RU2025520C1 - Method for electron-beam materials treatment - Google Patents
Method for electron-beam materials treatment Download PDFInfo
- Publication number
- RU2025520C1 RU2025520C1 SU5058386A RU2025520C1 RU 2025520 C1 RU2025520 C1 RU 2025520C1 SU 5058386 A SU5058386 A SU 5058386A RU 2025520 C1 RU2025520 C1 RU 2025520C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- temperature
- processing
- pressure
- gas medium
- electron beam
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 73
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 title claims abstract description 31
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 31
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims abstract description 56
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 16
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 64
- 239000012467 final product Substances 0.000 claims description 16
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 13
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 claims description 6
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 claims description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 9
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 abstract 1
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 21
- 239000011701 zinc Substances 0.000 description 21
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 21
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 17
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 15
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 10
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 7
- 238000005246 galvanizing Methods 0.000 description 7
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 6
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 5
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 5
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 4
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 4
- 238000000859 sublimation Methods 0.000 description 4
- 230000008022 sublimation Effects 0.000 description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 239000000047 product Substances 0.000 description 3
- 239000002893 slag Substances 0.000 description 3
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 2
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 2
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 2
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 2
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002679 ablation Methods 0.000 description 1
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 238000010924 continuous production Methods 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010494 dissociation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005593 dissociations Effects 0.000 description 1
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 1
- 238000001803 electron scattering Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N iron oxide Inorganic materials [Fe]=O UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 1
- 230000000191 radiation effect Effects 0.000 description 1
- 239000011819 refractory material Substances 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 239000002912 waste gas Substances 0.000 description 1
- 229910052845 zircon Inorganic materials 0.000 description 1
- GFQYVLUOOAAOGM-UHFFFAOYSA-N zirconium(iv) silicate Chemical compound [Zr+4].[O-][Si]([O-])([O-])[O-] GFQYVLUOOAAOGM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к способам электронно-лучевой обработки материалов и может быть использовано для извлечения материалов из комплексных соединений, в частности для выделения цинка из дросовых отходов процесса горячего цинкования или для получения диоксида циркония в процессе вскрытия циркона. The invention relates to methods for electron beam processing of materials and can be used to extract materials from complex compounds, in particular for the separation of zinc from the waste from the hot galvanizing process or for the production of zirconia during the opening of zircon.
Известен способ электронно-лучевой обработки материалов. Сущность способа состоит в том, что термическую обработку материала ведут в вакууме, давление в рабочем пространстве составляет 10-3 - 1 Па, под воздействием пучка медленных электронов [1].A known method of electron beam processing of materials. The essence of the method lies in the fact that the heat treatment of the material is carried out in vacuum, the pressure in the working space is 10 -3 - 1 Pa, under the influence of a beam of slow electrons [1].
Для осуществления электронно-лучевой обработки сырье загружают в технологическую камеру, рабочее пространство которой герметично соединяют с источником медленных электронов - электронной пушкой и с вакуумной системой. Затем заполняют сырьем реакционный объем и воздействуют на него пучком медленных электронов, а обработанным материалом заполняют сборник конечного продукта, находящийся внутри рабочего пространства технологической камеры. To carry out electron beam processing, the raw materials are loaded into a technological chamber, the working space of which is hermetically connected to a source of slow electrons - an electron gun and a vacuum system. Then the reaction volume is filled with raw materials and exposed to it by a beam of slow electrons, and the processed product is filled with the collection of the final product located inside the working space of the process chamber.
Из-за конечных размеров рабочего пространства накладываются ограничения на количество загружаемого сырья и размер выплавляемых слитков - конечного продукта. По этой же причине невозможно осуществить непрерывный процесс электронно-лучевой обработки, поскольку необходимо периодически выключать электронно-лучевую установку для загрузки сырьем рабочего пространства и изъятия из него конечного продукта, что снижает ее надежность. Таким образом, этот способ обладает ограниченными технологическими возможностями и низкой надежностью. Due to the finite dimensions of the workspace, restrictions are imposed on the amount of raw materials loaded and the size of the smelted ingots, the final product. For the same reason, it is impossible to carry out a continuous process of electron-beam processing, since it is necessary to periodically turn off the electron-beam installation to load the working space with raw materials and remove the final product from it, which reduces its reliability. Thus, this method has limited technological capabilities and low reliability.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ электронно-лучевой обработки материалов [2], принятый за прототип. Сущность способа состоит в том, что осуществляют подачу сырья и его термическую обработку в вакууме под воздействием пучка медленных электронов с энергией до 40 кэВ, с последующим сбором конечного продукта. The closest technical solution to the proposed is a method of electron beam processing of materials [2], adopted as a prototype. The essence of the method lies in the fact that the feed is supplied and heat treated in vacuum under the influence of a beam of slow electrons with an energy of up to 40 keV, followed by collection of the final product.
Для осуществления электронно-лучевой обработки сырье подают в рабочее пространство из первой шлюзовой камеры, внутри которой поддерживают вакуум. При этом другую шлюзовую камеру, идентичную первой, изолируют от рабочего пространства и вакуумной системы и заполняют сырьем. После разгрузки первой шлюзовой камеры ее изолируют от рабочего пространства, а вторую, уже загруженную и соединенную с вакуумной системой, шлюзовую камеру соединяют с ним. Таким образом, шлюзовые камеры работают поочередно и осуществляют подачу сырья без остановки процесса. В рабочем пространстве - зоне обработки на сырье воздействуют пучком медленных электронов, а обработанным материалом заполняют контейнер, который по мере заполнения изолируют от рабочего пространства и заменяют полым контейнером. Таким образом, осуществляют сбор конечного продукта без остановки процесса. To carry out electron beam processing, the raw materials are fed into the working space from the first lock chamber, inside which a vacuum is maintained. At the same time, another lock chamber, identical to the first, is isolated from the working space and the vacuum system and filled with raw materials. After unloading the first lock chamber, it is isolated from the working space, and the second lock chamber, already loaded and connected to the vacuum system, is connected to it. Thus, the lock chambers operate alternately and supply raw materials without stopping the process. In the workspace — the treatment zone — the raw materials are exposed to a beam of slow electrons, and the treated material is filled into a container, which, as it is filled, is isolated from the workspace and replaced with a hollow container. Thus, the final product is collected without stopping the process.
