[go: up one dir, main page]

RU2405045C2 - Method of autoclave production of chemically active materials and device to this end - Google Patents

Method of autoclave production of chemically active materials and device to this end Download PDF

Info

Publication number
RU2405045C2
RU2405045C2 RU2008118752/02A RU2008118752A RU2405045C2 RU 2405045 C2 RU2405045 C2 RU 2405045C2 RU 2008118752/02 A RU2008118752/02 A RU 2008118752/02A RU 2008118752 A RU2008118752 A RU 2008118752A RU 2405045 C2 RU2405045 C2 RU 2405045C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
autoclave
reaction
metal
reaction mixture
heating
Prior art date
Application number
RU2008118752/02A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2008118752A (en
Inventor
Анатолий Евгеньевич Волков (RU)
Анатолий Евгеньевич Волков
Original Assignee
Анатолий Евгеньевич Волков
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Анатолий Евгеньевич Волков filed Critical Анатолий Евгеньевич Волков
Priority to RU2008118752/02A priority Critical patent/RU2405045C2/en
Priority to PCT/RU2009/000223 priority patent/WO2009139667A1/en
Publication of RU2008118752A publication Critical patent/RU2008118752A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2405045C2 publication Critical patent/RU2405045C2/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22BPRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B5/00General methods of reducing to metals
    • C22B5/02Dry methods smelting of sulfides or formation of mattes
    • C22B5/04Dry methods smelting of sulfides or formation of mattes by aluminium, other metals or silicon
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22BPRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B34/00Obtaining refractory metals
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22BPRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B34/00Obtaining refractory metals
    • C22B34/30Obtaining chromium, molybdenum or tungsten
    • C22B34/32Obtaining chromium

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)

Abstract

FIELD: metallurgy.
SUBSTANCE: proposed method comprises placing mix material into autoclave, heating it, initiating reduction reaction by firing mix material, its melting to produce refractory metal ingot, and unloading finished product. Reaction mix material placed in autoclave, said material is heated directly in autoclave. Autoclave is placed in tightly closed pit representing a straight flow tube with running water to cool down autoclave housing before firing reaction mix material. Mix material is heated by autoclave housing heat. Note here that heating time interval is calculated allowing for time of heating autoclave, its transportation, cooling, and firing reaction mix with due allowance for recovery of the housing mechanical strength provided by cooling the housing and increasing gas pressure. Proposed device incorporates tightly closed vertical pit representing a straight flow tube with running water to cool down autoclave housing before firing reaction mix material. Metal tight tank is arranged in aforesaid pit, while its bottom part represent a cone with cover to remove reaction products.
EFFECT: reduced costs.
5 cl, 1 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области производства химически активных металлов из рудного сырья и других соединений и может быть использовано для производства металлов, включая химически активные и тугоплавкие металлы, которые могут быть выплавлены за счет протекания металлотермических реакций.The present invention relates to the production of chemically active metals from ore raw materials and other compounds and can be used for the production of metals, including chemically active and refractory metals, which can be melted due to the occurrence of metallothermic reactions.

[1]. (Е.А.Левашов и др. - Физико-химические и технологические основы самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, - Москва, ЗАО "Издательство БИНОМ", 1999, стр.155÷156). В качестве аналога можно принять способ восстановления металлов, производства керамики и других соединений, который производится в реакторе. Реактор представляет собой толстостенный сосуд, выполненный из стали 12Х18Н10Т, с водоохлаждаемой рубашкой и затворами. Реакторы отличаются объемом реакционной зоны: от 1 до 30 л. Внутреннее устройство реактора отвечает специфическим требованиям, зависящим от вида синтезируемых продуктов. Для синтеза карбидов, боридов, силицидов внутренняя поверхность реактора футеруется графитом. Для синтеза нитридов, карбонитридов и гидридов реактор комплектуется специальным устройством, позволяющим обеспечить фильтрацию реагирующих газов в зону реакции. В случае синтеза халькогенидов, фосфидов и магниетермических процессов - оснастка позволяет исключить испарение компонентов шихты и конденсацию на внутренней поверхности реактора.[one]. (E.A. Levashov et al. - Physicochemical and technological fundamentals of self-propagating high-temperature synthesis, - Moscow, BINOM Publishing House, 1999, pp. 155 ÷ 156). As an analogue, you can take the method of metal reduction, production of ceramics and other compounds, which is produced in the reactor. The reactor is a thick-walled vessel made of steel 12X18H10T, with a water-cooled jacket and closures. Reactors differ in the volume of the reaction zone: from 1 to 30 liters. The internal structure of the reactor meets specific requirements, depending on the type of synthesized products. For the synthesis of carbides, borides, silicides, the inner surface of the reactor is lined with graphite. For the synthesis of nitrides, carbonitrides and hydrides, the reactor is equipped with a special device that allows filtering the reacting gases into the reaction zone. In the case of the synthesis of chalcogenides, phosphides, and magnetothermic processes, the snap-in eliminates the evaporation of charge components and condensation on the inner surface of the reactor.

После загрузки шихты реактор закрывают и в зависимости от целевой задачи вакуумируют или заполняют инертными или реакционными газами. Локальное инициирование процесса самораспростаняющегося высокотемпературного синтеза (СВС) осуществляют с пульта управления подачей кратковременного электрического импульса на вольфрамовую спираль, касающуюся исходной шихты.After loading the charge, the reactor is closed and, depending on the target, vacuum or fill with inert or reaction gases. Local initiation of the process of self-propagating high-temperature synthesis (SHS) is carried out from the control panel by supplying a short-term electrical impulse to a tungsten spiral relating to the initial charge.

