greatly enhanced if an excess of carbon binds the reduced metal to a strong compound, for example, NdC 2 . In this case, the formation of strong carbides by reactions of the type (2) ensures ultimate success, since only in this case it is possible to keep the metals being reduced in the condensed phase and prevent their evaporation at temperatures necessary for the reduction to take place, freeing the condensed system from oxygen.
3. Охлаждение полученных порошков карбидов редкоземельных металлов и смешивание их с порошками чистых тугоплавких металлов в соотношении, обеспечивающим при нагреве до температуры Т≥1800°С протекание обменной реакции на примере неодима по типу реакции (I):3. Cooling the obtained powders of rare-earth metal carbides and mixing them with powders of pure refractory metals in a ratio that, when heated to a temperature of T≥1800 ° C, the exchange reaction proceeds using the example of neodymium according to the type of reaction (I):
Обменная реакция (3) записана при использовании тугоплавкого металла -вольфрама, так как получаемые продукты (конденсат Nd и WC) являются твердыми продуктами, которые имеют широкое применение в промышленности: неодим как основа новых магнитных материалов (Nd-F-B), карбид вольфрама как основа твердых сплавов, имеющих широкое применение при механической обработке металлов. Получение их одновременно за одну технологическую операцию является важным признаком существенного отличия, определяющим преимущества нового технического решения.The exchange reaction (3) was recorded using a refractory tungsten metal, since the products obtained (Nd condensate and WC) are solid products that are widely used in industry: neodymium as the basis of new magnetic materials (Nd-FB), tungsten carbide as the basis hard alloys, which are widely used in the machining of metals. Obtaining them simultaneously in one technological operation is an important sign of a significant difference that determines the advantages of a new technical solution.
Техническая сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежом, на котором изображено устройство, позволяющее реализовать предлагаемый плазменно-углеродный способ получения редкоземельных металлов.The technical nature of the proposed technical solution is illustrated by the drawing, which shows a device that allows you to implement the proposed plasma-carbon method for producing rare earth metals.
Вакуумная электропечь с объемным плазменным разрядом содержит конденсатор 1, в котором формируется наращиваемый конденсат 2, вакуумную камеру 3, паропровод 4, экранную теплоизоляцию 5, катод 6, тигель-анод 7, разрядную полость 8, катододержатель 10, анододержатель 11, изолирующую засыпку 12, токоподводы 13, изолятор-уплотнитель 14, пусковые нагреватели сопротивления 15. Электропечь комплектуется типовой вакуумной системой, обеспечивающей рабочее давление в вакуумной камере до 1·10-3 мм рт.ст.A vacuum electric furnace with a volume plasma discharge contains a capacitor 1, in which an accumulating condensate 2, a vacuum chamber 3, a steam pipe 4, a screen insulation 5, a cathode 6, a crucible anode 7, a discharge cavity 8, a cathode holder 10, an anode holder 11, an insulating charge 12, are formed current leads 13, insulator-seal 14, starting resistance heaters 15. The electric furnace is equipped with a typical vacuum system that provides operating pressure in the vacuum chamber up to 1 · 10 -3 mm RT.article
Тигель-анод 7 изготавливается из графита, тантала или вольфрама и устанавливается по оси печи. В тигель загружается сыпучая или таблетированная шихта 9. Соосно с тиглем-анодом с зазором 10-15 мм устанавливается катод 6, изготовленный из графита, тантала или вольфрама. Снаружи катода по периметру располагаются графитовые стержневые нагреватели, обеспечивающие нагрев катода до температуры 1900°С, при которой зажигается объемный плазменный разряд между катодом и тиглем-анодом. После зажигания разряда нагреватели сопротивления отключаются. Коаксиально рассматриваемой системе снаружи нагревателей сопротивления устанавливаются отражательные экраны, выполненные из графита, тантала, вольфрама и жаропрочной стали. Конденсатор электропечи 7, установленный соосно с тиглем-анодом 7, охлаждается водой или воздухом, обеспечивая на поверхности конденсации температуру ниже конденсации паров редкоземельных металлов.The crucible anode 7 is made of graphite, tantalum or tungsten and is installed along the axis of the furnace. A bulk or tableted charge 9 is loaded into the crucible. A cathode 6 made of graphite, tantalum or tungsten is installed coaxially with the crucible-anode with a gap of 10-15 mm. Outside the cathode, graphite rod heaters are located around the perimeter, heating the cathode to a temperature of 1900 ° C, at which a volumetric plasma discharge is ignited between the cathode and the crucible anode. After ignition of the discharge, the resistance heaters are turned off. Coaxially considered system outside the resistance heaters are installed reflective screens made of graphite, tantalum, tungsten and heat-resistant steel. The electric furnace condenser 7, mounted coaxially with the crucible anode 7, is cooled by water or air, providing a temperature below the condensation of rare earth vapor on the surface of the condensation.
