Способ и устройство для получения высокочистого магния

Способ и устройство для получения высокочистого магния

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к способу получения высокочистого магния путем дистилляции при уменьшенном давлении, а также устройствам для осуществления способа.

Уровень техники

Магний, по сравнению с большинством других металлов, имеет низкую точку кипения, и это является причиной того, что многие способы для получения чернового металла или же для извлечения магния из скрапа предусматривают этап вакуумной дистилляции, так как таким путем очищенный в значительной степени от менее летучих металлов магний можно получить за один этап. Если для получения высокочистого магния хотят удалить и эти летучие вещества, что является желательным, например, для полупроводниковой промышленности, используются установки вакуумной дистилляции с несколькими последовательно расположенными областями конденсации, так что наряду с несколькими сильнее загрязненными другими летучими металлами, например, такими как цинк и кадмий, фракциями получают высокоочищенные фракции, у которых уровень загрязнения находится в млн^-1 - диапазоне. Такой способ описывается, например, в ЕР 1335030 А1, причем поднимающийся из тигля с загрязненным расплавом магния пар направляется через большое число следующих друг за другом и нагретых до уменьшающихся температур отделительных металлических листов и в фракционированной форме оседает на этих листах.

Температура испарения магния может уменьшаться до температуры ниже температуры точки плавления посредством уменьшения давления и особенностью этого металла является то, что давление пара у него и ниже точки плавления является еще настолько высоким, что его достаточно для технически значимой повторной возгонки высокочистых кристаллов магния. В соответствии с этим большинство известных способов вакуумной дистилляции согласно уровню техники для получения высокочистого магния приводят к осаждению твердых кристаллов магния.

Такие кристаллы магния в химическом отношении - на основании низкого содержания в них посторонних элементов - хотя и можно считать высокочистыми, имеют, однако, большое отношение поверхности к объему и при переплавке таких кристаллов с целью изготовления полуфабрикатов или тел с близким к конечному контуром вследствие высокой реактивности находящиеся первоначально на поверхности магниевых кристаллов оксидные пленки распределяются в расплаве в виде неметаллических включений и остаются в затвердевшем материале. Хотя концентрация их и невелика, такие включения могут оказывать отрицательное влияние, например, на коррозионные свойства в остальном чистого высокочистого магния.

Согласно ЕР 1335032 А1 имеется способ, при котором загрязненный расплав магния испаряется в емкости испарителя из высокочистого графита, причем этот пар в дальнейшем в виде жидкого расплава конденсируется в состоящем также из графита конденсационном тигле. Оба тигля окружены колпаком из графита, который препятствует тому, чтобы магниевый пар вступал в контакт с холодной стенкой окружающей колпак вакуумной реторты и там конденсировался. Чтобы доводить испарительный, а также конденсационный тигель до необходимых для процесса температур и одновременно поддерживать реторту в холодном состоянии, в промежутке между стенкой реторты и графитовым колпаком находятся два нагревательных элемента. В частности, вследствие монтажа нагревательных элементов в пределах области пониженного давления, а также зашиты непосредственных зон испарения и конденсации графитовым колпаком возрастают конструкционно-технические затраты, к тому же, должно происходить вакуумирование внутреннего объема колпака через негерметичности в графитовом колпаке, из-за чего в этих местах наружу к нагревательным элементам и холодной стенке реторты может проникать и магниевый пар.

Раскрытие изобретения

В отличие от большинства способов согласно уровню техники конденсация высокочистого магния при соответствующем изобретению способе происходит в жидком состоянии, причем получается высокочистый, не содержащий неметаллических примесей расплав магния, который после затвердевания образует компактный блок, который, например, в качестве полуфабриката пригоден для процессов пластического формообразования, при этом материал не содержит повышенных количеств неметаллических включений, которые оказывают отрицательное влияние, с одной стороны, на механические свойства, с другой стороны, на устойчивость к коррозии.

