Металотермічний процес одержання магнію і вакуумна індукційна піч для його здійснення

1. Металотермічний процес одержання магнію, що включає: готування шихти змішуванням щонайменше частково кальцинованої і диспергованої доломітової сировини і диспергованого відновника, що містить кремній, завантаження порції шихти в реактор, що має зону нагрівання шихти й охолоджувану зону конденсації пари магнію, вакуумування реактора до залишкового тиску не більше 670Па і нагрівання шихти усередині реактора до температури не більше 1200°С, достатньої для металотермічного процесу відновлення і сублімації магнію, осадження пари магнію в охолоджуваній зоні конденсації, розгерметизацію реактора, видалення цільового продукту з зони конденсації і шлаку з зони нагрівання для підготовки до повторення технологічного циклу, який відрізняється тим, що як реактор використовують вакуумну індукційну піч з тиглем з електропровідного матеріалу, що усередині зони нагрівання оснащений щонайменше одним додатковим електропровідним нагрівальним елементом, а у верхній частині обладнаний ззовні холодильником і усередині пасткою пари магнію, для готування шихти використовують тонкодисперсну доломітову сировину, у масі якої переважають частинки з поперечником менше 0,1мм, і відновник, що містить не менше 45% кремнію по масі, кожну порцію зазначеної шихти після завантаження в зазначену піч попередньо кальцинують у контакті з атмосферою при температурі нижче температури початку металотермічного процесу 2 (19) 1 3 74941 4 6. Піч за п.5, яка відрізняється тим, що додаткотями, у якої кут підйому спіралі перевищує кут вий електропровідний нагрівальний елемент вибприродного укосу сипучих шихтових і шлакових раний з групи, що складається з щонайменше одматеріалів, і довільної комбінації зазначених детаного стрижня, щонайменше однієї поперечної лей. 7. Піч за п.5 або п.6, яка відрізняється тим, що перегородки, яка має щонайменше один наскрізний отвір щонайменше однієї пластини, гвинтової зазначена пастка виконана у вигляді змінного станасадки з суцільними або переривчастими лопакана. Винахід відноситься до металотермічного процесу одержання магнію з дисперсної кальцинованої доломітової сировини в присутності відновника, що містить кремній, і до конструкції вакуумних індукційних печей для здійснення процесу. Загальновідомо, що промислове споживання магнію систематично зростає і що істотну долю в загальному обсязі його виробництва забезпечують металотермічні процеси. Вони не дають побічних продуктів, небезпечних для виробничого персоналу і навколишньої природного середовища, тому що звичайно протікають у твердій фазі (s) з виділенням пари (g) магнію за добре відомою схемою 2(СаО MgО)(s)+Si(s) 2Mg(g) +Са2SO4(s) . Джерелом твердих оксидів кальцію і магнію слугує кальцинований доломіт, який у вихідному стані є приблизно еквімолярною сумішшю карбонатів цих металів, а джерелом кремнію звичайно слугує феросиліцій, силікоалюміній або їх суміш. Природно, що залізо й алюміній утворюють більш складні тверді побічні продукти, ніж силікат кальцію. Однак у будь-якому випадку металотермічна переробка доломітової сировини має екологічні переваги в порівнянні з електрохімічними процесами одержання магнію з практично безводного хлориду магнію. З доступного в Інтернет (http:/www.magnesium.com/w3/data-bank) огляду по темі "Metallothermic Reduction" відомо, що металотермічний процес одержання магнію з доломітової сировини включає такі основні операції: (1) готування шихти змішуванням дисперсного кальцинованого доломіту і дисперсного відновника, що містить кремній (переважно феросиліцію і, рідше, силікоалюмінію); (2) брикетування шихти; (3) завантаження брикетів у реактор, що має зону нагрівання шихти й охолоджувану зону конденсації пари магнію; (4) нагрівання брикетів, відновлення і сублімацію магнію при температурі близько 1200°С і залишковому тиску менш 670Па (переважно менш 400Па) з осадженням пари магнію в зоні конденсації при температурі від 400 до 500°С; (5) перезавантаження і повторення циклу (у реакторі періодичної