Недостатками такого способа являются ограниченные технологические возможности и низкая надежность. Это объясняется низкой энергией электронов пучка - до 40 кэВ. Такое ограничение имеет принципиальный характер, поскольку в процессе воздействия мощным пучком электронов с поверхности обрабатываемого материала выделяются потоки газов, паров и брызг. Часть этих выделений попадает в ускоряющий промежуток и на катод. В результате повышение ускоряющего напряжения недопустимо, так как повышается вероятность электрических пробоев, сокращается срок службы катода, снижается стабильность работы электронно-лучевой установки. Кроме того, для увеличения мощности пучка при низкой энергии электронов увеличивают ток пучка, что также сокращает срок службы катода и усложняет управление током пучка из-за влияния на условия теплоотвода с катода, изменения тока, эмиттирующих с его поверхности электронов. The disadvantages of this method are limited technological capabilities and low reliability. This is explained by the low energy of the beam electrons - up to 40 keV. Such a restriction is of a fundamental nature, since in the process of exposure to a powerful electron beam from the surface of the processed material, gas, vapor and spray flows are emitted. Some of these precipitates fall into the accelerating gap and to the cathode. As a result, an increase in the accelerating voltage is unacceptable, since the likelihood of electrical breakdowns increases, the cathode service life is reduced, and the stability of the cathode-ray installation is reduced. In addition, to increase the beam power at low electron energy, the beam current is increased, which also reduces the cathode life and complicates the control of the beam current due to the influence of the changes in the current emitting electrons from the cathode’s surface from the cathode.
Вследствие низкой энергии электронов транспортировка пучка к обрабатываемому материалу сопровождается неупругим рассеянием электронов и нагреванием разреженной газовой среды в зоне обработки за счет уменьшения подводимой к сырью мощности электронного пучка. При этом возможен перегрев газовой среды, который приведет к перегреву поверхности контактирующего с ней сырья и, следовательно, к дополнительным потерям энергии и испарению материалов. В случае недогрева разреженной газовой среды в зоне обработки происходит дополнительный отвод тепла от сырья. Таким образом, для известного способа характерны большие энергозатраты, а также ограниченные технологические возможности, например, при обработке тугоплавких материалов. Due to the low electron energy, the transportation of the beam to the material being processed is accompanied by inelastic electron scattering and heating of the rarefied gas medium in the treatment zone due to a decrease in the electron beam power supplied to the raw material. In this case, overheating of the gaseous medium is possible, which will lead to overheating of the surface of the raw materials in contact with it and, consequently, to additional energy losses and evaporation of materials. In the case of underheating of a rarefied gas medium in the processing zone, additional heat is removed from the raw material. Thus, the known method is characterized by high energy consumption, as well as limited technological capabilities, for example, in the processing of refractory materials.
Из-за низкой энергии электронов пучок является "тепловым" лучом, с помощью которого осуществляют только термическую обработку сырья. Это не позволяет использовать известный способ для извлечения материалов из комплексных соединений и ограничивает его технологические возможности. В частности, известный способ не позволяет выделять весь цинк, содержащийся в дросовых отходах процесса горячего цинкования, поскольку обычная термообработка, переплав, выделяет из дросовых отходов только свободный, а не связанный цинк. Due to the low energy of the electrons, the beam is a "thermal" beam, with the help of which only the heat treatment of the raw material is carried out. This does not allow the use of the known method for the extraction of materials from complex compounds and limits its technological capabilities. In particular, the known method does not allow the release of all zinc contained in the waste from the hot-dip galvanizing process, since conventional heat treatment, remelting, releases only free, not bound zinc from the waste waste.
Ведение термообработки в вакууме также ограничивает технологические возможности и снижает надежность известного способа, поскольку в вакууме наиболее интенсивно происходят возгонка и испарение материалов. В результате возрастают потери материалов и энергозатраты, вероятность электрических пробоев, нагрузка на вакуумные насосы, нарушается химический состав конечного продукта. Conducting heat treatment in vacuum also limits technological capabilities and reduces the reliability of the known method, since in a vacuum the most intense sublimation and evaporation of materials. As a result, the loss of materials and energy consumption, the likelihood of electrical breakdowns, the load on vacuum pumps increase, and the chemical composition of the final product is violated.
Подача сырья в зону обработки, позволяющая осуществить непрерывную термическую обработку под воздействием пучка медленных электронов, ограничивает технологические возможности и надежность известного способа. Это объясняется тем, что систему подачи сырья реализуют с помощью управляемых вакуумных вентилей, шлюзовых камер и вакуумных насосов. Наличие такого количества дополнительного оборудования увеличивает вероятность случайной остановки процесса электронно-лучевой обработки из-за отказа его отдельных узлов. Например, вакуумных насосов или вентилей, появления течей в стыках и неплотностей при закрывании вакуумных вентилей. Кроме того, объем шлюзовых камер, в которые загружается очередная доза сырья, ограничен и определяется производительностью и возможностями вакуумных насосов, а сырье не должно быть дисперсным порошком и не должно газить, так как в таком случае вакуумные насосы и вентили не работают. The supply of raw materials to the processing zone, allowing continuous heat treatment under the influence of a beam of slow electrons, limits the technological capabilities and reliability of the known method. This is because the feed system is implemented using controlled vacuum valves, lock chambers and vacuum pumps. The presence of such a quantity of additional equipment increases the likelihood of an accidental stop of the electron-beam processing process due to the failure of its individual components. For example, vacuum pumps or valves, leaks in joints and leaks when closing vacuum valves. In addition, the volume of lock chambers into which the next dose of raw material is loaded is limited and determined by the performance and capabilities of the vacuum pumps, and the raw material should not be dispersed powder and should not gas, since in this case the vacuum pumps and valves do not work.
