Способ получения редкого тугоплавкого металла и устройство для его осуществления - SU1331435A3
Код документа: SU1331435A3
Чертежи
Описание
1
Изобретение относится к способу непрерывного производства редких тугоплавких металлов, выбранных из группы: титан, цирконий, тантал, ниобий , - в результате реакции их га- логенидов, в особенности хлоридов, с агентом-восстановителем при температуре , более высокой, нежели температура плавления получаемого металла
Целью изобретения является снижение энергетических затрат.
На фиг. 1 и 2 приведена схема устройства для осуществления предлагаемого способа; на фиг. 3 - изложница , разрез; на фиг. 4 - разрез Л-А на фиг. 3.
Устройство (фиг. 1) включает закрытую камеру 1, расположенную над изложницей 2 япя слитка, которая охлаждается , например, посредством потока воды (не показано), приспособление 3 для ввода реагентов, принимающих участие в реакции в верхней части 2 изложницы 2, трубу 4 для непрерывного вывода побочных продуктов в виде газов, образующихся при восстановлении .
Приспособление 3 для ввода реагентов в верхнюю часть 2 изложницы 2 для слитка включает первую емкость 5 расположенную внутри нагревателя 6 и связанную посредством дозирующего насоса 7 с второй емкостью 8, расположенной внутри другого нагревателя 9. Вторая емкость 8 связана посредством инжекционной трубы 10 с верхней частью 2 .
Емкость 11, оборудованная нагревателем 12, предназначенная для хранения восстановленного металла, связана посредством дозирующего насоса 13 с емкостью 14 с нагревателем 9. Емкость 14 в свою очередь связана с закрытой камерой 1 посредством инжекционной трубы 13.
Предлагаемое устройство (фиг. 1) наиболее пригодно для восстановления галогенидов металлов, находящихся в жидком состоянии, при давлении, близком к атмосферному, в достаточно широком диапазоне температур.
В этом случае галогенид поддерживается в жидком состоянии в емкости 5, нагреваемой при необходимости нагревателем 6, и посредством насоса 7 перекачивается в eiMKocTb 8,нагреваемую нагревателем 9, в которой он доводится до кипения. Газообразный га
0
5
0
5
0
5
0
5
35
логенид металла чатем поступает в верхнюю часть изложницы через инжек- ционную трубу 10.
Металл-восстановитель, содержащийся в емкости 11, поддерживается при температуре, превышающей примерно на 50 С его температуру плавления, в результате нагревания посредством нагг - ревателя 12.
Расплавленньй металл переводят при помощи насоса 13 в емкость 14,где металл поддерживают в кипящем состоянии .
Металл-восстановитель в жидком состоянии затем переводят в контролируемом режиме в реакционную зону закрытой камеры 1 посредством инжекшюн- ной трубы 15.
Скорость потока газообразного металла-восстановителя контролируется в соответствии со скоростью потока жидкого металла при помощи дозирующего насоса 7 или регулирования подачи энергии на стадии испарения регулятором (не показан).
, В реакционнор зоне,расположенной, в части 2 изложницы 2 для слитка, поддерживается температура выше температуры плавления получа1:миго металла, а также выще температуры кипения или сублимации всех прочих веществ,принимающих участие в реакции.
Полученный металл собирают в изложницу 2 для слитка, которая состоит из медного luuniHupa с двойными стенками, между которыми циркулирует охлаждающая жидкость.
Верхний слой 16 металла находится в реакционной зоне в расплавленном состоянии, в то время как слой 17 металла вокруг и ниже указанного жидкого слоя отверденает в результате охлаждения и образует слгиток, который непрерывно перемещают вниз (в направлении, указаююм стрелкой 18) при помощи известных устройств, например вращающихг-.я роликов (не показаны ) .
Все вещества, отличные от металла (побочные продукт реакции), выводятся из реакдконний зоны через трубу 4. Возможен также перевод этах газов в холодильник (не показан) с целью извлечения неизрлсходованных реагентов .
Вследствие Tui o. по камера 1 чакры га i ерметм -Ш и, возможно соз313
дание атмосферы инертного газа, например аргона или гелия, в ней посредством приспособления 19, содержащего подобный газ и соединенного с камерон 1 трубой 20.
На фиг. 2 в приспособлении 3 для ввода галогенида в верхнюю часть 2 предусмотрена только одна емкость 5. Такое устройство особенно пригодно в том случае, когда галогениды не представляют собой жидкости, например, галогенида циркония. Подобные галогениды переводят в газообразное состояние в результате возгонки при нагревании их посредством нагревателя 6.
Скорость потока газообразных гало- генидов в зону реакции регулируется подачей энергии к указанному нагревателю .
