УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО БЕРИЛЛИЯ

Полезная модель относится к металлургии, в частности к устройству для непрерывного получения металлического бериллия повышенной чистоты методом магнийтермического восстановления фторида бериллия, отвечающее современным экологическим требованиям.
Известно получение металлического бериллия методом магнийтермического восстановления фторида бериллия по реакции
2
2
BeF+Mg=Be+MgF
в графитовом тигле с наружным обогревом [1].
2
Известно устройство для получение металлического бериллия в производственных условиях, выбранное в качестве прототипа, содержащее индукционную печь с графитовым тиглем [2]. Процесс восстановления проводят в открытых графитовых тиглях диаметром 610 мм. Шихту составляют в следующей пропорции: 75% (мас.) BeF - 25% (мас.) Mg, т.е. фтористый бериллий берут с избытком для того, чтобы в итоге был получен легкотекучий шлак.
Гранулированный фтористый бериллий и куски металлического магния размером до 25 мм в тигель загружают послойно. Тигель устанавливают в индукционную печь, и в процессе восстановления создают необходимый температурный режим Температура плавления металлического магния составляет 651°С [3], с этой температуры начинается медленный процесс восстановления фторида бериллия. Температура плавления фторида бериллия равна 803°С. При достижении этой температуры процесс восстановления заметно ускоряется и сопровождается дополнительным выделением тепла за счет экзотермической реакции
2
2
ВеF+Mg=Не+MgF+Q
3
3
3
2
2
2
2
При достижении температуры 850°С процесс восстановления заканчивается с образованием твердофазного шлакометалла, содержащего твердые частицы металлического бериллия в массе твердых частиц фторида магния и фторида бериллия (шлака). Температура плавления металлического бериллия составляет 1283°С, а температура плавления фторида магния 1263°С. Металлический бериллий имеет плотность 1,84 г/см. Шлак, состоящий из 90% MgF и 10% BeF имеет плотность выше плотности металлического бериллия (плотность MgF - 3,1 г/см, BeF - 2,0 г/см) [3].
Затем температуру увеличивают и при 1285°С шлакометалл переходит в расплавленное состояние. При этом отдельные частички металлического бериллия сливаются
в капли, которые благодаря разной плотности металла и шлака всплывают на поверхности, образуя, в конечном счете, расплавленную «линзу». Слив металлического бериллия и шлака проводят при температуре 1350°С.
2
2
Расплавленную смесь выливают в графитовую изложницу и после охлаждения слиток металлического бериллия и шлак разделяют. Остатки шлака на слитке бериллия удаляют или водой (растворимость в воде г/100 г воды BeF - 50; MgF - 0,012), или пескоструйным методом.
Учитывая высокую токсичность расплавленного фторида бериллия и расплавленного металлического бериллия, печь, в которой ведут восстановительную плавку, помещают в вентилируемую кабину. Кроме того, всю установку размещают в вентилируемой камере.
Процесс восстановления проводят на воздухе. Кислород и азот воздуха взаимодействуют с металлическим бериллием, загрязняя его соответственно оксидом и нитридом. Графитовые тигли, в которых ведут процесс восстановления, на воздухе при высокой температуре разрушаются и металлический бериллий загрязняется карбидом бериллия. В процессе восстановления металлический магний частично улетучивается (металлический магний "кипит", т.к. упругость паров магния при температуре 1120°С равна 760 мм.рт.ст.) [1].
Все операции по обслуживанию установки получения металлического бериллия методом магнийтермического восстановления осуществляют ручным способом. Тигель устанавливают в индукционную печь и в процессе восстановления температурный режим регулируют подачей мощности на индуктор.
Недостатком прототипа является то, что в производственных условиях используется открытая аппаратура и, следовательно, воздух в производственных помещениях содержит значительное количество частичек металлического бериллия и фтористого бериллия, многократно превышающее предельно допустимую концентрацию (ПДК). Условия работы в отделении восстановления являются крайне вредными и требуют специальных защитных мер. Процесс, реализуемый на этом устройстве, является прерывным, а полученный металлический бериллий загрязнен оксидом, нитридом и карбидом бериллия.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является создание устройства, позволяющего повысить чистоту конечного продукта за счет проведения процесса в инертной атмосфере, обеспечить разлив металла и шлака в разные изложницы, а также повысить безопасность его работы.