дії) чи підживлення зони нагрівання свіжою шихтою (у реакторі безупинної дії). Нагрівання шихти до температури близько 1200°С необхідне тому, що реакція відновлення оксиду магнію кремнієм ендотермічна, а вакуум необхідний для полегшення виходу пари магнію зі шлаку, що формується. Нині загальновідомі три варіанти промислових металотермічних процесів одержання магнію, а саме: Pidgeon Process, Bolzano Process i Magnetherm Process. Зазначена вище стадія (1) є в усіх цих процесах, а в Pidgeon Process і Bolzano Process практично однакові всі описані стадії одержання магнію. Основні розходження зазначених процесів пов'язані з конструкцією реакторів, з порядком підведення тепла до шихти і з умовами видалення пари магнію і шлаку, що формується з залишків шихти і побічних продуктів (у вигляді твердої сипучої маси - у Pidgeon Process і Bolzano Process, або у вигляді текучого розплаву - у Magnetherm Process). Pidgeon Process був освоєний у 40-і роки XX століття. Його проводять у реакторах періодичної дії у вигляді сталевих реторт, що після завантаження шихти закривають і вакуумують. Щонайменше дві такі реторти установлюють вертикально в склепінні промислової печі, що обігрівається рідким і/або газоподібним вуглеводневим паливом. У кожній реторти зона нагрівання розташована усередині пічного простору, а охолоджувана зона конденсації пари магнію - над склепінням згаданої печі. Загальновідомо, що навіть брикетована шихта має низьку теплопровідність. Тому поперечник реторти у світлі звичайно не перевищує 300мм, а на практиці дорівнює 275мм. Загальновідомо і те, що навіть глибокий вакуум недостатній для відсмоктування пари магнію з нижніх шарів шихти. Тому загальна висота реторт звичайно не перевищує 3,0м, а їх завантаження не досягає і половини об'єму. Однак і при таких обмеженнях зовнішнє джерело тепла не може рівномірно прогріти завантажену шихту у всьому її об'ємі. Відповідно, добовий добуток магнію з однієї реторти складає приблизно 70кг. Мало того, шихта повинна бути первісне сухою і приготовлена на основі доломіту з концентрацією карбонатів кальцію і магнію не менш 99,5% і високоякісного феросиліцію з вмістом кремнію не менш 65%, а переважно до 90%, узятого у деякому надлишку проти стехіометричної кількості. Тільки з дотриманням всіх цих умов удається видобути не менш 90% магнію від його 5 74941 6 вихідної кількості в шихті і забезпечити чистоту нагрівання шихти усередині реактора до темперацільового продукту не нижче 99,95%. тури не більш 1200°С, при якій відбуваються відБільш продуктивний Bolzano Process передбановлення і сублімація магнію, і розплавлювання чає внутрішнє нагрівання шихти до температури шлаку, що утворюється, при температурі від 1550 близько 1200°С при залишковому тиску менш до 1600°С; 400Па. (4) осадження пари магнію в зоні конденсації Для цього використовують компактні вакуумні (де температура звичайно не більша 500°С); ковпакові печі. Кожна така піч має сталевий кор(5) очищення реактора від шлаку і повторення пус, що має нагрівну циліндричну нижню частину і циклу, починаючи з операції (1), якщо процес проохолоджувану знімну циліндро-сфероїдальну верводять періодично, або підживлення зони нагріхню частину. Нижня частина корпуса футерована вання свіжою шихтою і щонайменше періодичну зсередини вогнетривким матеріалом і оснащена відкачку шлаку, якщо процес проводять безупинопорою для брикетів шихти і такими контакторами но. для підключення до джерела електричного струму, У сталому режимі окислювально-відновні реаякі у робочому положенні щільно прилягають до кції відбуваються у твердій фазі при механічних торців кладки згаданих брикетів. Верхня частина контактах частинок кальцинованого доломіту, фекорпуса має водяну сорочку і щонайменше один росиліцію і глинозему на поверхні розплавленого (звичайно центральний) отвір для підключення шлаку. Це дозволяє застосовувати шихту, всі інгпічного простору до джерела вакууму і до атмосредієнти якої мають вигляд досить грубих частифери. нок з поперечником від 3 до 30мм, і феросиліцій з Однак чим вища