Магниетермический способ получения губчатого циркония и устройство для его осуществления

Магниетермический способ получения губчатого циркония и устройство для его осуществления

Реферат

Изобретение относится к магниетермическому получению губчатого циркония.

Известен магниетермический способ получения губчатого циркония и устройство для его осуществления (А.Н.Зеликман, Г.А.Меерсон. "Металлургия редких металлов". М.: Металлургия, 1973, с.392-397).

Способ заключается в том, что на весь процесс восстановления в аппарат загружается магний, и затем на зеркало расплавленного магния подают пары тетрахлорида циркония. Температура стенки в зоне восстановления поддерживается в пределах 780-920°С. Из аппарата периодически сливают хлористый магний. Затем из реакционной массы губчатого циркония, магния и его хлорида, заполняющих поры губчатого циркония, отгоняют магний и его хлорид под вакуумом 10^-4-10^-6 мм рт.ст. при 920-930°С.

Устройство для осуществления способа представляет собой аппарат восстановления, в котором происходит восстановление тетрахлорида циркония магнием до образования реакционной массы (Zr, MgCl₂, Mg) с периодическим сливом хлористого магния из аппарата восстановления. После процесса восстановления реакционную массу в тигле загружают в реторту кверху дном. К этой реторте подсоединяют снизу конденсатор. Реторту с реакционной массой обогревают колпаковой печью. В конденсатор осаждают магний и его хлорид.

К недостаткам этого способа и устройства относятся повышенные трудозатраты при обслуживании описанного устройства и повышенные потери конденсатного магния при демонтаже весьма сложного устройства за счет окисления и горения.

Наиболее близким аналогом по совокупности существенных признаков и назначению для способа является патент US 2787539 (кл. С 22 В 34/14, опубл. 02.04.1957). В нем раскрыт магниетермический способ получения губчатого циркония, включающий подготовку магния к процессу, восстановление циркония из его тетрахлорида в присутствии конденсата магния и его хлорида от предыдущих процессов, получение реакционной массы, очистку реакционной массы от магния и его хлорида сепарацией в вакууме с осаждением в конденсаторе конденсата магния и его хлорида.

Недостатком этого способа является вскрытие аппарата вакуумной сепарации, вследствие чего происходит длительный контакт конденсатного магния и его хлорида с воздухом, что приводит к обводнению хлористого магния, горению и окислению магния. Следовательно, возникают значительные потери магния.

Наиболее близким аналогом устройства является патент Японии №3047929 (С 22 В 34/14, публикация 91.02.28). В патенте описано устройство для получения циркония магниетермическим способом. Устройство состоит из совмещенного аппарата (установленного в печь), в котором проводят процесс восстановления хлорида металла магнием и вакуумную сепарацию полученной в нем реакционной массы, конденсатора, установленного в холодильник, и соединяющего эти аппараты трубопровода.

Недостатком данного устройства является то, что при его монтаже и демонтаже требуются повышенные трудозатраты из-за сложности крышки аппарата с реакционной массой для дополнительной загрузки магния на процесс восстановления. В результате того что перед процессом восстановления снимается крышка аппарата с конденсатным магнием и устанавливается крышка аппарата восстановления, после чего на осажденный конденсат загружается жидкий магний или магний в слитках (твердый), происходит окисление и горение магния, повышаются его потери. В связи с осаждением конденсатного магния на стенке реторты-конденсатора также неизбежны его потери при ведении процесса восстановления и образования низших хлоридов циркония (Низшие хлориды циркония - безвозвратные потери.), которые образуются при пониженной температуре и при недостатке магния в монтажных зазорах.

Задача, на решение которой направлены заявляемые изобретения, заключается в сокращении удельного расхода магния на 1 т губчатого циркония и снижении трудозатрат при обслуживании устройства.

Технический результат достигается тем, что в заявляемом магниетермическом способе получения губчатого циркония, включающем подготовку магния к процессу восстановления циркония из его тетрахлорида в присутствии конденсата магния и его хлорида от предыдущих процессов, получение реакционной массы, очистку реакционной массы от магния и его хлорида сепарацией в вакууме с осаждением в конденсаторе конденсата магния и его хлорида, новым является то, что для магниетермического восстановления циркония из его тетрахлорида и получения реакционной массы используют заполненный конденсатом магния и его хлорида конденсатор с процесса сепарации с добавкой рафинированного магния.

Добавку рафинированного магния можно осуществлять или в виде слитков в конденсатор перед осаждением конденсата магния и его хлорида, или заливкой его расплава на конденсат магния и его хлорида перед восстановлением циркония.

