Способ получения пентахлорида ниобия

        Изобретение относится к области получения пентахлорида ниобия из ниобийсодержащего сырья. Bысший хлорид ниобия NbCl₅ служит исходным соединением для получения металла, оксидов и других соединений. Пентахлорид ниобия может быть получен хлорированием металла, ферросплавов ниобия, а также танталит-колумбитового сырья. Для хлорирования металла (брак штабиков, отходы механической обработки, отюракованные детали, порошки металла) используют хлор. Процесс ведут при 500^oС. Лучшие результаты получают при хлорировании в расплаве NaCl+NaFeCl_4. Недостатком способа является получение оксихлорида ниобия NbOCl₃, что требует последующей очистки пентахлорида или дохлорирования (см. 3еликман A. Н. и др. Ниобий и тантал. М.: Металлургия, 1990, с. 100-101).

        Одним из перспективных источников ниобия является феррониобий. Феррониобий представляет собой интерметаллическое соединение ниобия и железа Nb(Ta)[Fe(Mn)]₂. Он обычно содержит 40-64% Nb, 0,4-10% Та, 20-30% Fe, а также примеси вольфрама, титана, марганца, алюминий и др. Феррониобий хрупок и может быть раздроблен в дробилках и шаровых мельницах до кусков нужного размера. При хлорировании феррониобия в насыпном слое при 700-750^oС поверхность частиц сплава блокируется полученным жидким хлоридом железа FеСl₃. Для исключения этого, предложено хлорировать феррониобий в расплаве хлоридов NaCl+NaFeCl₄ при 600^oС. Однако этот способ требует сложного аппаратурного оформления. B конденсируемом пентахлориде ниобия содержится значительное количество железа и других примесей, которое зависит от состава солевого раствора и его температуры (см. 3еликман A. Н. и др. Ниобий и тантал. М.: Металлургия, 1990, с. 101 и патент US 3085855, кл. 23-87, 1963). 

       Наиболее близким к предложенному является способ получения пентахлорида ниобия, который включает взаимодействие оксидной ниобиевой руды с частицами углерода в присутствии алюминия при температуре 1600^oС. Образовавшийся карбид ниобия хлорируют при 350-600^oС (см. GB 869128, кл. С 01 B, 1961). Недостатком способа является необходимость введения алюминия , связывающего кислород, высокие температуры процесса, которые требуют сложной аппаратуры, недостаточно высокий выход продукта - 87,5%. 3адачей изобретения является создание такого способа получения пентахлорида ниобия, техническим результатом которого было бы получение чистого пентахлорида ниобия, повышение выхода в конечный продукт и упрощение процесса. Для этого в способе получения пентахлорида ниобия путем взаимодействия исходного материала с углеродсодержащим соединением и последующего хлорирования полученного карбидного или карбонитридного соединения ниобия, в качестве исходного материала используют феррониобий, в качестве углеродсодержащего соединения используют карбид кальция или цианамид кальция и взаимодействие ведут при температуре 1000-1500^oС. 

         Предпочтительно взаимодействие феррониобия с карбидом или цианамидом кальция проводят в среде азота. Процесс взаимодействия можно осуществлять в присутствии добавок - соединений щелочных или щелочноземельных металлов или меди в количестве ≤1 масc.%. После хлорирования желательно осуществить разделение и очистку пентахлоридов ниобия и тантала известными способами. При осуществлении взаимодействия феррониобия с карбидом или цианамидом кальция при температурах 1000-1500^oС образуются карбидные или карбонитридные соединения ниобия. B этих условия железо, содержащееся в феррониобий, а также примеси марганца, алюминия, олова и др. не образуют карбидов. B результате обработки монофазное интерметаллическое соединение - феррониобий образует две различные фазы: карбидное или карбонитридное соединение ниобия и железо. Следовательно, железо легко отделяется от ниобия, не мешая его дальнейшему хлорированию. 

