УСТАНОВКА ДЛЯ ЭЛЕКТРОДУГОВОГО ПОЛУЧЕНИЯ ЦИРКОНИЯ
PLANT FOR ELECTRIC ARC PRODUCTION OF ZIRCONIUM

Изобретение относится к области металлургии, в частности к технологии получения тугоплавких металлов из рудных концентратов.
Известна установка для электродугового получения циркония, принцип работы которой основан на восстановлении тугоплавкого металла циркония с последующим его термодиффузионным осаждением [Пат. 2103391, Российская Федерация, МПК С22В 5/00, С25С 3/00, С22В 34/00. Способ получения тугоплавких металлов из рудных концентратов [текст] / Баранов Е.М., Григорьев В.М.; заявитель и патентообладатель Баранов Е.М., Григорьев В.М.; заявл. 12.07.1994; опубл. 27.01.1998].
Установка для электродугового получения циркония содержит металлический кристаллизатор, предназначенный для получения шлаковой ванны и термодиффузионного осаждения металла, пару электродов для возбуждения электрической дуги и источник переменного тока повышенной мощности.
Один электрод установлен над металлическим кристаллизатором вертикально с возможностью перемещения по направлению к шлаковой ванне-накопителю, другой - под днищем металлического кристаллизатора горизонтально. Электроды соединены с источником переменного тока.
Устройство работает следующим образом.
Для получения циркония, в качестве основной шихты выбран рудный цирконсодержащий концентрат, например бадделеит.
Бадделеит, находящийся в металлическом кристаллизаторе, расплавляется электрической дугой, образованной горизонтальным и вертикальным электродами.
При достижении температуры шлаковой ванны до 1200°С начинается процесс восстановления циркония и металлических примесей из оксидов, катионы которых термодиффузионным путем переносятся в направлении теплоотвода на дно кристаллизатора. При указанном температурном режиме плавки большая доля восстановленного циркония кристаллизуется на дне кристаллизатора, а меньшая доля затвердевает в шлаке в виде сферолитов.
При этом на дне кристаллизатора образуется слиток циркония с содержанием примесей до 6%. Полученный слиток циркония с примесями извлекается из кристаллизатора путем его механической разделки. Химический состав полученного слитка приведен в таблице 1.
Полученный слиток циркония в своем составе содержит большое количество примесей, более 6%, что способствует проявлению в нем повышенной хрупкости.
Шлак удаляется в виде отходов, причем содержание циркония в них составляет до 15%.
Достоинство известной установки для электродугового получения циркония заключается в простоте ее конструкции.
Недостаток известной установки заключается в повышенной хрупкости получаемого в ней слитка циркония, что обусловлено большим количеством содержащихся в нем примесей.
Другой недостаток известной установки заключается в значительном содержании циркония в отходах при производстве слитка циркония, что обусловлено недостаточным разогревом шлака в процессе плавки.
Наиболее близким к заявляемому устройству, по совокупности существенных признаков, является шахтная плазменно-дуговая электропечь для получения циркония (установка для электродугового получения циркония), принцип работы которой основан на восстановлении циркония с последующим его термодиффузионным осаждением [Авт. свид. 772243, Российская Федерация, МПК С22В 9/21. Шахтная плазменно-дуговая электропечь [текст] / Гутенберг В.Я., Муха В.П., Носиков А.В., Орлов Г.И., Плотников В.П., Савостьянов А.Н., Чередниченко B.C.; заявл. 12.04.1979; опубл. 20.09.2009].
Установка для электродугового получения циркония содержит ванну-накопитель, предназначенную для получения шлаковой ванны, металлический охлаждаемый кристаллизатор, предназначенный для термодиффузионного осаждения металла, пару основных электродов (два дуговых нагревателя) и источник постоянного тока повышенной мощности.
Металлический охлаждаемый кристаллизатор выполнен с возможностью горизонтального перемещения металлического слитка и расположен в нижней части ванны-накопителя.
Каждый электрод установлен над шлаковой ванной и соединен с источником постоянного тока для возбуждения электрической дуги.
Ванна-накопитель выполнена с шахтой для загрузки шихтовых материалов.
Устройство работает следующим образом.
Для получения циркония в качестве основной шихты выбирается рудный цирконсодержащий концентрат, например бадделеит.
Шихта при загрузке через шахту расплавляется и наполняет оксидным расплавом циркона ванну-накопитель.
При пропускании электрического тока через электроды в ванне-накопителе образуются две электрические дуги, каждая из которых образуется между соответствующим электродом и расплавом.
Наличие двух электрических дуг создает в расплаве температуру - до 5000°С, при которой происходит восстановление циркония и металлических примесей из оксидов.
