Спосіб магнієтермічного отримання губчастого цирконію

Реферат: Спосіб магнієтермічного отримання губчастого цирконію включає подачу порошку тетрахлориду цирконію з видаткового бункера в випарник, нагрівання його до температури вище температури випарування, подачу пари тетрахлориду цирконію через паропровід, що обігрівається, в апарат відновлення на розплавлений магній, відновлення тетрахлориду цирконію з отриманням блока губчастого цирконію. Перед подачею порошку тетрахлориду цирконію з видаткового бункера в випарник його компактують в інертному середовищі в гранули або таблетки розмірами 3-12 мм при тиску не менш 150 МПа і подають у випарник самоплином з регульованою швидкістю. UA 90853 U (54) СПОСІБ МАГНІЄТЕРМІЧНОГО ОТРИМАННЯ ГУБЧАСТОГО ЦИРКОНІЮ UA 90853 U UA 90853 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до кольорової металургії, зокрема до технології виробництва губчастого цирконію магнієтермічним відновленням тетрахлориду цирконію. З існуючого рівня техніки відомі близькі до заявленого технічного рішення способи виробництва губчастого цирконію, реалізовані в наведених нижче способах. Відомий спосіб FR 2587725 - "Спосіб отримання цирконію і гафнію". Він включає випарування тетрахлориду цирконію в розплаві хлоридів солей і подачу пари хлориду цирконію по паропроводу, що обігрівається, в апарат відновлення і відновлення хлориду цирконію. Недоліками цього способу є використання розчину хлоридів солей для випарування тетрахлориду цирконію, що призводить до втрат вихідної сировини внаслідок розчинення тетрахлориду цирконію в розплаві солей, складнощів регулювання швидкості випарування тетрахлориду цирконію і процесу його відновлення та низької продуктивності процесу відновлення, а також низької якості губчатого цирконію, який отримується. Найбільш близьким до способу, що заявляється, за призначенням, кількістю загальних ознак і технічним результатом, що досягається, є відомий спосіб (RU 2377333 - "Магниетермический способ получения губчатого циркония и устройство для его осуществления"), що включає подачу порошку тетрахлориду цирконію у випарник, потім у вигляді пари - в апарат відновлення в зону температур 700-800 °C, проведення процесу магнієтермічного відновлення з поступовим підвищенням швидкості подачі тетрахлориду цирконію до досягнення максимальної швидкості реакції відновлення на початковій стадії і з поступовим зниженням її на заключній стадії. При здійсненні процесу відновлення в бункері, в шнековому живильнику, в випарнику і в апараті відновлення підтримують надлишковий тиск інертного газу 9,80-57,86 кПа, а температуру в зоні реакції відновлення підтримують не вище 900 °C. Недоліками відомого способу є "зависання" порошку тетрахлориду цирконію в бункері і його спікання на виході зі шнекового живильника у випарник, що призводить до зупинок процесу відновлення тетрахлориду цирконію для чищення пристрою, до труднощів регулювання швидкості його завантаження в випарник, а також до зниження продуктивності процесу відновлення, а також якості губчастого цирконію, до втрат вихідної сировини та зниження ступені витягу цирконію в готовий продукт. Даний спосіб прийнятий за найближчий аналог (прототип). Заявлене технічне рішення спрямоване на підвищення продуктивності процесу отримання губчастого цирконію та досягнення високої якості губчастого цирконію за рахунок удосконалення підготовки вихідної сировині до процесу відновлення, зокрема компактування порошку тетрахлориду цирконію в таблетки або гранули заданих розмірів, завантаження їх у випарник для випарування і наступної подачі пару тетрахлориду цирконію на процес магнієтермічного відновлення з регульованою, з урахуванням умов процесу відновлення, швидкістю. Поставлена технічна задача вирішується, а технічний результат досягається тим, що в способі магнієтермічного отримання губчастого цирконію, що включає подачу порошку тетрахлориду цирконію з видаткового бункера через розвантажувальний патрубок в випарник, нагрівання його до температури вище температури випарування, подачу пари тетрахлориду цирконію через паропровід, що обігрівається, в апарат відновлення на розплавлений магній, відновлення тетрахлориду цирконію з отриманням блока губчастого цирконію, згідно з корисною моделлю, перед подачею порошку тетрахлориду цирконію з видаткового бункера в випарник його компактують в інертному середовищі в гранули або таблетки розмірами 3-12 мм при тиску не менш 150 МПа і подають у випарник самоплином з регульованою швидкістю. Швидкість подачі компактованих в гранул або таблеток тетрахлориду цирконію у випарник регулюють в залежності від температури в реакційній зоні реактора відновлення і тиску в випарнику і в реакторі відновлення. Ознаки, що заявляються, дозволяють компактувати вихідний порошок тетрахлориду 3 цирконію в компактні гранули або таблетки розміром 3-12 мм з щільністю 2,0-2,2 г/см і межею міцності при стисненні 22-30 МПа, подавати їх з регульованою швидкістю у випарник для випарування і очищення від домішок, підтримувати задані параметри процесу випарування: надлишковий тиск, швидкість і ступінь очищення тетрахлориду цирконію в апараті випаровування і подавати з регульованою швидкістю пару очищеного тетрахлориду цирконію високої якості в апарат відновлення, підтримувати задані параметри процесу відновлення: надлишковий тиск і температуру в апараті відновлення; підвищити продуктивність технологічного процесу; отримати якісний губчастий цирконій, знизити втрати очищеного тетрахлориду цирконію і підвищити витяг цирконію в товарний продукт - губчастий цирконій. 