УСТАНОВКА ДЛЯ ТЕРМИЧЕСКОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЩЕЛОЧНОЗЕМЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ

Полезная модель относится к устройствам для термического восстановления щелочноземельных металлов в металлических ретортах, в частности, металлического кальция.
Одной из проблем, составляющих проведение термического восстановления оксидов щелочноземельных металлов или, например, алюминием или кремнием, является выбор энергоносителя, т.к. энергозатраты являются наиболее значимой статьей расходов при проведении процесса термического восстановления. Выбор источника нагрева определяется возможностью достаточно быстрого подвода равномерного тепла к загрузке в реторте, обеспечение нагрева печи с несколькими ретортами, способными выпускать максимальное количество продукта на единицу металла реторты. В настоящее время при получении металлов термическим восстановлением используется электроэнергия -самый дефицитный и дорогой вид энергии.
Задачей предлагаемого решения является разработка установки для термического восстановления щелочноземельных металлов, использующей альтернативные энергоносители.
Известна установка для термического восстановления щелочноземельных металлов, в частности кальция (патент РФ №2205241, МКИ кл. с 22 в 20/26, з. 15.03.2002), содержащая печь с горизонтально или вертикально размещенной в ней ретортой, имеющей зону нагрева внутри печи и одну конденсационную часть вне печи, установленные внутри или снаружи зоны конденсации теплоэлектронагреватель и емкость для сбора металла, внутри зоны нагрева установленную загрузочную корзину, а также вакуумную, водоохлаждающую системы. Загрузочная корзина снабжена перфорированной трубой, диаметр которой составляет от одной четверти до одной трети диаметра реторты. Наличие перфорированной трубы улучшает прогрев брикетов.
Установка позволяет получить слитки кальция, выращенные из газовой фазы, и монолитные слитки, полученные переплавкой первых.
Недостаток известной установки заключается в невозможности эксплуатации при температурах 1300-1400°С ввиду резкого снижения срока службы нагревателей и интенсивного окисления ретортной стали. На практике загрузку шихты и выгрузка реторты проводят при температурах до 100°С, поэтому корпус реторты каждый раз подвергается быстрому нагреву от температуры 23°С до 1150°С, выдержке при этой температуре 8 ч. и быстрому охлаждению до комнатной температуры. Реально корпус реторты выдерживает не более 70 циклов. Основной причиной выхода корпуса реторты из строя является разъедание стенок (т.н. утонение) в результате
высокотемпературного окисления. Расход металла составляет значительную часть себестоимости продукта.
При этом используемый в устройстве метод косвенного электрического нагрева брикетов сопровождается значительными потерями тепла на нагрев печи, реторты. Отсутствие экрана-отражателя приводит к потерям тепла из реакционной зоны. Кроме того, применение печи для нагрева более, чем одной реторты, проблематично, т.к. потребует уточнения метода электронагрева и конструктивных особенностей электропечи.
Наиболее близкой по технической сущности является установка для термического восстановления щелочноземельных металлов, в частности магния, ферросилицием при низком давлении в металлических ретортах, описанная в патенте США №2,387,677, Н. кл. 75-67 з. 23.10.1945
Эта установка включает нагревательную печь, одну или несколько металлических реторт, имеющих восстановительную часть, постоянно находящуюся внутри нагретой печи, по меньшей мере одну конденсационную часть вне печи, устройства для сжигания газового или нефтяного топлива, вакуумную и водоохлаждающую системы. В ретортах предусмотрены теплоотражающий экран, расположенный между горячей зоной восстановления и относительно холодной зоной конденсации реторты, калиево-натриевую ловушку. Постоянное нахождение восстановительной части реторты внутри печи позволяет значительно увеличить срок службы реторты.
Недостатком данной установки являются большие энергозатраты из-за использования в качестве топлива природного газа или мазута, содержащих повышенное содержание влаги в продуктах сгорания, что отрицательно сказывается на стойкости реторт. При использовании, например, мазута, содержащаяся в нем влага, снижает процентное содержание горючих составляющих топлива, при сжигании топлива на испарение влаги затрачивается большое количество тепла. Кроме того, использование мазута предполагает дополнительные затраты на его подготовку к сжиганию в холодное время года, специальные форсунки, трубопроводы и т.д.
Задача настоящей полезной модели состоит в разработке установки для термического восстановления щелочноземельных металлов, например, кальция, большой производительности, обеспечивающей снижение энергозатрат на проведение процесса восстановления.
Поставленная задача достигается тем, что в установке для термического восстановления щелочноземельных металлов, содержащей нагревательную печь, одну или несколько металлических реторт, имеющих восстановительную часть, постоянно находящуюся внутри нагретой печи, и, по меньшей мере, одну конденсационную часть вне печи, устройство для сжигания топлива, вакуумную и водоохлаждающую системы. Согласно полезной модели, устройство для сжигания топлива выполнено с возможностью сжигания твердого углеродного топлива.