При получении не слишком тугоплавких металлов удобно вести реакцию восстановления при таких условиях, чтобы тепло, необходимое для поддержания реакционной зоны при температуре , превышающей температуру плавления получаемого металла, а также температуру кипения или сублимации всех прочих веществ, принимающих участие в реакции, получалось бы только в результате экзотермической реакции между галогенидом получаемого металла и металлом-востановите- лем, таким как щелочной или щелочноземельный металл.
Более тугоплавкие металлы можно получить в результате одновременного восстановления соответствующего галогенида металлом-восстановителем и водородом .
Тугоплавкие металлы, например ванадий , ниобий, молибден, вольфрам и гафний, получают в результате восстановления их галогенидов водородом.
Для получения дополнительного количества тепла (в том случае, когда тепла, получаемого в результате реакции восстановления,недостаточно) можно использовать электрическую дугу, плазменную дугу или индуктивный плазменный факел, а также параболический зеркальньй нагреватель или лазер.
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.
Реагенты вводят в газообразном состоянии в зону реакции, расположенную в верхней части 2 изложницы 2 для слитка, в виде кругового воронкообразного потока. Этим достигается
435
слияние маленьких капелек металла, образующихся в этом потоке, в более крупные капли. Последние выбрасываются из потока центробежными силами, собираются на боковых стенках формы для слитка, стекают по ним под действием силы тяжести и попадают в слой 16 металла, покрьшающин слиток 17.
0 Предлагаемый способ обеспечивает более быстрое непрерьшное и глубокое отделение образукщегося металла от реагентов и газообразных продуктов реакции.
5 Ввод газообразных реагентов в указанную зону под углом к вертикали обеспечивает образование, например, кругового или сгшрального потока. Каждый из двух реагентов вводится
0 в верхнюю часть 2 изложницы 2 для слитка одновременно на нескольких уровнях, чем достигается высокая скорость потока реагентов,сокращается время смешивания и контактирова5 ния различных реагентов, причем контактирование является наиболее полным .
Для создания кругового или спирального потока каждая из инжекцион0 ных труб 10 и 15 вводится в реакционную зону в вид.; насадок (например, двойных), оборудованных инжекционны- ми выходами 10, 10, 15 , 13, которые расположень в плоскостях, касательных к цилиндрам, расположенным соосно с изложницей 2 для слитка , горизонтальные составляющие которых ориентированы в круговом направлении .
0 Эти инжекционные выходы расположены несколько ниже крышки 21, которая герметически закрывает верхнюю часть 2 изложницы для слитка. Крышка 21 оборудована трубой 4, предназ5 наченной для выпуска побочных продуктов реакции.
Пример 1. Получение титана в результате восстановления хлорида титана натрием.
Q Металл-восстановитель (в данном случае натрий) находится в емкости 11 при температуре около , а именно при температуре ,превышающей примерно на 50°С температуру плавлеg ния, что достигается в результате
использования нагревателя 12, который предпочтительно представляет -собой электронагреватель резисторного типа .
5
51
Температурка инутри всего объема верхней части 2 поддерживается на уровне, превышающем тем пературу кипения реагентов, конкретно 1100 С.
Натрий и хлорид титана вводятся в нужном соотношении в указанную верхнюю часть 2 изложницы для слитка; скорость их подачи регулируется дозирующими насосами 7 и 13.
Так как хлорид титана представля- ет собой при комнатной температуре жидкость, отсутствует необходимость в нагревании емкости 5, поэтому нагреватель 6 может не использоваться.
Перед .вводом реагентов камеру 1 первоначально дегазируют несколько раз в результате последовательного вакуумирования и продувания аргоном через магистраль 20 при атмосферном давлении или при давлении, несколько большем атмосферного.
Общая скорость потока реагентов регулируется таким образом, чтобы в реакционной зоне в верхней части 2 изложницы 2 для слитка обеспечивалас температура, превьпиающая температур плавления металла (1688 С), т.е. температура порядка 1750 С.
Скорость потока при подаче хлорида титана 2,6 , а скорость пода- чи натрия 2,7 т/ч. Подобное соотношение реагентов обеспечивает 25%-ный избыток натрия, что улучшает протекание реакции.
Количества тепла, выделяющегося в результате реакции, достаточно для поддержания температуры в реакционной зоне, равной 1750 С.
Охлаждение изложницы 2 для слитка регулируется таким образом, чтобы в верхней части формы для слитка все время находился слой жидкого металла Температура слоя жидкого металла поддерживается на уровне, превьш1ающем температуру плавления металла на 15- .
