Способ получения оксидов металла и устройство для его осуществления

 

Использование: в химической промышленности, цветной металлургии, в частности при производстве химреактивов и металлических порошков. Сущность изобретения: подают природный газ и сжатый воздух в корпус кольцевой газовой горелки. При выходе газовой смеси из отверстий рассекателей и соприкосновении с нагретыми поверхностями труб происходит ее воспламенение. Кольцевой газовый факел, обтекая наружные поверхности трубы создает огневую защиту. В патрубок подают пары металла со скоростью, превышающей скорость распространения пламени горения паров металла. Подачу природного газа и воздуха в корпус горелки осуществляют при соотношении объемных расходов , где V₁ - объемный расход природного газа, V₂ - объемный расход воздуха. При этом температура поверхности труб выше температуры горения паров металла. 2 с.п.ф-лы, 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области получения тонкодисперсных порошкообразных оксидов различных металлов и может быть использовано в химической промышленности, цветной металлургии, в частности, при производстве химреактивов и металлических порошков.

Известен способ получения оксидов металла (цинка) путем окисления его паров в камере сгорания при 800-IOOO^oC и давлении ниже атмосферного и пропускания полученной окиси в газовый канал с задвижкой на конце, открывающейся в трубопровод для газа-носителя (заявка 1386549 Великобритании МКИ С 22 В19/34, C 0l G 9/02,1975). При реализации способа получения порошкообразных оксидов в месте выхода паров металла на патрубках образуется нагар из полупродуктов окисления, что приводит к необходимости трудоемкой операции очистки патрубков от нагара. Нагар является некондиционным продуктом, требующим дополнительной его переработки. Кроме того накопление нагара на патрубке приводит к его забивке, что может вызвать аварийную ситуацию в испарителе металла.

Способ может быть осуществлен с помощью форсунки, защищенной патентом ПНР 128081, кл. F 23 D ll/4O, 1985. Для устранения нагара сопловая часть форсунки выполнена разъемной. Она содержит наконечник, навинчиваемый на корпус форсунки, который имеет центральный подвод топлива и боковой воздуха. Наконечник содержит вихревую камеру с турбулизирующей вставкой. Между наконечником и вставкой образована кольцевая щель, через которую выходит воздух, подаваемый на горение.

Описанное техническое решение облегчает очистку сопла горелки от нагара, однако не устраняет образование нагара. Пары металла выходя через необогреваемую форсунку, конденсируются на внутренних поверхностях, образуя при соединении с воздухом окисную пленку, приводящую и образованию нагара и забивке сопла.

Известен способ предотвращения налипания металла на поверхности сопла при его распылении, описанный в патенте Японии 6483379, МКИ 4 В 23 К 7/10, 1987. Предложено на поверхность сопла горелки наносить покрытия из нитридов, карбидов или сплавов Al, Ti, Si, Va, Zr, Hf, B, Ta, W.

Это позволяет защитить сопло горелки от оплавления и износа, однако также как и в предыдущем патенте не исключает образование нагара на выходной кромке горелки. Причина образования нагара та же: конденсация пара металла на необогреваемых поверхностях, образование окисной пленки, частичное окисление паров металла при соприкосновении с воздухом.

Известен способ распыления жидкого металла и описано устройство для его реализации в патенте Франции 2609914, МКИ 4 В 22 41/08, В 22 F 9/08, 1988г.

Металл транспортируется через патрубок, обогреваемый кольцевым индуктором, охватывающим патрубок. Устройство содержит составное сопло, установленное внутри патрубка. Составное сопло изготовлено из кермета, специальных огнеупорных материалов или металлических сплавов.

При использовании описанного технического решения для окисления паров металлов также не исключено образование нагара на кромке сопла патрубка в месте выхода паров. В силу вязкости окружающей воздушной среды на кромке всегда будет иметь место соприкосновение паров металла с холодным окислителем, а следовательно, образование промежуточных оксидов нагара. Так как процесс окисления паров металла до порошкообразного состояния требует определенного промежутка времени, т.е. происходит не мгновенно, то промежуточные оксиды, представляющие собой вкрапления оксида в металл, образуют на кромке патрубка прочную металлизированную корку.

Известен способ получения оксида металла, включающий транспортирование паров металла через патрубок, создание огневой защиты путем сжигания природного газа в кольцевой газовой горелке и окисление паров металла кислородом атмосферного воздуха. Описано устройство, содержащее патрубок, охватываемый кольцевой газовой горелкой, размещенной на выходе паров металла (см.например, технологический регламент 149-86 производства оксида кадмия на АООТ УЗХР, 1986 г.). Представленное техническое решение по технической сущности наиболее близко к предлагаемому и потому принято за прототип.

Как показал опыт многолетней эксплуатации данного устройства, отсутствие дополнительного обогрева патрубка приводит к образованию пленки конденсата металла на его внутренних поверхностях. Потоком паров пленка жидкого металла оттесняется к кромке патрубка, где и образуются полупродукты окисления - нагар.

