Способ получения лития и устройство для его осуществления (варианты)

 

Изобретение относится к металлургии и касается способа получения лития и устройства для его осуществления. Предложенный способ включает приготовление исходной смеси, содержащей карбонат лития, порошок алюминия и инертную алюмосодержащую добавку, предотвращающую расплавление исходной смеси, в количестве 5-20 мас. % от массы карбоната лития и обработку исходной смеси в режиме совмещения процессов диссоциация - восстановление - расплавление, проводимую в три стадии, при этом на первой стадии исходную смесь нагревают в вакууме в диапазоне температур 600-750^oС в течение 4-8 ч при остаточном давлении газов 10-50 Па, на второй стадии температуру полученной смеси также в вакууме повышают до 1000-1200^oС и при остаточном давлении менее 10 Па выдерживают в течение 8-12 ч, на третьей стадии полученный твердый конденсат лития расплавляют в аргоне при давлении 15-20 кПа и при температуре 300^oС в течение 1-2 ч и сливают его в металлоприемник. В предложенном устройстве, содержащем печь с горизонтально установленной в ней, по крайней мере, одной ретортой, имеющей зоны нагрева и конденсации, подсоединенной к системам вакуумирования и циркуляции хладагента, в нижней части зоны конденсации выполнено выходное отверстие, сообщающее ее с емкостью для сбора металла, внутри зоны конденсации установлен теплоэлектронагеватель, а внутри зоны нагрева концентрично установлена, по крайней мере, одна снабженная перфорированной крышкой цилиндрическая корзина для брикетированной смеси, внутри корзины размещена перфорированная труба, диаметр которой составляет от одной четверти до одной трети диаметра реторты, ось трубы расположена выше оси реторты, а размер перфорационных отверстий меньше размеров брикетов смеси, при этом реторта дополнительно подсоединена к системе подачи аргона. Согласно варианту предложенное устройство содержит печь с вертикально установленной в ней, по крайней мере, одной ретортой, при этом зона конденсации снаружи снабжена съемным теплоэлектронагревателем, а внутри цилиндрической корзины для брикетированной смеси установлена перфорированная труба, диаметр которой составляет от одной четверти до одной трети диаметра реторты, при этом система циркуляции хладагента выполнена по системе открытого орошения. Обеспечивается повышение удельной производительности, снижение энергозатрат, улучшение эксплуатационных качеств, безопасности работы и получение лития в литом состоянии более высокой чистоты. 3 с. и 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.

Изобретение относится к металлургии и касается способа получения лития и устройства для его осуществления. Изобретение может быть использовано для получения щелочных и щелочноземельных металлов, но преимущественно оно предназначено для получения лития в режиме совмещенного процесса диссоциация - восстановление - расплавление.

Аналогом первого объекта предложенного изобретения является способ получения лития, состоящий из трех основных операций: растворения карбоната лития с получением раствора хлорида лития, его упарки и сушки с получением сухой соли и электролитического выделения лития из расплава хлоридных солей лития и калия (И.В. Николаев, В.И. Москвитин, Б.А. Фомин. Металлургия легких металлов. - М.: Металлургия, 1997, с.411-412).

Способ получения лития, основанный на электролизе хлоридных солей, характеризуются большим количеством операций, использованием постоянного тока и весьма гигроскопичных хлоридных солей, а также наличием экологически вредных выбросов и отходов производства.

Ближайшим аналогом для первого объекта предложенного изобретения является способ получения лития путем алюминотермического восстановления в вакууме предварительно синтезированных алюминатов лития, полученных в результате обработки исходной смеси, содержащей в качестве одного из компонентов карбонат лития (RU 2149911 C1, опубл. 27.05.2000, кл. С 22 В 26/12).

Недостатками этого способа являются длительное время и большое количество операций, необходимое для осуществления способа, а также загрязнение окружающей среды литийсодержащей пылью.

Причиной указанных недостатков является следующее.

