Способ электронно-лучевой обработки материалов

 

Сущность изобретения: в способе электронно-лучевой обработки материалов, включающем подачу сырья и его термическую обработку под воздействием пучка электронов с последующим сбором конечного продукта, сырье обрабатывают пучком ускоренных электронов под давлением, превышающим давление окружающей среды, блокируют зону обработки от доступа окружающей среды, поддерживая температуру образовавшейся в зоне обработки газовой среды постоянной и равной температуре процесса обработки, при этом мощность пучка ускоренных электронов выбирают из выражения приведенного в описании. Температуру образовавшейся в зоне обработки газовой среды поддерживают постоянной и равной температуре процесса обработки путем измерения температуры газовой среды и установки скоростей изменения энергии ускоренных электронов и/или давления в зоне обработки по закону. Сырье обрабатывают под давлением 1-10 атм. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к способам электронно-лучевой обработки материалов и может быть использовано для извлечения материалов из комплексных соединений, в частности для выделения цинка из дросовых отходов процесса горячего цинкования или для получения диоксида циркония в процессе вскрытия циркона.

Известен способ электронно-лучевой обработки материалов. Сущность способа состоит в том, что термическую обработку материала ведут в вакууме, давление в рабочем пространстве составляет 10^-3 - 1 Па, под воздействием пучка медленных электронов [1].

Для осуществления электронно-лучевой обработки сырье загружают в технологическую камеру, рабочее пространство которой герметично соединяют с источником медленных электронов - электронной пушкой и с вакуумной системой. Затем заполняют сырьем реакционный объем и воздействуют на него пучком медленных электронов, а обработанным материалом заполняют сборник конечного продукта, находящийся внутри рабочего пространства технологической камеры.

Из-за конечных размеров рабочего пространства накладываются ограничения на количество загружаемого сырья и размер выплавляемых слитков - конечного продукта. По этой же причине невозможно осуществить непрерывный процесс электронно-лучевой обработки, поскольку необходимо периодически выключать электронно-лучевую установку для загрузки сырьем рабочего пространства и изъятия из него конечного продукта, что снижает ее надежность. Таким образом, этот способ обладает ограниченными технологическими возможностями и низкой надежностью.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ электронно-лучевой обработки материалов [2], принятый за прототип. Сущность способа состоит в том, что осуществляют подачу сырья и его термическую обработку в вакууме под воздействием пучка медленных электронов с энергией до 40 кэВ, с последующим сбором конечного продукта.

Для осуществления электронно-лучевой обработки сырье подают в рабочее пространство из первой шлюзовой камеры, внутри которой поддерживают вакуум. При этом другую шлюзовую камеру, идентичную первой, изолируют от рабочего пространства и вакуумной системы и заполняют сырьем. После разгрузки первой шлюзовой камеры ее изолируют от рабочего пространства, а вторую, уже загруженную и соединенную с вакуумной системой, шлюзовую камеру соединяют с ним. Таким образом, шлюзовые камеры работают поочередно и осуществляют подачу сырья без остановки процесса. В рабочем пространстве - зоне обработки на сырье воздействуют пучком медленных электронов, а обработанным материалом заполняют контейнер, который по мере заполнения изолируют от рабочего пространства и заменяют полым контейнером. Таким образом, осуществляют сбор конечного продукта без остановки процесса.

Недостатками такого способа являются ограниченные технологические возможности и низкая надежность. Это объясняется низкой энергией электронов пучка - до 40 кэВ. Такое ограничение имеет принципиальный характер, поскольку в процессе воздействия мощным пучком электронов с поверхности обрабатываемого материала выделяются потоки газов, паров и брызг. Часть этих выделений попадает в ускоряющий промежуток и на катод. В результате повышение ускоряющего напряжения недопустимо, так как повышается вероятность электрических пробоев, сокращается срок службы катода, снижается стабильность работы электронно-лучевой установки. Кроме того, для увеличения мощности пучка при низкой энергии электронов увеличивают ток пучка, что также сокращает срок службы катода и усложняет управление током пучка из-за влияния на условия теплоотвода с катода, изменения тока, эмиттирующих с его поверхности электронов.