При указанном температурном режиме в результате термодиффузии большая доля восстановленного циркония осаждается на поверхность стенок охлаждаемого кристаллизатора в виде удлиненного слитка циркония постоянного сечения, а меньшая его доля в результате скоротечности процесса затвердевает в шлаке в виде сферолитов.
По мере формирования слитка циркония осуществляется горизонтальная вытяжка кристаллизатора и отделение от него слитка циркония механическим путем.
Присутствующие в расплаве примеси частично испаряются, частично остаются в расплаве из-за недостаточной термодиффузионной способности, а остальные примеси кристаллизуются вместе с цирконием на кристаллизаторе. Химический состав слитка циркония приведен в таблице 2.
В полученном слитке циркония содержится до 3,5% примесей. Значительное содержание примесей в слитке циркония обуславливает его повышенную хрупкость.
Шлак удаляется в виде отходов, причем содержание циркония в них составляет до 5%.
Достоинство известной установки для электродугового получения циркония заключается в снижении хрупкости получаемого в ней слитка за счет некоторого уменьшения содержания в нем примесей до 3,5%.
Однако хрупкость слитка циркония остается повышенной, не позволяющей использовать его при дальнейшей обработке металла давлением, что является недостатком известной установки для электродугового получения циркония. Это обусловлено неполным удалением примесей из расплава и остаточным содержанием примесей в сплаве, превышающем уровень их содержания, позволяющий производить обработку металла давлением.
Другой недостаток известной установки заключается в значительном содержании циркония в отходах при производстве слитка циркония, что обусловлено скоротечностью процесса затвердевания шлака.
Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке установки для электродугового получения циркония, позволяющей получать слитки циркония с пониженной хрупкостью, достаточной для обработки металла давлением, за счет максимально возможного снижения содержания примесей в сплаве с одновременным значительным снижением содержания циркония в отходах за счет увеличения длительности процесса переноса циркония и осаждения его на кристаллизаторе.
Для решения поставленной задачи в установку для электродугового получения циркония, содержащую ванну-накопитель для получения шлаковой ванны, металлический водоохлаждаемый кристаллизатор для термодиффузионного осаждения на нем металла, установленный в ванне-накопителе с возможностью перемещения, два основных электрода для плавки шихты, соединенных с источником тока повышенной мощности, дополнительно введены два вспомогательных электрода для испарения примесей, соединенных с дополнительным источником тока пониженной мощности, нагревательный элемент для дополнительного разогрева упомянутой шлаковой ванны, форвакуумный насос для откачки воздуха с поверхности упомянутой шлаковой ванны и металлический поддон для разжигания дуги, установленный на дне упомянутой ванны-накопителя, при этом упомянутый кристаллизатор выполнен с расположенным в нем охлаждающим блоком и с возможностью вертикального перемещения относительно упомянутой шлаковой ванны, каждый вспомогательный электрод выполнен со сквозным отверстием и соединен с форвакуумным насосом, пара основных и пара вспомогательных электродов установлены над ванной-накопителем по ее ширине, пара основных электродов, пара вспомогательных электродов и металлический водоохлаждаемый кристаллизатор последовательно установлены относительно друг друга по длине ванны-накопителя и нагревательный элемент расположен в нижней части упомянутой ванны-накопителя.
Введение в установку для электродугового получения циркония двух вспомогательных электродов для испарения примесей, соединенных с дополнительным источником тока пониженной мощности, нагревательного элемента для дополнительного разогрева шлаковой ванны, форвакуумного насоса для откачки воздуха с поверхности упомянутой шлаковой ванны и металлического поддона для разжигания дуги, установленного на дне ванны-накопителя, выполнение кристаллизатора с расположенным в нем охлаждающим блоком и с возможностью вертикального перемещения относительно упомянутой шлаковой ванны, каждого вспомогательного электрода со сквозным отверстием и соединение их с форвакуумным насосом, установление пары основных и пары вспомогательных электродов над ванной-накопителем по ее ширине, последовательное расположение основных, вспомогательных электродов и металлического водоохлаждаемого кристаллизатора относительно друг друга по длине упомянутой ванны-накопителя, расположение нагревательного элемента в нижней части упомянутой ванны-накопителя отличает совокупность существенных признаков заявляемого решения от совокупности существенных признаков прототипа. Наличие отличительных существенных признаков в совокупности существенных признаков, характеризующих заявляемое решение, свидетельствует о его соответствии критерию патентоспособности изобретения «новизна».
