[go: up one dir, main page]

WO2009139667A1 - Способ и устройство автоклавного производства химически активных металлов - Google Patents

Способ и устройство автоклавного производства химически активных металлов Download PDF

Info

Publication number
WO2009139667A1
WO2009139667A1 PCT/RU2009/000223 RU2009000223W WO2009139667A1 WO 2009139667 A1 WO2009139667 A1 WO 2009139667A1 RU 2009000223 W RU2009000223 W RU 2009000223W WO 2009139667 A1 WO2009139667 A1 WO 2009139667A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
autoclave
reaction
cooling
heating
time
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Ceased
Application number
PCT/RU2009/000223
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Анатолий Евгеньевич ВОЛКОВ
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
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 Individual filed Critical Individual
Publication of WO2009139667A1 publication Critical patent/WO2009139667A1/ru
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B5/00—General methods of reducing to metals
    • C22B5/02—Dry methods smelting of sulfides or formation of mattes
    • C22B5/04—Dry methods smelting of sulfides or formation of mattes by aluminium, other metals or silicon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B34/00—Obtaining refractory metals
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B34/00—Obtaining refractory metals
    • C22B34/30—Obtaining chromium, molybdenum or tungsten
    • C22B34/32—Obtaining chromium

Definitions

  • the present invention relates to the field of 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.
  • the method of metal reduction, the production of ceramics and other compounds, and the reactor device (autoclave) in which the metal reduction process is performed are selected as an analog.
  • This method involves mixing reagents (oxidizing agent and reducing agent), heating the charge, followed by loading the charge into the reactor, which is then transferred to the mine. After loading the charge, the reactor is closed and, depending on the target, vacuum or fill with inert or reaction gases, initiate the reaction.
  • CBC self-propagating high-temperature synthesis
  • This method proceeds in an enclosed space at ordinary pressures created by the reaction products. ⁇
  • the course of the CBC process is controlled by the change in gas pressure in the reactor and the temperature of the cooling water.
  • the CBC method has found great application in the production of nitrided ferroalloys for steelmaking. This is the most effective way to introduce nitrogen into steel.
  • the autoclave for implementing this method is made in the form of a thick-walled vessel, hermetically sealed on top with a lid, which is internally lined with refractory insulating ceramics, on the outside of which there is a water-cooling shirt.
  • the vessel is equipped with gates.
  • 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.
  • the inner surface of the reactor is lined with graphite.
  • the reactor is equipped with a special device that allows filtering the reacting gases into the reaction zone.
  • the snap-in eliminates the evaporation of charge components and condensation on the inner surface of the reactor.
  • termite additives are used, which leads to an increased consumption of the reducing agent per ton of the alloy obtained, and, consequently, to the high cost of the metal;
  • the closest technical solution is a metallothermic method for the reduction of molybdenum from its oxides and a sealed cylindrical steel reactor (autoclave) lined with refractory (CaO, Al 2 O 3 ) (A.N. Zelikman - Metallurgy of refractory rare metals, - Moscow: Publishing House “Metallurgy”, 1986, p. 185).
  • This method involves mixing reagents (oxidizing agent and reducing agent), heating the mixture, followed by loading the mixture into a reactor (autoclave), which is then transferred to the mine. After loading the charge, the reactor is closed and, depending on the target, vacuum or fill with inert or reaction gases, and initiate the reaction using arson. Local initiation of the process of self-propagating high-temperature synthesis (CBC) is carried out from the control panel by supplying a short-term electrical impulse to a tungsten spiral relating to the initial charge. The reaction results in the separation of metal and slag. After which spontaneous cooling occurs, the subsequent unloading of the reaction products and their mechanical separation.
  • a reactor autoclave
  • This method proceeds in an enclosed space at ordinary pressures created by the reaction products.
  • 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 0 C.
  • the reactor (autoclave) for implementing this method is made in the form of a cylindrical container lined from the inside, equipped with a bottom and a lid.
  • the reactor is 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.
  • the specified method and device have the following disadvantages: - the inability to heat the prepared mixture directly in the autoclave, because the body of the autoclave (reactor) is lined with refractory insulating ceramics, which does not allow to conduct a recovery reaction preliminary heating of the powder mixture, in addition, when falling into the autoclave, the safety of the process is impaired, since the heated powder is prone to spontaneous combustion;
  • the technical problem of the proposed invention is to develop a method and device for its implementation, which allows to ensure the safety of the production of chemically active metals, reducing energy, economic and capital costs, as well as reducing costs and increasing the volume of metal produced.