і щільніша кладка з брикетів концентрацією кремнію менш 65%. шихти, тим менше її проникність для пари магнію. Однак експериментально встановлено, що чаДалі, густина струму і, відповідно, виділення тепла стинки феросиліцію, у яких концентрація кремнію в різних поперечних перетинах кладки в принципі понизилася до 20%, тонуть у розплаві шлаку. При не можуть бути однакові. Тому втрати магнію зі цьому можливе некероване припинення процесу шлаком тим вище, чим більше висота кладки і чим одержання магнію. Тому шихту, використовувану в менш однорідне температурне поле в її об'ємі. І, Magnetherm Process, звичайно вводять у реактори нарешті, на реакцію відновлення магнію витрачапоступово. Але і при такому порядку живлення ється не більш 81% кремнію навіть тоді, коли його реактора помітні кількості оксиду магнію і кремнію концентрація у феросиліції перевищує 78%. Такі не встигають вступити в хімічну взаємодію і перевтрати кремнію зі шлаком істотно здорожують ціходять у шлак. Відповідно, в ньому залишається льовий продукт. не менш 10% від вихідної кількості магнію в кальПершим загальним недоліком Pidgeon Process цинованому доломіті. і Bolzano Process є неможливість утилізації тонкоРеактор для здійснення Magnetherm Process дисперсних відходів кальцинованого доломіту, що складається з двох секцій. виникають у випалювальних печах при підготовці Перша осесиметрична секція, що обігріваєтьфлюсів для потреб чорної металургії і сировини ся, має: для вогнетривів. Ці відходи під дією атмосферної - міцний термостійкий кожух з вогнетривкою вологи щонайменше частково перетворюються в футеровкою у придонній частині; хімічно агресивні гідроксиди магнію і кальцію, що - перший практично вертикальний невитратнебезпечні для Природи і непридатні для безпосений мідний електрод, жорстко закріплений у склереднього включення в брикетовану шихту. Тому їх пінні кожуха так, що геометрична вісь цього електнагромадження у відвалах давно є "головною білрода практично збігається з віссю симетрії першої лю" керівників відповідних підприємств і екологічсекції; ної інспекції. - графітову ванну, що спирається на футеровЩе одним загальним недоліком Pidgeon ку і є другим невитратним електродом; Process і Bolzano Process є потреба в кондиційно- перепускний патрубок для відводу пари магму феросиліцію, що містить не менш 65% кремнію. нію з простору під склепінням першої секції в другу Не усуває ці недоліки високопродуктивний і (конденсаційну) секцію; найближчий до пропонованого далі процесу по - льотку для зливу шлаку з графітової ванни. технічній суті відомий з 1963p. Magnetherm Друга (необов'язково осесиметрична) секція Process. Він перебігає за участю твердої (s), рідкої має рознімний корпус. Верхня конусоподібна охо(i) і парової (g) фаз за схемою: лоджувана частина цього корпуса слугує пасткою пари магнію, підключена зазначеним вище пропус(СаО MgО)(s)+Al2O3(s)+(Fe)Si(s) Mg(g) +(Ca кним патрубком до першої секції й оснащена щоO SiO2 nAl2O3) (I). найменше одним вертикальним патрубком для Magnetherm Process включає: підключення до джерела вакууму і до атмосфери. (1) готування шихти змішуванням твердих часНижня частина корпуса є збірником цільового протинок кальцинованого природного доломіту, віднодукту. вника, що містить кремній, і оксиду алюмінію (узяОднак капітальні й експлуатаційні витрати при того, зокрема, як глинозем); використанні описаних реакторів для одержання (2) завантаження шихти в реактор, що має зовисокочистого магнію невиправдано високі. Зокну електричного нагрівання шихти і шлаку, що рема, для їх живлення не можна використовувати утворюється, і охолоджувану зону конденсації патаку доступну за викидними цінами сировину, як: ри магнію; зазначені вище тонкодисперсні відходи каль(3) вакуумування реактора до залишкового тицинованого доломіту (тому що вони до початку ску в інтервалі від 400Па до 670Па, електричне 7 74941 8 відновлення магнію повинні бути зневоднені і градля металотермічного процесу відновлення і субнульовані) і лімації магнію; відновники, що містять менш 50% кремнію - осадження пари магнію в охолоджуваній зоні (тому що їх відновлювальний потенціал занадто конденсації; малий для Magnetherm Process). - розгерметизацію реактора, видалення цільоІснує можливість (але в рамках відомого рівня вого продукту з зони конденсації і шлаку з зони техніки - тільки можливість) застосувати зазначену нагрівання для підготовки до повторення техноловикидну сировину в металотермічних процесах гічного циклу, одержання магнію. Для цього в принципі придатні згідно з винаходом як реактор використовують вакуумні індукційні печі з тиглями з таких електровакуумну індукційну піч з тиглем з електропровідпровідних матеріалів, як жаростійкі (необов'язково ного матеріалу, що усередині зони нагрівання феромагнітні) сталі. оснащений щонайменше одним додатковим елекЗокрема, відома індукційна піч для плавки матропровідним нагрівальним елементом, а у верхгнію (Брокмайер К. Индукционные плавильные ній частині обладнаний ззовні холодильником і печи. - Перевод с немецкого под редакцией М.А. усередині пасткою пари магнію, для готування Шевцова и М.Я. Столова. - М.: "Энергия", 1972, шихти використовують тонкодисперсну доломітову с.92-95, рис. 3-31). Ця піч має сталевий тигель та сировину, у масі якої переважають частинки з поохоплюючі його теплоізоляційний кожух і індуктор перечником менше 0,1мм, і відновник, що містить (зокрема, з трифазною обмоткою, що пристосоване менш 45% кремнію по масі, кожну порцію зана для живлення струмом промислової частоти). значеної шихти після завантаження в зазначену Така піч непридатна для здійснення металопіч попередньо кальцинують у контакті з атмосфетермічного процесу одержання магнію, тому що не рою при температурі нижче температури початку має засобів вакуумування й уловлювання пари металотермічного процесу протягом часу, достатмагнію. нього для практично повного осушення і дегазації З патенту DE 4209964 відома вакуумна індукузятої порції зазначеної шихти, після завершення ційна піч, що найближча по технічній суті до прозазначеного попереднього кальцинування узятої понованої далі печі. Відома піч має електропровіпорції зазначеної шихти тигель зазначеної печі дний (зокрема, сталевий) тигель, знімну кришку закривають і приступають до вакуумування пічного тигля, теплоізоляційний кожух і індуктор, що охоппростору до досягнення зазначеного вище залишлюють тигель щонайменше в нижній частині, і закового тиску і до індукційного нагрівання осушеної соби для перемінного підключення пічного простоі дегазованої порції зазначеної шихти до темперару до джерела вакууму й атмосфери. тури, достатньої для ініціювання металоОднак і така піч (навіть після оснащення пасттермічного процесу, після ініціювання металотеркою пари металу) лише теоретично придатна для мічного процесу вакуумування припиняють, а наметалотермічного процесу одержання магнію із грівання шихти до зазначеної температури не шихти, що включає вологий дисперсний частково більш 1200°С з підведенням тепла всередину сикальцинований доломіт і дисперсний відновник, пучої маси продовжують до припинення сублімації що містить кремній. Справа в тім, що така шихта магнію й осадження його пари. не має помітних феромагнітних властивостей, а Нагрівання шихти на основі тонкодисперсної після підсушування практично втрачає електропдоломітової сировини не тільки від стінок тигля, ровідність. Тому її можна нагрівати тільки шляхом але і зсередини пічного простору від додаткових тепловіддачі від стінки тигля в масу шихти. Очевиелектропровідних нагрівальних елементів дозводно, що після переходу через точку Кюрі ефективляє, по-перше, ефективно відновлювати магній ність тигля як нагрівача різко знижується. Видимо, навіть тоді, коли концентрація кремнію у феросисаме тому дотепер вакуумні індукційні печі не заліцію близька до 45% і, по-друге, істотно (до 4,5% стосовують для металотермічного одержання магвід вихідної кількості) знизити втрати магнію зі нію. шлаком. В основу винаходу покладена задача зміною Перша і друга додаткові відмінності полягаумов обробки шихти створити такий металотерміють, відповідно, у