Причинно-следственная связь «Введение в установку для электродугового получения циркония двух вспомогательных электродов для испарения примесей, соединенных с дополнительным источником тока пониженной мощности, нагревательного элемента для дополнительного разогрева шлаковой ванны, форвакуумного насоса для откачки воздуха с поверхности упомянутой шлаковой ванны и металлического поддона для разжигания дуги, установленного на дне ванны-накопителя, выполнение кристаллизатора с расположенным в нем охлаждающим блоком и с возможностью вертикального перемещения относительно упомянутой шлаковой ванны, каждого вспомогательного электрода со сквозным отверстием и соединение их с форвакуумным насосом, установление пары основных и пары вспомогательных электродов над ванной-накопителем по ее ширине, последовательное расположение основных, вспомогательных электродов и металлического водоохлаждаемого кристаллизатора относительно друг друга по длине упомянутой ванны-накопителя, расположение нагревательного элемента в нижней части упомянутой ванны-накопителя приводит к получению слитка циркония с пониженной хрупкостью за счет максимально возможного снижения содержания примесей в сплаве с одновременным значительным снижением содержания циркония в отходах за счет увеличения длительности процесса переноса циркония и осаждения его на кристаллизаторе» не обнаружена в уровне техники и логически не следует из него. Следовательно, причинно-следственная связь является новой, что свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».
На фигуре представлена схема установки для электродугового получения циркония, иллюстрирующая работоспособность и «промышленную применимость» установки.
Принцип работы заявляемой установки основан на восстановлении циркония из оксидов с последующим его термодиффузионным осаждением.
Установка для электродугового получения циркония содержит ванну-накопитель 1, предназначенную для получения шлаковой ванны; металлический поддон 2, предназначенный для разжигания дуги; металлический водоохлаждаемый кристаллизатор 3, предназначенный для термодиффузионного осаждения на нем металла; пара основных электродов 4, предназначенных для плавки шихты; пара вспомогательных электродов 5, предназначенных для испарения примесей; нагревательный элемент 6, предназначенный для дополнительного разогрева шлаковой ванны; два источника тока 7, 8 разной мощности и форвакуумный насос 9, предназначенный для откачки воздуха с поверхности шлаковой ванны.
Металлический поддон 2 установлен на дне ванны-накопителя 1.
Металлический водоохлаждаемый кристаллизатор 3 выполнен с охлаждающим блоком 10, расположенным внутри него и предназначенным для теплоотвода. Кристаллизатор 3 установлен в ванне-накопителе с возможностью вертикального перемещения относительно шлаковой ванны.
Каждый вспомогательный электрод 5 выполнен со сквозным отверстием 11, соединенным с форвакуумным насосом 9.
Пара основных и пара вспомогательных электродов 4, 5 установлены над ванной-накопителем 1 по ее ширине соответственно. Пара основных электродов 4, пара вспомогательных электродов 5 и металлический водоохлаждаемый кристаллизатор 3 установлены последовательно относительно друг друга по длине ванны-накопителя 1.
При этом каждый основной электрод 4 подсоединен к источнику тока повышенной мощности 7, а каждый вспомогательный электрод 5 - к источнику тока пониженной мощности 8. В качестве источников тока повышенной и пониженной мощностей выбраны, например, источники переменного тока.
Нагревательный элемент 6 расположен в нижней части ванны-накопителя 1.
Установка для электродугового получения циркония работает следующим образом.
Для получения циркония в качестве шихты выбран соответствующий рудный цирконсодержащий концентрат, например бадделеит.
Для возбуждения электрической дуги пара основных электродов 4 опускается в ванну-накопитель 1 до контакта с металлическим поддоном 2. После пропускания через них электрического тока короткого замыкания от источника тока повышенной мощности 7 основные электроды 4 поднимаются с образованием двух электрических дуг между каждым основным электродом 4 и металлическим поддоном 2. В ванну-накопитель 1 засыпается шихта, которая плавится под воздействием двух электрических дуг основных электродов 4 с образованием шлаковой ванны из циркония и примесей.
Дополнительное тепло, сообщаемое нагревательным элементом 6, создает конвективные потоки оксидного расплава, обеспечивая равномерное перемешивание шлаковой ванны.
При достижении в шлаковой ванне температуры 1200°С начинается процесс восстановления циркония и примесей из оксидов. При указанном температурном режиме через вспомогательные электроды 5 пропускается электрический ток от источника тока пониженной мощности 8 с образованием двух электрических дуг между каждым вспомогательным электродом 5 и шлаковой ванной.
В верхних слоях шлаковой ванны по ее длине между областью восстанавливаемых металлов и областью, прилегающей к металлическому водоохлаждаемому кристаллизатору 3, образуется температурный градиент за счет непрерывной циркуляции воды в охлаждающем блоке 10 упомянутого кристаллизатора 3.