  • the task is achieved in that in the autoclave production of chemically active metals, based on the inclusion of metal-thermal reduction of the reaction mixture in the autoclave under a certain (required) pressure, the autoclave is installed in a vertical hermetically sealed shaft, which functions as a direct-flow cooling pipe and ensures the safety of the process.
  • the autoclave body transfers the required heat for the reaction mixture in the first stage (before starting the charge ignition), and in the second stage it performs mold functions.
  • the heating time of the reaction mixture through the autoclave body and the cooling time of the body are calculated with particular accuracy, including the heating time of the autoclave, its transportation, cooling, electric ignition of the reaction mixture, so that the mechanical strength of the wall of the autoclave body due to cooling is restored simultaneously with an increase in gas pressure.
  • oscillations of such a frequency can be superimposed on the autoclave at which maximum recovery of the reduced metal is achieved.
  • a device for the autoclave production of chemically active metals contains a metal sealed container, an adjustment valve, an ignition system.
  • the device is characterized in that the tank, designed for installation in a shaft with running water, in the lower part is made in the form of a cone with a lid to facilitate removal of reaction products.
  • the tank can be equipped with a vibration device to create mechanical vibrations at the time of the reaction.
  • Figure l shows a device that implements the proposed method.
  • the proposed method is implemented using the device shown in Fig.l.
  • the device in the form of an autoclave is a metal sealed container with a melting chamber 1, the upper part of which is made in the form of a pipe, and the lower part is made in the form of a cone with a pallet 2, in which the reaction mixture melts due to metallothermy, which decomposes after melting into a metal ingot 3, formed on the cooled tray 2, and slag 4.
  • the autoclave is installed in a vertical shaft 5.
  • a pipe 6 is installed for supplying a jet of water to the cooled tray 2 and cooling the autoclave body. Subsequently, the water is discharged through line 7.
  • the top of the autoclave is closed by a lid 11, through which the electric valve 8 passes, and also the line 9 with an adjustable valve 10.
  • the bottom of the autoclave is mounted on vibration devices 13, which during the course of the reaction condense the reaction mixture, removing as much as possible into the ingot possible mass of metal.
  • the shaft 5 is hermetically closed by a cover 14 due to the locking mechanisms 15.
  • 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 aluminothermal process, the rate of charge blending, determined by the temperature of the process, 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.
  • 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 metallothermal 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 the minothermal process occur between the condensed phases. In this case, the external pressure does not significantly affect the reaction rate.
  • the reaction rate is largely determined by the magnitude of the external 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.
  • the dependence of the propagation velocity of the reaction front of a number of aluminothermic mixtures (CG 2 O 3 + Al, Fe 2 Cb + Al, MnO 2 + Al) on external pressure was studied by A. F. Belyaev and L. D. Komkova.
  • an increase in pressure does not affect the reaction rate.
  • Pressure reduction to 50-100 mm RT. Art. 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 occurs without the participation of the gas phase.
  • reaction rate increases with increasing pressure.
  • the greatest increase in speed is observed at pressures up to 20-40 atm. (20-40 bar).
  • the increase in velocity slows down, and with a decrease in pressure to 50-100 mm Hg. Art. the reaction rate decreases to 0.7-0.8 cm / sec.
  • termite additives are used.
  • a significant drawback of the use of termite additives is an increase in the consumption of 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.
  • preheating of charge materials is more effective, at which there are no costs for an expensive reducing agent.
  • 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 flow stocks under pressure, while many recovery reactions will proceed more fully with a higher metal yield efficiency. 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.
  • 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.
  • the heating time should be optimal so as not to expend unnecessary energy. Given the fact that it takes a certain time to warm up the reaction mixture in an autoclave, it is also 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. Most of the heat 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.
  • the autoclave body will transfer part of the missing thermal energy to the reaction mixture to a theoretically calculated temperature.
  • the autoclave body 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, 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 for the autoclave production of chemically active metals takes into account the time required to cool the body of the autoclave, which must withstand the pressure created by the reaction products.
  • 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 restores 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.
  • the autoclave is mounted on vibration devices 13, which operate due to pneumatics, electric motors, electromagnets, etc. drives.
  • 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.
  • 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 reduction time of the metal 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.

