Способ очистки тугоплавких металлов и сплавов от примесей цветных металлов

 

Использование: плазменная металлургия и получение тугоплавких металлов (таких , как фовольфрам, молибден и др.) и прецизионных сплавов. Сущность изобретения: при способе очистки тугоплавких металлов и сплавов от примесей цветных металлов обработку ведут по всей поверхности расплава обрабатываемого материала путем создания разряда с использованием расплава в качестве отрицательного электрода и при пропускании через него тока с плотностью тока не менее 1 А/см2. 1 ил,, 2 табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИС1 ИЧЕСКИХ

РЕСПУБВИК (я)5. С 22 В 9/20

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН

К ABTOPCKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 юЬ

| 3

1 ф

ГОСУДАРСТВЕННЪ|Й КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4885990/02 (22) 31.07.90 (46) 23.10,92. Бюл. N 39 (71) Запорожский машиностроительный vlHститут им, В.Я. Чубаря (72) С.А. Юхимчук (56) Башенко В.В. Электронно-лучевые установки. — Л,: Металлургия, 1972, с. 123.

Домбовский В. Плазменная металлургия. — М.: Металлургия, 1981, с, 172-180.

Авторское свидетельство ЧССР N

150710, кл. С 22 В 9/20, 1975 прототип.

Фике В.Б. Ионная проводимость в металлах и полупроводниках (электроперенос).— M. Наука, 1969, с. 19-30.

Самсонов Г,В. и др. Справочник. Свойства элементов. ч. !. Физические свойства, изд. 2.— M.: Металлургия, 1976. с. 91-101.

Изобретение относится к плазменной металлургии и может быть использовано при получении тугоплавких металлов (таких. как молибден, вольфрам и др.) и специальных прецизионных сплавов

Известен вакуумно-дуговой способ очищения металлов и сплавов от примесей цветных металлов, включающий нагрев обрабатываемого материала плазмой дугового разряда в вакууме до температуры испарения примесей из зоны обработки. К недостаткам способа следует отнести относительно низкую производитет ьность процесса (вакуумный способ не позволяет организовать непрерывное, крупнотоннажное производство). высокие энергетические затраты (10 Дж/кг), значительный унос очищаемого металла.

„„5U „„17?0420 А1 (54) СПОСОБ ОЧИЩЕНИЯ ТУГОПЛАВКИХ

МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ ОТ ПРИМЕСЕЙ

ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ (57) Использование: плазменная металлургия и получение тугоплавких металлов (таких, как фовольфрам, молибден и др.) и прецизионных сплавов. Сущность изобретения: при способе очистки тугоплавких металлов и сплавов от примесей цветных металлов обработку ведут по всей поверхности расплава обрабатываемого материала путем создания объемного разряда с использованием расплава в качестве отрицательного электрода и при пропускании через него тока с плотностью тока не менее

1 А/см . 1 и|Т„2 табл.

Известен также плазменно-дуговой способ очищения металлов и сплавов от примесей цветных металлов, включающий разогрев плазмой дугового разряда шихты обрабатываемого материала до температуры испарения примесей, отвод последних из зоны обработки и последующее застывание обрабатываемого материала в керамическом или водоохлаждаемом кристаллизаторе. К недостать ам этого способа следует отнести высокие затраты энергии (10 Дж/кг). необходимость предварительной подготовки шахты, относительно невысокой степенью очистки исходного материала от примесей цветных металлов (таких как медь, цинк, свинец, сурьма, мышьяк и др) и неравномернос1ь распределения их в объеме кристализатора.

1770420

Наиболее близким к изобретению является способ очистки металлов плазменной плавкой в горизонтальном кристаллизаторе. включающий подачу очищенного плаэмообразующего газа через плазмотрон в зону обработки металла и отвод его с парами примесей иэ зоны испарения последних . плавление и нагрев плазмой обрабатываемого материала до температуры испарения примесей, горизонтальное перемещение обрабатываемого материала под плазменной струей .

Однако в известном способе эффективность процесса ограничена размерами сечения плазменной струи, которое на материале определяет зону обработки и составляет не более 20 мм в диаметре, что ведет к длительности процесса, его малой производительности. Размеры площади расплава материала значительно больше площади сечения плазменной струи на материале. В сечении плазменной струи процессы очистки на поверхности расплава являются не равновесными в связи с наличием ионизированных частиц и поэтому очистка идет глубже, чем на периферии расплава, где выход примеси определяется термодинамическим равновесием, а это, в конечном итоге, ведет к снижению чистоты продукта, а также к росту энергетических затрат, низкому качеству металлов и сплавов, Цель изобретения — улучшение качества металлов и сплавов за счет повышения степени их очистки от примесей цветных металлов: увеличение производительности процесса: снижение удельных энергетических затрат.

