NO131807B - - Google Patents

Description

Fremgangsmåte for elektrolytisk fremstilling av tantal.

Det er kjent å fremstille tantal ved elektrolyse av tantal-pentoksyd (Ta^Os) oppløst i elektrolysebad med følgende gjennomsnittlige sammensetning:

Elektrolysen finner sted mellom 650° og 800° C, f. eks. i en støpejernbeholder som danner katoden, med en anode av kull, som oftest av grafit. Tantaloksyd blir tilsatt periodisk, etter hver som det forsvinner.

Når det brukes meget rene utgangs-materialer, oppnås det på katoden, med et utbytte av størrelsesordenen 65—75 % av det teoretiske utbytte beregnet etter Fara-days lov, metallisk tantal som inneholder mindre enn 0,045 % jern og 0,02 % sili-sium, men hvis gjennomsnittlige innhold av kull ligger mellom 0,10 og 0,20 %. Det minste innhold av kull i visse deler av ut-fellingen med dendritisk form, går ikke under 0,06 %.

Det er videre kjent å fremstille tantal

ved elektrolyse av dets pentaklorid (TaCls) i et elektrolysebad som består av alkali-salter. Først foregår det en kjemisk reak-sjon, f. eks.:

En slik fremgangsmåte har for det før-ste den prinsipielle ulempe at den ikke lar seg gjennomføre kontinuerlig i industriell

målestokk da tilsetningen av TaCls til

elektrolytbadet i seg selv betinger en end-ring i sammensetningen av badet. Med et

elektrolysebad med begynnelsessammen-setning på 50 deler KC1 for 50 deler KF, vil det således raskt oppnås et elektrolysebad som for den største del består av KC1. Fremgangsmåten gjør det heller ikke mulig å oppnå tantal med god virkningsgrad. I betraktning av at kokepunktet for TaClo er så lavt (241° C) i forhold til smeltetem-peraturen for elektrolysebadet (over 650° C), vil det nødvendigvis bli store tap av TaCl-, ved fordamping. Følgen er at ut-byttene vanskelig når opp til og aldri går over 70—75 % ved en slik fremgangsmåte. På samme måte som ved elektrolysen av tantalhemipentoksyd som er beskrevet ovenfor, oppnås det også her tantal hvis midlere innhold av kull aldri er under 0,10 % og hvis Brinell-hårdhet alltid er større enn 90 og enndog 100.

Disse kull-innhold og Brinell-hårdhe-ter er imidlertid for høye til at dette tantal kan brukes for fremstilling av kondensato-rer og halvfabrikata, plater, råd osv., idet kullet gjør tantalet skjørt og hindrer her-ding ved temperaturer under 1400° C.

Foreliggende oppfinnelse gjør det mulig å unngå disse ulemper som følger de fremgangsmåter som nå er kjent. Ved fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen oppnås det i industriell målestokk og kontinuerlig rent tantal som inneholder mindre enn 0,05 vektsprosent kull og som har en Brinell-hårdhet som ligger under 70. Oppfinnelsen går ut på kontinuerlig elektrolyse av tantalpentoksyd (Ta^Oa), oppløst i et bad som utelukkende består av natriumforbindelser.

Det har vist seg at for ved elektrolyse å oppnå rent tantal som inneholder mindre enn 0,05 vektsprosent kull og med en Brinell-hårdhet som ligger under 70, er det absolutt nødvendig å unngå at det i elektrolysebadet forekommer andre alkali-joner enn natrium og, spesielt, å forby bru-ken av kaliumforbindelser. I henhold til oppfinnelsen anvendes det derfor som elektrolytbad natriumhalogenider og, bl. a., blandinger av natrium-klorid og -fluorid. I en foretrukket utførelsesform for oppfinnelsen, svarer sammensetningen av blandingen omtrent til den eutektiske blanding CINa—FNa.

I henhold til oppfinnelsen blir det til en slik blanding satt rent natriumfluotantalat, i en mengde på noen prosent og, fortrinsvis, mellom 5 og 15 %. I en foretrukket utførelsesform tilsettes de ca. 10 vektsprosent TaF7Na2.

I det smelteelektrolyse-bad som er fremstillet på denne måten, blir det så oppløst tantalpentoksyd, så rent som mulig, som er fremstillet på forhånd på vil-kårlig kjent måte. Det skal imidlertid på-pekes at det prinsipielt er å foretrekke at det samtidig, under elektrolysen, bare settes små mengder TaaOs til det smeltete elektrolytbad, for derved å unngå at det dannes bunnfall av Ta20a som ikke er opp-løst, på bunnen av elektrolysecellen. Slike bunnfalll er nemlig meget vanskelige å fjerne. I en foretrukket utførelsesform for foreliggende oppfinnelse, blir tilsettingen av Ta20r, til elektrolysebadet bare foretatt når det forekommer anodisk polarisering, og ikke preventivt. Den mengde TaaOg som da settes til elektrolysebadet vil da tilsvare noen vektsprosent av badet og vil bl. a. være av størrelsesordenen 5 %.