При осуществлении известного способа для получения лития используют менее богатые по содержанию лития соединения - алюминаты, которые необходимо предварительно синтезировать из исходных соединений прокалкой их на воздухе. Для большинства указанных в прототипе исходных соединений длительность процесса синтеза достигает на воздухе несколько десятков часов. Кроме того, при проведении способа при указанных температурах образуются весьма агрессивные расплавленные оксидные соединения лития, что чревато выходом из строя используемого оборудования. Из расплавленных исходных соединений (шихты) с трудом выделяются пары воды и двуокись углерода, что не позволяет провести реакцию синтеза до конца. Оплавленные и спеченные материалы в дальнейшем требуют измельчения, что усложняет процесс.

Аналогом второго и третьего объектов предложенного изобретения (вариантов) является устройство для получения лития путем алюминотермического восстановления моноалюмината лития в вакууме, содержащее печь с вертикально установленной в ней ретортой, имеющей зону восстановления и зону конденсации, а также приемник расплавленного металла (SU 1543844 А, от 13.05.1988).

Известное устройство работает следующим образом. Исходным продуктом для восстановления служит моноалюминат лития, который смешивают с алюминиевым порошком, брикетируют, помещают в вертикальную реторту и нагревают в вакууме. Пары лития конденсируются в конденсаторе в твердом виде, а затем сплавляются в металлоприемник.

К недостаткам устройства относится необходимость переплавки полученного конденсата лития в контейнер, находящийся в зоне восстановления, что требует значительного охлаждения реторты и вызывает повышенный расход энергии и наличие экологических проблем, связанных с пылением при работе с тонкодисперсными материалами.

Ближайшим аналогом для второго объекта предложенного изобретения является устройство для получения лития, содержащее печь с горизонтально установленной в ней, по крайней мере, одной ретортой, имеющей зону нагрева и зону конденсации и подсоединенной к системам вакуумирования и циркуляции хладагента, при этом в нижней части зоны конденсации выполнено выходное отверстие, сообщающее ее с емкостью для сбора металла (RU 2149911 С1, опубл. 27.05.2000, кл. С 22 В 26/12).

К недостаткам устройства относится неполное использование объема реторты и ухудшенные условия прогрева исходной смеси и выхода из нее паров лития. Кроме того, устройство предполагает конденсацию металла только в жидком состоянии. В этом случае жидкий литий будет более десяти часов соприкасаться с материалом конденсатора и особенно приемника металла. Указанные материалы будут корродировать и загрязнять получаемый литий продуктами коррозии.

Ближайшим аналогом для третьего объекта предложенного изобретения является устройство для получения лития, содержащее печь с вертикально установленной в ней, по крайней мере, одной ретортой, имеющей зону нагрева и зону конденсации и подсоединенной к системам вакуумирования и циркуляции хладагента, при этом зона конденсации сообщена с емкостью для сбора металла (RU 2149911 С1, опублик. 27.05.2000, кл. С 22 В 26/12).

К недостаткам этого варианта устройства относятся такие же, которые перечислены в предыдущем варианте: неполное использование объема реторты и ухудшенные условия прогрева исходной смеси и выхода из нее паров лития. Кроме того, устройство предполагает конденсацию металла только в жидком состоянии. В этом случае жидкий литий будет более десяти часов соприкасаться с материалом конденсатора и особенно приемника металла. Указанные материалы будут корродировать и загрязнять получаемый литий продуктами коррозии.

В первом объекте изобретения достигается технический результат, заключающийся в повышении удельной производительности, снижении энергозатрат, сокращении количества технологических операций при значительном сокращении трудовых затрат, получении лития в литом состоянии более высокой чистоты.

Указанный технический результат достигается следующим образом.

Способ получения лития заключается в том, что готовят исходную смесь, содержащую карбонат лития, порошок алюминия и инертную алюмосодержащую добавку, предотвращающую расплавление исходной смеси, в количестве 5-20 мас.% от массы карбоната лития. Исходную смесь подвергают обработке в режиме совмещения процессов диссоциация - восстановление - расплавление, проводимой в три стадии. На первой стадии исходную смесь нагревают в вакууме в диапазоне температур 600-750^oС в течение 4-8 часов при остаточном давлении газов 10-50 Па. На второй стадии температуру полученной смеси также в вакууме повышают до 1000-1200^oС и при остаточном давлении менее 10 Па выдерживают в течение 8-12 ч. На третьей стадии полученный твердый конденсат лития расплавляют в аргоне при давлении 15-20 кПа и при температуре 300^oС в течение 1-2 ч. Литий сливают в металлоприемник.