Цель достигается тем, что в известном способе, содержащем подачу плазмообразующего газа в зону обработки металла, плавление и нагрев плазмой обрабатываемого материала до температуры испарения примесей и последующий отвод плазмообразующего газа с парами примесей из эоны обработки ее ведут по всей поверхности расплава обрабатываемого материала путем создания обьемного разряда с использованием расплава в качестве отрицательного электрода и при пропускании через него тока с плотностью тока не менее 1 A/ñì .

Контакт разряда со всей поверхностью материала достигается разогревом электродной системы материал-катод и анод до температуры, при которой плотность тока термозмиссии выше плотности тока разряда. Температуру расплава — катода поддер:кивают на уровне 2000 -3000 С, что соответствует эффективному испарению примеси цветных металлов сбладающих

20 более низкими температурами кипения.

Протекание разряда через расплав приводит к появлению электромассопереноса и электроконвекции, когда под действием протекания тока ионы примеси подвергаются направленному воздействию электронных импульсов. Это приводит к появлению силы внешнего воздействия на элементы примеси (Fe4) и перемещению их к поверхности расплава, где осуществляется испарение. Согласно теории Фикса и Хаттингтона сила Fe4, обеспечивает перемещение примесей цветных металлов в расплаве черных от катода к аноду. Направленный дрейф примесей к поверхности расплава под действием электронных импульсов, повышает глубину очистки расплава, что приводит к улучшению качества конечного продукта, скорости процесса. Содержание примеси в этих условиях по всему обьему расплава будет неравновесным, вследствие контакта обьемного. разряда со всей поверхностью расплава. В результате глубина очистки будет всегда выше, чем в отсутствие обьемно25 ro разряда, так как при его отсутствии всегда существуют периферийные зоны расплава, где соотношение примеси и основы равновесны.

Плотность тока через расплав должна

30 обеспечить скорость дрейфа примеси цветных металлов к поверхности расплава несколько миллиметров в час и более, тогда это будет иметь практическое приложение, Из теории Фикса и Хаттингтона можно пол35 учить, что эта скорость выражается;

Ч =Z эф pjjo0o/kT, (1) где Z>y — эффективный заряд ионов примеси цветных металлов находится ориентировочно в пределах — (20 — 50), в соответствии

40 с представлениями в работе (4); р- удельное сопротивление расплава (р=104 10 О/см);

j плотность тока; о — заряд электрона (1 ЭВ);

45 00 — молекулярный коэффициент диффузии (10 см2/с), (величины 7эф, p, Do взяты или рассчитаны по материалам работ /4, 5/).

Если в соответствии с уравнением (1)

50 принять, что)=1 А/см, то V; 1-5 мм/ч. Если

-эту величину принять как минимально необходимую, то минимальным граничным значением плотности тока будет величина J= 1

А/см .

55 Пример. Осуществлялась очистка молибденового концентрата (молибден + железо), используемого затем в качестве лигатуры для сталей, от свинца. олова, висмута, мышьяка, цинка, сурьмы. кадмия. меди.

1770420

Предложенный способ, реализуемый в данном примере, поясняется чертежом. Устройство, представленное на чертеже, состоит иэ коаксиальных цилиндрических катода (1) и анода (2), разделенных высокотемпературным изолятором (3) на основе

AI20a. B конусной части катода (1) накапливается расплав очищаемого металла (4). Отверстия (5) предназначены для слива чистого металла в высокотемпературный накопитель (6). В зоне накопителя (6) имеется окно (7), достаточное для прохода накопителя (6), Герметичность изолятора (3) обеспечивается засыпкой кварцевого песка (8), Теплоиэоляция устройства обеспечивается графитовой крошкой или пылью (9). На дне установки расположен высокотемпературный шамотный кирпич (10). Соленоид(11) предназначен для управления разрядом в коаксиальном зазоре. Теплоизоляционная дверца (12) обеспечивает герметичность установки.

Работа устройства осуществлялась следующим образом.

Подается плазмообразующий газ в зону обработки металла, в качестве которого используют смесь природного газа с воздухом в соотношении 1:5, что соответствует практически полному связыванию кислорода и углерода без образования сажи и паров воды, в количестве 6 HM /ч. Рабочая смесь поступает через тангенциальное отверстие в изоляторе (3), омывает внутреннюю поверхность конуса — катода (1) и выносится через внутреннее отверстие анода наружу. Между цилиндрическим анодом (2) и конусообразным торцом корпуса — катода (1) поджигался дуговой разряд. Под действием магнитного поля соленоида (11) разряд перемещался в зазоре, нагревая теплоизоляционные графитовые камеры до температуры более