Протекание СВС-процесса контролируют по изменению давления газа в реакторе и температуре охлаждающей воды. Метод СВС нашел большое применение при получении азотированных ферросплавов для сталеплавильного производства. Это наиболее эффективный способ введения азота в сталь.The course of the SHS process is controlled by the change in gas pressure in the reactor and the temperature of the cooling water. The SHS method has found great application in the production of nitrided ferroalloys for steelmaking. This is the most effective way to introduce nitrogen into steel.

[2]. (А.Н.Зеликман - Металлургия тугоплавких редких металлов, - Москва, из-во "Металлургия", 1986, стр.185). Наиболее близким техническим решением в качестве прототипа является восстановление металлотермичеким способом молибдена из его оксидов, которое проводят в герметичном цилиндрическом стальном реакторе, футерованном огнеупором (СаО, Al2O3). Реакторы изготовляют из цельнотянутых труб небольшого диаметра (300-400 мм) высотой 1100-1200 мм, к которым герметично присоединены днище и крышка.[2]. (A.N. Zelikman - Metallurgy of refractory rare metals, - Moscow, Metallurgy Institute, 1986, p. 185). The closest technical solution as a prototype is the reduction by a metallothermic method of molybdenum from its oxides, which is carried out in a sealed cylindrical steel reactor lined with refractory (CaO, Al 2 O 3 ). Reactors are made of seamless pipes of small diameter (300-400 mm) with a height of 1100-1200 mm, to which the bottom and cover are hermetically connected.

В случае алюминотермического процесса для снижения температуры плавления шлака (Al2O3) и его вязкости в шихту вводят в качестве флюса СаО. Шлак, содержащий 20-30% СаО, имеет точку плавления 1700-1800°С.In the case of an aluminothermic process, CaO is introduced as a flux to reduce the melting temperature of the slag (Al 2 O 3 ) and its viscosity in the mixture. Slag containing 20-30% CaO has a melting point of 1700-1800 ° C.

В шихту вводят порошок алюминия оптимальной крупности, при которой процесс протекает с достаточной скоростью, но без выбросов и большого перегрева, что обеспечивает высокое извлечение в слиток. При избытке алюминия в шихте (15-20% против стехиометрического) извлечение в слиток при использовании в качестве исходного материала МоО3 находится в пределах 91,2-93,6%. При применении МоО2 или CaMoO4 извлечение достигает 98-98,5%. Слитки содержат 3-5% Al. После переплава в электронно-лучевой печи происходит очистка молибдена от алюминия и ряда примесей, содержание которых снижается до n·10-3-n·10-4% (n=1÷6).An aluminum powder of optimal fineness is introduced into the charge, at which the process proceeds at a sufficient speed, but without emissions and large overheating, which ensures high extraction into the ingot. With an excess of aluminum in the charge (15-20% versus stoichiometric), the ingot extraction using MoO 3 as the starting material is in the range of 91.2-93.6%. When using MoO 2 or CaMoO 4, the recovery reaches 98-98.5%. Ingots contain 3-5% Al. After remelting in an electron-beam furnace, molybdenum is purified from aluminum and a number of impurities, the content of which decreases to n · 10 -3 -n · 10 -4 % (n = 1 ÷ 6).

Поставленная цель достигается тем, что известный способ получения химически активных металлов металлотермическим восстановлением реакционной шихты состоит из оксида химически активного металла и металла-восстановителя в автоклаве, включает подготовку реакционной шихты, помещение ее в автоклав, нагрев шихты, инициирование реакции восстановления зажиганием шихты, плавление шихты, образование продукта в виде слитка химически активного металла, выгрузку готового продукта, отличающийся тем, что после помещения реакционной шихты в автоклав производят ее нагрев непосредственно в автоклаве и автоклав устанавливают в герметично закрываемую шахту, выполненную в виде охлаждающей прямоточной трубы с проточной водой, предназначенной для охлаждения корпуса автоклава перед началом зажигания реакционной шихты, нагрев шихты ведут за счет тепла корпуса автоклава, при этом время нагрева реакционной шихты через корпус и время охлаждения корпуса рассчитывают с учетом времени нагрева автоклава, его транспортировки, охлаждения, зажигания реакционной смеси с обеспечением восстановления механической прочности стенки корпуса автоклава за счет охлаждения с одновременным увеличением давления газа, при восстановлении на автоклав накладывают механические колебания с частотой, обеспечивающей максимальное восстановление металла. Устройство для получения химически активных металлов металлотермическим восстановлением реакционной шихты, состоит из оксида химически активного металла и металла-восстановителя, содержит автоклав в виде металлической герметичной емкости с днищем и крышкой, клапаном регулировки и системой зажигания, отличающееся тем, что оно снабжено герметично закрываемой вертикальной шахтой, выполненной в виде охлаждающей прямоточной трубы с проточной водой, металлическая герметичная емкость установлена в шахте с проточной водой, а ее нижняя часть выполнена в форме конуса с крышкой для удаления продуктов реакции, металлическая герметичная емкость снабжена виброустройствами.This goal is achieved by the fact that the known method of producing reactive metals by metallothermal reduction of a reaction mixture consists of reactive metal oxide and a reducing metal in an autoclave, includes preparing a reaction mixture, placing it in an autoclave, heating the mixture, initiating the reduction reaction by igniting the mixture, melting the mixture , the formation of a product in the form of an ingot of a reactive metal, unloading the finished product, characterized in that after placing the reaction mixture in a tank lava heat it directly in the autoclave and the autoclave is installed in a hermetically sealed shaft, made in the form of a cooling direct-flow pipe with running water, designed to cool the body of the autoclave before starting the ignition of the reaction charge, the charge is heated by the heat of the autoclave body, while the reaction time is heating the charges through the body and the cooling time of the body are calculated taking into account the time of heating the autoclave, its transportation, cooling, ignition of the reaction mixture with the provision of recovery the mechanical strength of the wall of the autoclave body due to cooling with a simultaneous increase in gas pressure, during restoration, mechanical vibrations are applied to the autoclave at a frequency that ensures maximum metal recovery. A device for producing chemically active metals by metallothermal reduction of a reaction mixture, consists of reactive metal oxide and a reducing metal, contains an autoclave in the form of a metal sealed container with a bottom and a lid, an adjustment valve and an ignition system, characterized in that it is equipped with a hermetically sealed vertical shaft made in the form of a direct-flow cooling pipe with running water, a metal sealed container is installed in the shaft with running water, and its lower hour s is in the shape of a cone with a lid for the removal of reaction products, metal sealed container is provided with sample catcher.