1 UA 90853 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Спосіб магнієтермічного отримання губчастого цирконію здійснюється наступним чином. Очищений порошок тетрахлориду цирконію після сублімації завантажують в бункер пристрою для компактування, де його компактують в інертному середовищі в гранули або таблетки розмірами 3-12 мм при тиску не менше 150 МПа і накопичують в витратному бункері випарника. Розміри гранул або таблеток зумовлені конструктивними особливостями пристрою для компактування і швидкістю подачі гранул або таблеток тетрахлориду цирконію у випарник апарату відновлення. Заявлені розміри гранул 3-12 мм забезпечують необхідну площу поверхні випаровування ZrCl4 і достатню компактність для зручності точного завантаження. Виготовлення гранул ZrCl4 менш ніж 3 мм не доцільно зважаючи високої складності і трудомісткості їх виготовлення, а також можливості зависання в бункері як і порошкового ZrCl 4. Розмір гранул більше 12 мм знижує площу активної поверхні випаровування, а також призводить до незручностей при їх завантаженні в випарник. Заявлений тиск не менше 150 МПа 3 при компактуванні порошку тетрахлориду цирконію забезпечує щільність гранул 2,0-2,2 г/см та межу міцності при стисненні 22-30 МПа, що значно зменшує розміри витратного бункера і самого випарника, підвищує швидкість випарування тетрахлориду цирконію та процесу відновлення, а також забезпечує механічну міцність гранул або таблеток, яка виключає їх подрібнення та пилоутворення при завантаженні в випарник та втрати тетрахлориду цирконію у вигляді пилу. У реакційний стакан апарата відновлення завантажують попередньо підготовлений магнійвідновник. Приєднують апарат відновлення за допомогою паропроводу, що обігрівається, до випарника тетрахлориду цирконію. Встановлюють витратний бункер з таблетками або гранулами з закритим за допомогою затвору розвантажувальним патрубком на завантажувальний патрубок кришки випарника і з'єднують їх герметично, через гумову прокладку. Заповнюють апарат відновлення, паропровід, випарник і витратний бункер аргоном. Розігрівають реторту-випарник до температури 360-550 °C, паропровід до температури 360450 °C, апарат відновлення до температури 790-820 °C, розплавляють магній-відновник, нагрівають його до 800 °C і витримують при цій температурі протягом однієї години. Відкривають затвор на розвантажувальному патрубку витратного бункера і самоплином завантажують таблетки тетрахлориду цирконію з регульованою швидкістю в випарник. Швидкість завантаження тетрахлориду цирконію у випарник регулюють в залежності від температури на стінці реактора відновлення і тиску в випарнику і в реакторі відновлення зміною прохідного перерізу розвантажувального патрубка видатного бункера за рахунок переміщення заслінки механічного затвору. При цьому температура на стінці реторти-випарника підтримується в межах 360-550 °C. Пари тетрахлориду цирконію надходять по нагрітому до температури 360-450 °C паропроводу в апарат відновлення, де здійснюється його відновлення магнієм з утворенням губчастого цирконію і хлориду магнію при температурі 790-860 °C і надмірному тиску в межах 0,49-67,66 кПа з утворенням губчастого цирконію і хлориду цирконію. Температуру в реакційній зоні і надмірний тиск в апараті відновлення регулюють швидкістю завантаження гранул або таблеток тетрахлориду цирконію в випарник або стравлюванням надлишкового тиску парогазової суміші з апарата відновлення. Приклад здійснення заявленого способу. Очищений порошок тетрахлориду цирконію вагою 2 кг компактували на гідравлічному пресі в захисному середовищі аргону при тиску 150 МПа в таблетки діаметром 5 мм, товщиною 3 мм, які накопичували в герметичному бункері з механічним затвором на розвантажувальному патрубку. В реакційний стакан завантажили твердий магній-відновник марки МГ-95 в кількості 0,36 кг. Встановили реакційний стакан з магнієм-відновником в реторту апарата відновлення. Справили монтаж апарата відновлення в складі: реторти, реакційного стакана з магніємвідновником і кришки з паропроводом, що обігрівається. Встановили зібраний апарат відновлення в шахтну електропіч, приєднали паропровід до кришки випарника, задали в зібраний пристрій аргон високої чистоти і перевірили його на герметичність. Включили електропіч, розплавили магній-відновник, потім розігріли його до 800 °C і витримали при цій