Вследствие низкой энергии электронов транспортировка пучка к обрабатываемому материалу сопровождается неупругим рассеянием электронов и нагреванием разреженной газовой среды в зоне обработки за счет уменьшения подводимой к сырью мощности электронного пучка. При этом возможен перегрев газовой среды, который приведет к перегреву поверхности контактирующего с ней сырья и, следовательно, к дополнительным потерям энергии и испарению материалов. В случае недогрева разреженной газовой среды в зоне обработки происходит дополнительный отвод тепла от сырья. Таким образом, для известного способа характерны большие энергозатраты, а также ограниченные технологические возможности, например, при обработке тугоплавких материалов.

Из-за низкой энергии электронов пучок является "тепловым" лучом, с помощью которого осуществляют только термическую обработку сырья. Это не позволяет использовать известный способ для извлечения материалов из комплексных соединений и ограничивает его технологические возможности. В частности, известный способ не позволяет выделять весь цинк, содержащийся в дросовых отходах процесса горячего цинкования, поскольку обычная термообработка, переплав, выделяет из дросовых отходов только свободный, а не связанный цинк.

Ведение термообработки в вакууме также ограничивает технологические возможности и снижает надежность известного способа, поскольку в вакууме наиболее интенсивно происходят возгонка и испарение материалов. В результате возрастают потери материалов и энергозатраты, вероятность электрических пробоев, нагрузка на вакуумные насосы, нарушается химический состав конечного продукта.

Подача сырья в зону обработки, позволяющая осуществить непрерывную термическую обработку под воздействием пучка медленных электронов, ограничивает технологические возможности и надежность известного способа. Это объясняется тем, что систему подачи сырья реализуют с помощью управляемых вакуумных вентилей, шлюзовых камер и вакуумных насосов. Наличие такого количества дополнительного оборудования увеличивает вероятность случайной остановки процесса электронно-лучевой обработки из-за отказа его отдельных узлов. Например, вакуумных насосов или вентилей, появления течей в стыках и неплотностей при закрывании вакуумных вентилей. Кроме того, объем шлюзовых камер, в которые загружается очередная доза сырья, ограничен и определяется производительностью и возможностями вакуумных насосов, а сырье не должно быть дисперсным порошком и не должно газить, так как в таком случае вакуумные насосы и вентили не работают.

Осуществление подачи сырья в известном способе увеличивает энергозатраты за счет дополнительного расхода электроэнергии на систему управления, приводы вакуумных насосов и вентилей и повышает на 1/3 стоимость всего комплекса оборудования.

Целью изобретения является обеспечение возможности извлечения материалов из комплексных соединений, в частности получение цинка из дросовых отходов процесса горячего цинкования, что расширяет технологические возможности способа с повышением его надежности.

Цель достигается тем, что в способе электронно-лучевой обработки материалов, включающем подачу сырья и его термическую обработку под воздействием пучка электронов с последующим сбором конечном продукта, сырье обрабатывают пучком ускоренных электронов под давлением, превышающим давление окружающей среды, блокируют зону обработки от доступа окружающей среды, поддерживая температуру образовавшейся в зоне обработки газовой среды постоянной и равной температуре процесса обработки, при этом мощность пучка ускоренных электронов выбирают из выражения P > ω ν_ij(C_ij(τ_ij-T_ij)+H_ij), τ_ij = где Р - мощность пучка ускоренных электронов, Вт; ω - производительность процесса электронно-лучевой обработки, кг/с; n - количество компонентов сырья; i - порядковый номер компонента, i = 1÷n; m_i - количество фазовых переходов i-го компонента в интервале температур (Т_о, Т); j - порядковый номер фазового перехода, j = 0÷m_i; Т_о - начальная температура сырья, К; Т - температура процесса обработки, К;
ν_ij - массовая доля i-го компонента после j-го фазового перехода, отн. ед.;
C_ij - среднее значение теплоемкости i-го компонента в интервале температур (T_ij, T_ij), Дж/кг ^. К;
T_ij - температура j-го фазового перехода i-го компонента, T_io ≡ T_о, К;
H_ij - энтальпия j-го фазового перехода i-го компонента, H_io ≡ 0, Дж/кг.