Предложенный способ реализует установка, представленная на чертеже. Установка в виде автоклава включает корпус металлической герметичной емкости (автоклава) 1, верхняя часть которой выполнена из трубы, а нижняя часть выполнена из конуса 17 и крышки конуса 18, в которой плавится за счет металлотермии реакционная смесь, которая после плавления распадается на шлак 4 и слиток металла 3, формируемый на охлаждаемом поддоне 2. На охлаждаемый поддон 2 снизу подается струя воды 16 через трубопровод 6, которая в дальнейшем охлаждает корпус автоклава 1 и сливается через трубопровод 7. Сверху автоклав закрыт крышкой 11, через которую проходит электрозапал 8, а так же трубопровод 9 с регулируемым клапаном 10. Автоклав внизу устанавливается на виброустройствах 13, которые во время протекания реакции уплотняют реакционную смесь, извлекая в слиток максимально возможную массу металла. Для обеспечения охлаждения автоклава и для обеспечения безопасности производства автоклав устанавливается в вертикальную шахту 5, которая герметично закрывается крышкой 14 за счет запорных механизмов 15.The proposed method implements the installation shown in the drawing. The installation in the form of an autoclave includes a body of a metal sealed container (autoclave) 1, the upper part of which is made of a pipe, and the lower part is made of a cone 17 and a cover of the cone 18, in which the reaction mixture melts due to metallothermy, which, after melting, decomposes into slag 4 and a metal ingot 3 formed on a cooled tray 2. A stream of water 16 is supplied from below to a cooled tray 2 through a conduit 6, which subsequently cools the body of the autoclave 1 and drains through a conduit 7. From above, the autoclave is closed by a lid 11, through otorrhea passes igniter 8, as well as the line 9 with an adjustable valve 10. The bottom of the autoclave was set to sample catcher 13, which during the course of the reaction, the reaction mixture was compacted by extracting a metal ingot greatest possible mass. To ensure cooling of the autoclave and to ensure the safety of production, the autoclave is installed in a vertical shaft 5, which is hermetically closed by a lid 14 due to locking mechanisms 15.

Для того чтобы автоклавное производство металлов достигало максимальной эффективности при минимальных затратах, необходимо учитывать следующие особенности протекания металлотермических реакций.In order for autoclave metal production to achieve maximum efficiency at minimum cost, it is necessary to take into account the following features of metallothermal reactions.

[3] Наиболее важным моментом проведения металлотермической реакции является температура процесса. Так как температура процесса пропорциональна его удельной теплоте, то с ростом последней растет и скорость алюминотермической плавки. При внепечном алюминотермическом процессе скорость проплавления шихты, определяемая температурой процесса, в свою очередь может влиять на температурный уровень плавки. При уменьшении скорости процесса возрастает доля тепловых потерь, пропорциональных времени плавки, и, следовательно, температура процесса падает, с увеличением скорости процесса его температура увеличивается.[3] The most important point of the metallothermic reaction is the process temperature. Since the temperature of the process is proportional to its specific heat, the rate of aluminothermic melting also increases with the growth of the latter. In an out-of-furnace aluminothermic process, the rate of charge penetration, determined by the process temperature, in turn, can affect the temperature level of smelting. With a decrease in the speed of the process, the fraction of heat losses proportional to the melting time increases, and, consequently, the temperature of the process decreases, and with an increase in the speed of the process, its temperature increases.