       При снижении температуры ниже 1000^oС не происходит полной карбидизации, а повышение температуры свыше 1500^oС приводит к образованию карбидных соединений железа, которые затрудняют хлорирование и загрязняют образующийся пентахлорид ниобия. Проведение взаимодействия в среде азота позволяет полностью исключить возможность образования оксидных соединений ниобия и других компонентов, содержащихся в исходном феррониобии. Для снижения температуры взаимодействия феррониобия с карбидом или цианамидом кальция, а также ускорения процесса можно использовать добавки - соединения щелочных или щелочноземельных металлов или меди, такие как хлориды натрия, калия, кальция, магния, меди. Количество добавок не превышает 1 масc.% от массы шихты. Учитывая, что феррониобий может содержать значительные количества тантала (до 10%), после хлорирования полученного карбидного соединения ниобия проводят разделение и очистку пентахлоридов ниобия и тантала, выделяя чистые продукты. Разделение и очистка могут быть осуществлены любым известным способом: дистилляцией, ректификацией и т.д. Способ иллюстрируется следующими примерами.    

         Пример 1

        Пример 2

       B камерную печь с силитовыми нагревателями поместили графитовый патрон, в который засыпали 25 кг шихты, состоящей из предварительно раздробленной до крупности 1-5 мм смеси феррониобия и цианамида кальция, взятых в соотношении 3:1 и добавки к ним солей щелочных металлов или щелочноземельных металлов. B качестве добавки использовали хлорид натрия в количестве 1 масс.% от массы шихты. Нагрев производился со скоростью 8-10^o в мин. Температура 1000^oС была достигнута за 3 ч. Смесь выдерживали при этой температуре в течение 1 ч. 3атем питание печи отключили и остудили печь вместе со смесью до 200^oС. Термообработанный материал измельчили до крупности 1 мм и обработали концентрированной соляной кислотой.
Рентгенофазовый анализ показал остаточное содержание примесей, масс.%: Fe-1,3; Mn- 0,35; Ti-1,5; W-0,5; Zr-1,1; Са-0,8, чистота полученного карбонитрида ниобия 94,45%. Этот материал хлорировали с получением пентахлоридов тантала и ниобия. При использовании в качестве добавок хлоридов калия, кальция, магния или меди результаты процесса не изменились. Дальнейшую очистку и разделение хлоридов ниобия и тантала вели, как в примере 1. Чистота полученного пентахлорида ниобия 99,99%. Bышеприведенные примеры показывают, что предложенный способ значительно проще известного и позволяет получать чистый хлорид ниобия.

       Формула изобретения

1. Способ получения пентахлорида ниобия, включающий взаимодействие исходного материала с углеродсодержащим соединением и последующее хлорирование полученного карбидного соединения ниобия, отличающийся тем, что в качестве исходного материала используют феррониобий, а в качестве углеродсодержащего соединения используют карбид кальция или цианамид кальция и взаимодействие ведут при температуре 1000-1500 ^oС.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что взаимодействие феррониобия с карбидом кальция или цианамидом кальция проводят в среде азота.
3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что взаимодействие феррониобия с карбидом кальция или цианамидом кальция ведут в присутствии добавок - соединений щелочных или щелочноземельных металлов или меди в количестве ≤1 масс. %.
4. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что после хлорирования проводят разделение и очистку пентахлоридов ниобия и тантала.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. GB 869128 A, 31.05.1961. RU 2043967 C1, 20.09.1995. US 3203763 A, 31.08.1965. US 3085855 A, 16.04.1963. 3ЕЛИКМAН A.Н. и др. Ниобий и тантал. - М.: Металлургия, 1990, с. 101

Смотрите так же

Способ селективного извлечения иттрия и европия из продуктов переработки отходов люминофоров

Некоторые тенденции мирового рынка РЗМ и перспективы России

Оптический материал инфракрасного диапазона и способ его получения