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

Изобретение относится к области производства химически активных металлов из рудного сырья и может быть использовано для производства химически активных металлов, которые могут быть выплавлены за счет протекания металлотермических реакций. Способ включает металлотермическое восстановление реакционной шихты в автоклаве под давлением. Автоклав устанавливают в герметичную шахту с проточной охлаждающей водой. При этом корпус автоклава передает требуемое тепло для реакционной шихты на первой стадии, а на второй стадии выполняет функции кристаллизатора. Время нагрева реакционной шихты через корпус и время охлаждения корпуса рассчитывают с учетом времени нагрева автоклава, транспортировки, охлаждения, электроподжога реакционной смеси таким образом, чтобы механическая прочность стенки корпуса автоклава за счет охлаждения восстанавливалась одновременно с увеличением газового давления. Устройство для осуществления способа содержит автоклав в виде металлической герметичной емкости с поддоном и крышкой, клапан регулировки, систему зажигания и шахту. Емкость установлена в герметично закрываемую шахту с проточной водой, а ее нижняя часть выполнена в форме конуса и снабжена виброустройствами. Изобретение обеспечивает безопасность процесса, снижение затрат и увеличение объема производства металла.

Description

СПОСОБ И УСТРОЙСТВО АВТОКЛАВНОГО ПРОИЗВОДСТВА ХИМИЧЕСКИ АКТИВНЫХ МЕТАЛЛОВ
Область техники
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 ме- таллотермических реакций.
Предшествующий уровень техники
В качестве аналога выбраны способ восстановления металлов, производства керамики и других соединений, и устройство- реактор (автоклав), в котором производится процесс восстановления металла. (Е.А.Левашов и др. - Физико-химические и технологические основы самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, - Москва: ЗАО «Издaтeльcтвo БИHOM», 1999, cтp.l55÷156). Данный способ включает смешивание реагентов (окислителя и восстановителя), нагрев шихты с последующей загрузкой шихты в реактор, который затем перемещают в шахту. После загрузки шихты реактор закрывают и, в зависимости от целевой задачи, вакуумируют или заполняют инертными или реакционными газами, производят инициирование реакции. Локальное инициирование процесса самораспростаняющегося высокотемпературного синтеза (CBC) осуществляют с пульта управления подачей кратковременного электрического импульса на вольфрамовую спираль, касающуюся исходной шихты. В результате реакции происходит разделение металла и шлака. После чего происходит самопроизвольное остывание, последующая выгрузка продуктов реакции и их механическое разделение.
Данный способ протекает в закрытом пространстве при обычных давлениях, создаваемых продуктами реакции. ι Протекание CBC- процесса контролируют по изменению давления газа в реакторе и температуре охлаждающей воды. Метод CBC нашел большое применение при получении азотированных ферросплавов для сталеплавильного производства. Это наиболее эффективный способ введения азота в сталь.
Автоклав для реализации данного способа выполнен в виде толстостенного сосуда, герметично закрытого сверху крышкой, который изнутри облицован тугоплавкой изоляционной керамикой, с наружной стороны которого расположена водоохлаждающая рубашка. Сосуд снабжен 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 магниетермиче- ских процессов — оснастка позволяет исключить испарение компонентов шихты и конденсацию на внутренней поверхности реактора.
Данные способ и устройство для его реализации имеют следующие недостатки:
- облицовка корпуса автоклава (реактора) тугоплавкой изоляционной керамикой не позволяет перед началом восстановительной реакции подогревать подготовленную смесь прямо в автоклаве;
- предварительный нагрев порошковой шихты с последующим засыпанием в автоклав нарушает безопасность процесса, так как нагретый порошок склонен к самовозгоранию;
- значительные тепловые потери при перезагрузке порошка из нагревательной емкости в автоклав и потеря восстановителя по причине окисления; - низкий выход нужного продукта по причине недостаточного давления в реакторе (автоклаве);
- отсутствие воздействия на процесс протекания реакции из-за отсутствия системы охлаждения реактора,
- недостаточная КПД выхода полезного продукта, т.к. нет возможности своевременно отделять продукты реакции из общей смеси, т.е. реакция будет обратимой;
- для увеличения выхода восстанавливаемого металла применяют термитные добавки, что приводит к повышенному расходу восстановителя на тонну получаемого сплава, а, следовательно, к высокой стоимости металла;
- применение термитных добавок способствует увеличению количества шлака и снижению концентрации основного восстанавливаемого окисла в расплаве, что ухудшает условия восстановления окислов и осаждения капель восстановленного металла;