Температуру образовавшейся в зоне обработки газовой среды поддерживают постоянной и равной температуре процесса обработки путем измерения температуры газовой среды и установки скоростей изменения энергии ускоренных электронов и/или давления в зоне обработки по закону
где - скорость изменения энергии ускоренных электронов, МэВ/с;
- скорость изменения давления в зоне обработки атм/с;
Т₁ - температура газовой среды, К.

Сырье обрабатывают под давлением 1-10 атм.

Воздействие пучка ускоренных электронов на сырье приводит к нагреву составляющих его компонентов. Часть мощности пучка расходуется на ионизацию и возбуждение атомов газовой среды, ее нагрев и тепловые потери. Однако вследствие использования пучка ускоренных электронов, энергия которых составляет сотни и более кэВ, отмеченные выше энергетические потери мощности пучка будут невелики. Учитывая также, что часть этих потерь затрачивается на нагрев газовой среды, а значит, и контактирующего с ней сырья, и возвращается в обрабатываемый материал и пренебрегая тепловыми потерями в окружающую среду, можно допустить, что практически вся мощность Р пучка расходуется на нагрев сырья.

Таким образом, температуру сырья доводят до температуры обработки Т, величина которой зависит от конкретных материалов. Например, при извлечении цинка из дросовых отходов производства горячего цинкования температура обработки ограничена снизу температурой плавления цинка 692,5 К и сверху - температурой кипения цинка 1179 К, т.е. Т = =770 К.

В простейшем случае для сырья, состоящего из одного компонента, не испытывающего в процессе электронно-лучевой обработки фазовых переходов, получим
P^. t > c m (T - T_o), где t - время воздействия пучка на сырье, с;
с - теплоемкость сырья, Дж/кг ^. К;
m - его масса, кг.

Отсюда
P > ω c (T - T_о), (1) где ω = m/t.

Распространяя результат (1) на случай многокомпонентного сырья и учитывая энергозатраты на фазовые переходы в процессе электронно-лучевой термообработки, получим условие, приведенное в формуле изобретения
P > ω ν_ij(C_ij(τ_ij-T_ij)+H_ij), (2)
τ_ij =
Для удобства расчетов параметры с индексами в выражении (2) представляют в виде элементов соответствующих двумерных матриц: матрицы концентраций ||ν_ij||, теплоемкости ||c_ij||, температуры ||τ_ij||, фазовых переходов ||T_ij|| , энтальпии ||H_ij|| и одномерной матрицы ||m_i|| .

Общий вид этих матриц следующий:
=
C =
=
T =
H =
m =
Наличие отличий от прототипа подтверждает новизну предлагаемого технического решения, подтверждающуюся тем, что обработка сырья пучком ускоренных электронов, мощность которого выбирают из выражения, приведенного в формуле изобретения, обеспечивает, наряду с термической, радиационную обработку. Вследствие высокой энергии пучок ускоренных электронов теряет в газовой среде в зоне обработки лишь незначительную часть своей энергии, а флуктуации свойств газовой среды практически не отражаются на параметрах пучка и величине подводимой им к сырью мощности. Это уменьшает энергозатраты, повышает стабильность процесса и качество конечного продукта.

Интенсивность радиационной обработки обусловлена использованием ускоренных электронов, энергия которых составляет сотни килоэлектроновольт и больше. Бомбардировка ускоренными электронами и порожденное торможением пучка в газовой среде и обрабатываемом сырье рентгеновское и γ -излучение активизируют процессы ионизации, возбуждения, диссоциации атомов и молекул, а также разрушают комплексные химические связи.

Таким образом, реализуется возможность разделения и извлечения материалов из комплексного соединения, например из расплава сырья, вследствие их различных плотностей, расширяются технологические возможности и надежность предлагаемого способа.