тім, що як тонкодисперсну дочний процес і таку індукційну піч, що дозволили б ломітову сировину для готування шихти викориспідвищити вилучення магнію з доломітової сиротовують частково кальциноване доломітове вини навіть із застосуванням низькокременистого борошно, що є відходом промислового випалу феросиліцію. доломіту, а як відновник, що містить не менш 45% Ця задача вирішена тим, що в металотермічкремнію по масі, використовують відходи виробному процесі одержання магнію, що включає: ництва феросиліцію. Ці сировинні матеріали дос- готування шихти змішуванням щонайменше тупні за викидними цінами, а їх переробка дозвочастково кальцинованої і диспергованої доломітолить істотно знизити навантаження на природне вої сировини і диспергованого відновника, що міссередовище від підприємств чорної металургії і тить кремній; заводів з виробництва вогнетривів на базі доломі- завантаження порції шихти в реактор, що має ту. зону нагрівання шихти й охолоджувану зону конТретя додаткова відмінність полягає в тому, денсації пари магнію; що порції шихти після завантаження в піч попере- вакуумування реактора до залишкового тиску дньо кальцинують у контакті з атмосферою при не більш 670Па і нагрівання шихти усередині реактемпературі від 885°С до 920°С. У цьому температора до температури не більш 1200°С, достатньої турному інтервалі за час, що звичайно не перевищує однієї години, удається практично цілком ви 9 74941 10 далити із сировини вільну воду, зруйнувати гідроквигляді перегородки з наскрізним центральним сиди магнію і кальцію і завершити руйнування заотвором; лишкових кількостей карбонатів цих металів з виФіг.5 - поперечний переріз тигля в зоні розтадаленням водяної пари і диоксиду вуглецю в шування додаткового нагрівального елемента у атмосферу. вигляді перегородки з декількома наскрізними Задача вирішена також тим, що у вакуумній отворами; індукційній печі, що має тигель з електропровідноФіг.6 - поздовжній розріз тигля з додатковими го матеріалу, призначений для розміщення й обелектропровідними нагрівальними елементами у робки шихти, знімну кришку для герметизації тигвигляді східчасте розташованих по висоті пластин. ля, теплоізоляційний кожух і індуктор, що Вакуумна індукційна піч згідно з винаходом в охоплюють тигель у нижній частині, і засоби для найпростішому варіанті конструктивного виконанперемінного підключення пічного простору до ня (див. Фіг.1) має: джерела вакууму й атмосфері, згідно з винаходом - переважно змінний тигель 1 з електропровідусередині нижній частини тигля, що слугує зоною ного (переважно феромагнітного) матеріалу, призрозміщення і нагрівання шихти, до стінки тигля начений для розміщення й обробки шихти; жорстко прикріплений щонайменше один додатко- знімну кришку 2 для герметизації тигля 1; вий електропровідний нагрівальний елемент, а - теплоізоляційний кожух 3 і індуктор 4 з одноверхня частина тигля обладнана ззовні холодильфазною обмоткою, які послідовно охоплюють тиником і усередині пасткою пари металу, що видігель 1 у нижній частині; ляється в металотермічному процесі. - засоби для перемінного підключення пічного Таке удосконалення вакуумної індукційної печі простору до джерела вакууму і до атмосфери, а перетворює її у високоефективний реактор для саме: щонайменше один патрубок 5, що приєднаметалотермічного одержання магнію з кальциноний, як правило, до кришки 2, і щонайменше один ваної доломітової сировини довільної якості і низьзапірно-регулюючий елемент (зокрема, триходококременистого феросиліцію. вий кран чи вентиль) 6; Перша додаткова відмінність полягає в тому, - щонайменше один додатковий електропровіщо додатковий електропровідний нагрівальний дний (переважно феромагнітний) нагрівальний елемент обраний з групи, що складається з щоелемент 7, який з внутрішньої сторони жорстко найменше одного стрижня, щонайменше однієї прикріплений до стінки нижньої частини тигля 1; поперечної перегородки, яка має щонайменше - холодильник 8, що у робочому положенні один наскрізний отвір, щонайменше однієї пластищільно охоплює ззовні верхню