температурі протягом однієї години. Надлишковий тиск аргону в апараті підтримували при цьому в межах 4,9-25,42 кПа. Приєднали бункер з таблетками тетрахлориду цирконію і механічним затвором на розвантажувальному патрубку через гумову прокладку до завантажувального патрубка кришки випарника. Подали в зібраний пристрій аргон і перевірили його на герметичність. Включили електропечі для нагріву паропроводу і реторти випарника. При досягненні температури на стінці реторти випарника 550 °C і на стінці паропроводу 460 °C. Перемістили заслінку механічного 2 UA 90853 U 5 10 15 20 25 затвору і відкрили затвор на розвантажувальному патрубку витратного бункера. При цьому таблетки тетрахлориду цирконію самоплином завантажувались в випарник. При цих умовах тетрахлорид цирконію випаровувався і у вигляді пари надходив по паропроводу, що обігрівається, в реакційний стакан апарата відновлення з нагрітим до 800 °C магнієм, де здійснювалось його відновлення магнієм з утворенням губчастого цирконію і хлориду. Температуру відновлення тетрахлориду цирконію в реакційній зоні апарата відновлення підтримували в межах 800-860 °C, а надлишковий тиск в апараті відновлення в межах 4,9-25,42 кПа. Регулювали ці параметри швидкістю завантаження таблеток тетрахлориду цирконію в випарник в межах 0,2-0,3 кг/год. переміщенням заслінки механічного затвору і стравлюванням парогазової суміші з апарата відновлення. Процес відновлення закінчили після подачі в апарат випарування 1,1 кг таблеток тетрахлориду цирконію, після чого апарат охолоджували до кімнатної температури в атмосфері аргону. Демонтували апарат відновлення під протокою аргону. Від'єднали апарат від паропроводу, зняли кришку з реторти, вивантажили з реторти реакційний стакан з реакційною масою, що містила губчастий цирконій. Кількість реакційної маси склала 1,4 кг. Відокремили губчастий цирконій від хлориду цирконію і залишків магнію - відновника механічним способом. Очищення губчастого цирконію від залишків хлориду цирконію і магнію-відновника здійснювали вакуумною сепарацією. Після проведення процесу вакуумної сепарації очищений блок губчастого цирконію охолодили в захисній атмосфері аргону. Маса очищеного сепарацією блока губчастого цирконію склала 0,42 кг, що відповідає 97,7 % від стехіометричної. Очистили блок губчастого цирконію механічним способом від поверхневих забруднень, роздробили його в щоковій дробарці в атмосфері аргону до крупності шматків 0-20 мм. Розсіванням на віброгуркоті з роздрібнюваного губчастого цирконію виділили товарну фракцію розмірами шматків 2-20 мм. Вихід товарної фракції склав 88,5 % від стехіометричного. Відібрали пробу губчастого цирконію з товарної фракції на аналіз домішок кисню, азоту, хлору, заліза і кремнію. Основні показники по заявленому способу магнієтермічного отримання тетрахлориду цирконію в порівнянні з прототипом наведені в таблиці. Таблиця Показник Продуктивність по губчастому цирконію Масовий вміст домішок у губчастому цирконію: - кисень - азот - хлор - залізо - кремній Витяг цирконію в товарний продукт 30 35 40 45 Од. вимір. г/г Заявлений спосіб 80,5 Прототип 75,2 0,050 0,005 0,068 0,056 0,020 0,885 0,060 0,006 0,080 0,060 0,020 0,840 %, мас. частка Таким чином, заявлений спосіб дозволяє підвищити продуктивність процесу магнієтермічного отримання губчастого цирконію, якість губчастого цирконію і підвищити витяг цирконію в товарний продукт. Наведені відомості підтверджують можливість промислової придатності вдосконаленого способу виробництва губчастого цирконію, який виконується на відомому устаткуванні, суттєво підвищити продуктивність процесу відновлення, витяг цирконію в товарний продукт та якість виробленого губчастого цирконію і може знайти широке застосування в кольоровій металургії, зокрема в технологічних процесах виробництва губчастого цирконію магнієтермічним відновленням тетрахлориду цирконію. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 1. Спосіб магнієтермічного отримання губчастого цирконію, що включає подачу порошку тетрахлориду цирконію з видаткового бункера в випарник, нагрівання його до температури вище температури випарування, подачу пари тетрахлориду цирконію через паропровід, що обігрівається, в апарат відновлення на розплавлений магній, відновлення тетрахлориду цирконію з отриманням блока губчастого цирконію, який відрізняється тим, що перед подачею порошку тетрахлориду цирконію з видаткового бункера в випарник його компактують в 3 UA 90853 U 5 інертному середовищі в гранули або таблетки розмірами 3-12 мм при тиску не менше 150 МПа і подають у випарник самоплином з регульованою швидкістю. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що швидкість подачі компактованих гранул або таблеток тетрахлориду цирконію у випарник регулюють в залежності від температури в реакційній зоні реактора відновлення і тиску в випарнику і в реакторі відновлення. Комп’ютерна верстка М. Ломалова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4