Другим не менее важным моментом проведения металлотермической реакции является давление, при котором протекает реакция. Зависимость скорости металлотермической реакции от величины внешнего давления интересна не только с точки зрения практического проведения плавки, но и для выяснения механизма протекания внепечного металлотермического процесса. Данный механизм можно раскрыть на примере протекания алюмотермической реакции. В связи с тем, что в стехиометрическое уравнение реакции алюминотермического восстановления не входят газообразные вещества, а также в связи с высокими температурами кипения исходных материалов и продуктов реакции можно предположить, что основные реакции алюминотермического процесса происходят между конденсированными фазами. В этом случае внешнее давление существенно не влияет на скорость реакции. Наоборот, при участии газовой фазы скорость реакции, в значительной степени определяется величиной внешнего давления. С повышением давления скорость газовых реакций возрастет за счет увеличения плотности газа и числа столкновений газовых молекул или за счет увеличения числа ударов газовых молекул о поверхность конденсированной фазы на границе раздела фаз. Так, например, зависимость скорости распространения фронта реакции ряда алюминотермических смесей (Cr2О3+Al, Fe2O3+Al, MnO2+Al) от внешнего давления изучалась А.Ф.Беляевым и Л.Д.Комковой. Как следует из полученных данных, при взаимодействии окиси хрома с алюминием повышение давления не влияет на скорость реакции. Понижение давления до 50-100 мм рт.ст. также не приводит к заметному изменению скорости реакции. Это дает основание полагать, что реакция алюминотермического восстановления окиси хрома при температурах 1900-2100 К протекает без участия газовой фазы.Another equally important point in the metallothermic reaction is the pressure at which the reaction proceeds. The dependence of the rate of the metallothermal reaction on the magnitude of the external pressure is interesting not only from the point of view of practical smelting, but also to elucidate the mechanism of the out-of-furnace metallothermic process. This mechanism can be disclosed by the example of an aluminothermic reaction. Due to the fact that gaseous substances are not included in the stoichiometric equation of the aluminothermic reduction reaction, and also due to the high boiling points of the starting materials and reaction products, it can be assumed that the main reactions of the aluminothermic process occur between the condensed phases. In this case, the external pressure does not significantly affect the reaction rate. Conversely, with the participation of the gas phase, the reaction rate is largely determined by the magnitude of the external pressure. With increasing pressure, the rate of gas reactions will increase due to an increase in gas density and the number of collisions of gas molecules or due to an increase in the number of impacts of gas molecules on the surface of the condensed phase at the phase boundary. For example, the dependence of the propagation velocity of the reaction front of a number of aluminothermic mixtures (Cr 2 O 3 + Al, Fe 2 O 3 + Al, MnO 2 + Al) on external pressure was studied by A.F. Belyaev and L.D. Komkova. As follows from the data obtained, in the interaction of chromium oxide with aluminum, an increase in pressure does not affect the reaction rate. Pressure reduction to 50-100 mm Hg also does not lead to a noticeable change in the reaction rate. This suggests that the aluminothermic reduction of chromium oxide at temperatures of 1900-2100 K proceeds without the participation of the gas phase.

При взаимодействии алюминия с окислами железа и марганца скорость реакции с повышением давления увеличивается. Наибольший рост скорости наблюдается при давлениях до 20-40 атм (20-40 бар). При дальнейшем повышении внешнего давления рост скорости замедляется, а при понижении давления до 50-100 мм рт.ст. скорость реакции уменьшается до 0,7-0,8 см/с.In the interaction of aluminum with iron and manganese oxides, the reaction rate increases with increasing pressure. The greatest increase in speed is observed at pressures up to 20-40 bar (20-40 bar). With a further increase in external pressure, the increase in speed slows down, and with a decrease in pressure to 50-100 mm Hg. the reaction rate decreases to 0.7-0.8 cm / s.

Необходимо так же отметить, что проведение металлотермических реакций в открытых тиглях приводит к повышенному выносу шихты, за счет образующихся газов, которые уносят из зоны реакции часть тепла, выделяющегося во время процесса.It should also be noted that the conduct of metallothermal reactions in open crucibles leads to increased removal of the charge, due to the gases formed, which carry away part of the heat generated during the process from the reaction zone.

Для увеличения выхода восстанавливаемого металла применяют термитные добавки. Существенный недостаток применения термитных добавок - это повышение расхода, восстановителя на тонну получаемого сплава, что значительно удорожает металл и не всегда оправдывается экономически. Другой недостаток применения термитных добавок - это увеличение количества шлака и снижение концентрации основного восстанавливаемого окисла в расплаве, что ухудшает условия как восстановления окислов, так и осаждения капель восстановленного металла. Поэтому при металлотермических процессах необходимо стремиться к минимальному расходу термитных добавок.To increase the yield of the reduced metal, termite additives are used. A significant drawback of the use of termite additives is an increase in consumption, a reducing agent per ton of the resulting alloy, which significantly increases the cost of metal and is not always economically justified. Another disadvantage of using termite additives is an increase in the amount of slag and a decrease in the concentration of the main reducible oxide in the melt, which worsens the conditions of both the reduction of oxides and the deposition of droplets of the reduced metal. Therefore, in metallothermal processes, it is necessary to strive for a minimum consumption of termite additives.

Более эффективен по сравнению с применением термитных добавок предварительный нагрев шихтовых материалов, при котором отсутствуют затраты дорогостоящего восстановителя.Compared to the use of thermite additives, preheating of charge materials is more effective, at which there are no costs for an expensive reducing agent.

При калориметрировании процесса алюминотермического восстановления окиси железа В.А.Боголюбовым было найдено, что повышение температуры процесса при нагреве шихты на каждые 100° составляет 56°. Повышение величины удельной теплоты процесса за счет физического тепла, вносимого нагретой шихтой, можно рассчитать исходя из теплового баланса плавки. При выплавке на нагретой шихте суммарный приход теплаWhen calorimetric the process of aluminothermic reduction of iron oxide by V.A. Bogolyubov, it was found that an increase in the temperature of the process when the mixture is heated for every 100 ° is 56 °. The increase in the specific heat of the process due to physical heat introduced by the heated charge can be calculated based on the heat balance of the heat. When smelting on a heated mixture, the total heat input

Figure 00000001
Figure 00000001

Так, например, аналогичный расчет для случая алюминотермического восстановления окиси железа дает повышение удельной теплоты процесса при нагреве шихты на 100° около 84 кДж/кг шихты. Повышение удельной теплоты процесса при предварительном нагреве шихты не может быть следствием только внесения дополнительного тепла нагретой шихтой, а совмещается с уменьшением тепловых потерь в связи с большей скоростью реакций и более полным восстановлением за счет повышения жидкоподвижности расплава.So, for example, a similar calculation for the case of aluminothermic reduction of iron oxide gives an increase in the specific heat of the process when the charge is heated by 100 ° at about 84 kJ / kg of charge. An increase in the specific heat of the process during preliminary heating of the charge cannot be a consequence of only the introduction of additional heat by the heated charge, but is combined with a decrease in heat loss due to a higher reaction rate and a more complete recovery due to an increase in the liquid mobility of the melt.