Достижению указанного технического результата способствует и то, что в заявляемом устройстве для магниетермического получения губчатого циркония, включающем аппарат с реакционной массой, установленный в печь вакуумной сепарации, конденсатор, соединенный с аппаратом обогреваемым паропроводом, снабженным клапаном, новым является то, что конденсатор выполнен в виде закрытой крышкой реторты, внутри которой установлен стакан, закрытый заглубленным в него экраном донной части крышки.

Отличительные признаки способа и устройства позволяют исключить замену крышки конденсатора на крышку аппарата восстановления, что исключает окисление и горение магния в аппарате восстановления, обводнение хлористого магния, снижает его потери. Простота устройства, а также использование конденсатора в качестве аппарата восстановления с полной навеской магния обеспечивают снижение трудозатрат при его обслуживании.

Конструкция конденсатора, используемого впоследствии на операции восстановления в качестве аппарата восстановления, позволяет исключить попадание конденсатного магния и его хлорида на стенку реторты-конденсатора за счет заглубления экрана, закрепленного к донной части крышки, в стакан, что снижает потери магния, недостаток которого в ходе процесса восстановления способствует образованию низших хлоридов циркония, а также снижает трудозатраты при демонтаже аппарата восстановления. При наличии низших хлоридов циркония в реторте возможно их возгорание и повышение трудозатрат при их тушении, а также повышение потерь магния за счет горения.

Использование конденсатного магния и его хлорида сразу после процесса вакуумной сепарации в процессе восстановления значительно снижает потери магния и трудозатраты на его утилизацию.

Осаждение конденсатного магния и его хлорида на слитки рафинированного магния позволяет получить полную навеску магния, подготовленного к процессу восстановления, минуя очистку магния в аппарате восстановления, т.е. при этом снижаются потери магния и трудозатраты на его подготовку, так как удлинение процесса ведет к дополнительным потерям магния за счет натекания воздуха и влаги в аппарат.

Известная из практики заливка расплавленного рафинированного магния на конденсатный магний и его хлорид также сокращает дополнительные операции на подготовку магния перед процессом восстановления и его потери при дополнительных операциях.

Следовательно, новые отличительные признаки заявленного изобретения обеспечивают снижение потерь магния (снижение удельного расхода магния на 1 т губчатого циркония) и снижение трудозатрат при обслуживании устройства.

Устройство для получения губчатого циркония изображено на чертеже.

В его состав входят:

- Конденсатор 1 с установленным на его ложное днище 2 стаканом 3, предназначенным для загрузки в него слитков магния 4. Конденсатор 1 закрыт крышкой 5 с закрепленным к ней экраном 6, который заглублен в стакан 3. На чертеже конденсатор 1 помещен в холодильник 7.

- Аппарат 8 с ложным днищем 2 для помещения на него изображенной на чертеже реакционной массы 9. Аппарат 8 закрыт крышкой 10 и установлен внутрь печи вакуумной сепарации 11. К патрубку 12 крышки 10 через фланцевое соединение 13 присоединен клапан 14.

- Рабочие объемы стакана 3 и аппарата 8 соединены между собой через фланцевые соединения 13 паропроводом 15 с обогревом 16. Вакуумирование аппарата и подача аргона производится через патрубки 17.

Работа устройства и пример осуществления способа.

Пример 1

После загрузки в аппарат 8 реакционной массы 9 (губчатый цирконий, магний и хлорид магния) в стакан 3 слитков магния 4 проводят сборку устройства по схеме, представленной на чертеже, проверяют ее на герметичность и осуществляют способ магниетермического получения губчатого циркония.

При открытом клапане 14 конденсат магния и его хлорид из реакционной массы в количестве ˜ 600 кг осаждают на рафинированный магний в слитках 4 и на внутренние стенки стакана 3. При этом пары не попадают на стенку реторты за счет заглубления в стакан экрана 6, закрепленного на дне крышки 5.