Прямыми экспериментами было установлено, что разработанная система нагрева обладает высоким энергетическим КПД и в тигле-аноде, где находится шихта, достигаются и поддерживаются горячим объемным плазменным разрядом температуры, необходимые для осуществления реакции (1) или (3). В разрядную полость между тиглем-анодом и катодом подается аргон, в атмосфере которого горит объемный кольцевой вакуумный плазменный разряд при питании электрической цепи постоянным током (напряжение до 60 В, рабочий ток до 7000 А). При этом шихта, находящаяся в тигле-аноде, нагревается и в ней протекает реакция (3) с выделением продукта (редкоземельного металла) в паровой фазе. Пары металла по паропроводу 4 поступают на охлаждаемую поверхность конденсатора, конденсируются в твердую фазу и формируют получаемый продукт. В тигле-аноде в твердой фазе остается второй продукт технологии - карбид вольфрама.By direct experiments it was found that the developed heating system has a high energy efficiency and that in the crucible anode where the charge is located, the temperatures necessary for the implementation of reaction (1) or (3) are achieved and maintained by a hot volume plasma discharge. Argon is supplied into the discharge cavity between the crucible anode and cathode, in the atmosphere of which a volumetric ring vacuum plasma discharge is lit when the electric circuit is supplied with direct current (voltage up to 60 V, operating current up to 7000 A). In this case, the charge located in the crucible anode is heated and reaction (3) proceeds in it with the release of the product (rare-earth metal) in the vapor phase. The metal vapor through the steam line 4 enters the cooled surface of the condenser, condenses into a solid phase and forms the resulting product. In the crucible anode, the second product of the technology remains in the solid phase - tungsten carbide.
Предлагаемый способ и устройство для его осуществления обладают следующими преимуществами:The proposed method and device for its implementation have the following advantages:
1. Новый способ получения редкоземельных металлов является безотходной технологией, исключающей выбросы в окружающую среду вредных компонентов. Моноксид углерода, выделяющийся при переводе оксида металлов в карбид (см. реакцию (2)), легко дожигается до диоксида углерода на выходе из печей.1. A new method for producing rare-earth metals is a non-waste technology that excludes emissions of harmful components into the environment. Carbon monoxide released during the conversion of metal oxide to carbide (see reaction (2)) easily burns to carbon dioxide at the outlet of the furnaces.
2. Прямой выход и извлечение редкоземельных металлов из их оксидов возрастает с 80% по известной технологии до 95% и более по предлагаемой.2. The direct yield and extraction of rare earth metals from their oxides increases from 80% according to the known technology to 95% or more according to the proposed one.
3. Сокращается количество технологических переделов и устраняются операции с переработкой шлаков для извлечения из них редкоземельных металлов.3. The number of technological conversions is reduced and slag processing operations to extract rare earth metals from them are eliminated.
4. За счет сопряженного и совместного получения двух товарных продуктов: конденсатов редкоземельных металлов и карбидов тугоплавких металлов существенно снижается удельный расход электроэнергии и другие эксплуатационные расходы, характерные для многостадийных способов получения редкоземельных металлов.4. Due to the conjugate and joint production of two marketable products: condensates of rare-earth metals and carbides of refractory metals, the specific consumption of electricity and other operating costs that are characteristic of multistage methods for producing rare-earth metals are significantly reduced.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011137921/02A RU2499848C2 (en) | 2011-09-14 | 2011-09-14 | Plasma-carbon production method of rare-earth metals, and device for its implementation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011137921/02A RU2499848C2 (en) | 2011-09-14 | 2011-09-14 | Plasma-carbon production method of rare-earth metals, and device for its implementation |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2011137921A RU2011137921A (en) | 2013-03-20 |
| RU2499848C2 true RU2499848C2 (en) | 2013-11-27 |
Family
ID=49123500
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011137921/02A RU2499848C2 (en) | 2011-09-14 | 2011-09-14 | Plasma-carbon production method of rare-earth metals, and device for its implementation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2499848C2 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2603931C1 (en) * | 2015-06-16 | 2016-12-10 | Общество с ограниченной ответственностью "НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ ВакЭТО" (ООО НПП ВакЭТО) | Method of producing addition alloys for permanent magnets based on neodymium |
| RU2634820C2 (en) * | 2016-03-22 | 2017-11-03 | Общество с ограниченной ответственностью "НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ ВакЭТО" (ООО НПП ВакЭТО) | Method for preparing metal neodymium from its oxide |