Для снижения экономических затрат снижают количество восстановителя на выплавку металлотермических сплавов за счет следующего:To reduce economic costs, reduce the amount of reducing agent for the smelting of metallothermal alloys due to the following:

1. Правильный подбор восстановителя, необходимого для выплавки различных сплавов (использование в отдельных случаях вторичного алюминия, применение комплексных восстановителей, частичная замена алюминия кремнием, магнием, кальцием и т.д.).1. The correct selection of the reducing agent necessary for the smelting of various alloys (use in some cases of secondary aluminum, the use of complex reducing agents, partial replacement of aluminum with silicon, magnesium, calcium, etc.).

2. Сокращение применения термитных добавок, требующих повышенного расхода восстановителя, за счет предварительного нагрева шихты или других мероприятий, к которым относится газовое давление в продуктах реакции, а так же обработка вибрацией вещества в момент формирования слитка металла.2. Reducing the use of thermite additives requiring an increased consumption of reducing agent due to pre-heating of the mixture or other measures, which include gas pressure in the reaction products, as well as vibration processing of the substance at the time of formation of the metal ingot.

3. Снижение механических потерь и окисления металла восстановителя в процессе изготовления порошка, полное использование всех отходов производства металлотермического порошка.3. Reducing the mechanical losses and oxidation of the metal reducing agent in the process of manufacturing the powder, the full use of all waste products of metallothermal powder production.

4. Совершенствование подбора гранулометрического состава восстановителя с целью более полного протекания восстановительных реакций, сокращение угара металла восстановителя в процессе плавки и более полного осаждения в основной слиток корольков восстановленного металла.4. Improving the selection of the granulometric composition of the reducing agent with the aim of more complete flow of reduction reactions, reducing the burning of the reducing agent metal during the smelting process and more complete precipitation of the reduced metal kings into the main ingot.

5. Горение в высококалорийных смесях окислов металлов с восстановителями и неметаллами сопровождается сильным разбросом расплава и протекает во взрывоподобном режиме. Повышенное давление газа (аргона, азота, воздуха) подавляет разброс и переводит горение в управляемый стационарный режим. Для удержания газового давления в продуктах реакции и предотвращения механического выброса вещества, применяют закрытые емкости, называемые реакторами или автоклавами. С другой стороны, в предлагаемом изобретении полнотой выхода восстанавливаемого металла в слиток можно управлять за счет всех вышеперечисленных возможностей управления процессом.5. Combustion in high-calorific mixtures of metal oxides with reducing agents and non-metals is accompanied by a strong spread of the melt and proceeds in an explosive mode. The increased gas pressure (argon, nitrogen, air) suppresses the spread and puts combustion in a controlled stationary mode. To keep the gas pressure in the reaction products and prevent the mechanical release of the substance, closed containers are used, called reactors or autoclaves. On the other hand, in the present invention, the completeness of the yield of the reduced metal in the ingot can be controlled by all of the above process control capabilities.

Исходя из вышесказанного, необходимо отметить, что способ предлагаемой автоклавной плавки призван выполнить все необходимые условия, способствующие максимальному извлечению восстанавливаемого металла при минимальном использовании металла восстановителя, а следовательно, призван максимально снизить себестоимость производимой продукции. Повышенный КПД по выходу металла обеспечивается за счет того, что предотвращается обычный выброс вещества, который происходит в открытых емкостях. Так, например, автоклавная плавка может обеспечить протекание реакции под давлением, при этом многие реакции восстановления будут протекать более полно с более высоким КПД по выходу металла. Образующиеся газы во время протекания реакции в автоклаве, не покидая внутреннее его пространство, тем самым не охлаждают продукты реакции и не тормозят процесс восстановления, при этом эти же газы создают необходимое давление, способствующее более полному протеканию восстановительного процесса. Следовательно, за счет этого снижаются капитальные затраты. Для того чтобы продукты реакции были более чистыми от газовых включений, автоклав перед восстановлением можно вакуумировать и во внутреннее пространство закачивать инертные газы.Based on the foregoing, it should be noted that the method of the proposed autoclave melting is designed to fulfill all the necessary conditions that contribute to the maximum recovery of the recoverable metal with minimal use of the metal reducing agent, and therefore, is designed to minimize the cost of production. Increased efficiency in metal yield is ensured due to the fact that the normal release of a substance that occurs in open containers is prevented. So, for example, autoclave melting can provide a reaction under pressure, while many reduction reactions will proceed more fully with a higher efficiency in terms of metal yield. The gases formed during the course of the reaction in the autoclave, without leaving its inner space, thereby do not cool the reaction products and do not inhibit the recovery process, while these same gases create the necessary pressure, contributing to a more complete course of the recovery process. Therefore, due to this, capital costs are reduced. In order for the reaction products to be cleaner from gas inclusions, the autoclave can be evacuated before reduction and inert gases can be pumped into the interior.

