МАГНИЕТЕРМИЧЕСКИЙ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГУБЧАТОГО ЦИРКОНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
MAGNESIUM-THERMIC METHOD TO PRODUCE SPONGE ZIRCONIUM AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к магниетермическому получению губчатого металла.
Известен магниетермический способ получения губчатого циркония и устройство для его осуществления (А.Н.Зеликман, Г.А.Меерсон «Металлургия редких металлов», М.: Металлургия, 1973 г., с.392-397).
4
4
Способ заключается в том, что на весь процесс восстановления в аппарат загружают твердый магний и затем на поверхность расплавленного магния подают пары тетрахлорида циркония. Температура стенки в зоне испарения ZrCl - 300-360°С, а в зоне восстановления - 780-920°С. Устройство для осуществления способа представляет совмещенный аппарат, в который входит испаритель и аппарат восстановления. Причем сверху испаритель имеет плавкий затвор, который может открываться и сбрасывать избыточное давление паров ZrCl. При этом происходит поступление воздуха в аппарат, который загрязняет получаемый в нем губчатый цирконий.
4
Недостатками описанного способа и устройства являются пониженная производительность из-за отсутствия регулирования скорости подачи паров ZrCl на восстановление и низкое качество получаемой губки циркония.
Наиболее близким аналогом заявляемому способу является известный способ (FR 2587725 - «Способ получения циркония и гафния»), включающий шнековую подачу порошкообразного тетрахлорида циркония из бункера в испаритель, нагрев его в испарителе до температуры выше температуры испарения тетрахлорида циркония, подачу паров тетрахлорида циркония в аппарат восстановления на расплавленный магний и проведение реакции восстановления с получением губчатого циркония.
Наиболее близким к заявляемому устройству является известное устройство, описанное там же (FR 2587725), содержащее бункер для хлорида циркония или гафния, связанный посредством шнека с обогреваемым испарителем с расплавом солей, соединенным паропроводом с патрубком крышки обогреваемого электропечью аппарата восстановления, и реакционный стакан, помещенный внутрь аппарата восстановления.
Недостатки этого способа и устройства заключаются в следующем. Использование в испарителе расплава солей не обеспечивает повышенного качества тетрахлорида циркония (гафния). Сложность устройства не может обеспечить высокую производительность его, так как всегда возникает опасность проплавления твердой пробки из хлорида магния, которая плавится при 714°С, а процесс восстановления идет при 850°С. Следовательно, способ и устройство для него не обеспечивают высокого качества губчатого металла и высокой производительности устройства для этого способа.
Заявляемые технические решения направлены на повышение производительности процесса и качества губчатого металла.
Технический результат достигается в результате того, что:
1. В известном магниетермическом способе получения губчатого циркония, включающем шнековую подачу порошкообразного тетрахлорида циркония из бункера в испаритель, нагрев его в испарителе до температуры выше температуры испарения тетрахлорида циркония, подачу паров в аппарат восстановления на расплавленный магний и проведение реакции восстановления с получением губчатого циркония, произведены существенные изменения, заключающиеся в том, что пары тетрахлорида циркония подают в аппарат восстановления в зону температур 700-800°С с постепенным повышением скорости подачи до достижения максимальной скорости реакции восстановления на начальной стадии и с постепенным снижением ее на заключительной стадии, при этом в бункере, на шнеке подачи тетрахлорида циркония, в испарителе и в аппарате восстановления поддерживают избыточное давление инертного газа 0,1-0,6 ати, а температуру в зоне реакции восстановления поддерживают не выше 900°С.
2. Устройство для магниетермического получения губчатого циркония, содержащее бункер, соединенный посредством шнека с обогреваемым испарителем, сообщенным обогреваемым паропроводом с патрубком крышки аппарата восстановления, установленного в электропечи, и реакционный стакан, помещенный внутри аппарата восстановления, отличается тем, что оно снабжено экраном, закрывающим реакционный стакан, шнек имеет привод с регулятором скорости подачи тетрахлорида циркония, внутри испарителя размещена насадка для увеличения поверхности испарения, а патрубок крышки аппарата восстановления введен внутрь реакционного стакана через выполненное в экране отверстие.
При этом полость бункера и шнек изолированы от атмосферы.
Отличительные признаки заявляемых способа и устройства позволяют подать в реакционный стакан аппарата восстановления пары тетрахлорида циркония высокого качества, с регулируемой скоростью, которую не обеспечивает известный испаритель. Этому способствует и заполнение испарителя металлической насадкой, которая увеличивает поверхность испарения тетрахлорида в инертной атмосфере.
При температуре 934°С цирконий с железом стакана образует эвтектику, что приводит к загрязнению циркония железом и ухудшению его качества, а также к прогоранию стакана, что приводит к преждевременному прекращению процесса, к снижению его производительности. Ввиду локального протекания реакции восстановления температура по периметру стакана изменяется. Поэтому, чтобы не превысить температуру 934°С, на стенке стакана поддерживают температуру не выше 900°С.
Наличие экрана на стакане предотвращает попадание паров магния и тетрахлорида циркония на фланцы и крышку аппарата, нагретую до 600-650°С. При этом исключается образование низших хлоридов циркония с повышенным содержанием никеля (материал крышки - сталь 12Х18Н10Т), который загрязняет губчатый цирконий, снижает его качество. Осевшие на фланцы аппарата магний и тетрахлорид циркония в известных устройствах затрудняют их демонтаж, т.е. снижают производительность. Потери циркония с низшими хлоридами циркония также снижают производительность процесса и устройства.