- большие сложности по регулированию температуры, до которой следует нагревать реакционную смесь;
- значительные энергетические затраты, связанные с учетом времени на перенос автоклава из нагревательной печи в шахту, на ее закрытие и наполнение водой, а также на прогрев корпуса автоклава и его последующее охлаждение.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является металлотермический способ восстановления молибдена из его оксидов и герметичный цилиндрический стальной реактор (автоклав), футерованный огнеупором (CaO, Al2O3) (А.Н. Зеликман- Металлургия тугоплавких редких металлов, - Москва: Изд-во «Meтaллypгия», 1986, стр.185).
Данный способ включает смешивание реагентов (окислителя и восстановителя), нагрев шихты с последующей загрузкой шихты в реактор (автоклав), который затем перемещают в шахту. После загрузки шихты реактор закрывают и, в зависимости от целевой задачи, вакуумируют или заполняют инертными или реакционными газами, и инициируют реакцию с помощью з поджога. Локальное инициирование процесса самораспростаняющегося высокотемпературного синтеза (CBC) осуществляют с пульта управления подачей кратковременного электрического импульса на вольфрамовую спираль, касающуюся исходной шихты. В результате реакции происходит разделение металла и шлака. После чего происходит самопроизвольное остывание, последующая выгрузка продуктов реакции и их механическое разделение.
Данный способ протекает в закрытом пространстве при обычных давлениях, создаваемых продуктами реакции.
В случае алюминотермического процесса для снижения температуры плавления шлака (Al2O3) и его вязкости в шихту вводят в качестве флюса CaO. Шлак, содержащий 20-30 % CaO, имеет точку плавления 1700-18000C.
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 МоОз находится в пределах 91,2-93,6%. При применении MoO2 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 п • 10"3 - п -10"4 % (п= l÷б).
Реактор (автоклав) для реализации указанного способа выполнен в виде цилиндрической емкости, футерованной изнутри, снабженной днищем и крышкой.
Реактор изготовляют из цельнотянутых труб небольшого диаметра (300-400 мм) высотой 1100-1200 мм, к которым герметично присоединены днище и крышка.
Указанные способ и устройство имеют следующие недостатки: - невозможность подогрева подготовленной смеси прямо в автоклаве, т.к. корпус автоклава (реактора) облицован тугоплавкой изоляционной керамикой, что не позволяет перед началом восстановительной реакции провести предварительный нагрев порошковой шихты, кроме того, при засыпании в автоклав нарушается безопасность процесса, так как нагретый порошок склонен к самовозгоранию;
- значительные тепловые потери при перезагрузке порошка из нагревательной емкости в автоклав и потеря восстановителя по причине окисления;
- значительные энергетические затраты, связанные временем на перенос автоклава из нагревательной печи в шахту, на ее закрытие и наполнение водой, а также на прогрев корпуса автоклава и его последующее охлаждение;
- низкий выход нужного продукта по причине недостаточного давления в реакторе (автоклаве);
- отсутствие воздействия на процесс протекания реакции из-за отсутствия системы охлаждения реактора;
- недостаточный КПД выхода полезного продукта, т.к. нет возможности своевременно отделять продукты реакции из общей смеси, т.е. реакция становится обратимой.
Раскрытие изобретения
Техническая задача предложенного изобретения заключается в разработке способа и устройства для его реализации, позволяющими обеспечить безопасность процесса производства химически активных металлов, снижение энергетических, экономических и капитальных затрат, а также уменьшение себестоимости и увеличение объема производимого металла.
Поставленная задача достигается тем, что при автоклавном производстве химически активных металлов, основанном на включающем металло- термическоеом восстановлении реакционной шихты в автоклаве под определенным ( требуемым) давлением, автоклав устанавливается в вертикальную закрываемую герметично шахту, выполняющую функции охлаждающей прямоточной трубы и обеспечивающую безопасность проведения процесса. При этом корпус автоклава передает требуемое тепло для реакционной шихты на первой стадии (до начала розжига шихты), а на второй стадии выполняет функции кристаллизатора. При этом время нагрева реакционной шихты через корпус автоклава и время охлаждения корпуса рассчитываются особо точно, включая время нагрева автоклава, его транспортировки, охлаждения, элек- троподжига реакционной смеси, таким образом, чтобы механическая прочность стенки корпуса автоклава за счет охлаждения восстанавливалась одновременно с увеличением газового давления. В момент проведения всей ме- таллотермической реакции, на автоклав могут накладываться колебания такой частоты, при которой достигается максимальное извлечение восстанавливаемого металла.