частину тигля 1 і ни, гвинтової насадки з суцільними або перериввиконаний, як правило, у вигляді проточного кожучастими лопатями, у якої кут підйому спирали пехотрубного теплообмінника (зокрема, водяної соревищує кут природного укосу сипучих шихтових і рочки), і шлакових матеріалів, і довільної комбінації зазна- пастку пари металу, що звичайно має вигляд чених деталей. Цей список охоплює найкращі фозмінного стакану 9 і в робочому положенні розмірми виконання додаткових електропровідних нащена в тиглі 1 у зоні дії холодильника 8. грівальних елементів, що можуть забезпечити Тигель 1 може мати різний за формою попевирівнювання температурного поля в масі шихти. речний переріз. Бажано, щоб він був осесиметриДруга додаткова відмінність полягає в тому, чним, а найбільш бажано, щоб він був виготовлещо зазначена пастка виконана у вигляді змінного ний у вигляді відрізка круглої циліндричної труби і стакану. Це дозволяє заощаджувати час при перемав на нижньому торці герметично приварене завантаженні вакуумної індукційної печі після заднище, а на верхньому торці - фланець для кріпвершення кожного чергового технологічного циклу. лення кришки 2. Фахівцю зрозуміло, що при виборі конкретних Індуктор 4 з однофазною обмоткою може бути варіантів здійснення винаходу можливі довільні підключений до довільного джерела перемінного комбінації зазначених додаткових відмінностей з струму промислової або високої частоти. Однак основним винахідницьким задумом і що описані печі з такими індукторами доцільно поєднувати в нижче кращі приклади його втілення ніяким чином батареї в кількості, що кратна 3-м, і підключати не обмежують обсяг прав винахідника. обмотки кожних трьох печей до окремих фаз триДалі суть винаходу пояснюється докладним фазної силової електричної мережі перемінного описом вакуумної індукційної печі і металотермічструму зі стандартною промисловою частотою ного процесу одержання магнію з посиланнями на 50Гц або 60Гц. креслення, де зображені на: На Фіг.2 показана вакуумна індукційна піч з інФіг.1 - вакуумна індукційна піч, оснащена індудуктором 4 з трифазною обмоткою для підключенктором з однофазною обмоткою (схематичний ня до згаданої вище трифазної силової електричпоздовжній розріз); ній мережі. Фіг.2 - вакуумна індукційна піч, оснащена індуТеплоізоляційний кожух 3 виготовлений з мактором з трифазною обмоткою (схематичний позтеріалу, проникного для електромагнітного поля, і довжній розріз); розміщений між зовнішньою стінкою тигля 1 і обФіг.3 - поперечний переріз тигля в зоні розтамоткою індуктора 4. шування додаткових нагрівальних елементів у Додаткові нагрівальні елементи 7 можуть мати вигляді стрижнів; різну геометричну форму і різні розміри і можуть Фіг.4 - поперечний переріз тигля в зоні розтабути обрані з групи, що складається з: шування додаткового нагрівального елемента у - щонайменше одного стрижня, а переважно групи перетинних чи схрещених і щільно зв'язаних 11 74941 12 між собою стрижнів, яку у сукупності утворюють (3) попереднє кальцинування завантаженої замкнутий контур для протікання індукованого випорції шихти в тиглі 1 з відкритою кришкою 2 при хрового струму (див. Фіг.3, де вигнута стрілка вкатемпературі нижче температури початку металозує шлях струму); термічного процесу (переважно в інтервалі 885- щонайменше однієї поперечної перегородки, 920°С), протягом часу, достатнього для практично що має щонайменше один (Фіг.4) переважно повного осушення і дегазації шихти внаслідок вицентральний наскрізний отвір або декілька (Фіг.5) ходу водяної пари і диоксиду вуглецю в атмосфенаскрізних отворів для завантаження шихти і виру; вантаження сипучого шлаку (при цьому тіло кожної (4) установку у верхню частину тигля 1 змінноперегородки незалежно від форми і розташування го стакану 9 і закриття кришки 2; отворів повинне забезпечувати замкнутий контур (5) вакуумування тигля 1 через патрубок 5 і для протікання індукованого вихрового струму включений на не показаний особливо вакуум(див. вигнуті стрілки); насос запірно-регулюючий елемент 6 до залишко- щонайменше