Обработка сырья под давлением, превышающим давление окружающей среды, препятствует попаданию окружающей среды в зону обработки, позволяет сформировать в ней среду из газов и паров обрабатываемого сырья, сводит к минимуму процессы окисления, сохраняет тепловой баланс процесса, стабилизирует процессы шлакообразования. Кроме того, исключается необходимость использования шлюзов и вакуумных систем, соединенных с зоной обработки технологической камеры. Отмеченные факторы сокращают энергозатраты, повышают надежность и качество, расширяют технологические возможности предлагаемого способа.

Обработка сырья под давлением 1-10 атм обеспечивает наилучшее качество конечного продукта и надежность способа. При давлениях больше 1 атм уменьшается интенсивность возгонки и испарения материалов с поверхности сырья. В результате уменьшаются потери материалов и энергозатраты, практически полностью исключается влияние парогазовых выделений и брызг на стабильность работы источника ускоренных электронов, более точно сохраняется химический состав конечного продукта. При давлениях до 10 атм обеспечиваются небольшая нагрузка на стенки технологической камеры и стабильность работы источника ускоренных электронов, которая при давлении больше 10 атм ухудшается вследствие частичного проникновения в ускорительный тракт через выпускное отверстие ускорителя горячих ионизированных газовых потоков, исходящих из отверстия ввода пучка в технологическую камеру. Таким образом обработка под давлением в указанных пределах повышает надежность и расширяет технологические возможности предлагаемого способа.

Блокирование зоны обработки от доступа окружающей среды исключает появление в зоне обработки вредных холодных конвективных потоков. Это стабилизирует тепловой баланс процесса, уменьшает энергозатраты и унос материалов с поверхности обрабатываемого сырья. При этом окружающая среда не влияет на химический состав газовой среды в зоне обработки технологической камеры, в который входят продукты возгонки и испарения обрабатываемого сырья. При обработке комплексных соединений в состав этой газовой среды могут входить неразложившиеся комплексные молекулы исходного сырья. Под воздействием бомбардировки ускоренными электронами и жесткого рентгеновского и γ -излучения, возникающего вследствие торможения пучка в газовой среде и обрабатываемом сырье, в зоне обработки среди прочих процессов непрерывно происходит разложение комплексных молекул на простые и частично их рекомбинация, т.е. образование комплексов. В ходе такой рекомбинации над обрабатываемой поверхностью индуцируется ненаправленное электромагнитное излучение, энергетический спектр которого соответствует спектру поглощения энергии, затраченной на разложение комплексных молекул. В силу того, что комплексные связи слабее других видов химических связей, индуцированное излучение низкоэнергетично и, следовательно, соответствует длинноволновой части спектра. Воздействие индуцированного рекомбинацией излучения на поверхность обрабатываемого сырья и неразложившиеся комплексы инициирует резонансное разрушение комплексных связей, что обеспечивает более полное извлечение материала из комплексного соединения и улучшает качество конечного продукта.

Поддержание температуры, образовавшейся в зоне обработки газовой среды, постоянной и равной температуре процесса обработки, водит к минимуму теплообмен между газовой средой и обрабатываемым сырьем, уменьшает энергозатраты, потери материала вследствие возгонки и испарения, повышает качество конечного продукта.

Отмеченные существенные отличия расширяют технологические возможности и повышают надежность предлагаемого способа.

Температуру образовавшейся в зоне обработки газовой среды поддерживают постоянной и равной температуре процесса обработки путем измерения температуры газовой среды и установки скоростей изменения энергии ускоренных электронов и/или давления в зоне обработки по закону, приведенному в п.2 формулы изобретения. Это объясняется тем, что изменение энергии электронов определяет изменение энергетических потерь пучка в веществе, от величины которых зависят условия нагревания и температура газовой среды в зоне обработки. Давление в зоне обработки определяет плотность газовой среды, которая влияет на энергетические потери пучка электронов в веществе и поэтому также может использоваться для регулирования температуры газовой среды в зоне обработки. Регулировать давление можно посредством изменения площади отверстия в технологической камере между зоной обработки и окружающей средой.

Учитывая, что увеличение энергии ускоренных электронов, а также уменьшение давления в зоне обработки уменьшают температуру газовой среды в ней и наоборот, получим закон, приведенный в п.2 формулы изобретения.