Устройство для автоклавного производства химически активных металлов, содержит металлическую герметичную емкость, клапан регулировки, систему зажигания. Устройство отличается тем, что емкость, предназначенная для установки в шахту с проточной водой, в нижней части выполнена в форме конуса с крышкой для облегчения удаления продуктов реакции. Емкость может быть снабжена виброустройством для создания механических колебаний в момент протекания реакции.
Краткое описание чертежей
На фиг.l изображено устройство, реализующее предложенный способ.
Лучший вариант осуществления изобретения
Предложенный способ реализуют с помощью устройства, представленного на фиг.l. Устройство в виде автоклава представляет собой металлическую герметичную емкость с камерой плавления 1, верхняя часть которой выполнена в форме трубы, а нижняя часть выполнена в форме конуса с поддоном 2, в которой за счет металлотермии плавится реакционная смесь, распадающаяся после плавления на слиток металла 3, формируемый на охлаждаемом поддоне 2, и шлак 4. Для обеспечения охлаждения автоклава и для обеспечения безопасности производства, автоклав устанавливается в вертикальную шахту 5. В нижней части шахты 5 установлен трубопровод 6 для подачи струи воды на охлаждаемый поддон 2 и охлаждение корпуса автоклава. В дальнейшем вода 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. Шахта 5 герметично закрывается крышкой 14 за счет запорных механизмов 15.
Для того, чтобы автоклавное производство металлов достигало максимальной эффективности при минимальных затратах, необходимо учитывать следующие особенности протекания металлотермических реакций. 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 проштавле- ния 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.
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 алюмотерми- ческой 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 алю- минотермического 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 (CГ2O3 + Al, Fe2Cb + 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.
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/сек.
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.
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.
Более эффективен по сравнению с применением термитных добавок предварительный нагрев шихтовых материалов, при котором отсутствуют затраты дорогостоящего восстановителя.
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 тепла:
Vобщ Vхим """ Vфиз V-U
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.
Для снижения экономических затрат снижают количество восстановителя на выплавку металлотермических сплавов за счет следующего:
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.). 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.
3. Снижение механических потерь и окисления металла восстановителя в процессе изготовления порошка, полное использование всех отходов производства металлотермического порошка.
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.
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.
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 ре- ю акции 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, способствующие 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.
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.
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 часть тепла 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. 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 автоклавного производства химически активных металлов 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 электроподжига 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 давле- ния, верхний предел этого давления постоянный, так как регулируется за счет клапана, установленного на верхней крышке автоклава.
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.
Как видно на фиг.l, 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.
В связи с вышесказанным, предлагаемый способ и устройство автоклавного производства химически активных металлов может широко применяться в производстве. ЛИТЕРАТУРА
[1]. Е.А.Левашое и др. - Физико-химические и технологические основы самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, - Москва: ЗАО «Издaтeльcтвo БИHOM», 1999, cтρ.94., cтρ.l55÷156
[2]. А.Н. Зеликман - Металлургия тугоплавких редких металлов, - Москва: Изд-во «Meтaллypгия», 1986, стр.185, cтp.343.
[3]. Ю.Л.Плинер, С.И.Сучильников, Е.А.Рубинштейн - Алюминотер- мическое производство ферросплавов и лигатур, - Москва: Государственное научно-техническое изд-во литературы по черной и цветной металлургии)), 1963г., (cтp.31÷32, 152÷157).