Осуществление подачи сырья в известном способе увеличивает энергозатраты за счет дополнительного расхода электроэнергии на систему управления, приводы вакуумных насосов и вентилей и повышает на 1/3 стоимость всего комплекса оборудования. The implementation of the supply of raw materials in the known method increases energy consumption due to the additional energy consumption for the control system, actuators of vacuum pumps and valves and increases by 1/3 the cost of the entire complex of equipment.
Целью изобретения является обеспечение возможности извлечения материалов из комплексных соединений, в частности получение цинка из дросовых отходов процесса горячего цинкования, что расширяет технологические возможности способа с повышением его надежности. The aim of the invention is the provision of the possibility of extracting materials from complex compounds, in particular the production of zinc from the waste of the galvanized waste process, which expands the technological capabilities of the method with an increase in its reliability.
Цель достигается тем, что в способе электронно-лучевой обработки материалов, включающем подачу сырья и его термическую обработку под воздействием пучка электронов с последующим сбором конечном продукта, сырье обрабатывают пучком ускоренных электронов под давлением, превышающим давление окружающей среды, блокируют зону обработки от доступа окружающей среды, поддерживая температуру образовавшейся в зоне обработки газовой среды постоянной и равной температуре процесса обработки, при этом мощность пучка ускоренных электронов выбирают из выражения
P > ω νij(Cij(τij-Tij)+Hij),
τij = где Р - мощность пучка ускоренных электронов, Вт;
ω - производительность процесса электронно-лучевой обработки, кг/с;
n - количество компонентов сырья;
i - порядковый номер компонента, i = 1÷n;
mi - количество фазовых переходов i-го компонента в интервале температур (То, Т);
j - порядковый номер фазового перехода, j = 0÷mi;
То - начальная температура сырья, К;
Т - температура процесса обработки, К;
νij - массовая доля i-го компонента после j-го фазового перехода, отн. ед.;
Cij - среднее значение теплоемкости i-го компонента в интервале температур (Tij, Tij), Дж/кг . К;
Tij - температура j-го фазового перехода i-го компонента, Tio ≡ Tо, К;
Hij - энтальпия j-го фазового перехода i-го компонента, Hio ≡ 0, Дж/кг.The goal is achieved by the fact that in the method of electron beam processing of materials, including the supply of raw materials and its heat treatment under the influence of an electron beam with subsequent collection of the final product, the raw materials are treated with a beam of accelerated electrons at a pressure higher than the ambient pressure, block the processing zone from environmental access while maintaining the temperature formed in the processing zone of the gas medium constant and equal to the temperature of the processing process, while the power of the beam of accelerated electrons is chosen from expression
P> ω ν ij (C ij (τ ij -T ij ) + H ij ),
τ ij = where P is the power of the beam of accelerated electrons, W;
ω is the productivity of the process of electron beam processing, kg / s;
n is the number of components of the raw material;
i is the serial number of the component, i = 1 ÷ n;
m i is the number of phase transitions of the i-th component in the temperature range (T o , T);
j is the sequence number of the phase transition, j = 0 ÷ m i ;
T about - the initial temperature of the raw material, K;
T is the temperature of the processing process, K;
ν ij is the mass fraction of the i-th component after the j-th phase transition, rel. units;
C ij is the average heat capacity of the i-th component in the temperature range (T ij , T ij ), J / kg . TO;
T ij is the temperature of the j-th phase transition of the i-th component, T io ≡ T о , K;
H ij is the enthalpy of the jth phase transition of the ith component, H io io 0, J / kg.
Температуру образовавшейся в зоне обработки газовой среды поддерживают постоянной и равной температуре процесса обработки путем измерения температуры газовой среды и установки скоростей изменения энергии ускоренных электронов и/или давления в зоне обработки по закону
где - скорость изменения энергии ускоренных электронов, МэВ/с;
- скорость изменения давления в зоне обработки атм/с;
Т1 - температура газовой среды, К.The temperature of the gas medium formed in the processing zone is maintained constant and equal to the temperature of the processing process by measuring the temperature of the gas medium and setting the rates of change of accelerated electron energy and / or pressure in the processing zone according to the law
Where - rate of change of energy of accelerated electrons, MeV / s;
- the rate of change of pressure in the processing zone atm / s;
T 1 - temperature of the gas medium, K.
Сырье обрабатывают под давлением 1-10 атм. Raw materials are processed under pressure of 1-10 atm.