В частности, по сравнению с другим вышеупомянутым способом согласно ЕР 1335032 А1 рассматриваемый способ имеет преимущество, проявляющееся в том, что реторта может нагреваться снаружи, причем магниевый пар может без проблем вступать в контакт с внутренней стенкой реторты, поскольку у нее такая высокая температура, что на ней не может происходить оседание твердых кристаллов магния. Равным образом, стенка реторты может состоять также из материала, который в малом количестве растворим в расплаве магния, вследствие чего расплав магния загрязняется. Условием, однако, является то, что реторта состоит из материала, который не привносит летучих загрязнений в магниевый пар.

Возможностью размещать нагрев вне реторты, а также допускать контакт с горячей, незначительно загрязняющей расплав магния внутренней стенкой реторты, в противовес уровню техники создается особенно простой по компоновке и экономически эффективный способ.

Краткое описание чертежей

Соответствующий изобретению способ рассматривается далее на основе трех служащих примерами устройств.

Фиг. 1 показывает принципиальную схему соответствующего изобретению устройства с существенными признаками изобретения согласно идее независимого пункта формулы изобретения.

Фиг. 2 показывает поперечный разрез через служащее примером устройство для получения высокочистого магния.

Фиг. 3 показывает поперечный разрез через другое служащее примером устройство для получения высокочистого магния.

Осуществление изобретения

На фиг. 1 элементы первого примера устройства намеренно изображены в геометрически простой форме, чтоб подчеркнуть тот факт, что главная идея изобретения основывается в меньшей степени на особой форме этих частей, чем на функциональности этих частей в связи с распределением температуры внутри реторты. Исходный материал 2 в форме магнийсодержащего расплава металла находится вместе с верхней областью 32 конденсационной емкости 3, преимущественно из высокочистого графита, в верхней области 11 изготовленной, например, из нержавеющей стали реторты 1 любого поперечного сечения, причем цилиндрическое сечение на практике оказывается наилучшим. Верхняя область 11 реторты доводится до температуры выше точки кипения магния и затем постоянно поддерживается такой окружающим ее нагревательным элементом 5, например, в форме печи резистивного нагрева, в границах линий 8 и 81 уровня, так что из кипящего магнийсодержащего расплава 2 металла поднимается соответственно стрелке 91 пар и наполняет внутреннюю область верхней области 11 реторты, причем выше линии 81 уровня он может также конденсироваться в жидком виде и затем снова стекать вниз в расплав 2. Так как нержавеющая сталь реагирует в незначительной степени с жидким магнием, при контакте с расплавом магния происходит его загрязнение ее легирующими элементами, поскольку же эти элементы по сравнению с магнием имеют несравнимо меньшее давление пара, это загрязнение в паре не проявляется.

Для предотвращения попадания загрязненного расплава из области выше линии уровня в отверстие 31, оно закрывается состоящей, по выбору, также из графита крышкой 4, которая направляет загрязненный магний обратно в расплав 2. Крышка 4 при этом может опираться непосредственно на верхнюю область 32 конденсационной емкости 3 или же находиться сбоку или сверху в соединении с внутренней стенкой реторты. В любом случае, однако, закрепление должно быть исполнено так, чтобы крышка могла без проблем удаляться для выемки отвердевшего высокочистого магния 21 из конденсационной емкости 3.

Расплав магнийсодержащего исходного материала 2 в этом примере устройства во время процесса дистилляции находится в контакте непосредственно с внешней поверхностью конденсационной емкости 3 в области 32. Когда в конце процесса дистилляции практически весь исходный материал испарился, конденсационная емкость освобождается. К примеру, проникший в промежуток между областью 31 конденсационной емкости и областью 12 реторты расплав значения при этом не имеет, так как для выемки отвердевшего магния конденсационная емкость необязательно должна удаляться. Проникающий соответственно стрелке 92 в верхнюю область 32 графитового тигля пар конденсируется ниже линии 8 уровня и собирается в виде высокочистого расплава 21 в нижней области 33 графитового тигля. Чтобы предотвратить кипение этого высокочистого расплава 21, внутри реторты инертным газом, например, аргоном может поддерживаться минимальное давление, которое поднимает точку кипения магния выше имеющейся в области 33 температуры. При этом температурный профиль, в частности нижней части 33 конденсационной емкости 3, определяется устанавливаемым отдельно нагревательным элементом 51.