Процесс вакуумной сепарации реакционной массы 9 проводят при 1000°С, под вакуумом 10^-3 мм рт.ст., создаваемым через патрубок 17. Пары магния и его хлорида проходят по паропроводу 15, нагретому до 800°С с помощью обогрева 16. Осаждение паров магния и его хлорида в стакане 3 происходит при 300°С. Количество конденсатного магния 450 кг, a MgCl₂ - 150 кг. По окончании процесса вакуумной сепарации в реторту 8, стакан 3 конденсатора 1 и в паропровод 15 задают аргон через патрубки 17, отключают электропечь 11 и нагрев 16 паропровода 15, закрывают клапан 14. После этого демонтируют паропровод 15, под протоком аргона заглушают патрубок 12 конденсатора 1. Затем конденсатор 1 в сборе с крышкой 5, снабженной в донной части экраном 6, краном транспортируют и устанавливают в не показанную на чертеже печь восстановления, где на полной навеске магния в процессе восстановления загружаемого через патрубок 12 тетрахлорида циркония получают реакционную массу, используемую в дальнейшем для помещения на ложное днище 2 аппарата 8. Таким образом, конденсатор 1 повторно используют в процессе в качестве аппарата восстановления.

Аппарат сепарации 8 извлекают из печи сепарации 11 и устанавливают на позицию извлеченного конденсатора 1, где его охлаждают в холодильнике 7 до 50°С, после чего извлекают из холодильника и демонтируют, получая губчатый цирконий, в приведенном примере в количестве 1500 кг.

Пример 2

После загрузки в аппарат 8 реакционной массы 9 (губчатый цирконий, магний и хлорид магния) производят сборку устройства по схеме, представленной на чертеже, проверяют его на герметичность и осуществляют способ магниетермического получения губчатого циркония.

При открытом клапане 14 конденсат магния и его хлорида из реакционной массы в количестве ˜ 600 кг осаждают на внутренние стенки стакана 3. При этом пары не попадают на стенку реторты за счет заглубления в стакан 3 экрана 6, закрепленного на донной части крышки 5.

Процесс вакуумной сепарации реакционной массы 9 проводят при 1000°С, под вакуумом 10^-3 мм рт.ст., создаваемым через патрубок 17. Пары магния и его хлорида проходят по паропроводу 15, нагретому до 800°С с помощью обогрева 16. Осаждение паров магния и его хлорида в стакане 3 происходит при 300°С. Количество конденсатного магния 450 кг, а его хлорида - 150 кг. По окончании процесса вакуумной сепарации в реторту 8, конденсатор 1 и в паропровод 15 задают аргон через патрубки 17, отключают электропечь 11 и нагрев 16 паропровода 15, закрывают клапан 14. После этого демонтируют паропровод 15, под протоком аргона заглушают патрубок 12 конденсатора 1. Затем конденсатор 1 в сборе с крышкой 5, снабженной в донной части экраном 6, заглубленным в стакан 3, с конденсатным магнием и его хлоридом краном транспортируют в печь восстановления (на чертеже печь восстановления не показана). В печи восстановления конденсатный магний и его хлорид расплавляют и доливают добавку рафинированного магния через патрубок 12 в количестве, обеспечивающем полную навеску магния на процесс восстановления тетрахлорида циркония, и получают реакционную массу, используемую в дальнейшем для помещения ее на ложное днище 2 аппарата 8 устройства.

Аппарат сепарации извлекают из печи сепарации 11 и устанавливают в холодильник 7 на место извлеченного конденсата 1, где его охлаждают до 50°С, после чего извлекают из холодильника 7 и демонтируют. В результате получают губчатый цирконий в приведенном примере в количестве 1500 кг.

В результате использования заявляемого способа и устройства для его осуществления удалось снизить потери магния на 20% на 1 т губчатого циркония и ориентировочно на 30% снизить трудозатраты на осуществление процесса и эксплуатацию устройства по сравнению с прототипом.

1. Магниетермический способ получения губчатого циркония, включающий подготовку магния к процессу, восстановление циркония из его тетрахлорида в присутствии конденсата магния и его хлорида от предыдущих процессов, получение реакционной массы, очистку реакционной массы от магния и его хлорида сепарацией в вакууме с осаждением в конденсаторе конденсата магния и его хлорида, отличающийся тем, что для магниетермического восстановления циркония и его тетрахлорида и получения реакционной массы используют заполненный конденсатом магния и его хлорида конденсатор с процесса сепарации с добавкой рафинированного магния.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что добавку рафинированного магния в конденсатор осуществляют в виде слитков перед осаждением конденсата магния и его хлорида.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что добавку рафинированного магния осуществляют заливкой его расплава на конденсат магния и его хлорида перед восстановлением циркония.

4. Устройство для магниетермического получения губчатого циркония, состоящее из установленного в печь вакуумной сепарации аппарата с реакционной массой и конденсатора, соединенных между собой оснащенным клапаном обогреваемым паропроводом, отличающееся тем, что конденсатор выполнен в виде закрытой крышкой реторты, внутри которой установлен стакан, закрытый заглубленным в него экраном донной части крышки.