В конкретных случаях реализации способа в качестве инертной алюмосодержащей добавки используют оксид алюминия или шлаки восстановительных плавок.

Способ получения лития, осуществляемый согласно настоящему изобретению, позволяет за счет режима совмещения процессов диссоциация - восстановление - расплавление уменьшить количество технологических операций и снизить энергозатраты.

Повышение удельной производительности достигается за счет использования более богатого по литию исходного соединения. По сравнению с прототипом, в котором используется, например, моноалюминат, содержание лития увеличивается с 10,6 до 31,2-46,7% в зависимости от количества вводимой инертной добавки.

Повышение удельной производительности и снижение энергозатрат достигается также за счет удаления на первой стадии СO₂ и получения при этом брикетов с хорошей пористостью, что значительно облегчает выход паров лития на второй стадии проведения способа.

Во втором объекте изобретения достигается технический результат, заключающийся в повышении удельной производительности устройства за счет увеличения используемого объема зоны нагрева и улучшения выхода газов из зоны нагрева, снижении энергозатрат, улучшении эксплуатационных качеств и безопасности работы с устройством, получении лития в литом состоянии более высокой чистоты. Указанный технический результат достигается следующим образом. Устройство для получения лития содержит печь с горизонтально установленной в ней, по крайней мере, одной ретортой, имеющей зону нагрева и зону конденсации. Реторта подсоединена к системам вакуумирования и циркуляции хладагента. В нижней части зоны конденсации выполнено выходное отверстие, сообщающее ее с емкостью для сбора металла.

Отличие устройства состоит в том, что внутри зоны конденсации установлен теплоэлектронагреватель. Внутри зоны нагрева концентрично установлена, по крайней мере, одна снабженная перфорированной крышкой цилиндрическая корзина для брикетированной смеси. Внутри корзины размещена перфорированная труба, диаметр которой составляет от одной четверти до одной трети диаметра реторты. Ось трубы расположена выше оси реторты. Размер перфорационных отверстий меньше размеров брикетов смеси. Реторта дополнительно подсоединена к системе подачи аргона.

В третьем объекте изобретения достигается технический результат, заключающийся в повышении удельной производительности устройства за счет увеличения используемого объема зоны нагрева и улучшения выхода газов из зоны нагрева, снижении энергозатрат, улучшении эксплуатационных качеств и безопасности работы с устройством за счет открытого охлаждения конденсататора, получении лития в литом состоянии более высокой чистоты.

Указанный технический результат достигается следующим образом.

Устройство для получения лития содержит печь с вертикально установленной в ней, по крайней мере, одной ретортой, имеющей зону нагрева и зону конденсации. Реторта подсоединена к системам вакуумирования и циркуляции хладагента. Зона конденсации сообщена с емкостью для сбора металла.

Отличие состоит в том, что зона конденсации снаружи снабжена съемным теплоэлектронагревателем. Внутри зоны нагрева концентрично установлена, по крайней мере, одна цилиндрическая корзина для брикетированной смеси. Внутри корзины концентрично установлена перфорированная труба, диаметр которой составляет от одной четверти до одной трети диаметра реторты. Размер перфорационных отверстий меньше размеров брикетов смеси. Реторта дополнительно подсоединена к системе подачи аргона. Система циркуляции хладагента выполнена по системе открытого орошения.

Емкость для сбора металла установлена внутри реторты.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 схематически представлен первый вариант предложенного устройства для получения лития и на фиг.2 схематически представлен второй вариант предложенного устройства для получения лития.