Выше запирающего механизма 6, например, в форме пластинчатого клапана, который прижимается приводимой в действие извне и перемещаемой через вакуумный проходной изолятор 63 толкающей штангой 61 к гнезду 62, например, в форме керамической или из графитового войлока прокладки, реторта 1 при движении толкающей штанги 61 в направлении стрелки 93 может приводиться в соединение с предкамерой 13. При этом запирающий механизм 6 с пластинкой клапана и седлом 62 находится в настоящем примере вместе с верхней областью 11 реторты 1 выше линии 81 уровня, т.е. при температуре выше точки плавления магния, так что осаждения твердого магния в области запирающего механизма происходить не может, вследствие чего функционирование его гарантировано.

Предкамера 13 имеет в своей более прохладной области выше линии 82 уровня, которая символизирует изотерму температуры плавления, крышку 14, преимущественно в виде удаляемого вакуумного фланца, которая (имеет) наряду с вакуумным проходным изолятором 63 несколько присоединительных элементов. При этом один присоединительный элемент ведет через канал 71 и клапан 72 к одному вакуумному насосу 73, другой присоединительный элемент через канал 74 к прибору 75 для измерения вакуума и третий присоединительный элемент через канал 76, клапан 77 и регулятор 78 давления или потока к источнику 79 инертного газа, например, в форме баллона высокого давления с аргоном.

После того, как реторта 1 извлечена через предкамеру 13 и затем нагрета до необходимой для процесса дистилляции температуры, запирающий механизм 6 открывается лишь на короткое время с целью установки давления и корректировки давления, чтобы предотвратить чрезмерную конденсацию магниевого пара в предкамере 13. Продолжительность периодов закрывания зависит при этом от подъема давления во время закрывания. В идеальном случае, при достаточном удалении газа из сильнее отдающих газ, например, из графита невысокого качества частей или при применении деталей из высокочистого графита, запирающий механизм 6 может оставаться закрытым длительное время и открывается с продолжительными интервалами лишь ненадолго с целью контроля давления. В случае выхода давления в промежуточный период за верхний допустимый предел, вследствие чего нарушается процесс испарения исходного материала 2, реторта 1 путем открытия клапана 72 может вводиться в соединение с вакуумным насосом 73 до тех пор, пока давление не вернется в заданный диапазон. В случае же, когда давление вышло за нижнюю границу заданного диапазона, вследствие чего есть опасность испарения находящегося в нижней области конденсационной емкости 3 высокочистого магния, реторта 1 путем открытия клапана 77 соединяется с источником 79 инертного газа через регулятор 78 потока и/или давления, до тех пор, пока давление не войдет снова в заданный диапазон. В обоих случаях запирающий механизм 6 закрывается сразу же после достижения заданного диапазона давления, чтобы предотвратить чрезмерное проникновение магниевого пара в предкамеру 13.

Как только процесс дистилляции согласно примеру устройства на фиг. 1 закончен и реторта 1 со своим содержимым охлаждена до температуры окружающей среды, реторта может открываться, например, пропилом вдоль штрихованной линии 83 уровня, после чего находящийся в нижней области 33 конденсационной емкости 3 высокочистый магний 21 может выниматься после удаления крышки 4 из тигля, например, путем переворачивания всего устройства «с ног на голову». Таким же путем в испарительную область 111 реторты через отверстие может быть введен и новый исходный материал 2. Затем реторта 1 с использованием процесса сварки или пайки должна быть снова соединена вакуумплотно с предкамерой 13.

Применяемыми в этом примере согласно фиг. 1 нагревательными элементами 5 и 51 являются устанавливаемые на постоянную температуру элементы резистивного нагрева, которые находятся у имеющих отношение к процессу дистилляции мест реторты, следовательно, например, в контактирующей с расплавом исходного материала области верхней области реторты для установления температуры испарительного процесса, в нижней области 33 конденсационной емкости 3, а также непосредственного окружения запирающего механизма 6 для контроля того, находится ли температура в этих областях выше точки плавления магния. Вместо резистивных нагревательных элементов 5 и 51 могут, конечно, использоваться также две навитые соответственно распределению температуры индукционных катушки или всего лишь одна, которые нагревают реторту и/или находящиеся в ней материалы.