Скорость транспортирования паров металла была в большинстве случаев меньше скорости распространения пламени реакции горения паров, так как реакция горения наблюдается внутри патрубка. Последнее приводит к образованию нагара внутри патрубка. Кроме того, сжигание природного газа в кольцевой горелке, охватывающей патрубок, производился при соотношении объемных расходов где V₁ объемный расход природного газа; V₂ объемный расход воздуха.

Последнее недостаточно для создания огневой защиты от соприкосновения окислителя (кислорода воздуха) и паров металла на кромке выхода паров из патрубка. Вследствие этого образование нагара не исключается.

Для удаления нагара требуется трудоемкая ручная операция, нагар является некондиционным продуктом, требующим дополнительной переработки. Его образование макет привести к забивке патрубка и создать аварийную ситуацию в испарителе (выброс расплавленного металла через люк загрузки слитков в помещение цеха).

Целью изобретения является устранение указанных недостатков, а именно исключение образования нагара на кромке выхода паров металла из патрубка.

Указанная цель достигается тем, что в известном способе получения оксида металла, включающем транспортирование паров металла через патрубок, создание огневой зашиты путем сжигания природного газа в кольцевой газовой горелке и окисление паров металла кислородом атмосферного воздуха, транспортирование паров металла осуществляют со скоростью, превышающей скорость распространения пламени реакции горения паров металла, температуру патрубка поддерживают выше температуры реакции горения паров металла, а процесс горения природного газа осуществляют при соотношении объемных расходов V₁/V₂ 1/4 1/5, где V₁ объемный расход природного газа; V₂ объемный расход воздуха.

Цель достигается также тем, что в известном устройстве для получения оксида металла, содержащем патрубок, охватываемый кольцевой газовой горелкой, размещенной на выходе паров металла, патрубок выполнен в виде двух коаксиальных труб, соединенных между собой в месте выхода паров металла, концы которых соединены с источником электрического тока.

Группа изобретений отвечает критерию "Новизна", так как способ получения оксида металла отличается от аналогов скоростью транспортирования паров металла через патрубок, температурой патрубка и соотношением объемных расходов природного газа и воздуха, а горелка для получения оксида металла, в отличие от аналогичных логичных горелок, содержит патрубок в виде двух коаксиальных труб, соединенных в месте выхода паров металла, концы которых соединены с источником электрического тока.

Группа изобретений соответствует критерию "изобретательский уровень", так как отличительные признаки заявляемых способа и устройства в совокупности известными исключают образование нагара на поверхностях патрубка, т.е. достигается цель изобретения.

Новое свойство заявленных способа и устройства проявляется в следующем.

При транспортировании паров металла со скоростью, превышающей скорость распространения пламени реакции горения, воспламенение паров в результате экзотермической реакции окисления происходит на некотором расстоянии от кромки патрубка. Это исключает образование тугоплавких оксидов и их сцепление с паровыми частицами на кромке патрубка. Так как температура патрубка выше температуры реакции горения паров металла, это исключает их конденсацию на поверхностях и образование пленки жидкого металла, являющейся источником образования нагара. Кроме того, сжигание природного газа в кольцевой горелке осуществляется с некоторым недостатком воздуха, т.е. природный газ сжигается неполностью. Избыток природного газа захватывает кислород биосферного воздуха вблизи кромки патрубка и исключает контакт окислителя с паровыми частицами в момент их отрыва от патрубка.

Таким образом между совокупностью существенных признаков заявляемых способа и устройства и целью изобретения существует новая причинно-следственная связь.

Кроме того, заявляемые способ и устройство для его осуществления соответствуют критерию изобретения "промышленная применимость". Проведенные испытания на Уральском заводе химических реактивов дали положительные результаты и в настоящее время заявитель занимается пуско-наладочными работами для внедрения способа и устройства.

Схематичное изображение устройства для получения оксида металла представлено на предлагаемом рисунке.

Устройство содержит патрубок, состоящий из двух коаксиальных труб 1 и 2, соединенных между собой в месте выхода паров металла. Снаружи на патрубке установлена кольцевая газовая горелка, состоящая из корпуса 3 и рассекателей с отверстиями 4. На концах труб 1 и 2 укреплены токоподводы 5, соединенные с источником электрического тока. Для предотвращения относительного радиальноного смешения труб 1 и 2 предусмотрена их фиксация с помощью планки 6 и изолятора 7. Снаружи патрубка установлена теплоизоляция 8 для уменьшения тепловых потерь.

Пример осуществления способа.

Токоподводы 5 соединяют с источником электрического тока и по принципу нагревателя сопротивления разогревают поверхности труб 1 и 2 до температуры выше температуры реакции горения паров металла.