однієї пластини, а переважно вого тиску не більш 670Па (переважно менш групи східчасте розташованих суцільних або пер400Па) і нагрівання всієї маси завантаженої шихти форованих пластин (див. Фіг.6); від стінок тигля 1 і додаткових електропровідних не показаної особливо гвинтової насадки з ненагрівальних елементів 7 до температури не більш перервними (звичайно перфорованими) лопатями 1200°С (переважно близько 1150-1170°С), достатабо переважно переривчастими (суцільними чи ньої для ініціювання металотермічного процесу; перфорованими) лопатями, у якої кут підйому (6) припинення вакуумування після ініціювання "гвинта" перевищує максимально можливий кут металотермічного процесу (переведенням запірноприродного укосу сипучих шихтових матеріалів і регулюючого елемента 6 у положення "закрите"), шлаку, і включення холодильника 8 і продовження нагрі- довільної комбінації зазначених деталей. вання шихти з підведенням тепла від додаткових У будь-якій формі виконання описана піч з донагрівальних елементів 7 усередину її сипучої мадатковими нагрівачами 7 може бути ефективно си для підтримки температури не більш 1200°С використана як реактор для металотермічного (переважно в інтервалі від 1150°С до 1170°С) до одержання металів із сипучих сумішей відповідних припинення сублімації магнію й осадження його оксидів і придатних відновників. пари на змінному стакані 9; Оскільки зазначена піч була створена для ме(7) заключні операції, а саме: талотермічного одержання магнію, остільки її роа) вимикання індуктора 4 для припинення набота нижче описана саме в цьому аспекті. грівання шлаку, що утворився в результаті хімічМеталотермічний процес одержання магнію в них реакцій між інгредієнтами шихти і сублімації описаній печі включає: магнію, (1) готування шихти змішуванням: б) розгерметизацію тигля 1 (переключенням а) щонайменше частково кальцинованої тонзапірно-регулюючого елемента 6 на атмосферу), кодисперсної доломітової сировини, у масі якої в) зняття кришки 2 після доведення тиску в типереважають частинки з поперечником менш глі 1 до атмосферного, 0,1мм (тобто переважно таких відходів випалу г) видалення стакану 9 з порцією цільового доломіту, що виникають в обертових трубчастих продукту (магнію) з тигля 1, печах у температурній зоні близько 1100°С у вид) видалення шлаку з тигля 1; і гляді гігроскопічного борошна в кількості до 30% е) повторення технологічного циклу, як описавід загальної маси доломіту і які звичайно скидано вище. ють у відвали), і Згадані вище відходи випалу доломіту, які баб) дисперсного феросиліцію, що містить не жано застосовувати як інгредієнт шихти в процесі менш 45% кремнію по масі; згідно з винаходом, у розрахунку на цілком каль(2) завантаження порції шихти в нижню частициновану і суху речовину звичайно містять (див. ну порожнього тигля 1 до рівня не вище верхнього таблицю 1): торця обмотки індуктора 4; Таблиця 1 Склад кальцинованої доломітової сировини Основні інгредієнти середня концентрація, % по масі Оксид магнію 32,05 (в т.ч. Mg 19,25) Оксид кальцію 40,56 Диоксид кремнію 13,20 Оксид алюмінію 6,13 Оксид тривалентного заліза (Ре20з) 2,84 Домішки інше Дані в колонці 2 наведені за результатами досліджень прожарених до постійної маси проб відходів кальцинованої доломітової сировини, що отримана на трубчастих випалювальних печах AT "Северсталь" і зберігається у відвалах разом з іншими відходами виробництва флюсових матеріалів (м. Череповец, Росія). Прожарювання проб необхідно, бо внаслідок гігроскопічності оксидів магнію і кальцію доломітова сировина практично завжди містить вологу у 13 74941 14 вигляді хімічно зв'язаної води в молекулах Як відновник, що містить кремній, бажано виMg(ОН)2 і Са(ОН)2 і вільної води. Відповідно, сукористовувати (і були використані) низькокремемарну вологість кальцинованого доломіту слід нисті відходи доменного виробництва феросилівраховувати перед готуванням шихти в відомих цію, що нині зберігаються у відвалах фахівцям технохімічних розрахунках витрати джеферосплавних заводів (див. таблицю 2). рел оксиду магнію і кремнію