| RU2795956C1 (en) * | 2022-01-13 | 2023-05-15 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" | Device for manufacturing silicon carbide powder |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103409650B (en) * | 2013-07-25 | 2014-11-12 | 北京大学 | Novel method for utilizing hydrogen plasma electric arc melting technology to prepare high-purity rare earth gadolinium elementary substance |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1601450A (en) * | 1976-11-23 | 1981-10-28 | Johnson Matthey Co Ltd | Extraction of precious metals |
| US4695317A (en) * | 1985-01-31 | 1987-09-22 | Sumitomo Metal Mining Company Limited | Method of treating silicate ore containing gold and silver |
| RU2162897C1 (en) * | 1999-12-07 | 2001-02-10 | Иркутский государственный технический университет | Method of recovery of noble metals from silver-containing concentrates |
| RU2219264C2 (en) * | 2002-03-11 | 2003-12-20 | Открытое акционерное общество "Иргиредмет" | Method of processing concentrates containing nonferrous and precious metals |
| RU2316606C1 (en) * | 2006-04-25 | 2008-02-10 | Открытое акционерное общество "Иркутский научно-исследовательский институт благородных и редких металлов и алмазов" ОАО "Иргиредмет" | Method for processing sulfide concentrates containing lead, non-ferrous and noble metals |
-
2011
- 2011-09-14 RU RU2011137921/02A patent/RU2499848C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1601450A (en) * | 1976-11-23 | 1981-10-28 | Johnson Matthey Co Ltd | Extraction of precious metals |
| US4695317A (en) * | 1985-01-31 | 1987-09-22 | Sumitomo Metal Mining Company Limited | Method of treating silicate ore containing gold and silver |
| RU2162897C1 (en) * | 1999-12-07 | 2001-02-10 | Иркутский государственный технический университет | Method of recovery of noble metals from silver-containing concentrates |
| RU2219264C2 (en) * | 2002-03-11 | 2003-12-20 | Открытое акционерное общество "Иргиредмет" | Method of processing concentrates containing nonferrous and precious metals |
| RU2316606C1 (en) * | 2006-04-25 | 2008-02-10 | Открытое акционерное общество "Иркутский научно-исследовательский институт благородных и редких металлов и алмазов" ОАО "Иргиредмет" | Method for processing sulfide concentrates containing lead, non-ferrous and noble metals |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2603931C1 (en) * | 2015-06-16 | 2016-12-10 | Общество с ограниченной ответственностью "НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ ВакЭТО" (ООО НПП ВакЭТО) | Method of producing addition alloys for permanent magnets based on neodymium |
| RU2634820C2 (en) * | 2016-03-22 | 2017-11-03 | Общество с ограниченной ответственностью "НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ ВакЭТО" (ООО НПП ВакЭТО) | Method for preparing metal neodymium from its oxide |
| RU2795956C1 (en) * | 2022-01-13 | 2023-05-15 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" | Device for manufacturing silicon carbide powder |
| RU2831334C1 (en) * | 2023-04-04 | 2024-12-04 | СиВиЭф Интернешенел ЛЛК | Separation of rare-earth elements by physical chemistry |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2011137921A (en) | 2013-03-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Pal et al. | Emerging SOM technology for the green synthesis of metals from oxides | |
| US6821495B2 (en) | Method for the continuous production of silicon oxide powder | |
| WO2005103309A1 (en) | Metallothermic process for magnesium production and vacuum-induction furnace thereto | |
| CN102465209B (en) | Method and vacuum distillation device for preparing high-purity neodymium | |
| JP6406675B2 (en) | Zinc recovery method from electric furnace steelmaking dust and zinc recovery device from electric furnace steelmaking dust | |
| Kroll et al. | Ductile zirconium from zircon sand | |
| RU2499848C2 (en) | Plasma-carbon production method of rare-earth metals, and device for its implementation | |
| CN102225771B (en) | Method for preparing nanometer LaB6 powder by mechanical alloying | |
| Zhang et al. | Purification of yttrium to 4N5+ purity | |
| CN104204306A (en) | Methods and apparatuses for efficient metals production and distillation with oxide electrolysis | |
| JP2013139617A (en) | Method for separating and recovering rare earth element | |
| US4699653A (en) | Thermal production of magnesium | |
| Yang et al. | Residual hydrogen reduction and refining effect during two-step hydrogen-argon plasma arc melting of cerium | |
| WO2000049188A1 (en) | Refining of tantalum and tantalum scrap with carbon | |
| Kroll et al. | Large‐scale laboratory production of ductile zirconium | |
| JP2005336617A5 (en) | ||
| Jacob et al. | Physical chemistry of the reduction of calcium oxide with aluminum in vacuum | |
| JP2010058099A (en) | Device for distilling mercury from waste fluorescence powder in waste fluorescence tube and method for recovering mercury | |
| US20230049604A1 (en) | Method Of Carbothermic Process Of Magnesium Production And Co-Production Of Calcium Carbide | |
| US12458904B2 (en) | Method and apparatus to condense magnesium vapor using a fluid-cooled heat exchanger | |
| CN116590540A (en) | Equipment and method for smelting magnesium by vacuum carbothermic reduction | |
| Sehra et al. | Studies and Preparation of Hafnium Metal | |
| CN115821075A (en) | A method for recovering rare earth metals in samarium cobalt permanent magnet waste | |
| WO2014011455A1 (en) | Method and apparatus for producing hydrogen and aluminum oxide from aluminum | |
| RU2629121C1 (en) | Method for titanium silicides production |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140915 |