Техническим результатом, который может быть получен при осуществлении данной полезной модели, является то, что процесс восстановления и разделения металлического бериллия и образовавшегося шлака проводят непрерывно. Конструкция устройства исключает улетучивание металлического магния (температура кипения 1120°С), а также улетучивание фторида бериллия (температура кипения 1159°С), поскольку пары магния и фторида бериллия поступают вверх в зону низких температур. Через шихту восстановленный металлический бериллий контактирует с инертной атмосферой аргона, что исключает загрязнение металла кислородом и азотом. В условиях инертной атмосферы аргона материал тиглей - графит является стойким, не окисляется и не разрушается, что исключает загрязнение металлического бериллия углеродом. В инертной атмосфере аргона металлический магний также не окисляется, что значительно снижает загрязнение металлического бериллия оксидами, а также значительно улучшаются экономические и санитарно-гигиенические условия труда.
Для решения поставленной задачи устройство для получения металлического бериллия магнийтермическим восстановлением фторида бериллия содержит графитовый тигель, размещенный в индукционной печи, причем тигель выполнен по высоте из двух частей, верхней части для восстановления фторида бериллия и нижней части для разделения металлического бериллия и шлака, которые смонтированы соосно, внутренний объем верхней части тигля выполнен в виде усеченного конуса с горловиной для подачи шихты и центральным каналом в его дне для слива в нижнюю часть тигля расплава шлака и металлического бериллия, в нижней части тигля выполнены две летки для слива металлического бериллия и шлака, расположенные на разной высоте от его дна, а верхняя часть нижней части тигля разделена двумя вертикальными графитовыми перегородками на центральную зону, зону для слива металлического бериллия и зону для слива шлака, причем нижняя кромка перегородки, разделяющей центральную зону и зону для слива металлического бериллия размещена выше нижней кромки перегородки, разделяющей центральную зону и зону для слива шлака.
В частном варианте тигель размещен в инертной среде в вакуумно-герметичном водоохлаждаемом корпусе.
В другом частном варианте части тигля соединены между собой графитовыми штырями.
В другом частном варианте над центральным каналом верхней части тигля расположен графитовый элемент, для предотвращения попадания не проплавленной шихты в нижнюю часть тигля.
В другом частном варианте в дне нижней части тигля выполнен графитовый патрубок со сливным отверстием, размещенный во вспомогательном индукторе для аварийного слива.
В другом частном варианте индукционная печь выполнена с переменным шагом навивки витков.
На фиг.1. изображено предлагаемое устройство.
На фиг.2 представлена схема температурных полей предлагаемого устройства.
Верхняя часть установки, содержащая шлюзы, механизмы загрузки фторида бериллия и металлического магния, смешения их, а также нижняя часть установки, включающая механизмы разлива металла и шлака в разные изложницы и извлечения их из установки без нарушения аргоновой атмосферы на фиг. не показаны.
Корпус 1, охлаждаемый с помощью водяной рубашки 2, выполнен из листовой нержавеющей стали в герметичном исполнении. В нижней части корпуса размещены шлюзовая система для выгрузки металлического бериллия и шлака. Загрузка реагентов и выгрузка продуктов реакции происходит без нарушения инертной атмосферы. В корпусе соосно одна над другой смонтированы две части графитового тигля, соединенные между собой графитовыми штырями. Верхняя часть тигля 3 для восстановления фторида бериллия и нижняя часть тигля 4 для разделения металлического бериллия и шлака.
Верхняя часть тигля по высоте имеет разные температурные зоны. Внутренний объем верхней части тигля выполнен в виде усеченного конуса 5, а его дно имеет центральный канал 6 для слива перегретого плава (шлака и металлического бериллия) в нижнюю часть тигля. Над центральным каналом расположен графитовый элемент 7, для предотвращения попадания не проплавленной шихты в нижнюю часть тигля.
Верхняя и нижняя части тигля образуют единый блок.
Верхняя часть нижней части тигля разделена двумя вертикальными графитовыми перегородками на три зоны. Перегородка 8 отделяет центральную зону 9 от зоны для слива шлака 10. Перегородка 11 отделяет центральную зону 9 от зоны для слива металлического бериллия 12, причем нижняя кромка перегородки, разделяющей центральную зону и зону для слива металлического бериллия
размещена выше нижней кромки перегородки, разделяющей центральную зону и зону для слива шлака.