Подают природный газ и сжатый воздух в корпус 3 кольцевой газовой горелки. При выходе газовой смеси из отверстий рассекателей 4 и соприкосновении с нагретыми поверхностями труб 1 и 2 происходит ее воспламенение. Кольцевой газовый факел, обтекая наружные поверхности трубы 1, создает огневую защиту. В трубу 2 подают пары металла со скоростью, превышающей скорость распространения пламени горения паров металла. Подачу природного газа и воздуха в корпус 3 горелки осуществляют при соотношении объемных расходов где V₁ объемный расход природного газа, V₂ объемный расход воздуха.

Так как температура поверхностей труб 1 и 2 выше температуры горения паров металла, то исключена их конденсация и образование пленки жидкого металла. Недостаток воздуха в смеси с природным газом обеспечивает дополнительное поглощение кислорода окружающего воздуха в кольцевом пространстве вокруг кромки, соединяющей трубы 1 и 2, и исключает проникновение окислителя к месту выхода паров металла. Скорость истечения паров металла подбирается таким образом, чтобы их воспламенение происходило на некотором расстоянии от выходной кромки. Выполнение всех этих условий исключает образование нагара на кромке патрубка 2.

Пример конкретного осуществления способа.

При производстве порошкообразного оксида кадмия с производительностью 30 кг/час по испаренному металлу внутренний диаметр трубы 2 составил 45 мм. Электрическое сопротивление труб 1 и 2, выполненных из жаропрочного сплава высокого омического сопротивления ХН70Ю, составило 0,0021 Ом. Сила электрического тока, пропускаемого через токоподводы, 1100 А. Пары кадмия при температуре 790-810^oС подавали в трубу 2, нагретую до температуры 880-900^oС.

Скорость истечения паров кадмия при установившемся процессе испарения составила 6 м/с. В кольцевую горелку 3 подавали природный газ и воздух с различными соотношениями объемных расходов.

Температура воспламенения паров кадмия, определенная опытным путем, составила 840-860^oС.

Скорость распространения пламени реакции горения паров кадмия, определенная расчетным путем, ориентировочно составила 4-5 м/с. Результаты конкретных примеров выполнения способа приведены в таблице. Как видно из таблицы (см.строки 1-4) при соотношении объемных расходов природного газа и воздуха при любых значениях температуры патрубка и скорости истечения паров кадмия не исключается образование нагара. Это объясняется тем, что температура газового факела оказывается очевидно,ниже температуры реакции горения паров кадмия, и в зоне отрыва паров от кромки образуются тугоплавкие оксиды. На патрубке при этом наблюдалось образование нитевидных соединений из сажи и оксидов кадмия, приводящих к забивке патрубка. Кроме того большое количество сажи в конечном продукте ухудшает его качество.

При соотношении
(см.строки 13-16) нагар образуется вследствие полного сжигания природного газа и проникновения избытка окислителя к кромке выхода поров из патрубка.

При соотношениях и температурах патрубка 830^oС (см.строки 5,7,9,16) образование нагара связано с конденсацией паров на стенках патрубках. Нарост прочный, с трудом отделяется. При соотношениях

и скорости истечения паров 3 м/с причиной образования нагара является окисление паров внутри патрубка. Пламя не отрывается от кромки патрубка. Нарост в данном случае хрупкий, но требуется его принудительная очистка.

Только при выполнении всех условий способа, заявленных в данном техническом решении, нагара не образуется (см.строки 8 и 12).

Таким образом заявляемые способ получения оксидов металла и устройство для его осуществления по сравнению с известными способами и устройствами обладают следующими преимуществами:
исключается образование нагара на кромках патрубка, являющегося некондиционным продуктом, снижаются потери готового продукта;
-устраняется трудоемкая операция по постоянной очистке патрубка во время работы;
исключается аварийная ситуация, т.к. не происходит забивки патрубка;
повышается качество конечного продукта, т.к. в нем отсутствуют включения нагара, уносимые с сотском образующихся оксидов.

Формула изобретения

1. Способ получения оксидов металла, включающий подачу паров металла через патрубок и окисление паров металла кислородом атмосферного воздуха, отличающийся тем, что подачу паров металла осуществляют со скоростью, превышающей скорость распространения пламени реакции горения паров металла, температуру патрубка при подаче паров металла поддерживают выше температуры реакции горения паров металла, а на выходе паров металла из патрубка создают огневую защиту путем сжигания природного газа в кольцевой газовой горелке при соотношении объемных расходов

где V₁- объемный расход природного газа,
V₂- объемный расход воздуха.

2. Устройство для получения оксидов металла, содержащее кольцевую газовую горелку, отличающееся тем, что оно содержит патрубок, размещенный внутри кольцевой газовой горелки и выполненный в виде двух коаксиальных труб, соединенных между собой в месте выхода паров металла, при этом концы труб соединены с источником электрического тока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2