СПЛАВ НА ОСНОВЕ ПЛАТИНЫ ДЛЯ КАТАЛИЗАТОРНЫХ СЕТОК
PLATINUM-BASED ALLOY FOR CATALYST GRATING

Изобретение относится к области металлургии благородных металлов, в частности к платиновым сплавам, предназначенным для изготовления катализаторных сеток, используемых химической промышленностью.
Использование каталитических сеточных пакетов на предприятиях химической промышленности в процессах окисления аммиака (при производстве азотной кислоты и ее производных) широко практикуется на предприятиях разных стран мира. Каталитическую функцию при этом выполняют, как правило, сетки, изготовленные из платиновых сплавов. Жесткие условия эксплуатации (высокие температура и давление) приводят к постепенной эрозии и разрушению сеточного полотна. Необходимость обеспечения высокой каталитической активности сетки и сохранение ее механических характеристик на возможно более длительные сроки эксплуатации предъявляют повышенные и специфические требования к качеству платиновых сплавов, применяемых для изготовления катализаторных сеток.
При изготовлении каталитических систем широко применяются различные платинородиевые сплавы. Содержание в них родия может быть различным и изменяется, как правило, от 5 до 10%.
Наиболее близким по составу и функциональному применению к заявляемому сплаву является сплав на основе платины для катализаторных сеток ПлРд 92,5-7,5, содержащий, мас.%:
- платина - 92,2-92,8;
- родий - 7,3-7,7
[Межгосударственный стандарт. ГОСТ 13498-2010. «Платина и сплавы на ее основе. Марки». М., Стандартинформ. - 2011. 5 с.].
Данный сплав обладает высокой каталитической активностью, обеспечивает приемлемую живучесть каталитических пакетов при их эксплуатации и принят в качестве прототипа заявляемому сплаву.
Недостатком сплава-прототипа является недостаточная стабильность механических свойств изготовленных из него полуфабрикатов по их длине и сечению, вызванная формированием неоднородных зон с разнозернистой структурой, формирующейся при кристаллизации литых заготовок, что вызывает нарушения технологического процесса при вытягивании проволоки и изготовлении сеток. Наличие зерен увеличенных размеров наряду с мелкими зернами в структуре литого сплава-прототипа является нежелательным, так как ведет к технологическим трудностям при изготовлении тонкой проволоки, а затем и сеточного полотна.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является разработка состава нового сплава на основе платины для катализаторных сеток, обеспечивающего формирование однородной мелкозернистой структуры при кристаллизации литых заготовок, получение полуфабрикатов со стабильными механическими свойствами. Сплав должен обеспечивать длительную эксплуатацию изготовленных из него катализаторных сеток при сохранении высокой каталитической активности.
Технический результат достигается тем, что сплав на основе платины для катализаторных сеток, содержащий родий, дополнительно содержит иридий и тантал при следующем соотношении компонентов, мас.%:
- родий 4,5-10,5;
- иридий 0,001-0,5;
- тантал 0,001-3,3;
- платина - остальное.
Общим для сплава-прототипа и заявляемого сплава является наличие в сплаве платины и родия.
Включение в состав заявляемого сплава совместных добавок иридия и тантала, являющихся эффективными модификаторами, обеспечивает при кристаллизации расплава высокую скорость зародышеобразования новой фазы и формирование мелкозернистой однородной структуры, позволяющей получать литые заготовки и полуфабрикаты со стабильными механическими свойствами, как по их длине, так и по сечению. Таким образом, введение в сплав добавок иридия и тантала повышает технологические свойства сплава при его использовании для изготовления тонкой проволоки и сеточного полотна.
Снижение концентрации как иридия, так и тантала в платиновом сплаве ниже 0,001% недопустимо, так как ведет к заметному ослаблению модифицирующего воздействия на сплав и снижает стабильность его свойств.
Превышение верхних пределов заявленного содержания как иридия (0,5%), так и тантала (3,3%) в платиновом сплаве также нецелесообразно, так как не приводит к дальнейшему улучшению технологических характеристик сплава при его использовании в сеточном производстве, но может повлиять отрицательно на каталитическую активность катализаторной сетки.
Соотношение компонентов в заявляемом сплаве предложено на основании экспериментальных исследований, включающих приготовление различных сплавов, изготовление из них тонкой проволоки и катализаторных сеток, оценку живучести и каталитической активности последних, при их включении в различные каталитические пакеты в аппаратах окисления аммиака.
Содержание родия в заявляемом сплаве в интервале от 4,5% до 10.5% обеспечивает сохранение необходимых механических характеристик сплаву и изготовленным из него сеткам и является оптимальным.
Соотношение платины и родия в заявляемом сплаве также является оптимальным, выбрано экспериментально, исходя из необходимости сохранения высокой каталитической активности сеток и обеспечения длительного срока их эксплуатации.
Пример
Получение платинового сплава для катализаторных сеток проводили прямым сплавлением чистых платины, родия, тантала и сплава ПлИ-5, который использовали в качестве лигатуры. Плавку проводили в индукционной печи УИПВ-63-10-0,01 фирмы «РЭЛТЕК» в тигле из диоксида циркония, стабилизированного CaO.
Состав шихты:
- рубленые слитки и стружка платины аффинированной марки ПлА-0 (чистотой 99,98%) - 6630,0 г;
- стружка сплава ПлИ-5 - 20,0 г;
- тантал (кусковой и стружка) - 11,0 г;
- порошок родия (чистотой не менее 99,95% основного компонента) - 540,1 г.
Все компоненты шихты смешали и загрузили в плавильный тигель индукционной печи. Общая масса загружаемой шихты подбиралась исходя из вместимости плавильного тигля и составляла (7200±100) г. Расчетный состав шихты, %: Rh - 7,50; Lr - 0,01; Ta - 0,15; Pt - остальное.
Шихту расплавляли в атмосфере аргона. Расплав подвергли изотермической выдержке в течение 4 мин, слив расплава провели при температуре 1800°C (по показаниям оптического пирометра), в атмосфере аргона, в предварительно разогретую до 200°C медную изложницу.
Охлаждение слитка провели в изложнице, в течение 30 мин, после чего открыли крышку печи, выгрузили слиток и его дальнейшее охлаждение провели опусканием в проточную воду.
Масса полученного сплава составила 7200,1 г. После механической зачистки поверхности полученный слиток был опробован, проба подвергнута химическому анализу.
Химический анализ пробы показал, что полученный сплав содержит 7,49% родия, 0,011% иридия, 0,15% тантала, остальное - платина.
Полученный сплав был прокован в прутки сечением 15*15 (мм), длиной (260-290) мм и успешно использован для изготовления катализаторной сетки.