На противоположных сторонах боковой поверхности нижнего тигля выполнены две летки для слива металлического бериллия и слива шлака, расположенные на разной высоте от его дна: летка 13 для слива шлака, летка 14 для слива металлического бериллия. Стенки и дно тигля нагревают индукционным способом от индуктора 15. Переменный шаг навивки витков индуктора позволяет обеспечить необходимую конфигурацию поля рабочих температур в верхней и нижней частях тигля в направлении сверху вниз. Катушка индуктора заформована в огнеупорный бетон. Металлический бериллий сливают в графитовые изложницы, шлак - в стальные. Для аварийного слива металла и шлака в дне нижней части тигля выполнен графитовый патрубок 16 со сливным отверстием 17. Патрубок помещен во вспомогательный индуктор 18. При нормальных условиях прохождения процесса вспомогательный индуктор не подключен к источнику питания. По виткам вспомогательного индуктора проходит охлаждающая вода, поэтому шлак в сливном канале образует твердосолевую пробку. При аварийном сливе вспомогательный индуктор подключают к источнику питания, патрубок разогревается и из нижней части тигля сливают шлак и оставшийся на поверхности металл.
Предлагаемое устройство для получения металлического бериллия работает следующим образом.
Корпус 1, охлаждаемый с помощью водяной рубашки 2, вакуумируют и заполняют аргоном. Исходные реагенты (фторид бериллия и магний) загружают в вакуумный бункер, в процессе вакуумирования удаляют воздух, пары воды и другие летучие продукты. Затем бункер заполняют аргоном. Из бункера реагенты направляют в камеру смешения, после чего их подают в верхнюю часть тигля 3, в горловине которой шихту нагревают до температуры 200°С. При движении шихты вниз по верхней части тигля температуру увеличивают. Процесс восстановления начинается при температуре около 650°С и при температуре 850°С процесс восстановления заканчивается с образованием твердофазного шлако-металла, содержащего твердые частицы металлического бериллия в массе твердых частиц фторида магния (шлака). В процессе реакции восстановления образовавшийся твердый шлако-металл имеет объемную усадку, что облегчает образовавшейся массе продвижение вниз.
Для обеспечения лучших условий продвижения шлако-металла внутренний объем верхней части тигля выполнен в виде усеченного конуса 5. При достижении
донной части верхней части тигля температура шлако-металла составляет порядка 1200°С, а массивное дно этой части тигля имеет температуру 1350°С, при этой температуре шлак и металлический бериллий находятся в расплавленном состоянии. Расплав - смесь шлака и металлического бериллия сливают через центральный канал 6 в массивном дне верхней части тигля, над которым расположен графитовый элемент 7, для предотвращения попадания не проплавленной шихты в центральную зону 9 нижней части тигля 4, где перегретый шлако-металл при температуре 1350°С подвергают гравитационному расслоению на шлак и металл. Уровень расплавленного шлака в нижней части тигля определяют уровнем летки 13 для слива шлака. Перегородку 8, отделяющую центральную зону 9 от зоны для слива шлака 10, устанавливают ниже уровня летки 13 для слива шлака на 8-10 см. Летка 14 для слива металлического бериллия расположена выше летки 13 на 4-5 см и отделена от центральной зоны перегородкой 11, отделяющей центральную зону 9 от зоны 12 слива металлического бериллия. Перегородка 11 размещена на глубину на 4-5 см ниже уровня летки 14 для слива металла.
Расплавленный металлический бериллий накапливается на поверхности шлака, который имеет постоянный уровень, определяемый уровнем летки 13 для слива шлака. Расплавленный металлический бериллий достигает уровня летки 14 для слива металлического бериллия и сливается из нижней части тигля.
Центральная зона нижней части тигля, находящаяся между перегородками, предназначена для осуществления процесса гравитационного расслоения металлического бериллия и шлака и для исключения попадания шлака в летку для слива металлического бериллия. Система расположения графитовых перегородок и сливных леток на разных уровнях позволяет при постоянном питании исходными реагентами (фтористым бериллием и металлическим магнием) осуществлять непрерывный раздельный слив жидких металлического бериллия и шлака (фторид магния и фторид бериллия) в отдельные изложницы, установленные под сливными отверстиями нижней части тигля.