Фиг. 2 показывает пригодный особенно для рациональной работы в промышленных условиях пример соответствующего изобретению устройства, причем одинаковые цифры, как и на фиг. 1, обозначают выполняющие одинаковые функции детали. При этом реторта 1 сварена как центрально симметричное трубчатое тело с верхней областью 11 большего диаметра, а также нижней областью 12 меньшего диаметра из суперсплава, причем нижняя область 12 простирается трубообразным выступом 15 в верхнюю область 11 реторты. Таким образом, расплав исходного материала 2 находится в кольцеобразном тигле, боковые стенки которого образованы областью 111 стенки верхней области 11 реторты 1 и трубообразным выступом 15, так что расплав не вступает в контакт с внешней стенкой конденсационной емкости.

В этом примере соответствующего изобретению устройства у трубчатого выступа 15 и нижней области 12 реторты внутри имеется внутренняя стенка с непрерывной конусностью, так что конденсационная емкость 3 в форме тигля из высокочистого графита, который имеет соответствующую конусность внешней боковой поверхности, не предоставляет промежутка для проникновения конденсирующегося расплава магния. В противоположность примеру устройства согласно фиг. 1, где конденсационная емкость 3 имеет цилиндрическое внутреннее отверстие, затвердевший в нем блок чистого магния вследствие большой усадки, как правило, можно легко извлечь, конденсационная емкость 3 имеет в настоящем примере изобретения также коническую внутреннюю поверхность, так что удаление высокочистого блока 21 магния после отвердевания может осуществляться еще проще.

Отверстие 31 конденсационной емкости 3 закрывается крышеобразной графитовой крышкой 41 с ведущими наклонно вверх радиальными отверстиями для входа магниевого пара согласно стрелке 92. Крышка 41 может также исполняться более сложной по сравнению с изображенной на фигуре, например, с установкой также боковых экранов перед радиальными отверстиями, чтобы брызги сильно кипящего расплава исходного материала 2 не могли попадать непосредственно в конденсационную емкость 3.

Запирающий механизм исполнен здесь в форме конической металлической пробки 64, которая прижимается к седлу 113 промежуточной стенки 112. Этот процесс уплотнения поддерживается тем, что в уплотняемом зазоре между металлической пробкой 64 и седлом 113 конденсируется жидкий магний, который препятствует проникновению магниевого пара. Толкающая штанга 61, запирающий механизм, которой закрывается в направлении стрелки 92, приводится в действие извне через вакуумный проходной изолятор 63 с уплотнительным кольцом 631, причем это может происходить вручную или автоматически посредством управляющего импульса. Вместо уплотняющего кольца толкающая штанга 61 могла бы вводиться в предкамеру 13 и через фланец 14, например, с металлическим сильфоном. Фланец 14 уплотняется в данном примере уплотнительным кольцом 141 относительно цилиндрической предкамеры 13.

Каналы 71, 74 и 76 ведут, как и в предшествующем примере, к вакуумному насосу 73, прибору 75 для измерения вакуума и, по выбору, к источнику инертного газа, в данном случае речь идет лишь об электрически управляемых клапанах 72 и 77, так что наряду с запирающим механизмом 64 для соединения реторты 1 с предкамерой 13 могут происходить автоматически снижение и повышение давление в направлении заданного диапазона давлений в описанном в предшествующем примере смысле в рамках контура регулирования.

В отличие от предшествующего примера в этом устройстве нагревается только верхняя область 11 реторты 1 нагревательным элементом 5, например, в форме трубообразной печи резистивного нагрева, в то время как ее нижняя область 12 окружена изоляционным слоем 52, который рассчитан на то, что поступающая вниз от верхней области вследствие теплопроводности стенки 12 реторты и стенки 32 конденсационной емкости, а также вследствие конденсации магниевого пара теплота в комбинации с охлаждающим действием не изолированной внизу области стенки 12 реторты поддерживает температуру конденсировавшегося высокочистого расплава магния в желательном диапазоне между температурой плавления и температурой кипения. Температурный профиль внутри реторты 1, впрочем, может изменяться путем перемещения ее в вертикальном направлении относительно печи и изолирования желательным образом в пределах определенной области.