Осуществление способа получения губчатого циркония при избыточном давлении инертного газа 0,1-0,6 ати в бункере, в шнеке, в испарителе и в аппарате восстановления путем подачи паров тетрахлорида циркония на расплавленный магний с заданной скоростью, первоначально с постепенным повышением скорости до достижения максимальной скорости реакции восстановления и с последующим снижением ее на заключительной стадии процесса, исключает разгерметизацию устройства в результате неуправляемой скорости подачи паров тетрахлорида и подсос воздуха в устройство, что позволяет повысить качество губчатого циркония и производительность устройства.
Подача паров тетрахлорида в зону температур 700-800°С исключает образование низших хлоридов циркония, что способствует повышению качества циркониевой губки и производительности процесса.
Этому способствует и то, что подачу паров тетрахлорида циркония в зону температур 700-800°С производят через заглубленный в реакционный стакан патрубок крышки, проходящей через экран, установленный на реакционном стакане.
Совокупность всех существенных признаков заявляемых изобретений является не очевидной из анализа выявленных источников технической и патентной информации и при этом способствует повышению качества губчатого циркония, увеличению производительности устройства, т.е. обеспечивает достижение технического результата.
Вариант устройства для получения губчатого циркония изображен на чертеже. Устройство состоит из аппарата восстановления 1, в который устанавливают реакционный стакан 2, заполняемый магнием 3. Стакан закрыт экраном 4, через который проходит патрубок 5 крышки 6 аппарата восстановления 1, установленного в электропечь 7. Патрубок 5 крышки 6 герметично соединен с обогреваемым паропроводом 8, который другим концом герметично соединен с испарителем 9 с помещенной в него металлической насадкой 10, например, в виде уложенных рядами металлических колец. Испаритель 9 обогревается электропечью 11 и герметично соединен со шнеком 12, оснащенным электроприводом 13 с регулятором скорости 14 подачи тетрахлорида циркония из герметичного бункера 15 в испаритель 9.
Работа устройства
Монтируют и проверяют на герметичность устройство, изображенное на чертеже. В реакционный стакан 2 аппарата восстановления загружают магний. В испаритель 9 загружают насадку 10, увеличивающую поверхность испарения. Патрубок 5 герметично соединяют с паропроводом 8. Включением электропечи 7 нагревают магний 3, доводя его до жидкого состояния. Включают печь 11 нагрева испарителя 9 с насадкой 10. Через бункер 15 и шнековый узел 12 подают в испаритель 9 и в реакционный стакан 3 аппарата восстановления 1 инертный газ с избыточным давлением 0,1-0,6 ати. Включают электродвигатель 13 шнека 12 и с помощью регулятора скорости 14 осуществляют подачу тетрахлорида циркония из бункера 15 в испаритель 9 с заданной начальной скоростью. После нагрева поступившего в испаритель 9 тетрахлорида циркония до температуры выше температуры его испарения пар по паропроводу 8 и патрубку 5 поступает в реакционный стакан 2, где в результате взаимодействия с жидким магнием 3 происходит восстановление циркониевой губки. Регулятором 14 задают скорость загрузки сырья в испаритель 9, тем самым регулируя скорость получения губчатого циркония на начальной стадии, в рабочем режиме и на заключительной стадии процесса восстановления.
Пример осуществления способа
В реакционный стакан аппарата восстановления загрузили очищенный магний в количестве 1000 кг и нагревали его до 800°С. На дно испарителя рядами уложили металлические кольца, выполненные из нержавеющей стали. После заполнения системы аргоном включили электропривод шнека и с заданной начальной скоростью осуществляли загрузку порошкообразного тетрахлорида циркония из бункера в испаритель. Нагревали тетрахлорид циркония до температуры испарения (выше 330°С). По обогреваемому паропроводу пары тетрахлорида с заданным расходом и постепенным повышением скорости подачи вводили в зону температур 750°С аппарата восстановления. За ходом ведения процесса наблюдали по показаниям датчиков температуры, установленных в области реакционных зон на наружных поверхностях стенок испарителя и реакционного стакана. После достижения максимальной скорости процесса (определенной экспериментально) повышение скорости подачи тетрахлорида прекращали и поддерживали ее постоянной в течение всего рабочего режима процесса восстановления. На заключительной стадии восстановления постепенно снижали скорость подачи тетрахлорида циркония. Начало заключительной стадии определяли по определенному экспериментально количеству загруженного в бункер тетрахлорида циркония.
Процесс восстановления вели при температуре в зоне реакции ниже 900°С и под избыточным давлением инертного газа 0,1-0,6 ати. В результате проведенного процесса получили блок губчатого циркония массой 1000 кг.
Заявляемый магниетермический способ получения губчатого циркония, использование в процессе очищенного магния, увеличение площади испарения паров тетрахлорида посредством помещения в испаритель металлической насадки, возможность регулирования скорости подачи тетрахлорида циркония в аппарат восстановления, выбранные технологические параметры ведения процесса, особенности конструкции устройства для его осуществления позволили повысить производительность установки почти в 1,5 раза и выход качественного губчатого циркония ориентировочно на 20%.