I henhold til en elektrolyseprosess, som er kjent i seg selv, blir tantalpentoksyd som er oppløst i elektrolysebadet, dissociert ved elektrolyse i tantal-katjoner som vil ut-lades på katoden, og derved gi rent metall, og i oksygen-joner som går til anoden. Denne anode som er av rent kull, blir da brent under dannelse av, stort sett, CO2. Fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen lar seg følgelig gjennomføre kontinuerlig i industriell målestokk, idet selve sammensetningen av elektrolysebadet ikke endres under elektrolysen og bare dets kon-sentrasjon av tantalhemipentoksyd varie-rer kontinuerlig mellom to verdier. Den ene verdi kan herunder gå helt opp til nær metningspunktet med Ta20e og den annen kan svare til den hvor det blir anodisk polarisering, slik som det er vel kjent for fagmannen.

Elektrolysefremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen gjennomføres i en vilkår-lig, i og for seg kjent, elektrolysecelle. Det er således mulig å benytte, bl. a., stål- eller støpejern-celler som bl. a. virker som kato-de. Anoden eller anodene er grafitelektro-der, som vel kjent for fagmannen.

Det har videre vist seg at det er å foretrekke å gjennomføre elektrolysen med en anode-strømtetthet av størrelsesorde-nen 60—120 amp/dm<2> og å unngå at ano-destrømtettheten stiger over 120—130 amp/ dm<2>. Likeledes anvendes - det fortrinsvis gj ennomsnittlige katode-strømtettheter mellom 20 og 40 amp/dm<2> og, spesielt, av størrelsesordenen 30—35 amp/dm<2>.

I henhold til oppfinnelsen oppnås det da utfellinger av rent tantal i form av dentriter som utgjøres av krystaller med midlere og jevn størrelse (ca. 50—100 mas-ker), som lett lar seg gjenvinne.

Det skal nu gis et ikke begrensende eksempel på hvorledes fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen kan gjennomfø-res.

I en elektrolysecelle som utgjøres av en stålsylinder med en diameter på ca. 200 mm og en høyde på ca. 350 mm og som er forbundet med den negative klemme på eri elektrisk likestrømkilde og oppvarmet ved hjelp av en elektrisk motstandsovn hvori den er neddykket, og utstyrt med en sylinderformet grafitelektrode méd en diameter på ca. 110 mm og en høyde på ca. 250 mm, båret av et rør av rustfritt stål som er kjølet innvendig, blir det anbragt et elektrolysebad som inneholder: Eutektikum (NaCl—NaF) 85 vektsprosent Natriumfluotantalat

(TaF7Na2) 10 vektsprosent

Tantalpentoksyd (Ta20s) 5 vektsprosent

Etter at dette bad er smeltet ved å oppvarmes til mellom 650 og 800° C, stik-kes anoden noen centimeter ned i det smeltete bad og elektrolysen settes igang.

En slik elektrolyseselle er innrettet til å arbeide ved en samlet strømstyrke på 500 amp. Ved igangsetting av en ny selle blir det dog i noen timer arbeidet med svakere strømstyrke, nemlig av størrelses-ordenen 100—150 amp, for å danne et lag av tantal som hefter meget sterkt til katoden og deretter hindrer at tantalet blir forurenset med jern fra sellen.

Som angitt ovenfor blir det hver gang det forekommer anodisk polarisering satt til sellen ca. en kg tantalpentoksyd hvis midlere innhold av forurensninger, be-1 stemt ved spektralanalyse er:

Ved elektrolyse oppnås det da et lag av rene tantaldentriter som gjenvinnes regel-messig, når det har nådd en tykkelse på ca. 1—2 cm.

I en slik elektrolyseselle oppnås dét ca. 500—550 g rent tantal pr. time med et Faraday-utbytte i nærheten av 80 % og et tantal-utbytte på 90—95 vektsprosent. Tantal-tapene bygger seg opp slik: Fordamping av TaF7Na2 eller TaFs : 1—3 % Medriving av fine tantalkrystaller ved vasking av elektrolyseut-fellingen : 5—7 %

(Dette tantal blir gjenvunnet i vaske-vannet, f.eks. ved utfelling med amoniakk).

Det tantal som således oppnås jevnt, har følgende egenskaper: C = 0,03—0,04 % (minimum: 0,015 %)

Fe = 0,01—0,03 %

Si = 0,01—0,03 %

Nb <: 0,1 %

Brinell-hårdhet < 70 og mellom 50 og

60, etter anløping ved 2 400° C.

Ved å utsette dette tantal for reoksy-dering oppnås en nesten teoretisk vekt-øking, nemlig 22,10 % i stedet for 22,15 %.

Claims (3)

1. Fremgangsmåte for kontinuerlig fremstilling av rent tantal ved elektrolyse av tantalpentoksyd (Ta205), karakterisert ved at elektrolysebadet utgjøres av en smeltet blanding som utelukkende består av natriumhalogenider og natriumfluotantalat.

2. Fremgangsmåte som angitt i på-stand 1, karakterisert ved at elektrolysebadet er en, fortrinsvis eutektisk blanding av natriumfluorid og -klorid og natriumfluotantalat.

3. Fremgangsmåte som angitt i på-stand 1 og 2, karakterisert ved at badet inneholder minst 5, fortrinsvis 10 vektsprosent natriumfluotantalat.