Таким образом возможно получение титана с выходом 1 т/ч в виде гомогенного объемного слитка, который может быть непосредственно подвергнут ковке и прокатке.
В процессе восстановления из реакционной зоны непрерывно выводятся газообразные вещества в виде дыма, содержащего хлорид натр ия, побочные продукты переработки титана, а также избыток натрия. Эти газы поступают в холодильник,где полное восстановление металла завершается при низкой
356
температуре с образованием дендритов которые затем вновь нподятся в жидкий слой металла над слитком.
Изложницы для слитка имеют диаметр 80 - 160 мм,1зысоту 200 - 400 мм
Слитки диаметром 150 мм выводятся со скоростью 210 мм/мин, а слитки диаметром 100 мм - со скоростью 470 мм/мин (в обоих случаях при приведенных выше скоростях потоков).
II р и м е р 2. Получение титана в результате одновременного восстановления хлорида титана натрием и водородом .
Используют устройство (фиг. 1, 3 и 4) для получения дополнительного количества тепла используют водородный плазменный факел (не показан) .
4,4 кг/ч газообразного хлористого титана 2,7 кг/ч газообразного натрия и 1,2 м /ч водорода вводят в зону реакции, в которой поддерживается температура 2450 - 3570 К, предпочтительно 3000 К. Избыток водорода возвращают в цикл.
Температурные условия для подаваемых реагентов и для реакционной зоны , а также способ инжектирования идентичны описанным в гфимере 1.
Количество получаемого титана 1 кг/ч.
Дополнительное нагревание может быть осуществлено также с помощью электрической дуги, зеркального нагревателя , лазера, или другого устройства , однако использование водородного плазменного факела наиболее эффективно .
Газ, образующий плазму, представляет собой восстановительный агент для восстановления хлористого титана таким образом, становится возможным одновременное восстановление хлористого титана натрием и водородом..
Восстановление натрием является экзотермическим процессом, а восстановление водородом - эндотермическим следовательно, при одновременном проведении обеих реакций наблюдается следующий эффект: в том случае, когда меняется температура проведения реакции, одна из двух реакций получает преимущество, и общий металлургический вьсход, таким образом, будет вьште, чем выход каждой из отдельно протекающих реакций.
Пример 3. Получение циркони в результате восстановления четырех- хлористого циркония натрием.
Так как четырсххпористьи цирконий не представляет собой жидкость, используется устройство, изображенное на фиг. 2.
Четыреххлористый цирконий сублими руется при атмосферном давлении и
ззГс.
Натрий доводят до кипения в емкости 14, нагревая нагревателем 9, до введения через инжекционную трубу 15 в,верхнюю часть 2 изложницы 2 для слитка, а четьфеххлористый цирконий возгоняют в емкости 5, нагревая нагревателем 6.
Скорость потока газообразного га- логенида диктуется энергией, сообщаемой нагревателем 6.
Получают 9 кг/ч циркония в результате восстановления 23 кг/ч четырех- хлористого циркония 5 кг/ч натрия.
Используемое соотношение реагентов соответствует 25%-ному избытку натрия.
Остальные условия идентичны условиям , описанным в предыдущих приме- pax, за исключением того, что скорость потока реагентов поддерживается на уровне, достаточном для обеспечения в реакционной зоне температуры , более высокой, чем температура плавления циркония (), т.е. около 1900°С,
Пример 4. Получение тантала в результате восстановления хлорида тантала водородом.
Так как тантал является очень тугоплавким металлом, получение его в жидком состоянии требует применения температур выше .
В общем случае металлотермическое восстановление не дает достаточного количества тепла дпя достижения такой температуры; кроме того, экзотермическая реакция имеет очень незначительный металлургический выход при очень высоких температурах, поэтому в данном случае дпя получения тепла применяется водородный плазменный факел .
Установлено, что высокие температуры , необходимые дпя плавки металла , легко достижимы и способствуют восстановлению металла водородом, поскольку реакция восстановления является эндотермической.
Тантал представляет собой жидкост при температуре 3000 - 5000°С, а температура в зоне реакции поддерживает
ся на уровне около 4000°С. Кроме того ,поскольку хлорид тантала плавится при температуре около 220°С, существует принципиальная возможность для изменения скорости потока посредством дозирующего насоса.
Поскольку диапазон температур, в котором пятихлористый тантал представляет собой жидкость, ограничен (около 220°С), предпочтительна регулировка скорости газового потока этого хлорида посредством изменения энергии, сообщаемой нагревателем 6, аналогично описанному в примере 3.
В результате реакции получают 1 кг/ч тантала при восстановлении
2.1кг/ч пятихлористого тантала
1.2м /ч водорода, что соответствует значительному избытку восстанавливающего агента (молярное соотношение Н гТаСЦ равно 10) .