На дату подачи заявочных материалов нами при поиске из уровня техники не выявлены технические решения с совокупностью существенных признаков, сходных с предлагаемым, и явным образом не следуют для решения поставленной технической задачи, что подтверждает изобретательский уровень.

Предлагаемый способ реализуется устройством, схематически изображенным на чертеже.

Устройство содержит сфокусированный пучок 1 электронов, выпускаемый из ускорителя 2 через выпускное отверстие 3 в зону отработки технологической камеры 5, загружаемой с помощью системы подачи 6 сырьем 7, которое в процессе электронно-лучевой обработки разделяется на шлак 8, отбираемый по каналу 9 в контейнер 10, и конечный продукт 11, отбираемый через сифон 12 в контейнер 13 сбора конечного продукта. При этом датчик 14 контролирует температуру обрабатываемого материала, а датчик 15 - температуру газовой среды в зоне обработки, которую регулируют путем перекрытия шибером 16 отверстия 17 в технологической камере 5 между зоной 4 обработки и окружающей средой.

Способ электронно-лучевой обработки материалов при помощи вышеописанного устройства осуществляют следующим образом. Предварительно задают параметры: ω, Т, Т_о, n, матрицы
m
C
T H которые зависят от состава и физико-химических свойств обрабатываемых материалов. Зная эти величины, определяют начальное наименьшее значение мощности пучка 1 по выражению в п.1 формулы изобретения. Камеру 5 с помощью системы 6 загружают сырьем 7, представляющим собой, например, комплексное соединение - дросовые отходы процесса горячего цинкования, включают ускоритель 2 и устанавливают найденное начальное значение мощности пучка 1. В результате воздействия пучка 1 на загруженное в камеру 5 сырье 7 происходит его нагрев, который контролируют датчиком 14 температуры обработки. В случае заниженных показаний датчика 14 увеличивают мощность пучка 1 и наоборот, при превышении показаний датчика 14 мощность пучка 1 уменьшают. При этом сырье 7 подают с производительностью ω. Датчиком 15 контролируют температуру в зоне 4 обработки. В случае ее отличия от температуры обработки изменяют энергию ускоренных электронов и/или давление в зоне 4 обработки по закону, приведенному в п.2 формулы изобретения. Наиболее удобно изменять давление путем перемещения шибера 16 относительно отверстия 17. А именно, если температура в зоне 4 обработки по показаниям датчика 15 меньше температуры обработки и, значит, согласно п.2 формулы изобретения, необходимо увеличить давление в зоне 4, шибером 16 прикрывают отверстие 17. И наоборот, если температура в зоне 4 больше температуры обработки, т.е. необходимо уменьшить давление в зоне 4, шибером 16 приоткрывают отверстие 17. Под воздействием пучка 1 в камере 5 осуществляется электронно-лучевая обработка материалов и, в случае обработки дросовых отходов процесса горячего цинкования, в камере 5 образуется расплав, в котором за счет радиационных эффектов - электронной бомбардировки, рентгеновского и γ -излучения разрываются комплексные связи и весь цинк, т.е. конечный продукт 11, находившийся в дросе, т. е. сырье 7, в свободном и связанном состоянии, вследствие большей плотности, чем у остальных компонентов, перемещается в нижнюю часть камеры 5, а более легкие остальные компоненты остаются на поверхности расплава и образуют шлак 8, отбираемый по каналу 9 в контейнер 10. Конечный продукт 11 отбирают из нижней части расплава через сифон 12 в контейнер 13.

Пример конкретного осуществления способа.

Предлагаемый способ опробован на ускорителе электронов ЭЛВ-4 (г.Днепропетровск) при извлечении цинка из дросовых отходов, образующихся в процессе горячего цинкования стальной полосы на Новолипецком металлургическом комбинате (НЛМК). В состав верхнего дроса входит 95% цинка. Из них 47,5% свободного цинка и ≈ 47,5% цинка, комплексно связанного с оксидами цинка (≈ 3,6%), алюминия (≈ 1,1%), железа ( ≈ 0,3). Температура процесса электронно-лучевой обработки поддерживалась равной Т = 770 К. Начальная температура сырья составляла Т_о = 300 К. Количество компонент n = 4. Определяя элементы матриц, примем, что порядковый номер компонента i = 1 соответствует цинку, i = 2 - оксиду цинка, i = 3 - оксиду алюминия, i = 4 - оксиду железа. Тогда получим
m =
= : 100
C =
H =
T =
=
Отсюда, согласно выражению (2), получим
Р > 3,2 ^. 10⁵ ω.