Посредством датчика 53 температуры, например, термоэлемента в оболочке типа К или J, который через выпячивание стенки 12 проникает в основание нижней области 32 конденсационной емкости 3, можно контролировать температуру высокочистого расплава 21 магния, а при необходимости регулировать так, чтобы она не падала ниже точки плавления магния. Вторым датчиком 54 температуры, например, также оболочковым термоэлементом, который через выпячивание стенки области 111 реторты измеряет температуру внутри расплава исходного материала 2, можно определять момент времени, в который испарился весь остаток исходного материала. В этот момент, когда охлаждающее действие процесса испарения прекращается, как раз происходит резкое повышение температуры этого термоэлемента. Третий датчик 55 температуры находится в выпячивании нижней стенки предкамеры 13 сразу же над запирающим механизмом 64 и позволят вести контроль, находится ли этот запирающий механизм выше температуры плавления магния, так как только тогда обеспечена безупречная работа этого запирающего механизма. В конце кампании печи, т.е. перед охлаждением установки, запирающий механизм 64 должен быть приподнят над поверхностью 113 седла, чтобы он не припаялся к ней.

В первом примере устройства был показан вариант нагрева двумя независимыми нагревательными элементами, в настоящем втором примере происходит нагрев верхней области реторты нагревательным элементом 5, причем нижняя, окруженная тепловой изоляцией область 12 косвенно частично нагревается верхней областью, при этом свой вклад вносит и привнесенная посредством конденсации магниевого пара теплота. В смысле соответствующего изобретению способа возможны также устройства с несколькими, в вертикальном направлении следующими друг над другом печами, так что, например, верхняя и нижняя часть реторты, а дополнительно и область запирающего механизма 6 на свою соответствующую температуру могут устанавливаться по отдельности собственным нагревательным элементом.

Фиг. 3 показывает третий пример соответствующего изобретению устройства, которое в значительной степени аналогично показанному на фиг. 2 устройству. В отличие от этого показанного там устройства конденсационная емкость 3 имеет, однако, в настоящем примере цилиндрическую внешнюю поверхность, вследствие чего образуется кольцевидный промежуток между этой внешней поверхностью и внутренней боковой поверхностью нижней области 12 реторты 1. Путем удаления, по выбору, охлаждаемого водой фланца 15 тигель может вытаскиваться из реторты вниз. Чтобы предотвратить проникновение магниевого пара в этот промежуток и конденсацию до жидкого состояния в нижней его части, или ниже дна 34 тигля в твердое состояние, этот фланец 15 имеет подводящий канал 761 с регулирующим течение элементом 781, по которому в пространство ниже дна 34 конденсационной емкости 3 может вводиться находившийся в источнике инертного газа газ. Количество подведенного инертного газа рассчитывается при этом так, что его скорость в промежутке за пределами конденсационной емкости 3 настолько велика, что она превосходит скорость диффузии потенциально готового к миграции в противоположном направлении магниевого пара. Вследствие этого добавления инертного газа ускоряется, правда, подъем давления внутри реторты, из-за чего становятся несколько короче интервалы, в течение которых запирающий механизм 64 должен открываться с целью контроля и регулирования давления, однако это укорачивание является незначительным, так как для содержания промежутка в свободном состоянии необходимы лишь небольшие количества инертного газа.

На чертежах не показаны регулирующие контуры и механизмы, которые необходимы для поддержания на постоянном уровне температур и давлений в устройствах, так как принцип их действия - не считая необходимой для применения способа точности - для применения способа несущественен.