На фиг.1 показаны печь 1 с горизонтально установленной в ней, по крайней мере, одной ретортой 2, имеющей зону нагрева и зону конденсации. Реторта подсоединена к системе 3 циркуляции хладагента и системе 4 вакуумирования. В нижней части зоны конденсации выполнено выходное отверстие, сообщающее ее с емкостью 5 для сбора металла. Внутри зоны конденсации установлен теплоэлектронагеватель (ТЭН) 6. Внутри зоны нагрева концентрично установлена, по крайней мере, одна цилиндрическая корзина 7 для брикетированной смеси, снабженная перфорированной крышкой 8. Внутри корзины размещена перфорированная труба 9, диаметр которой составляет от одной четверти до одной трети диаметра реторты. Ось трубы расположена выше оси реторты, но при этом стенки трубы не касаются стенок реторты. Размер диаметра трубы 9 и смещение ее оси от оси реторты 2 выбраны с учетом обеспечения достаточно быстрой эвакуации газов, образующихся в зоне нагрева при диссоциации и восстановлении исходной смеси. Размер перфорационных отверстий на трубе 9 и крышке 8 меньше размеров брикетов смеси. Реторта 2 подсоединена также к системе 10 подачи аргона. В зоне конденсации размещены ловушка 11 для легколетучих примесей и конденсатор 12. Реторта снабжена охлаждаемой крышкой 13.

Второй вариант устройства для получения лития, показанный на фиг.2, содержит те же элементы, что и устройство по первому варианту. Отличия заключаются в следующем.

Реторта 2 расположена в печи 1 вертикально. При таком расположении реторты 2 исходная смесь удерживается в перфорированная корзине 7 без крышки 8, в связи с чем крышка корзины в этом варианте устройства не предусмотрена.

Внутри корзины 7 концентрично размещена перфорированная труба 9, диаметр которой составляет от одной четверти до одной трети диаметра реторты. Размер диаметра трубы и концентричное размещение ее в реторте также обеспечивают достаточно быструю эвакуацию газов, образующихся в зоне нагрева при диссоциации и восстановлении исходной смеси.

Охлаждение конденсатора 12 осуществляется с помощью системы 3 циркуляции хладагента, выполненной в этом варианте устройства по системе открытого орошения. При таком выполнении вода непосредственно стекает по стенкам реторты 2 и далее удаляется. Такое охлаждение позволяет осуществлять визуальный контроль за состоянием стенок реторты 2 и предотвращает попадание в нее воды в случае коррозии металла, что особенно опасно при вертикальном расположении реторты.

Во втором варианте устройства ТЭН 6 выполнен съемным и его устанавливают снаружи реторты 2.

По второму варианту выполнения устройства емкость 5 для сбора металла установлена внутри реторты 2.

Способ получения лития с помощью первого варианта устройства осуществляют следующим образом.

Готовят исходную смесь (шихту), содержащую карбонат лития, порошок алюминия, количество которого берут с избытком по отношению к оксиду лития на 40-60%, и инертную алюмосодержащую добавку, предотвращающую расплавление исходной смеси и ускоряющую процесс диссоциации, в количестве 5-20 мас.% от массы карбоната лития. В качестве инертной алюмосодержащей добавки используют, например, оксид алюминия или шлаки восстановительных плавок.

Использование в качестве инертной алюмосодержащей добавки шлаков восстановительных плавок уменьшает содержание в получаемом литии легколетучих примесей, таких как натрий, калий и магний, которые уже были удалены при первичном использовании исходных продуктов, а также уменьшает расход алюминия по крайней мере на 10-15% за счет использования алюминия, содержащегося в шлаке.

Приготовленную шихту брикетируют и помещают в цилиндрическую корзину 7 с размещенной в ней перфорированной трубой 9. Корзину 7 закрывают перфорированной крышкой 8 и устанавливают в зоне нагрева реторты 2, горизонтально размещенной в печи 1.

Предложенная конструкция для размещения шихты позволяет более полно использовать рабочий объем реторты 2, что увеличивает производительность устройства на 5-10% в зависимости от диаметра перфорированной трубы 9, а также ускоряет процесс перезагрузки.

Исходную смесь подвергают обработке в режиме совмещения процессов диссоциация - восстановление - расплавление, проводимой в три стадии.

На первой стадии, при которой происходит диссоциация исходной смеси, в зоне нагрева обеспечивают вакуум с помощью системы 4 вакуумирования и поддерживают температуру в диапазоне 600-750^oС в течение 4-8 ч при остаточном давлении газов 10-50 Па.

При диссоциации происходит разложение карбоната лития. Наличие газоотводящей перфорированной трубы способствует ускорению процесса удаления из обрабатываемой смеси (шихты) газов диссоциации, в частности СO₂, и получения при этом брикетов с хорошей пористостью, что значительно облегчает выход паров лития на второй стадии проведения способа.

