9.6.3 Минералы, руды и рудные концентраты

Содержание тантала в земной коре составляет 2·10^-4 мас.%. В природе он почти всегда встречается совместно с ниобием. Они входят в состав большого числа (около 100) разнообразных минералов, представляющих собой большей частью весьма сложные комплексные соли ниобиевой и танталовой кислот. В состав минералов входят в различных сочетаниях железо, марганец, щелочные и щелочно­земельные металлы, а также редкоземельные элементы: титан, цирконий, торий, уран, олово, сурьма, висмут, вольфрам и некоторые другие. Существенным источником тантала служат шлаки оловянных заводов, получаемые при выплавке олова. Они содержат от 3 до 15 мае. % смеси оксидов (TaNb)₂О₅. Обычные рудные концентраты перерабатывают в химические соединения трех типов: оксиды Та₂О₅, фтористые комплексные соли K₂TaF₇ и хлориды.

Вследствие близости свойств химических соединений тантала и ниобия разделение этих элементов - сложная задача. В настоящее время наиболее распространенным является способ экстракции. Эк­стракционное разделение тантала и ниобия с одновременной их очисткой от примесей других элементов (Si, Ті, Мп и др.) большей частью осуществляют из растворов их фтористых соединений, со­держащих плавиковую и серную кислоты.

9.6.4 Получение тантала

Тантал получают восстановлением соединений высшей чистоты: оксидов комплексных фтористых солей и хлоридов. Промышленные способы восстановления этих соединений, отличающихся высокой хи­мической прочностью, можно подразделить на четыре группы:

1. Восстановление галоидных солей активными металлами (Na, Mg, Са).

2. Восстановление из хлоридов водородом.

3. Восстановление оксидов алюминием, углеродом (карботермический способ).

4. Электролиз в соляных расплавах.

В связи с высокой температурой плавления тантала (>3 000° С) его в процессе восстановления в большинстве случаев получают в форме порошка. Задача дальнейшего превращения порошка в ком­пактный ковкий металл осложняется тем, что тантал активно по­глощает газы (водород, азот, кислород), примеси которых делают его хрупким. Поэтому спрессованные из порошка заготовки необ­ходимо спекать или плавить в высоком вакууме.

Из перечисленных выше способов получения тантала важную роль играют те, в которых восстановителями служат металлы. Та­кие способы называют металлотермическими, - им принадлежит ве­дущее место и в получении других редких металлов (Ті, Zr, Be).

НАТРИЕТЕРМИЧЕСКИЙ СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ПО­РОШКА ТАНТАЛА. Натриетермическое восстановление фтористых комплексных соединений тантала было первым способом получе­ния тантала, который применяется и в настоящее время. Для восстановления фтористых соединений тантала пригодны, с точки зрения сродства к фтору, натрий, кальций и магний. Однако применяют натрий, так как образующийся NaF растворим в воде и может быть отделен отмывкой от порошка тантала.

Реакция восстановления

K₂TaF₇ + 5Na → Та + 5NaF + 2KF

протекает с выделением большого количества тепла (~713 ккал/кг смеси соли и восстановителя), достаточного для самопроизвольно­го протекания процесса.

АЛЮМОТЕРМИЧЕСКИЙ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТАНТАЛА ИЗ ЕГО ПЯТИОКИСИ. В последние годы разработан и получает ши­рокое распространение способ получения тантала восстановлением пятиокиси его алюминием. Реакция восстановления Та₂О₅ алюмини­ем происходит с меньшим выделением тепла, чем аналогичная реак­ция для ниобия. Вследствие высокой температуры плавления тантала и его сплавов с алюминием, в целях обеспечения отделения металла от шлака, в шихту вводят смесь железа из расчета получения сплава тан­тала с содержанием 7...7,5 % железа и 1,5 % алюминия. В шихту для повышения термичности вводят в качестве подогревающей добавки бертолетову соль. Тигель с шихтой помещают в печь, где при 925 °С начинается самопроизвольная реакция. Выход тантала составляет более 90 %. После вакуумной термической обработки и электронно­лучевой плавки слитки тантала имеют высокую степень чистоты.

Кроме вышеприведенных способов получения тантала существу­ют и иные, - но применяют их реже.

ПРОИЗВОДСТВО КОМПАКТНОГО ТАНТАЛА. Для производ­ства компактного тантала до 50-х годов применяли только способ порошковой металлургии. Его используют и в настоящее время для получения заготовок относительно небольших размеров. Наряду с этим для производства крупных слитков получили развитие методы дуговой и электронно-лучевой вакуумной плавки. Однако заготов­ки для плавки (брикеты, штабики) из исходных порошков тантала приготовляют методом порошковой металлургии. Кроме того, по­лучить тантал с присадками оксидов, например оксидов тория или иттрия, возможно лишь методом порошковой металлургии.

Технологический процесс состоит из двух стадий: прессование порошка в заготовки и спекание их.

Спеченные или плавленые заготовки обрабатывают давлением на холоде. Далее заготовки с остаточной пористостью 6... 10 % куют, тоже в холодном состоянии: прутки - на ротационной ковочной машине, а плоские заготовки - на рессорном или пневматическом молоте. Затем заготовки подвергают высокотемпературному рекри­сталлизирующему отжигу в вакууме для заваривания закованных пор и далее - любому виду обработки давлением на холоде, а в случае необходимости - с промежуточными отжигами в высоком вакууме или в хорошо очищенном инертном газе для снятия наклепа.

При затруднениях, возникающих на первых этапах обработки за­готовок, например в связи с с крупнокристаллической столбчатой струк­турой или при повышении содержания азота или кислорода, началь­ную обработку проводят горячей ковкой или экструзией заготовок с предварительным нагревом их до 900... 1 000 °С. С прокованных заго­товок снимают тонкий наружный слой, если они нагревались без за­щитной атмосферы. Хорошие результаты дает первичная обработка в вакууме на специальных герметизированных прокатных станах.

Дальнейшую обработку давлением проводят в холодном состо­янии. Высокая пластичность чистого тантала и сплавов на его осно­ве позволяет применять к ним все виды обработки давлением (ков­ка, прокатка, волочение, штамповка и т. п.) в условиях, близких к обычным для обработки металлов давлением.