В отличие от аналога и прототипа, где корпуса автоклавов (реакторов) облицованы тугоплавкой изоляционной керамикой, в предлагаемом изобретении корпус автоклава металлический без внутренней футеровки. Данная особенность позволяет перед началом восстановительной реакции подогревать подготовленную смесь прямо в автоклаве. Это позволяет очень точно регулировать температуру нагрева, проводить нагрев в вакууме или среде инертных газов. Если проводить предварительный нагрев порошковой шихты, а затем ее засыпать в автоклав, то при этом будут нарушаться правила техники безопасности, так как нагретый порошок более склонен к самовозгоранию. Кроме того, будут больше тепловые потери, при перегрузке порошка из нагревательной емкости в автоклав, потеря восстановителя за счет окисления, а так же большие сложности по регулировке температуры, до которой следует нагревать реакционную смесь. Предлагаемый автоклав без внутренней теплоизоляционной облицовки, может с большой точностью прогреваться определенное время в шахтных печах сопротивления, индукционных или плазменно-газовых печах. Чем больше период нагрева реакционной шихты, тем с большой точностью можно достигать требуемую температуру ее нагрева.In contrast to the analogue and prototype, where the bodies of the autoclaves (reactors) are lined with refractory insulating ceramics, in the present invention the body of the autoclave is metal without an inner lining. This feature allows you to heat the prepared mixture directly in the autoclave before starting the recovery reaction. This allows you to very accurately control the heating temperature, to conduct heating in a vacuum or inert gas environment. If you pre-heat the powder mixture and then pour it into the autoclave, then the safety rules will be violated, since the heated powder is more prone to spontaneous combustion. In addition, there will be more heat loss during powder overloading from the heating tank into the autoclave, the loss of a reducing agent due to oxidation, as well as greater difficulties in adjusting the temperature to which the reaction mixture should be heated. The proposed autoclave without an internal heat-insulating lining, can be heated with great accuracy for a certain time in resistance shaft furnaces, induction or plasma-gas furnaces. The longer the heating period of the reaction mixture, the more accurately you can achieve the required temperature for its heating.

С точки зрения энергетических затрат время нагрева должно быть оптимально, так чтобы не расходовать излишнюю энергию. Учитывая то, что на прогрев реакционной шихты в автоклаве требуется определенное время, необходимо учитывать и время на то, чтобы перенести автоклав из нагревательной печи в шахту, а так же время на ее закрытие и наполнение водой. Наибольшая температура будет поглощаться корпусом автоклава и далее за счет излучения, конвекции газов и теплопроводности будет постепенно передаваться внутрь автоклава. Нагревая реакционную шихту, необходимо так рассчитывать прогрев корпуса автоклава, чтобы учесть ту тепловую энергию, которая поступит в шихту за время транспортировки автоклава из нагревательной печи в шахту и за время перед зажиганием реакционной шихты. То есть за это время корпус автоклава будет передавать часть недостающей тепловой энергии реакционной шихте до теоретически расчетной температуры.From the point of view of energy costs, the heating time should be optimal so as not to expend unnecessary energy. Considering that a certain time is required for heating the reaction mixture in the autoclave, it is necessary to take into account the time to transfer the autoclave from the heating furnace to the shaft, as well as the time to close and fill it with water. The highest temperature will be absorbed by the body of the autoclave and then due to radiation, convection of gases and thermal conductivity will be gradually transferred to the inside of the autoclave. When heating the reaction mixture, it is necessary to calculate the heating of the autoclave body in such a way as to take into account the thermal energy that will enter the charge during the transportation of the autoclave from the heating furnace to the shaft and the time before ignition of the reaction mixture. That is, during this time, the autoclave body will transfer part of the missing thermal energy to the reaction mixture to a theoretically calculated temperature.

Для того чтобы корпус автоклава вернул себе механическую прочность, так как она уменьшится в связи с его нагревом, его нужно будет перед моментом зажигания охладить водой. При этом необходимо учесть, что если корпус автоклава охлаждать длительное время, то при этом будет охлаждаться реакционная шихта внутри автоклава. С энергетической точки зрения это будет наносить значительные потери процессу восстановления металла. Поэтому технологический процесс при осуществлении предлагаемого способа учитывает время, необходимое для охлаждения корпуса автоклава, который должен выдержать давление, создаваемое продуктами реакции. Кроме того, необходимо учитывать время, которое требуется на инициирование реакции и достижение рабочего давления, при котором процесс протекает оптимально. То есть оператор особо точно рассчитывает момент нагрева автоклава, начальный момент его охлаждения и момент электроподжога реакционной смеси, таким образом, чтобы механическая прочность стенки корпуса автоклава за счет охлаждения восстанавливалась до такой степени, чтобы удержать нарастающее давление газа при протекании реакции восстановления. Механическая прочность должна восстановиться одновременно с увеличением газового давления, верхний предел этого давления постоянный, так как регулируется за счет клапана, установленного на верхней крышке автоклава.In order for the autoclave body to regain its mechanical strength, since it will decrease due to its heating, it will need to be cooled with water before the moment of ignition. It should be noted that if the autoclave body is cooled for a long time, then the reaction mixture inside the autoclave will be cooled. From an energy point of view, this will cause significant losses to the metal reduction process. Therefore, the technological process when implementing the proposed method takes into account the time required to cool the body of the autoclave, which must withstand the pressure created by the reaction products. In addition, it is necessary to take into account the time required to initiate the reaction and achieve the working pressure at which the process proceeds optimally. That is, the operator particularly accurately calculates the time of heating of the autoclave, the initial moment of its cooling and the moment of electric burning of the reaction mixture, so that the mechanical strength of the wall of the autoclave body due to cooling is restored to such an extent as to maintain the growing gas pressure during the recovery reaction. Mechanical strength should be restored at the same time as the gas pressure increases, the upper limit of this pressure is constant, as it is regulated by a valve mounted on the top cover of the autoclave.

