АППАРАТ ДЛЯ МЕТАЛЛОТЕРМИЧЕСКОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ШЛАМОВ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ
DEVICE FOR METAL-THERMAL REDUCTION OF PULP OF GALVANIC PRODUCTION

Изобретение относится к восстановительной металлургии, в частности к аппаратам для металлотермического получения металлов и сплавов, и может найти применение для алюминотермического восстановления шламов гальванических производств.
Известно устройство для автоклавного производства химически активных металлов металлотермическим восстановлением реакционной шихты (з. WO №2009139667, опубл. 2009.11.19), содержащее металлическую герметичную емкость с днищем и крышкой, клапан регулировки и систему зажигания, при этом нижняя часть упомянутой емкости, устанавливаемая в герметично закрываемую шахту с проточной водой, выполнена в форме конуса. Недостатки известного устройства обусловлены необходимостью предварительного нагрева металлической емкости с шихтой в соответствующих печах (шахтных печах сопротивления, индукционных или плазменно-газовых) и последующего ее переноса в охлаждаемую шахту для проведения металлотермической реакции, а также необходимостью точного расчета времени, которое требуется на нагрев шихты, инициирование реакции и достижение рабочего давления, для регулирования давления газа при протекании реакции восстановления и сохранения механической прочности емкости с шихтой.
Наиболее близким к заявляемому является аппарат для металлотермического восстановления (пат. РФ №2112058, опубл. 1998.05.27), содержащий цилиндрический корпус с рубашкой охлаждения и крышкой, футерованный тигель с установленным на верхнем торце теплоизолирующим элементом с засыпкой и устройство инициирования реакции, основание теплоизолирующего элемента которого выполнено перфорированным и снабжено легкоразрушающейся подложкой из легкосгораемого или легкоплавкого материала.
Недостатками известного аппарата являются затрудненная выемка спека из тигля, обусловленная цилиндрической формой последнего и наличием изолирующей и антикоррозионной футеровки на его внутренней поверхности, а также необходимость полного охлаждения тигля и восстановления его футеровки практически после каждой выемки, что значительно увеличивает промежутки времени между рабочими загрузками аппарата и снижает его производительность. Кроме того, при эксплуатации известного аппарата перед каждой выемкой необходимо осуществлять снижение давления и осаждение возгоняемых продуктов реакции, что, однако, неполностью предотвращает загрязнение воздуха образовавшимися в результате металлотермической реакции газами.
Задачей изобретения является создание высокопроизводительного и экологически безопасного аппарата для металлотермического восстановления шлама гальванических производств.
Технический результат изобретения заключается в упрощении выемки спека из тигля, сокращении промежутков времени между рабочими загрузками аппарата за счет исключения необходимости полного охлаждения тигля, его очистки и восстановления, что обеспечивает повышение производительности аппарата, а также в предотвращении загрязнения воздуха образовавшимися в результате металлотермической реакции газами.
Указанный технический результат достигается аппаратом для металлотермического восстановления шламов гальванических производств, содержащим цилиндрический корпус с крышкой, размещенные внутри последнего тигель и устройство инициирования металлотермической реакции, в котором в отличие от известного цилиндрический корпус снабжен внутренней огнеупорной облицовкой, тигель изготовлен из графита и имеет форму усеченного конуса, обращенного к дну аппарата меньшим основанием, в котором выполнено отверстие, закрытое выталкивателем, при этом аппарат дополнительно снабжен размещенными в крышке патрубком для отвода летучих продуктов металлотермической реакции из рабочего объема в нейтрализующее устройство и патрубком для продувки рабочего объема сжатым воздухом.
Оптимальные условия выемки спека из тигля обеспечиваются при значении угла наклона боковой поверхности тигля 3-5°.