Избыток водорода возвращают в цикл для дальнейшего осуществления процесса восстановления.
Металл затвердевает в охлаждаемой медной изложнице для слитка так же, как и в предшествующих примерах.
При осуществлении предлагаемого способа реагенты вводятся в газообразном состоянии непосредственно в верхнюю часть формы для слитка, а не в отдельную реакционную камеру.
Предлагаемый способ позволяет получать реакционно-способные металлы в чистом состоянии или в виде сплавов с дру.гими реакционно-способными или нереакционно-способными элементами , например в виде сплава титана с ванадием и алюминием, при экономии энергии за счет осуществления процесса с минимальным подводом или без подвода внешнего тепла и за счет уменьшения зоны реакции.
Формула изобретения
1. Способ получения редкого тугоплавкого металла, выбранного из груп Q пы: титан, цирконий, тантал, ниобий, включающий восстановление их галоге- нидов при температуре, превышающей температуру плавления металла, при подаче газообразных галогенида полу чаемого металла и восстановителя в форме наклонных вихревых потоков с получением металла в виде жидких капель , образующих расплавленный слой на верхней части слитка получаемого
9ГЗЗЬ
металла в тложни 1е в зоне реакции вблизи pacn.naBju HHoro слоя выше температуры кипения или сублимации цо- бочных продуктов реакции, и их удалением , отличающийся тем, что, с целью снижения энергетических затрат, HcxoAHi.ie реагенты на восста- новле)1ие подают в кругового или спирального потока над расплавленным слоем полученного металла для образо- JO -вания зоны реакции в верхней части изложницы.
2. Способ по п.
о т л и ч а ю щ и и с я тем, что перед восстановлением по крайней мере один из ис- ходных реагентов подвергают плавлению на первой стадии с последующим нагревом его на второй стадии до температуры кипения и непрерывной транспортировкой .
3.Способ по пп. 1 и 2, о т л и - чающийся тем, что один из исходных реагентов перед восстановлением подьергают возгонке при атмосферном давлении прм гемпературе его сублимации и рлсход его ь зону реакции регулируют путем контроля температуры ,
4.Спссоб по пп. 1-3,отливосстановитсля используют натрии.
5.Ciu:co6 110 пп. 1 - 3, о т л и - чающийся тем, что в качестве восстановителя используют водород.
6.СпосоО по пп. 1-3, отличающий с я тем, что в качестве
O
5 0
5
0
5
5 5I О
И1;гстлнонт ОЛЯ исп(льчуют смесь натрия и водорода.
У.Усгройстно для получения редкого тугоп.чавкоги металла, выбранного из г руипм: титан, lyipicoHurt,тантал, ниобий , восстановлением их галогенидов, включающее герметичную камгру с расположенной в ней охлаждаемой цилиндрической изложницей, раздельные камеры д;1Я испарения исходных реагентов , трубы подачи аргона и вывода побочных продуктов реакции, инжскци- oinibie 1рубы для подачи исходных реа- reHToFj и средство лдш иытягипания cjuiTKH получаемого металла из излож- ниць1, отличающееся тем, что, с целью снижения энергетических татрат, оно снабжено крышкой для герметизации изложницы, а нижние части инжекционных труб размещены в крышке непосредс .тпенно у боковой стенки изложницы в направлениях, расположен- Hhix в плоскостях, касательных к iijj- линдрич ским стешслм изложницы, причем укачанные 1аправления имеют горизонтальные соетавляющие,а труба для ныво;,а побочных продуктов размещена н верхней части камеры.
8, Устройство по п. 7, о т л и - ч :i н. щ е е с я IKM, что оно снабже- iiii ( мксстями ;viH перевода исходных рг .ич итоо н жидкое состояние, соединенными дозирующими насосами с камерами л:1я исггарьния и выполненными с нлгрснателями.
Реферат
Изобретение относится к способу и устройству для получения редкого тугоплавкого металла, выбранного из группы: титан, цирконий, тантал, ниобий. Целью изобретения является снижение энергетических затрат. Исходные реагенты: галогенид получаемого металла и восстановитель - подают на восстановление в виде кругового или спирального газообразного потока над расплавленным слоем получаемого металла для образования зоны реакции в верхней части изложницы 2. Изложница 2 снабжена крышкой, а ниж- mie части Инжекционных труб 10 и 15 для подачи газообразных исходных реагентов размещены в непосредг ственно у боковой стенки изложницы в определенном положении. Труба 4 для вывода продукта размещена в верхней части камеры 1.2 с. и бз.п. ф-лы, 4 ил. i (У) со со со ел см
Формула