Такое конструктивное выполнение установки для термического восстановления щелочноземельных металлов позволит использовать для нагрева реторт дешевое углеродистое топливо: твердое (кусковое и пылевидное) за счет снабжения установки специальным устройством для сжигания твердого углеродистого топлива. По теплотворной способности лучшие сорта каменного угля не уступают природному газу и мазуту, что позволяет достигать температуры, необходимой для проведения процесса восстановления оксида кальция. При этом каждый процент влаги, содержащийся в твердом топливе, снижает теплотворность, например, угля на 50÷70 ккал/кг по сравнению с 100 ккал/кг для мазута. Кроме того, оборудование установок, работающих на твердом топливе, как правило, стоит дешевле, чем оборудование электропечей и установок на газообразном и жидком топливе.
Для пояснения изобретения приводится пример выполнения полезной модели со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг.1 - условно изображена установка для термического восстановления щелочноземельных металлов, поперечный разрез;
на фиг.2 - то же, разрез А-А на фиг.1;
на фиг.3 - конденсационная часть реторты, продольный разрез.
Установка для термического восстановления щелочноземельных металлов содержит нагревательная печь, одну или несколько металлических реторт 2, имеющих восстановительную часть 3, постоянно находящуюся
внутри печи, и по меньшей мере одну водоохлаждаемую конденсационную 4 вне печи (далее конденсатор) с приемным стаканом 5 для металла, теплоотражающий экран 6 в виде перфорированной пластины, расположенный между горячей зоной восстановления и относительно холодной зоной конденсации реторты, и калиево-натриевую ловушку 7, выполненную, например, в виде водоохлаждаемой камеры и закрепленную на крышке реторты, а также двух устройств 8 для сжигания твердого углеродного топлива, расположенных в противоположных сторонах вдоль продольной оси печи. Конденсаторы реторт герметично закрыты герметичными крышками 9 посредством стыкующихся фланцев крышки и реторты 10 и 11. Штуцера 12, размещенные в конденсаторе и крышке связаны с водоохладающей системой. Штуцер 13, предусмотренный в конденсаторе, подсоединен к вакуумной линии для обеспечения разряжения в объеме реторты. Каждое из устройств для сжигания твердого топлива представляет собой газовую топку для сжигания топлива 14, камеры для удаления золы 15, газохода для подвода воздуха в камеру сжигания.
Установка работает следующим образом.
Для термического восстановления, например, кальция готовят шихту в виде брикетов, спрессованных из смеси порошков оксида, кальция и алюминия. Брикеты загружают в бумажные крафт-мешки массой до 15 кг. Затем мешки с брикетами укладывают в холодный конденсатор 4 реторты и быстрым движением стального прута с дискообразным наконечником,
вталкивают в горячую восстановительную часть 3 реторты. Печь нагревают топочными газами, образующимися при сжигании, например, каменного угля при вдувании воздуха (кислорода) в камеру сжигания 14. Загрузка реторты составляет около 90 кг брикетов.
-1
-2
После загрузки брикетов, в течение 10-15 минут реторту оставляют открытой для полноты выгорания бумажных мешков, жировых добавок, содержащихся в алюминиевом порошке и удаления влаги, набранной шихтой в процессе изготовления брикетов. С прекращением горения мешков и обильного выделения газов в реторту устанавливают теплоотражающий экран 6, сохраняющий тепло в восстановительной зоне реторты, заранее подготовленный приемный стакан 5 для металла. После этого реторту герметично закрывают крышкой 9 с калиево-натриевой ловушкой 7, стыкуя фланцы 11 и 12 крышки и реторты и включают последовательно насосы вакуумной системы. До температуры 600-700°С в период удаления влаги и выделяющихся газов работает, например, мембранный, а затем включают форвакуумный насос. При достижении температуры 1350°С и давления внутри реторты 10÷10 мм. рт.ст. зажимом перекрывают вакуум-шланг и форвакуумный насос отключают. Непрерывный нагрев обеспечивается равномерной подачей угля небольшими порциями в камеру сжигания 14, постоянным их шурованием и своевременной уборкой золы. В течение 10-12 часов происходит восстановление оксида кальция алюминием до кальция. Кальций выделяется в виде пара и осаждается на приемном стакане в конденсаторе, расположенном вне стенок печи, где пары металла
превращаются в твердый металл. Конденсат металлов с большей упругостью паров, таких как натрий и калий, оседает в самой холодной зоне конденсатора, на ловушке 7.
По окончании цикла нагрева, в реторту напускается воздух, реторта открывается. Вместе с крышкой и ловушкой удаляется конденсат щелочных металлов, из конденсатора извлекают приемный стакан с металлическим слитком кальция, а из реторты - отработанные брикеты в виде твердого шлакового остатка. Съемный приемный стакан в конденсационной части и твердый шлаковый остаток в зоне восстановления реторты позволяет проводить перегрузку без охлаждения реторты, не вынимая ее из печи
Загрузке реторты 90 кг брикетов при 12-ти часовом цикле позволяет получить 30 кг кальция 99% чистоты.
Предложенная установка для термического восстановления щелочноземельных металлов по сравнению с известными позволит вести процесс термического восстановления, например, кальция с меньшими затратами.