В данном изобретении необходимо отметить, что корпус автоклава играет большую технологическую роль в проведении реакции восстановления, как на стадии подготовки, так и на последующей стадии восстановления. То есть через корпус автоклава на стадии подготовки идет прогрев реакционной шихты. В момент нарастания газового давления корпус охлаждается и возвращает механическую прочность, удерживая газовое давление. При образовании слитка металла корпус автоклава и в особенности его медный охлаждаемый поддон отводит тепловую энергию от слитка, тем самым увеличивая объем производимого металла, так как реакция восстановления будет смещаться вправо.In this invention, it should be noted that the autoclave body plays a large technological role in carrying out the reduction reaction, both at the preparation stage and at the subsequent stage of recovery. That is, through the autoclave body at the preparation stage, the reaction mixture is warming up. At the time of increasing gas pressure, the body cools and returns mechanical strength, holding gas pressure. When a metal ingot is formed, the body of the autoclave, and in particular its cooled copper tray, removes thermal energy from the ingot, thereby increasing the volume of metal produced, since the reduction reaction will shift to the right.

Как видно на чертеже, автоклав установлен на виброустройства 13, которые работают за счет пневматики, электромоторов, электромагнитов и т.п. приводов. Создавая высокочастотную или низкочастотную вибрацию (частота подбирается, исходя из ее эффективности по извлечению восстанавливаемого металла, на тот или иной автоклав), при протекании реакции восстановления, создаются благоприятные условия, которые увеличивают КПД процесса. Так, например, вибрация будет снижать вязкость расплава и утяжелять капли восстановленного металла, что им позволит в большем объеме выделиться из шлака и сформироваться в слиток. За счет вибрации усилится перемешивание реакционной шихты, что увеличит жидкотекучесть и скорость реакции. За счет этого повысится температура реакции, уменьшится время восстановления металла, что позволит снизить расход металла восстановителя, уменьшить изначальную температуру нагрева шихты (следовательно, снизить энергозатраты процесса) и увеличить выход годного.As can be seen in the drawing, the autoclave is mounted on vibration devices 13, which operate due to pneumatics, electric motors, electromagnets, etc. drives. Creating a high-frequency or low-frequency vibration (the frequency is selected based on its efficiency in extracting the metal to be recovered, to one or another autoclave), during the course of the recovery reaction, favorable conditions are created that increase the efficiency of the process. So, for example, vibration will reduce the viscosity of the melt and make heavier the droplets of the reduced metal, which will allow them to stand out from the slag in a larger volume and form into an ingot. Due to vibration, mixing of the reaction mixture will increase, which will increase the fluidity and the reaction rate. Due to this, the reaction temperature will increase, the metal recovery time will decrease, which will reduce the metal consumption of the reducing agent, reduce the initial heating temperature of the charge (therefore, reduce the energy consumption of the process) and increase the yield.

Claims (4)

1. Способ получения химически активных металлов металлотермическим восстановлением реакционной шихты, состоящей из оксида химически активного металла и металла-восстановителя в автоклаве, включающий подготовку реакционной шихты, помещение ее в автоклав, нагрев шихты, инициирование реакции восстановления зажиганием шихты, плавление шихты, образование продукта в виде слитка химически активного металла, выгрузку готового продукта, отличающийся тем, что после помещения реакционной шихты в автоклав производят ее нагрев непосредственно в автоклаве и автоклав устанавливают в герметично закрываемую шахту, выполненную в виде охлаждающей прямоточной трубы с проточной водой, предназначенной для охлаждения корпуса автоклава перед началом зажигания реакционной шихты, нагрев шихты ведут за счет тепла корпуса автоклава, при этом время нагрева реакционной шихты через корпус и время охлаждения корпуса рассчитывают с учетом времени нагрева автоклава, его транспортировки, охлаждения, зажигания реакционной смеси с обеспечением восстановления механической прочности стенки корпуса автоклава за счет охлаждения с одновременным увеличением давления газа.1. A method for producing chemically active metals by metallothermal reduction of a reaction mixture consisting of reactive metal oxide and a reducing metal in an autoclave, including preparing a reaction mixture, placing it in an autoclave, heating the mixture, initiating a reduction reaction by igniting the mixture, melting the mixture, and forming the product in in the form of an ingot of reactive metal, unloading the finished product, characterized in that after placing the reaction mixture in an autoclave, it is heated directly in the autoclave and the autoclave are installed in a hermetically sealed shaft, made in the form of a direct-flow cooling pipe with running water, designed to cool the autoclave body before ignition of the reaction mixture, the charge is heated by the heat of the autoclave body, while the reaction charge is heated through the body and the cooling time the shells are calculated taking into account the heating time of the autoclave, its transportation, cooling, ignition of the reaction mixture with the restoration of the mechanical strength of the wall of the body and by cooling the autoclave with simultaneous increase of the gas pressure. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при восстановлении на автоклав накладывают механические колебания с частотой, обеспечивающей максимальное восстановление металла.2. The method according to claim 1, characterized in that during the restoration, mechanical vibrations are applied to the autoclave at a frequency that ensures maximum metal recovery. 3. Устройство для получения химически активных металлов металлотермическим восстановлением реакционной шихты, состоящей из оксида химически активного металла и металла-восстановителя, содержащее автоклав в виде металлической герметичной емкости с днищем и крышкой, клапаном регулировки и системой зажигания, отличающееся тем, что оно снабжено герметично закрываемой вертикальной шахтой, выполненной в виде охлаждающей прямоточной трубы с проточной водой, металлическая герметичная емкость установлена в шахте с проточной водой, а ее нижняя часть выполнена в форме конуса с крышкой для удаления продуктов реакции.3. A device for producing chemically active metals by metallothermic reduction of a reaction mixture consisting of reactive metal oxide and a reducing metal, containing an autoclave in the form of a metal sealed container with a bottom and a lid, an adjustment valve and an ignition system, characterized in that it is equipped with a hermetically sealed vertical shaft, made in the form of a cooling pipe with flowing water, a metal sealed container installed in the shaft with running water, and its lower Part I is made in the shape of a cone with a lid for the removal of reaction products. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что металлическая герметичная емкость снабжена виброустройствами. 4. The device according to claim 3, characterized in that the metal sealed container is equipped with vibration devices.
RU2008118752/02A 2008-05-12 2008-05-12 Method of autoclave production of chemically active materials and device to this end RU2405045C2 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008118752/02A RU2405045C2 (en) 2008-05-12 2008-05-12 Method of autoclave production of chemically active materials and device to this end
PCT/RU2009/000223 WO2009139667A1 (en) 2008-05-12 2009-05-08 Method and device for the pressure production of chemically active metals