Воздействие пучка ускоренных электронов на сырье приводит к нагреву составляющих его компонентов. Часть мощности пучка расходуется на ионизацию и возбуждение атомов газовой среды, ее нагрев и тепловые потери. Однако вследствие использования пучка ускоренных электронов, энергия которых составляет сотни и более кэВ, отмеченные выше энергетические потери мощности пучка будут невелики. Учитывая также, что часть этих потерь затрачивается на нагрев газовой среды, а значит, и контактирующего с ней сырья, и возвращается в обрабатываемый материал и пренебрегая тепловыми потерями в окружающую среду, можно допустить, что практически вся мощность Р пучка расходуется на нагрев сырья. The impact of a beam of accelerated electrons on raw materials leads to heating of its constituent components. Part of the beam power is spent on ionization and excitation of atoms of the gas medium, its heating and heat loss. However, due to the use of a beam of accelerated electrons, whose energy is hundreds or more keV, the energy losses of the beam power noted above will be small. Considering also that part of these losses is spent on heating the gaseous medium, and hence the raw materials in contact with it, and returns to the processed material and neglecting heat losses to the environment, it can be assumed that almost the entire power P of the beam is spent on heating the raw materials.
Таким образом, температуру сырья доводят до температуры обработки Т, величина которой зависит от конкретных материалов. Например, при извлечении цинка из дросовых отходов производства горячего цинкования температура обработки ограничена снизу температурой плавления цинка 692,5 К и сверху - температурой кипения цинка 1179 К, т.е. Т = =770 К. Thus, the temperature of the raw material is brought to the processing temperature T, the value of which depends on the specific materials. For example, when zinc is extracted from hot-dip galvanized waste products, the processing temperature is limited from below to a melting point of zinc of 692.5 K and from above to a boiling point of zinc of 1179 K, i.e. T = 770 K.
В простейшем случае для сырья, состоящего из одного компонента, не испытывающего в процессе электронно-лучевой обработки фазовых переходов, получим
P. t > c m (T - To), где t - время воздействия пучка на сырье, с;
с - теплоемкость сырья, Дж/кг . К;
m - его масса, кг.In the simplest case, for raw materials consisting of one component that does not experience phase transitions during electron beam processing, we obtain
P. t> cm (T - T o ), where t is the exposure time of the beam to the raw material, s;
C is the heat capacity of the raw material, J / kg . TO;
m is its mass, kg.
Отсюда
P > ω c (T - Tо), (1) где ω = m/t.From here
P> ω c (T - T о ), (1) where ω = m / t.
Распространяя результат (1) на случай многокомпонентного сырья и учитывая энергозатраты на фазовые переходы в процессе электронно-лучевой термообработки, получим условие, приведенное в формуле изобретения
P > ω νij(Cij(τij-Tij)+Hij), (2)
τij =
Для удобства расчетов параметры с индексами в выражении (2) представляют в виде элементов соответствующих двумерных матриц: матрицы концентраций ||νij||, теплоемкости ||cij||, температуры ||τij||, фазовых переходов ||Tij|| , энтальпии ||Hij|| и одномерной матрицы ||mi|| .Extending the result of (1) to the case of multicomponent raw materials and taking into account the energy consumption for phase transitions in the process of electron beam heat treatment, we obtain the condition given in the claims
P> ω ν ij (C ij (τ ij -T ij ) + H ij ), (2)
τ ij =
For convenience of calculations, the parameters with indices in expression (2) are represented as elements of the corresponding two-dimensional matrices: concentration matrices || ν ij ||, heat capacity || c ij ||, temperature || τ ij ||, phase transitions || T ij || enthalpies || H ij || and one-dimensional matrix || m i || .
Общий вид этих матриц следующий:
=
C =
=
T =
H =
m =
Наличие отличий от прототипа подтверждает новизну предлагаемого технического решения, подтверждающуюся тем, что обработка сырья пучком ускоренных электронов, мощность которого выбирают из выражения, приведенного в формуле изобретения, обеспечивает, наряду с термической, радиационную обработку. Вследствие высокой энергии пучок ускоренных электронов теряет в газовой среде в зоне обработки лишь незначительную часть своей энергии, а флуктуации свойств газовой среды практически не отражаются на параметрах пучка и величине подводимой им к сырью мощности. Это уменьшает энергозатраты, повышает стабильность процесса и качество конечного продукта.The general view of these matrices is as follows:
=
C =
=
T =
H =
m =
The presence of differences from the prototype confirms the novelty of the proposed technical solution, confirmed by the fact that the processing of raw materials with an accelerated electron beam, the power of which is selected from the expression given in the claims, provides, along with thermal, radiation processing. Due to the high energy, the accelerated electron beam loses only an insignificant part of its energy in the gaseous medium in the treatment zone, and fluctuations in the properties of the gaseous medium practically do not affect the beam parameters and the amount of power supplied to it by the raw material. This reduces energy consumption, improves process stability and the quality of the final product.
Интенсивность радиационной обработки обусловлена использованием ускоренных электронов, энергия которых составляет сотни килоэлектроновольт и больше. Бомбардировка ускоренными электронами и порожденное торможением пучка в газовой среде и обрабатываемом сырье рентгеновское и γ -излучение активизируют процессы ионизации, возбуждения, диссоциации атомов и молекул, а также разрушают комплексные химические связи. The intensity of radiation treatment is due to the use of accelerated electrons, whose energy is hundreds of kiloelectronvolts and more. The bombardment by accelerated electrons and X-ray and γ-radiation generated by the deceleration of the beam in a gaseous medium and processed raw materials activate the processes of ionization, excitation, dissociation of atoms and molecules, and also destroy complex chemical bonds.
Таким образом, реализуется возможность разделения и извлечения материалов из комплексного соединения, например из расплава сырья, вследствие их различных плотностей, расширяются технологические возможности и надежность предлагаемого способа. Thus, it is possible to separate and extract materials from a complex compound, for example from a melt of raw materials, due to their different densities, expanding technological capabilities and reliability of the proposed method.