В соответствии с этим результатом для производительности процесса электронно-лучевой обработки ω = 1/9 кг/с (400 кг/ч) была установлена начальная мощность пучка - 36 кВт. При установившемся процессе обработки и контроле температуры с помощью датчика 14 средняя мощность пучка ускоренных до энергии 1,4 МэВ электронов составила Р = 40 кВт > 36 кВт, что удовлетворяет условию, приведенному в формулу изобретения.

Давление в зоне 4 обработки составило 1,01 атм, что также входит в интервал давлений, указанный в формуле изобретения.

В результате осуществления предлагаемого способа из дросовых отходов горячего цинкования получен 99,95% цинк, пригодный для повторного использования при горячем нанесении цинковых покрытий. По результатам анализа выход цинка составил 95% от массы сырья дроса. Это указывает на то, что переработка дросовых отходов горячего цинкования, представляющих собой комплексное соединение, по предлагаемому способу позволяет извлекать из дроса весь, как свободный, так и связанный, цинк. Таким образом, предлагаемый способ по сравнению с прототипом обладает расширенными технологическими возможностями и высокой надежностью.

Экономическая эффективность определяется количеством выделенного из дроса цинка.

Годовой объем дросовых отходов, образующихся в процессе горячего цинкования на НЛМК, составляет 2400 т/год. Предлагаемый способ позволяет извлечь из этих отходов содержащиеся в них 95% цинка, т.е. 2280 т/год.

В настоящее время институтом проводятся работы по отработке технологии, основанной на предлагаемом способе. Внедрение данного способа может осуществляться на предприятиях, имеющих крупные объемы производства горячего цинкования.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ, включающий подачу сырья и его термическую обработку под воздействием пучка электронов с последующим сбором конечного продукта, отличающийся тем, что сырье обрабатывают пучком ускоренных электронов под давлением, превышающим давление окружающей среды, блокируют зону обработки от доступа окружающей среды, поддерживая температуру образовавшейся в зоне обработки газовой среды постоянной и равной температуре процесса обработки, при этом мощность пучка ускоренных электронов выбирают из выражения
P > ω ν_ij(C_ij(τ_ij-T_ij)+H_ij),
τ_ij =
где P - мощность пучка ускоренных электронов, Вт;
ω - производительность процесса электронно-лучевой обработки, кг/с;
n - количество компонентов сырья;
i - порядковый номер компонента;
m_i - количество фазовых переходов i-го компонента в интервале температур (T₀, T);
j - порядковый номер фазового перехода, j=0÷m_i;
T₀ - начальная температура сырья, К;
T - температура процесса обработки, К;
ν_ij - массовая доля i-го компонента после j-го фазового перехода, относительно.ед.;
C_ij - среднее значение теплоемкости i-го компонента в интервале температур (T_ij , τ_ij ) , Дж/кг·К;
T_ij - температура j-го фазового перехода i-го компонента;
H_ij - энтальпия j-го фазового перехода i-го компонента H_io ≡ 0 Дж/кг;
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что температуру образовавшейся в зоне обработки газовой среды поддерживают постоянной и равной температуре процесса обработки путем измерения температуры газовой среды и установки скоростей изменения энергии ускоренных элементов и/или давления в зоне обработки по закону
> 0 , < 0 при T₁>T;
= 0 , = 0 при T₁=T;
< 0 , > 0 при T₁<T,
- скорость изменения энергии ускоренных электронов, МэВ/с;
- скорость изменения давления в зоне обработки, атм/с;
T₁ - температура газовой среды, К.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что сырье обрабатывают под давлением 1-10 атм.

РИСУНКИ

Рисунок 1