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008118752/02A RU2405045C2 (en) 2008-05-12 2008-05-12 Method of autoclave production of chemically active materials and device to this end

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2008118752A RU2008118752A (en) 2009-11-20
RU2405045C2 true RU2405045C2 (en) 2010-11-27

Family

ID=41318897

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2008118752/02A RU2405045C2 (en) 2008-05-12 2008-05-12 Method of autoclave production of chemically active materials and device to this end

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2405045C2 (en)
WO (1) WO2009139667A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2840950C1 (en) * 2024-09-10 2025-05-30 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный технический университет" Reactor for combination of metallothermy and self-propagating high-temperature synthesis

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0170372B1 (en) * 1984-07-03 1988-08-17 General Motors Corporation Metallothermic reduction of rare earth oxides with calcium metal
RU2003128051A (en) * 2003-09-18 2005-04-10 Открытое акционерное общество "Чепецкий механический завод" (ОАО ЧМЗ) (RU) MAGNETIC THERMAL METHOD FOR PRODUCING SPONGED ZIRCONIUM AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION
CN1757772A (en) * 2005-10-26 2006-04-12 武汉科技大学 Method of preparing titanium and titanium alloy using titanium containing furnace clinker
RU2311469C2 (en) * 2005-06-30 2007-11-27 Общество с ограниченной ответственностью Фирма "ДАТА-ЦЕНТР" (ООО Фирма "ДАТА-ЦЕНТР") Method of production of titanium-containing product and device for realization of this method

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0170372B1 (en) * 1984-07-03 1988-08-17 General Motors Corporation Metallothermic reduction of rare earth oxides with calcium metal
RU2003128051A (en) * 2003-09-18 2005-04-10 Открытое акционерное общество "Чепецкий механический завод" (ОАО ЧМЗ) (RU) MAGNETIC THERMAL METHOD FOR PRODUCING SPONGED ZIRCONIUM AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION
RU2311469C2 (en) * 2005-06-30 2007-11-27 Общество с ограниченной ответственностью Фирма "ДАТА-ЦЕНТР" (ООО Фирма "ДАТА-ЦЕНТР") Method of production of titanium-containing product and device for realization of this method
CN1757772A (en) * 2005-10-26 2006-04-12 武汉科技大学 Method of preparing titanium and titanium alloy using titanium containing furnace clinker

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ЗЕЛИКМАН А.Н. Металлургия тугоплавких редких металлов. - М.: Металлургия, 1986, с.184-186. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2840950C1 (en) * 2024-09-10 2025-05-30 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Самарский государственный технический университет" Reactor for combination of metallothermy and self-propagating high-temperature synthesis

Also Published As

Publication number Publication date
RU2008118752A (en) 2009-11-20
WO2009139667A1 (en) 2009-11-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6896623B2 (en) A process for producing a low nitrogen, substantially nitride-free chromium and chromium and niobium-containing nickel-based alloy, and the resulting chromium and nickel-based alloy.
NO335985B1 (en) Process for the preparation of medium pure silicon
US4216010A (en) Aluminum purification system
CN101381790B (en) Method for smelting 10Cr9Mo1VNbN ferrite heat-resistant steel in electric furnace and horizontally continuously casting into round pipe billet
US8900341B2 (en) Method and system for producing an aluminum—silicon alloy
EP0526159A1 (en) Method for melting titanium aluminide alloys
US20170191145A1 (en) Processes for producing low nitrogen metallic chromium and chromium-containing alloys and the resulting products
EP3554998A1 (en) Process for the production of commercial grade silicon
US20230043273A1 (en) Manganese aluminum alloy and preparation method therefor
JP5379583B2 (en) Manufacturing method of ultra high purity alloy ingot
RU2405045C2 (en) Method of autoclave production of chemically active materials and device to this end
RU2406767C1 (en) Procedure for metal-thermal metal and alloy melting
Chen et al. Changes of oxygen content in molten TiAl alloys as a function of superheat during vacuum induction melting
EP1794333A2 (en) Method using single furnace carbothermic reduction with temperature control within the furnace
CN106435222A (en) Smelting method for silicon aluminium reduction vanadium iron
Kemper et al. EAF carbothermic co-reduction of alumina and silica for the direct production of Al-Si master alloy
HUP0104447A2 (en) Process for the refining of waste materials containing magnesium
RU2521930C1 (en) Charge and method for electric-furnace aluminothermic production of ferroboron using it
RU2719828C1 (en) Charge and electric furnace method of producing ferroboron with its use
RU2269585C1 (en) Method for thermal melting of metal
RU2112058C1 (en) Apparatus for metallothermic reduction of metal halides
US4269398A (en) Means for reclaiming galvanizing quality zinc alloy from continuous galvanizing line top dross
RU2073735C1 (en) Method for production of alloys of metals with phosphorous
US4221591A (en) Method for reclaiming galvanizing quality zinc alloy from continuous galvanizing line top dross
RU2549820C1 (en) Method for aluminothermic obtainment of ferroalloys

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20110513