Обработка сырья под давлением, превышающим давление окружающей среды, препятствует попаданию окружающей среды в зону обработки, позволяет сформировать в ней среду из газов и паров обрабатываемого сырья, сводит к минимуму процессы окисления, сохраняет тепловой баланс процесса, стабилизирует процессы шлакообразования. Кроме того, исключается необходимость использования шлюзов и вакуумных систем, соединенных с зоной обработки технологической камеры. Отмеченные факторы сокращают энергозатраты, повышают надежность и качество, расширяют технологические возможности предлагаемого способа. Processing of raw materials under a pressure exceeding the ambient pressure prevents the environment from entering the treatment zone, allows it to form an environment from gases and vapors of the processed raw materials, minimizes oxidation processes, maintains the thermal balance of the process, and stabilizes the processes of slag formation. In addition, the need for the use of locks and vacuum systems connected to the processing zone of the process chamber is eliminated. The noted factors reduce energy consumption, increase reliability and quality, expand the technological capabilities of the proposed method.
Обработка сырья под давлением 1-10 атм обеспечивает наилучшее качество конечного продукта и надежность способа. При давлениях больше 1 атм уменьшается интенсивность возгонки и испарения материалов с поверхности сырья. В результате уменьшаются потери материалов и энергозатраты, практически полностью исключается влияние парогазовых выделений и брызг на стабильность работы источника ускоренных электронов, более точно сохраняется химический состав конечного продукта. При давлениях до 10 атм обеспечиваются небольшая нагрузка на стенки технологической камеры и стабильность работы источника ускоренных электронов, которая при давлении больше 10 атм ухудшается вследствие частичного проникновения в ускорительный тракт через выпускное отверстие ускорителя горячих ионизированных газовых потоков, исходящих из отверстия ввода пучка в технологическую камеру. Таким образом обработка под давлением в указанных пределах повышает надежность и расширяет технологические возможности предлагаемого способа. Processing of raw materials under a pressure of 1-10 atm ensures the best quality of the final product and the reliability of the method. At pressures greater than 1 atm, the intensity of sublimation and evaporation of materials from the surface of the raw material decreases. As a result, material losses and energy consumption are reduced, the effect of gas-vapor emissions and spatter on the stability of the accelerated electron source is almost completely eliminated, and the chemical composition of the final product is more accurately preserved. At pressures up to 10 atm, a small load on the walls of the process chamber and the stability of the source of accelerated electrons are ensured, which deteriorates at a pressure of more than 10 atm due to partial penetration of hot ionized gas streams emanating from the beam inlet into the process chamber through the exhaust outlet of the accelerator. Thus, the processing under pressure within the specified limits increases the reliability and extends the technological capabilities of the proposed method.
Блокирование зоны обработки от доступа окружающей среды исключает появление в зоне обработки вредных холодных конвективных потоков. Это стабилизирует тепловой баланс процесса, уменьшает энергозатраты и унос материалов с поверхности обрабатываемого сырья. При этом окружающая среда не влияет на химический состав газовой среды в зоне обработки технологической камеры, в который входят продукты возгонки и испарения обрабатываемого сырья. При обработке комплексных соединений в состав этой газовой среды могут входить неразложившиеся комплексные молекулы исходного сырья. Под воздействием бомбардировки ускоренными электронами и жесткого рентгеновского и γ -излучения, возникающего вследствие торможения пучка в газовой среде и обрабатываемом сырье, в зоне обработки среди прочих процессов непрерывно происходит разложение комплексных молекул на простые и частично их рекомбинация, т.е. образование комплексов. В ходе такой рекомбинации над обрабатываемой поверхностью индуцируется ненаправленное электромагнитное излучение, энергетический спектр которого соответствует спектру поглощения энергии, затраченной на разложение комплексных молекул. В силу того, что комплексные связи слабее других видов химических связей, индуцированное излучение низкоэнергетично и, следовательно, соответствует длинноволновой части спектра. Воздействие индуцированного рекомбинацией излучения на поверхность обрабатываемого сырья и неразложившиеся комплексы инициирует резонансное разрушение комплексных связей, что обеспечивает более полное извлечение материала из комплексного соединения и улучшает качество конечного продукта. Blocking the treatment area from environmental access eliminates the appearance of harmful cold convective flows in the treatment area. This stabilizes the heat balance of the process, reduces the energy consumption and ablation of materials from the surface of the processed raw materials. Moreover, the environment does not affect the chemical composition of the gas medium in the processing zone of the technological chamber, which includes the products of sublimation and evaporation of the processed raw materials. When processing complex compounds, the composition of this gaseous medium may include undecomposed complex molecules of the feedstock. Under the influence of bombardment by accelerated electrons and hard X-ray and γ-radiation arising as a result of beam deceleration in a gaseous medium and processed raw materials, among other processes, complex molecules continuously decompose into simple and partially recombine, among other processes, i.e. the formation of complexes. In the course of such recombination, undirected electromagnetic radiation is induced over the surface to be treated, the energy spectrum of which corresponds to the absorption spectrum of energy spent on the decomposition of complex molecules. Due to the fact that complex bonds are weaker than other types of chemical bonds, the induced radiation is low-energy and, therefore, corresponds to the long-wavelength part of the spectrum. The effect of radiation induced by recombination on the surface of the processed raw materials and undecomposed complexes initiates the resonant destruction of complex bonds, which provides a more complete extraction of the material from the complex compound and improves the quality of the final product.
Поддержание температуры, образовавшейся в зоне обработки газовой среды, постоянной и равной температуре процесса обработки, водит к минимуму теплообмен между газовой средой и обрабатываемым сырьем, уменьшает энергозатраты, потери материала вследствие возгонки и испарения, повышает качество конечного продукта. Maintaining the temperature formed in the gas processing zone constant and equal to the temperature of the processing process minimizes heat transfer between the gas medium and the processed raw materials, reduces energy consumption, material losses due to sublimation and evaporation, and improves the quality of the final product.