При этом катионы циркония и примесей из области восстановления термодиффузионным путем переносятся в направлении упомянутого кристаллизатора 3. Попадая в область действия электрического потенциала дуг вспомогательных электродов 5, катионы легкоплавких примесей через сквозное отверстие 11 каждого вспомогательного электрода 5 испаряются и удаляются из шлаковой ванны форвакуумным насосом 9. Удаление части катионов примесей из шлаковой ванны резко уменьшает их содержание в осаждающемся на упомянутом кристаллизаторе 3 цирконии. В процессе плавки на нижней стенке упомянутого кристаллизатора 3 формируется слиток циркония с последующим вытягиванием его из шлаковой ванны.
Восходящие конвективные потоки оксидного расплава со дна шлаковой ванны восстанавливают необходимую технологическую концентрацию оксидного расплава в области восстановления циркония и примесей, обеспечивая непрерывный процесс осаждения циркония на упомянутом кристаллизаторе 3.
Кроме того, постоянное перемешивание шлаковой ванны конвективными потоками оксидного расплава предотвращает кристаллизацию циркония в виде сферолитов непосредственно в шлаковой ванне и обеспечивает максимальный выход циркония на упомянутом кристаллизаторе 3.
Физико-механические испытания свойств циркония, полученных на заявляемой установке, проводились на кафедре «Подвижной состав железных дорог» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Дальневосточный государственный университет путей сообщения».
3
В экспериментальной установке для электродугового получения циркония использованы ванна-накопитель 1 с габаритами 580×400×1400 (мм), металлический поддон 2 с габаритами 560×390×6 (мм), кристаллизатор 3 с габаритами 500×160×1000 (мм) и с внутренним объемом для охлаждающей жидкости - 0,08 м, основной электрод 4 с длиной 300 мм, диаметром 150 мм; вспомогательный электрод 5 - длиной 300 мм, диаметром 100 мм и со сквозным отверстием диаметром 30 мм. Нагревательный элемент 6 выполнен из нихромовой проволоки диаметром 3 мм. В качестве источника тока повышенной мощности 7 выбран трансформатор ТДФ-1001, в качестве источника тока пониженной мощности 8 выбран трансформатор ТД-500 УЗ, в качестве форвакуумного насоса 9 - насос марки Е2М40.
В качестве цирконсодержащей шихты выбран рудный концентрат бадделеита, химический состав которого приведен в таблице 3.
Образцы для измерения готовились из слитка циркония в соответствии с ГОСТ 25.503-97 в виде куба размерами 30×30×30 (мм).
Химический состав циркония определялся на приборе «Спектроскан МАКС-GV» ТУ 4276-001-23124704-2001, Госреестр №22525-02, аттестованный в ГП ВНИИМ им. Д.И. Менделеева, свидетельство об аттестации №242/19-2004, свидетельство о поверке №0035507 от 19.03.2006 г., их микроструктура исследовалась на микроскопах МБС-9 и ЕС МЕТАМ-РВ21 при увеличении ×80 и ×500.
Хрупкость слитка циркония, зависящая от количества содержавшихся в его составе легкоплавких металлов (Fe, Cu, Ni, Со, Si), определялась методом пластической деформации с помощью универсальной разрывной машины Р-100 свидетельство о поверке №068178.
Пластическая деформация слитка циркония определялась отношением высоты образца после испытания к высоте образца до испытания и измерялась в процентах. Увеличение процента пластической деформации циркония указывает на снижение его хрупкости.
Проведено четыре эксперимента. В первых трех слитки циркония получены на заявляемой установке для электродугового получения циркония, в четвертом - на установке-прототипе.
2
Пример 1. Для получения слитка циркония на основные электроды подавалось напряжение 40 В при рабочем токе 300 А, на вспомогательные электроды - напряжение 110 В при рабочем токе 50 А. На испытуемый образец действовали давлением до 65 кгс/мм.
2
Пример 2. Для получения слитка циркония на основные электроды подавалось напряжение 40 В при рабочем токе 300 А, на вспомогательные электроды - напряжение 140 В при рабочем токе 100 А. На испытуемый образец действовали давлением до 65 кгс/мм.
2
Пример 3. Для получения слитка циркония на основные электроды подавалось напряжение 40 В при рабочем токе 300 А, на вспомогательные электроды - напряжение 180 В при рабочем токе 250 А. На испытуемый образец действовали давлением до 65 кгс/мм.
2
Пример 4. Для получения слитка циркония на электроды подавалось напряжение 29 В при рабочем токе 500 А. На испытуемый образец действовали давлением до 65 кгс/мм.
Химические составы циркония приведены в таблице 4.
Физические свойства слитков циркония приведены в таблице 5.
В результате исследований установлено, что использование заявляемой установки для электродугового получения циркония позволяет получить слитки, у которых по сравнению с прототипом снижены в 3-5 раз хрупкость, что позволяет обрабатывать металл давлением, и в 5-15 раз - содержание циркония в отходах, что позволяет получать максимальный выход циркония.