2000 С. При этом за счет увеличения плотности тока термоэмиссии с катода до величины, большей плотности рабочего тока в газовом зазоре разряд принимает объемную форму. Опуская анод (2). добиваются режима, когда основная часть тока разряда протекает между торцом анода и конусной частью катода (1). Загружаемый через отверстие анода исходный материал в виде брикетов по 250-300 г плавился и нагревался до температуры 3000 С. Разряд, контактирующий со всей поверхностью расплава, обеспечивал плотность тока через расплав около

1,1 А/см, что соответствует эффективному выносу примесеи к поверхности. При температуре 3000 С примеси свинца, висмута. мышьяка. цинка. сурьмы, кадмия, мЕди интенсивно испаряются с поверхности металла и отводятся плазмообразуюшим газом иэ

40 зоны обработки. Падающие в расплав брикеты молибденового концентрата, как более холодные тонут, а на поверхности скапливается очищенный металл, который через отверстие(5) сливается в накопитель(6), После заполнения накопителя очищенным металлом накопитель через отверстие (7) и дверцу (12) извлекается из установки. Стенки графитового корпуса покрываются слоем карбида молибдена, относительно стойким к расплаву веществом. После выгрузки накопителя процесс повторяется снова.

Удельные затраты энергии в эксперименте боставили 5 10 Дж/кг, производи6 тельность установки — 20 кг/ч.

Аналогичный эксперимент проведен для сплава никеля с кобальтом, Для сравнения полученных результатов с прототипом в горизонтальном тигле, перемещающемся под плазменной струей (от струйного плазмотрона), состоящей из смеси природного газа с воздухом в соотношении 1:5, осуществлялось рафинирование молибденового концентрата и отдельно сплава никеля с кобальтом (15%). Мощность плазменных устройств во всех экспериментах была постоянной и составляла 110 кВт.

Результаты эксперимента показаны в табл.

1и2.

Из таблицы видно, что содержание примесей цветных металлов при использовании предлагаемого способа резко снижается, что приводит к повышению качества конечного продукта.

Использование предлагаемого способа очистки металлов и сплавов от примесей цветных металлов обеспечивает по сравнению с прототипом следующие преимущестеа:

1. Улучшение качества металлов и спла45

55 вов за счет снижения в них примесей цвет. ных металлов в 2 — 100 раз в зависимости от вида цветного металла.

2. Повышение производительности процесса примерно в 3-4 раза. обеспечиваю щее возможность выпуска продукции в промышленном масштабе.

3. Снижение удельных энергозатрат в 2 раза.

4. Повышение технологичности процесса за счет устранения вакуумных систем и снижения вследствие этого непроизводительных затрат. Как. следствие — снижение себестоимости конечного продукта.

Формула изобретения

Способ очистки тугоплавких металлов и сплавов от примесей цветных металлов. . включающий их обработку подачей пла",мообраэующего газа. плавление и нагрев плазмой обрабатываемого материала до

1770420 (краем((тельмме яамнна мо состааф мроцесса обработки т с ае е р, а

Ур.эмар» тоаатратм, Диlмт г(ромаеодмтала моста, к /час

РЪ Вц 01 AS а

Г."! 1

О,га е,е14 о,о1

0,03 4,3а :а. 10 0,74

510 т

4,02 г 1О-а 0,5

0,42 0 01

0 02

1,8,1O" е,о1

14-* а

0 5 5.10

5 5 10 < 5 10

14 4 4,4! 0,005 10->

5,2 10 . 2,6 10 2,6 1О 2 10 о,е15 10 р

1 610 6 }От

О,er

10 а

20 го

Таблица 2

; Сравнительные данные по составу примеси цветных металлов в процессе обработки спла- температуры испарения примесей и после.дующий отвод плазмообразующего газа с парами примесей из зоны обработки, о тл ичающийся тем,что.сцелью улучшения качества металла и сплавов за 5 счет повышения степени их очистки от примесей цветных металлов, увеличения производительности процесса, снижения

Цсмофм(а1 ма терман (моимбдамоемц концентрат)

Раеммироеамме

crpye4 нлааии е то4маомтаиа» нзм тмГле

4(ро тетин)

Раеммнрое анна

IN ира(фФВГаемо» щ снособр нрм ннотиостн тема

eepee pecnpeeI

1 ° °,4 4/сна

2. 1,1Ма удельных энергетических затрат, обработку ведут по всей поверхности расплава обрабатываемого материала путем создания обьемного разряда с использованием расплава в качестве отрицательного электрода и при пропускании через него тока с плотностью тока не менее 1

А/см, та флмца1 мримесея цеетммк метаМ(ое е: — -- — - -- - - .- Л .

1 г ° (I

1770420

Редактор Т.Шагова

Заказ 3716 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035. Москва, Ж-35. Раушская наб., 4/5

Производств<.нно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

И Ро (Я

Составитель С.КЗхимчук

Техред M.Moðãåíòàë Корректор Л.Лукач