на задану масу порції шихти. Таблиця 2 Усереднений склад відходів феросиліцію до збагачення кремнієм Інгредієнти Кремній з домішкою диоксиду кремнію Оксид алюмінію Оксид магнію Залізо Довести такі відходи до необхідної концентрації кремнію не менш 45% по масі можна будь-яким придатним способом. Для перевірки здійснимості винаходу було проведено більш 100 експериментів по металотермічному одержанню магнію з зазначеної вище сировини в експериментальній вакуумній індукційній печі. Циліндричний тигель 1 цієї печі був виготовлений з жаростійкої хромонікелевої сталі. Він мав: загальну висоту 1650мм; внутрішній діаметр 200мм; товщину стінок 36,5мм; днище товщиною 36,5мм, нижній торець якого був розташований на висоті 157мм; сумарну висоту зони нагрівання 685мм; перехідну (не охоплену теплоізоляційним кожухом 3) зону висотою 175мм, зону охолодження (з холодильником 8 у вигляді водяної сорочки) висотою 410мм. Індуктор 4 мав однофазну обмотку і був розрахований на максимальну споживану активну потужність 50кВт. Додаткові нагрівальні елементи 7 мали вигляд ґрат, складених зі з'єднаних зварюванням стрижнів з феромагнітної термостійкої сталі. Три такі ґрати були приварені до стінки тигля 1 у зоні нагрівання шихти відповідно на рівнях 190мм, 390мм і 590мм, рахуючи від нижнього торця днища). Ці елементи 7 у початковий період прогрівання тигля 1 служать переважно провідниками тепла усередину вологої шихти з залишковими домішками карбонатів магнію і кальцію. При нагріванні тигля 1 вище точки Кюрі ґратчасті елементи 7 стають істотним джерелом тепла для досить рівномірного нагрівання шихти (це тепло виділяється в ґратах при протіканні індукованих вихрових струмів). І, нарешті, у металотермічному процесі, що перебігає в масі сухої сипучої шихти, ґратчасті елементи 7 перешкоджають розшаруванню такої шихти на магнітну і немагнітну фракції під дією магнітного поля індуктора 4. Тим самим істотно поліпшуються умови хімічної взаємодії між неферомагнітними частинками суміші оксидів магнію і кальцію і феромагнітних часток феросиліцію і Концентрація, % по масі 41,06 19,83 3,52 інше практично забезпечується вичерпання відбудовного потенціалу цього інгредієнта. Склад шихти за даними попередніх аналізів розраховували, виходячи зі співвідношення (CaOMg):(FeSi)=5:1. Тонкодисперсні інгредієнти шихти змішували в роторному змішувачі в практично однорідну масу, поділяли на порції масою близько 100кг і в такому вигляді завантажували в тигель 1. Усереднені витрати часу на виконання окремих технологічних операцій складали: - попереднє кальцинування кожної завантаженої порції шихти (з відкритою кришкою 2 при температурі близько 900°С) - до 50 хвилин; - вакуумування з нагріванням до температури ініціювання металотермічного процесу (більш 1150°С, але не більш 1200°С) - до 35 хвилин; - металотермічний процес як такий з сублімацією магнію й осадженням його пари на стакані 9 від 30 до 40 хвилин. Чистота осадженого магнію як цільового продукту складала в середньому 99,957% по масі. Як домішки були виявлені до 0,007% цинку, до 0,005% міді, до 0,011 заліза і до 0,020% алюмінію. Основними компонентами шлаку були оксид кальцію (до 52,5%), диоксид кремнію (до 27,1%), оксид тривалентного заліза (до 8%) і оксид алюмінію (до 8%). При порівнянні даних хімічних аналізів сировини і шлаку встановлено, що активний кремній у шлаку практично був відсутній у всіх пробах, а залишкова кількість магнію в шлаку не перевищувала 6% від вихідної кількості і складала в середньому 4,5%. Поєднання зовнішнього і внутрішнього нагрівання шихти в індукційній печі згідно з винаходом дозволяє дуже ефективно вилучати магній з тонкодисперсних відходів кальцинування доломіту з застосуванням низькокременистих відходів феросиліцію з явною користю для природного середовища. Ця сировинна база для одержання магнію відповідно до винаходу буде існувати доти, поки існують чорна металургія і виробництво вогнетривів на основі доломіту. 15 Комп’ютерна верстка M. Клюкін 74941 Підписне 16 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601