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ автоклавного производства химически активных металлов, основанный на металлотермическом восстановлении реакционной шихты в автоклаве при необходимом давлении, включающий подготовку шихты, ее нагрев, помещение последней в автоклав, который устанавливают в шахту, инициирование реакции, выгрузку готового продукта, отличающийся тем, что нагрев шихты производят непосредственно в автоклаве, который затем устанавливают в герметично закрываемую шахту, выполняющую функции охлаждающей прямоточной трубы, где автоклав охлаждают перед началом зажигания шихты, нагревают шихту за счет тепла корпуса автоклава, при этом время нагрева реакционной шихты через корпус и время охлаждения корпуса рассчитывается с учетом времени нагрева автоклава, его транспортировки, охлаждения, электроподжига реакционной смеси, с обеспечением возможности восстановления механической прочности стенки корпуса автоклава за счет охлаждения при одновременном повышении давления газа, кроме того, после начала образования слитка чистого продукта проводят процесс охлаждения поддона.
2. Способ автоклавного производства химически активных металлов по п. 1, отличающийся тем, что в момент проведения всей металлотермиче- ской реакции, на автоклав могут накладываться механические колебания с частотой, обеспечивающей максимальное извлечение восстанавливаемого металла.
3. Способ автоклавного производства химически активных металлов по п. 1, отличающийся тем, что автоклав устанавливают в вертикальную шахту, герметично закрываемую крышкой за счет запорных механизмов.
4. Устройство для автоклавного производства химически активных металлов, содержащее металлическую герметичную емкость с днищем и крышкой, клапан регулировки, систему зажигания, отличающееся тем, что нижняя часть емкости, устанавливаемая в герметично закрываемую шахту с проточной водой, выполнена в форме конуса.
5. Устройство для автоклавного производства химически активных металлов по п. 4, отличающееся тем, что емкость может быть снабжена виброустройствами.
PCT/RU2009/000223 2008-05-12 2009-05-08 Способ и устройство автоклавного производства химически активных металлов Ceased WO2009139667A1 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008118752 2008-05-12
RU2008118752/02A RU2405045C2 (ru) 2008-05-12 2008-05-12 Способ и устройство автоклавного производства химически активных металлов