Экспликация

1 - реторта, в целом

11 - верхняя область реторты

111 - находящаяся в контакте с исходным материалом область верхней области реторты

112 - промежуточная стенка 11 и 13

113 - конусное седло для 64 в 112

114 - выпячивание стенки реторты в качестве защиты для датчика 54 температуры

12 - нижняя суженная область реторты

121 - выпячивание стенки предкамеры в качестве защиты для датчика 53 температуры

13 - предкамера

131 - выпячивание стенки реторты в качестве защиты для датчика 55 температуры

14 - вакуумный фланец

141 - уплотнительное кольцо

15 - вакуумный фланец

151 - уплотнительное кольцо

2 - магнийсодержащий металлический исходный расплав

21 - высокочистый расплав магния

3 - конденсационная емкость, в целом

31 - отверстие конденсационного тигля

32 - верхняя зона конденсационного тигля

33 - нижняя зона конденсационного тигля

4 - крышка

41 - крышка с боковыми отверстиями

5 - нагрев области 11

51 - нагрев области 12

52 - изоляция области 12

53 - датчик температуры для донной зоны конденсационной емкости

531 - защитная труба для датчика температуры

54 - датчик температуры для зоны испарения

55 - датчик температуры для области запирающего механизма 64

6 - запирающий механизм

61 - толкающая штанга запирающего органа

62 - уплотняющее седло запирающего механизма

63 - вакуумный проходной изолятор

631 - уплотнительное кольцо

64 - запирающий механизм с коническим седлом

71 - соединительный канал к вакуумному насосу

72 - запирающий механизм для вакуумного насоса

73 - вакуумный насос

74 - соединительный канал к прибору для измерения вакуума

75 - прибор для измерения вакуума

76 - соединительный канал к запирающему механизму

761 - соединительный канал к регулятору течения инертного газа

77 - запирающий механизм

78 - регулятор течения инертного газа

781 - регулятор течения инертного газа

79 - источник инертного газа

8 - нижняя граница уровня температурного диапазона выше температуры кипения

81 - верхняя граница уровня температурного диапазона выше температуры кипения

82 - верхняя граница уровня температурного диапазона выше температуры плавления

83 - линия уровня возможного пропила

91 - стрелка, получение пара

92 - стрелка, вход пара в конденсационную емкость

93 - стрелка, направление подъема запирающего органа 6

1. Способ получения высокочистого магния путем дистилляции при пониженном давлении, отличающийся тем, что высокочистый магний конденсируют в жидком состоянии,

при этом исходный материал в виде магнийсодержащего расплава и верхнюю зону сосуда конденсации размещают в верхней зоне реторты, причем реторта состоит из материала, который не высвобождает летучие включения в магниевый пар, верхнюю зону реторты доводят до температуры выше точки кипения магния в пределах двух, нижней и верхней, линий уровня, которую затем удерживают постоянной таким образом, что пар поднимается от кипящего магнийсодержащего металлического расплава и заполняет внутренний объем верхней зоны реторты, а пар, просачивающийся в верхнюю зону сосуда конденсации, конденсируют под нижней линией уровня и собирают в виде высокочистого расплава в нижней зоне сосуда конденсации, и для предотвращения попадания загрязненного расплава, который падает из зоны над верхней линией уровня, к отверстию сосуда конденсации используют защиту крышкой, которая перемещает загрязненный магний обратно в расплав.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что реторту нагревают нагревательной системой снаружи реторты.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в реторте поддерживают минимальное давление, которое смещает точку кипения магния выше температуры, преобладающей в нижней зоне сосуда конденсации.

4. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что реторту извлекают через предкамеру и затем доводят до температуры, необходимой для процесса дистилляции.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что производят отслеживание давления в предкамере.

6. Устройство для получения высокочистого магния путем дистилляции способом по любому из пп. 1-5, содержащее реторту и сосуд конденсации, защищенный крышкой, при этом верхняя зона сосуда конденсации расположена в верхней зоне реторты, верхняя зона реторты окружена нагревательным элементом для нагрева верхней зоны реторты между двумя, верхней и нижней, линиями уровня до температуры выше точки кипения магния, а сосуд конденсации расположен таким образом, что нижняя часть сосуда конденсации расположена под нижней линией уровня.

7. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что реторта выполнена из нержавеющей стали.

8. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что крышка состоит из графита.

9. Устройство по любому из пп. 6-8, отличающееся тем, что оно содержит подающую камеру, при этом предкамера соединена с ретортой, а подающая камера соединена со средством для извлечения реторты.