Аппарат включает цилиндрический корпус 1 с дном сферической формы, выполненный из листовой стали толщиной не менее 6 мм с внутренней огнеупорной облицовкой 2, например, из шамотного кирпича. Корпус 1 в своей верхней части выполнен с отбортовкой и снабжен сферической крышкой 3, также выполненной с отбортовкой и закрепленной на корпусе с помощью шарнира, и струбцинами 4. Между отбортовками корпуса 1 и крышки 3 в специальном пазе размещено асбо-фторопластовое уплотнение 5, обеспечивающее совместно со струбцинами 4 герметичность соединения крышка-корпус. Внутри корпуса 1 помещен графитовый тигель 6 в форме усеченного конуса, обращенного ко дну аппарата меньшим основанием. Экспериментально установлено, что оптимальным является угол конусности боковых стенок тигля 6 в пределах 3-5°, который обеспечивает быстрое извлечение спека после реакции металлотермического восстановления. В дне тигля 6 выполнено отверстие, закрытое подвижным выталкивателем 7, выполненным из графита и повторяющим форму отверстия. В верхней части корпуса 1 над тиглем 6 установлено служащее для инициирования металлотермической реакции устройство 8, так называемое запальное устройство, выполненное в виде нихромовой спирали рассчитанной длины, подсоединенной к электрическим клеммам. Запальное устройство 8 выполнено с возможностью его частичного погружения в тигель 6, при этом тигель вместе с запальным устройством закрыт сверху стальным перфорированным экраном 9.
Сферическая крышка 3 в ее центральной части снабжена патрубком 10, служащим для отвода летучих продуктов реакции металлотермического восстановления шламов в специальную емкость для нейтрализации (на чертеже не показана), и патрубком 11 подвода сжатого воздуха для вентилирования внутреннего рабочего объема аппарата по окончании металлотермической реакции.
Аппарат установлен на сварной фундамент 12, выполненный из швеллера.
Аппарат работает следующим образом.
Реакционную смесь (шихту, содержащую шлам гальванического производства и алюминиевый порошок либо алюминиевую стружку) 13 с помощью устройства погрузки-выгрузки (на чертеже не показано) загружают в графитовый тигель 6. Запальное устройство 8 опускают в тигель 6 таким образом, чтобы оно погрузилось в шихту на глубину, примерно равную 1/3 диаметра витка его спирали. Устанавливают перфорированный экран 9. Закрывают крышку 3 аппарата, уплотняя ее асбо-фторопластовой прокладкой 5, и обжимают струбцинами 4. Реакцию металлотермического, а именно алюминотермического, восстановления шламов гальванических производств инициируют путем подачи напряжения на клеммы запального устройства 8.
Протекание реакции алюминотермического восстановления шламов гальванических производств (индивидуальных либо смеси) сопровождается выделением газообразных продуктов горения и возгонов, а также незначительным выносом твердых частиц, которые увлекаются образующимся в ходе реакции восходящим потоком нагретого воздуха и газов. В ходе реакции алюминотермического восстановления образующиеся нагретые газы под действием собственного избыточного давления через патрубок 10 поступают в емкость, заполненную нейтрализующей и очищающей жидкостью (на чертеже не показана). При этом в рабочем объеме аппарата практически не создается избыточного давления.
После завершения реакции в рабочий объем аппарата через патрубок 11 подают сжатый воздух из расчета 1-2 рабочих объема аппарата. Продувка сжатым воздухом обеспечивает быстрое удаление газообразных продуктов реакции, которые пропускаются через объем нейтрализующей и очищающей жидкости. Таким образом ускоряется охлаждение внутреннего объема аппарата, что приводит к снижению затрат времени на охлаждение, обеспечивается снижение давления возгоняемых продуктов реакции и их осаждение, а также предотвращается загрязнение воздуха токсичными продуктами реакции алюминотермического восстановления.
По окончании вентилирования струбцины 4 отворачивают, поднимают крышку 3 и защитный экран 9, затем посредством устройства погрузки-выгрузки вынимают тигель 6 с продуктами реакции, представляющими собой спек. Образовавшийся спек удаляют из тигля путем переворачивания последнего вверх дном и надавливания на выталкиватель 7. Сужающаяся ко дну форма тигля 6 в сочетании со свойствами поверхности графита, из которого он изготовлен, обеспечивает быстрое и беспрепятственное удаление спека, при этом не требуется никаких дополнительных затрат труда и времени на очистку и восстановление внутренней поверхности тигля. В отличие от известного аппарата графитовый тигель выполнен без теплоизолирующей и антикоррозионной футеровки, которая требовала бы осмотра и очистки после переработки каждой партии шихты, а также периодического и частого восстановления.
Графитовый тигель после неполного остывания (до 500°С) готов к загрузке новой партии шихты. Шихта, загруженная в нагретый до указанной температуры тигель, активнее вступает в реакцию алюминотермического восстановления, при этом исключено ее самовзгорание.
Для повышения производительности аппарата используют несколько сменных тиглей.