Отмеченные существенные отличия расширяют технологические возможности и повышают надежность предлагаемого способа. The noted significant differences expand technological capabilities and increase the reliability of the proposed method.
Температуру образовавшейся в зоне обработки газовой среды поддерживают постоянной и равной температуре процесса обработки путем измерения температуры газовой среды и установки скоростей изменения энергии ускоренных электронов и/или давления в зоне обработки по закону, приведенному в п.2 формулы изобретения. Это объясняется тем, что изменение энергии электронов определяет изменение энергетических потерь пучка в веществе, от величины которых зависят условия нагревания и температура газовой среды в зоне обработки. Давление в зоне обработки определяет плотность газовой среды, которая влияет на энергетические потери пучка электронов в веществе и поэтому также может использоваться для регулирования температуры газовой среды в зоне обработки. Регулировать давление можно посредством изменения площади отверстия в технологической камере между зоной обработки и окружающей средой. The temperature of the gas medium formed in the processing zone is maintained constant and equal to the temperature of the processing process by measuring the temperature of the gas medium and setting the rates of change of accelerated electron energy and / or pressure in the processing zone according to the law given in
Учитывая, что увеличение энергии ускоренных электронов, а также уменьшение давления в зоне обработки уменьшают температуру газовой среды в ней и наоборот, получим закон, приведенный в п.2 формулы изобретения. Considering that an increase in the energy of accelerated electrons, as well as a decrease in pressure in the treatment zone, reduce the temperature of the gas medium in it and vice versa, we obtain the law given in
На дату подачи заявочных материалов нами при поиске из уровня техники не выявлены технические решения с совокупностью существенных признаков, сходных с предлагаемым, и явным образом не следуют для решения поставленной технической задачи, что подтверждает изобретательский уровень. When filing the application materials, when searching from the prior art, we did not identify technical solutions with a combination of essential features similar to the proposed one and did not explicitly follow to solve the technical problem, which confirms the inventive step.
Предлагаемый способ реализуется устройством, схематически изображенным на чертеже. The proposed method is implemented by the device schematically depicted in the drawing.
Устройство содержит сфокусированный пучок 1 электронов, выпускаемый из ускорителя 2 через выпускное отверстие 3 в зону отработки технологической камеры 5, загружаемой с помощью системы подачи 6 сырьем 7, которое в процессе электронно-лучевой обработки разделяется на шлак 8, отбираемый по каналу 9 в контейнер 10, и конечный продукт 11, отбираемый через сифон 12 в контейнер 13 сбора конечного продукта. При этом датчик 14 контролирует температуру обрабатываемого материала, а датчик 15 - температуру газовой среды в зоне обработки, которую регулируют путем перекрытия шибером 16 отверстия 17 в технологической камере 5 между зоной 4 обработки и окружающей средой. The device contains a focused electron beam 1, discharged from the
Способ электронно-лучевой обработки материалов при помощи вышеописанного устройства осуществляют следующим образом. Предварительно задают параметры: ω, Т, То, n, матрицы
m
C
T H которые зависят от состава и физико-химических свойств обрабатываемых материалов. Зная эти величины, определяют начальное наименьшее значение мощности пучка 1 по выражению в п.1 формулы изобретения. Камеру 5 с помощью системы 6 загружают сырьем 7, представляющим собой, например, комплексное соединение - дросовые отходы процесса горячего цинкования, включают ускоритель 2 и устанавливают найденное начальное значение мощности пучка 1. В результате воздействия пучка 1 на загруженное в камеру 5 сырье 7 происходит его нагрев, который контролируют датчиком 14 температуры обработки. В случае заниженных показаний датчика 14 увеличивают мощность пучка 1 и наоборот, при превышении показаний датчика 14 мощность пучка 1 уменьшают. При этом сырье 7 подают с производительностью ω. Датчиком 15 контролируют температуру в зоне 4 обработки. В случае ее отличия от температуры обработки изменяют энергию ускоренных электронов и/или давление в зоне 4 обработки по закону, приведенному в п.2 формулы изобретения. Наиболее удобно изменять давление путем перемещения шибера 16 относительно отверстия 17. А именно, если температура в зоне 4 обработки по показаниям датчика 15 меньше температуры обработки и, значит, согласно п.2 формулы изобретения, необходимо увеличить давление в зоне 4, шибером 16 прикрывают отверстие 17. И наоборот, если температура в зоне 4 больше температуры обработки, т.е. необходимо уменьшить давление в зоне 4, шибером 16 приоткрывают отверстие 17. Под воздействием пучка 1 в камере 5 осуществляется электронно-лучевая обработка материалов и, в случае обработки дросовых отходов процесса горячего цинкования, в камере 5 образуется расплав, в котором за счет радиационных эффектов - электронной бомбардировки, рентгеновского и γ -излучения разрываются комплексные связи и весь цинк, т.е. конечный продукт 11, находившийся в дросе, т. е. сырье 7, в свободном и связанном состоянии, вследствие большей плотности, чем у остальных компонентов, перемещается в нижнюю часть камеры 5, а более легкие остальные компоненты остаются на поверхности расплава и образуют шлак 8, отбираемый по каналу 9 в контейнер 10. Конечный продукт 11 отбирают из нижней части расплава через сифон 12 в контейнер 13.The method of electron beam processing of materials using the above device is as follows. Pre-set parameters: ω, Т, Т о , n, matrices
m
C
T H which depend on the composition and physico-chemical properties of the processed materials. Knowing these values, determine the initial lowest value of the power of the beam 1 according to the expression in claim 1 of the claims. The
Пример конкретного осуществления способа. An example of a specific implementation of the method.