Нагрев шихты в верхней части тигля и поддержание необходимой температуры в нижней части тигля происходит за счет теплопроводности от нагретых стенок тигля. Стенки и дно тигля в свою очередь нагревают индукционным способом от индуктора 15. В случае аварийного слива из нижней части тигля металл и шлак сливают через сливное отверстие 17 графитового патрубка 16, размещенного во вспомогательном индукторе 18.
Скорость движения шихты и шлако-металла в верхней части тигля регулируют температурным режимом.
Пример конкретного выполнения
Предлагаемое устройство изучалось на имитаторах, поскольку металлический бериллий и его соединения, особенно при высоких температурах, очень токсичны.
С целью обеспечения непрерывного процесса восстановления шихта должна постоянно с расчетной скоростью передвигаться в верхней части тигля сверху вниз, проходя при этом температурные зоны от 200°С до 1350°С.
Для определения возможного создания температурных зон в тигле в качестве имитатора загружали оксид алюминия. При подборе определенной токовой нагрузки в индукторе температурные зоны по высоте верхней части тигля распределились следующим образом: 250°С-650°С - 950°С - 1300°С - 1370°С. Такое распределение температурных полей зон обеспечивало запланированное продвижение шихты.
3
3
Для осуществления всего процесса: продвижения шихты, плавления шихты и металла, разделения шлака и металла, в качестве имитатора использовали смесь хлорида бария и фторида натрия, имеющую плотность 3 г/см и температуру плавления 700°C. В эту солевую смесь замешивали алюминиевую стружку (плотность алюминия 2,7 г/см и температура плавления 660°С). В этом случае температуру дна верхней части тигля устанавливали на 800°С. Температуру в горловине верхней части тигля поддерживали на уровне 200°С. В процессе движения вниз шихту, достигшую массивного дна верхней части тигля, расплавляли и расплавленный шлак и алюминий через центральный канал сливали в нижнюю часть тигля. Сверху в верхнюю часть тигля из бункера непрерывно подавали новые порции приготовленной смеси хлорида бария и фторида натрия с алюминиевой стружкой.
Смесь расплавленного шлака и алюминия, поступив в нижнюю часть тигля из-за разной плотности шлака и алюминия и наличия системы перегородок, разделялась на алюминий и шлак. Через летки, расположенные на разных уровнях в нижней части тигля, сливали отдельно металлический алюминий и шлак.
Далее приведены расчетные показатели установки для непрерывного получения металлического бериллия магнийтермическим методом в герметичных условиях в атмосфере аргона.
Габаритные размеры установки: диаметр корпуса - 1060 мм; диаметр тигля - 300 мм; общая высота тигля - 1200 мм; диаметр горловины - 80 мм; диаметр дна верхней части тигля - 200 мм; диаметр дна нижней части тигля - 180 мм.
Суточный расход: шихта - 173 кг/сутки; (фторид бериллия и магний).
Производительность по металлическому бериллию - 20 кг/сутки.
Средняя скорость передвижения шихты в верхней части тигля - 0,33 м/час.
Время прохождения шихты и продуктов реакции восстановления в верхней части тигля - 1,5 час.
-1
Вакуум в установке перед заполнением ее аргоном 1×10 мм. рт. ст.
Избыточное давление аргона в установке - 10 мм. вод. ст.
Тип печи - индукционная, тигельная, герметичная, непрерывного действия с защитной средой, максимальная мощность - 95-100 кВт.
Установка оборудована предохранительным клапаном для сброса возникшего избыточного давления.
Процесс проводят в герметичной аппаратуре в атмосфере аргона. Полученный металлический бериллий и образовавшийся шлак разливаются раздельно в изложницы.
Источники информации
1. Бериллий. Дж. Дарвин, Дж. Баддери, Москва, Иностранная литература 1962 г., стр. 69-71, 78-81.
2. Бериллий. Химическая технология и металлургия. Г.Ф. Силина, Ю.И. Зарембо, Л.Э.Бертина, Москва, Атомиздат. 1960 г., стр. 97-105.
3. Краткая химическая энциклопедия. Москва, ГНИ, Советская энциклопедия, 1961 г., т.2, стр. 1008-1012.