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2009139667A1 true WO2009139667A1 (ru) 2009-11-19

Family

ID=41318897

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2009/000223 Ceased WO2009139667A1 (ru) 2008-05-12 2009-05-08 Способ и устройство автоклавного производства химически активных металлов

Country Status (2)

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

Citations (3)

* 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 (ru) * 2003-09-18 2005-04-10 Открытое акционерное общество "Чепецкий механический завод" (ОАО ЧМЗ) (RU) Магниетермический способ получения губчатого циркония и устройство для его осуществления
RU2311469C2 (ru) * 2005-06-30 2007-11-27 Общество с ограниченной ответственностью Фирма "ДАТА-ЦЕНТР" (ООО Фирма "ДАТА-ЦЕНТР") Способ производства титаносодержащей продукции и устройство для осуществления способа

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100443603C (zh) * 2005-10-26 2008-12-17 武汉科技大学 利用含钛炉渣制备钛及钛合金的方法

Patent Citations (3)

* 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 (ru) * 2003-09-18 2005-04-10 Открытое акционерное общество "Чепецкий механический завод" (ОАО ЧМЗ) (RU) Магниетермический способ получения губчатого циркония и устройство для его осуществления
RU2311469C2 (ru) * 2005-06-30 2007-11-27 Общество с ограниченной ответственностью Фирма "ДАТА-ЦЕНТР" (ООО Фирма "ДАТА-ЦЕНТР") Способ производства титаносодержащей продукции и устройство для осуществления способа

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ZELIKMAN A.N.: "Metallurgiya tugoplavkikh redkikh metallov", METALLURGIYA!, 1986, MOSCOW, pages 184 - 186 *

Also Published As

Publication number Publication date
RU2008118752A (ru) 2009-11-20
RU2405045C2 (ru) 2010-11-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4216010A (en) Aluminum purification system
CN104254416B (zh) 用于金属雾化的系统和用于雾化金属粉末的方法
US8900341B2 (en) Method and system for producing an aluminum—silicon alloy
NO335985B1 (no) Fremgangsmåte for fremstilling av middels rent silisium
US5102450A (en) Method for melting titanium aluminide alloys in ceramic crucible
JP2017537224A (ja) 低窒素で実質的に窒化物を含まないクロム並びにクロム及びニオブ含有ニッケル基合金を製造するための工程、並びに結果物であるクロム及びニッケル基合金
US4169722A (en) Aluminothermic process
JPH0364574B2 (ru)
EP4279453A2 (en) Process for the production of commercial grade silicon
RU2406767C1 (ru) Способ металлотермической плавки металлов и сплавов
RU2405045C2 (ru) Способ и устройство автоклавного производства химически активных металлов
WO2006026771A2 (en) Method using single furnace carbothermic reduction with temperature control within the furnace
Chen et al. Changes of oxygen content in molten TiAl alloys as a function of superheat during vacuum induction melting
US3501291A (en) Method for introducing lithium into high melting alloys and steels
CN106435222A (zh) 一种硅铝还原钒铁的冶炼方法
HUP0104447A2 (en) Process for the refining of waste materials containing magnesium
RU2269585C1 (ru) Способ металлотермической плавки
RU2521930C1 (ru) Шихта и электропечной алюминотермический способ получения ферробора с ее использованием
US3508914A (en) Methods of forming and purifying nickel-titanium containing alloys
US4444590A (en) Calcium-slag additive for steel desulfurization and method for making same
RU2719828C1 (ru) Шихта и электропечной алюминотермический способ получения ферробора с ее использованием
RU2209842C2 (ru) Способ плавки и литья металла
US2982535A (en) Crucible for reacting materials to form molten liquids of different densities and provided with means for decanting such liquids separately
RU2112058C1 (ru) Аппарат для металлотермического восстановления галогенидов металлов
RU2549820C1 (ru) Способ алюминотермического получения ферросплавов

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 09746836

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 09746836

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1