Предлагаемый способ опробован на ускорителе электронов ЭЛВ-4 (г.Днепропетровск) при извлечении цинка из дросовых отходов, образующихся в процессе горячего цинкования стальной полосы на Новолипецком металлургическом комбинате (НЛМК). В состав верхнего дроса входит 95% цинка. Из них 47,5% свободного цинка и ≈ 47,5% цинка, комплексно связанного с оксидами цинка (≈ 3,6%), алюминия (≈ 1,1%), железа ( ≈ 0,3). Температура процесса электронно-лучевой обработки поддерживалась равной Т = 770 К. Начальная температура сырья составляла То = 300 К. Количество компонент n = 4. Определяя элементы матриц, примем, что порядковый номер компонента i = 1 соответствует цинку, i = 2 - оксиду цинка, i = 3 - оксиду алюминия, i = 4 - оксиду железа. Тогда получим
m =
= : 100
C =
H =
T =
=
Отсюда, согласно выражению (2), получим
Р > 3,2 . 105 ω.The proposed method was tested on an electron accelerator ELV-4 (Dnepropetrovsk) during the extraction of zinc from waste gas generated during hot galvanizing of a steel strip at the Novolipetsk Metallurgical Plant (NLMK). The composition of the upper drosa includes 95% zinc. Of these, 47.5% of free zinc and ≈ 47.5% of zinc, complexed with oxides of zinc (≈ 3.6%), aluminum (≈ 1.1%), iron (≈ 0.3). The temperature of the electron-beam treatment process was maintained equal to T = 770 K. The initial temperature of the raw material was T o = 300 K. The number of components n = 4. Determining the elements of the matrices, we assume that the serial number of the component i = 1 corresponds to zinc, i = 2 - to oxide zinc, i = 3 - alumina, i = 4 - iron oxide. Then we get
m =
= : 100
C =
H =
T =
=
From here, according to expression (2), we obtain
P> 3.2 . 10 5 ω.
В соответствии с этим результатом для производительности процесса электронно-лучевой обработки ω = 1/9 кг/с (400 кг/ч) была установлена начальная мощность пучка - 36 кВт. При установившемся процессе обработки и контроле температуры с помощью датчика 14 средняя мощность пучка ускоренных до энергии 1,4 МэВ электронов составила Р = 40 кВт > 36 кВт, что удовлетворяет условию, приведенному в формулу изобретения. In accordance with this result, for the productivity of the electron beam processing process ω = 1/9 kg / s (400 kg / h), an initial beam power of 36 kW was established. With the steady-state process of processing and temperature control using the
Давление в зоне 4 обработки составило 1,01 атм, что также входит в интервал давлений, указанный в формуле изобретения. The pressure in the processing zone 4 was 1.01 atm, which is also included in the pressure range specified in the claims.
В результате осуществления предлагаемого способа из дросовых отходов горячего цинкования получен 99,95% цинк, пригодный для повторного использования при горячем нанесении цинковых покрытий. По результатам анализа выход цинка составил 95% от массы сырья дроса. Это указывает на то, что переработка дросовых отходов горячего цинкования, представляющих собой комплексное соединение, по предлагаемому способу позволяет извлекать из дроса весь, как свободный, так и связанный, цинк. Таким образом, предлагаемый способ по сравнению с прототипом обладает расширенными технологическими возможностями и высокой надежностью. As a result of the implementation of the proposed method, 99.95% zinc, suitable for reuse in the hot application of zinc coatings, was obtained from hot-dip galvanized waste. According to the results of the analysis, the yield of zinc amounted to 95% by weight of the raw material of dros. This indicates that the processing of hot-dip galvanized waste wastes, which are a complex compound, according to the proposed method allows to extract all zinc, both free and bound, from theros. Thus, the proposed method in comparison with the prototype has advanced technological capabilities and high reliability.
Экономическая эффективность определяется количеством выделенного из дроса цинка. Economic efficiency is determined by the amount of zinc extracted from the dros.
Годовой объем дросовых отходов, образующихся в процессе горячего цинкования на НЛМК, составляет 2400 т/год. Предлагаемый способ позволяет извлечь из этих отходов содержащиеся в них 95% цинка, т.е. 2280 т/год. The annual volume of waste waste generated during the hot dip galvanizing at NLMK is 2,400 t / year. The proposed method allows to extract 95% of the zinc contained in these wastes, i.e. 2280 t / year.
В настоящее время институтом проводятся работы по отработке технологии, основанной на предлагаемом способе. Внедрение данного способа может осуществляться на предприятиях, имеющих крупные объемы производства горячего цинкования. Currently, the Institute is working on the development of technology based on the proposed method. The implementation of this method can be carried out at enterprises having large volumes of production of hot dip galvanizing.
Claims (2)
P > ω νij(Cij(τij-Tij)+Hij),
τij =
где P - мощность пучка ускоренных электронов, Вт;
ω - производительность процесса электронно-лучевой обработки, кг/с;
n - количество компонентов сырья;
i - порядковый номер компонента;
mi - количество фазовых переходов i-го компонента в интервале температур (T0, T);
j - порядковый номер фазового перехода, j=0÷mi;
T0 - начальная температура сырья, К;
T - температура процесса обработки, К;
νij - массовая доля i-го компонента после j-го фазового перехода, относительно.ед.;
Cij - среднее значение теплоемкости i-го компонента в интервале температур (Tij , τij ) , Дж/кг·К;
Tij - температура j-го фазового перехода i-го компонента;
Hij - энтальпия j-го фазового перехода i-го компонента Hio ≡ 0 Дж/кг;
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что температуру образовавшейся в зоне обработки газовой среды поддерживают постоянной и равной температуре процесса обработки путем измерения температуры газовой среды и установки скоростей изменения энергии ускоренных элементов и/или давления в зоне обработки по закону
> 0 , < 0 при T1>T;
= 0 , = 0 при T1=T;
< 0 , > 0 при T1<T,
где - скорость изменения энергии ускоренных электронов, МэВ/с;
- скорость изменения давления в зоне обработки, атм/с;
T1 - температура газовой среды, К.1. METHOD OF ELECTRON BEAM PROCESSING OF MATERIALS, including the supply of raw materials and their heat treatment under the influence of an electron beam with subsequent collection of the final product, characterized in that the raw materials are treated with an accelerated electron beam under a pressure exceeding the ambient pressure, block the processing zone from environmental access while maintaining the temperature formed in the processing zone of the gas medium constant and equal to the temperature of the processing process, while the power of the beam of accelerated electrons is chosen from expressions
P> ω ν ij (C ij (τ ij -T ij ) + H ij ),
τ ij =
where P is the power of the beam of accelerated electrons, W;
ω is the productivity of the process of electron beam processing, kg / s;
n is the number of components of the raw material;
i is the serial number of the component;
m i - the number of phase transitions of the i-th component in the temperature range (T 0 , T);
j is the sequence number of the phase transition, j = 0 ÷ m i ;
T 0 is the initial temperature of the feed, K;
T is the temperature of the processing process, K;
ν ij is the mass fraction of the ith component after the jth phase transition, relative to unit;
C ij is the average heat capacity of the i-th component in the temperature range (T ij , τ ij ), J / kg · K;
T ij is the temperature of the j-th phase transition of the i-th component;
H ij is the enthalpy of the jth phase transition of the ith component H io ≡ 0 J / kg;
2. The method according to claim 1, characterized in that the temperature of the gas medium formed in the processing zone is kept constant and equal to the temperature of the processing process by measuring the temperature of the gas medium and setting the rates of change of accelerated element energy and / or pressure in the processing zone according to the law
> 0, <0 for T 1 >T;
= 0, = 0 at T 1 = T;
<0, > 0 for T 1 <T,
Where - rate of change of energy of accelerated electrons, MeV / s;
- rate of change of pressure in the treatment zone, atm / s;
T 1 - temperature of the gas medium, K.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU5058386 RU2025520C1 (en) | 1992-08-11 | 1992-08-11 | Method for electron-beam materials treatment |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU5058386 RU2025520C1 (en) | 1992-08-11 | 1992-08-11 | Method for electron-beam materials treatment |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2025520C1 true RU2025520C1 (en) | 1994-12-30 |
Family
ID=21611427
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| SU5058386 RU2025520C1 (en) | 1992-08-11 | 1992-08-11 | Method for electron-beam materials treatment |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2025520C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2454471C2 (en) * | 2007-03-12 | 2012-06-27 | Анатолий Евгеньевич Волков | Method of electron-beam or plasma zonal melting to square crystalliser |
-
1992
- 1992-08-11 RU SU5058386 patent/RU2025520C1/en active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Электронно-лучевая технология. Пер. с нем. З. Шиллер, У. Гайзиг, З. Панцер. М.:Энергия, 1980, с.251-252. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2454471C2 (en) * | 2007-03-12 | 2012-06-27 | Анатолий Евгеньевич Волков | Method of electron-beam or plasma zonal melting to square crystalliser |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| DE69521969T2 (en) | Method and device for arc-assisted CVD | |
| Vadillo et al. | Effect of plasma shielding on laser ablation rate of pure metals at reduced pressure | |
| Mills et al. | Synthesis and characterization of novel hydride compounds | |
| US3944412A (en) | Method for recovering metals | |
| Freeman et al. | The technology and chemistry of heavy ion sources | |
| US6037517A (en) | Apparatus and method for treating waste materials which include charged particle emitters | |
| RU2025520C1 (en) | Method for electron-beam materials treatment | |
| JPH10513108A (en) | Isotope separation | |
| JP2002534612A (en) | And related improvements in the processing of substances | |
| Janev | Alternative mechanisms for divertor plasma recombination | |
| Lüder et al. | Studies on the production and stability of large CN+ and Mx+ RN (M= C, Si, Ge and R= Ar, Kr) clusters | |
| JP2022511216A (en) | How to decontaminate the structural elements of a nuclear reactor | |
| Pollack et al. | Charge exchange and cluster formation in an rf Paul trap: interaction of alkali atoms with C+ 60 | |
| Alton et al. | Studies of the release properties of ISOL-target materials using ion implantation | |
| Bacal et al. | Fundamental processes of hydrogen negative ion production in ion source plasma volume | |
| Heckmann et al. | Intercombination lines in Zn-like, Ga-like and Ge-like Nb | |
| Afanas’ ev et al. | Influence of charged particles on the fullerene formation process | |
| Oster et al. | Kinetic analysis of relaxation electron emission: Exotic cases of the energy transfer | |
| Logatchev et al. | The behavior of vacuum arc discharges on hydrogen impregnated electrodes | |
| Arisawa et al. | Extraction of selectively ionised atomic isotopes from a laser-induced plasma | |
| Bliman et al. | Case study of the Ar 9+− He collision system at low velocity | |
| Heßberger | Experimental developments for the investigation of superheavy elements | |
| Zolotukhin et al. | Effect of working gas on the electron-beam heating of a ceramic target in the fore-vacuum pressure range | |
| JP2003193061A (en) | Thermal decomposition furnace for organic compound decomposition processing equipment | |
| Golkovski et al. | Efficiency of liquid-phase synthesis of ceramic materials under the influence of an electron beam with high penetrating power |