На второй стадии, при которой происходит восстановление полученного в результате диссоциации оксида лития, температуру в зоне нагрева также в вакууме повышают до 1000-1200^oС и при остаточном давлении менее 10 Па выдерживают шихту в течение 8-12 ч.

В процессе восстановления пары лития из корзины 7 через перфорированную трубу 9 и крышку 8 поступают в зону конденсации, где осаждаются на стенках конденсатора, охлаждаемого с помощью системы 3 циркуляции хладагента.

Более легколетучие примеси проходят зону конденсации и осаждаются в ловушке 11.

Понижение давления до 2-5 Па означает окончание процесса восстановления.

Затем отключают систему 3 циркуляции хладагента и начинают проводить третью стадию - расплавление. Полученный в конденсаторе 12 твердый конденсат лития расплавляют в аргоне, поступающем по системе 10 подачи аргона, при давлении 15-20 кПа и при температуре 300^oС, поддерживаемой с помощью ТЭН 6 в течение 1-2 ч. Полученный жидкий литий сливают в емкость 5 для сбора металла.

Горизонтальная конструкция устройства позволяет работать при различных режимах конденсации: литий конденсируют как в твердом, так и в жидком состоянии Конденсация паров лития в твердом состоянии более предпочтительна, так как жидкий литий находится в соприкосновении с конструкционными материалами только в момент переплавки, а поддержание в этом случае более низкой температуры в конденсаторе улучшает кинетику отгонки паров лития за счет большего перепада температур в зоне восстановления и в зоне конденсации.

Способ получения лития с помощью второго варианта устройства осуществляют таким же образом, как описано выше.

Вследствие отличий в конструкции второго варианта устройства по окончании стадии восстановления отключают систему 3 циркуляции хладагента (воды) и снаружи реторты 2 устанавливают и включают съемный ТЭН 6. После этого литий сливают в емкость 5 для сбора металла, находящуюся непосредственно в реторте под конденсатором 12. Реторту вынимают из печи 1 и на ее место устанавливают новую.

В обоих вариантах устройства использование корзины 7 для размещения шихты с центральным расположением газоотводящей трубы 9 ускоряет процесс удаления из шихты газов диссоциации на первой стадии и паров лития на второй стадии, причем потоки газов и паров металла не пересекаются с тепловым потоком, предназначенным для прогрева шихты, и шихта прогревается со всех сторон по окружности более интенсивно и равномерно.

Оба варианта устройства позволяют при переплавке снизить потери металлов и предотвратить их загрязнение.

В таблице приведены конкретные примеры осуществления способа.

Формула изобретения

1. Способ получения лития, заключающийся в том, что готовят исходную смесь, содержащую карбонат лития, порошок алюминия и инертную алюмосодержащую добавку, предотвращающую расплавление исходной смеси, в количестве 5-20 мас. % от массы карбоната лития, исходную смесь подвергают обработке в режиме совмещения процессов диссоциация - восстановление - расплавление, проводимой в три стадии, при этом на первой стадии исходную смесь нагревают в вакууме в диапазоне температур 600-750^oС в течение 4-8 ч при остаточном давлении газов 10-50 Па, на второй стадии температуру полученной смеси также в вакууме повышают до 1000-1200^oС и при остаточном давлении менее 10 Па выдерживают в течение 8-12 ч, на третьей стадии полученный твердый конденсат лития расплавляют в аргоне при давлении 15-20 кПа и при температуре 300^oС в течение 1-2 ч и сливают в металлоприемник.

2. Способ по п. 1, заключающийся в том, что в качестве инертной алюмосодержащей добавки используют оксид алюминия или шлаки восстановительных плавок.

3. Устройство для получения лития, содержащее печь с горизонтально установленной в ней, по крайней мере, одной ретортой, имеющей зону нагрева и зону конденсации и подсоединенной к системам вакуумирования и циркуляции хладагента, при этом в нижней части зоны конденсации выполнено выходное отверстие, сообщающее ее с емкостью для сбора металла, отличающееся тем, что внутри зоны конденсации установлен теплоэлектронагреватель, а внутри зоны нагрева концентрично установлена, по крайней мере, одна снабженная перфорированной крышкой цилиндрическая корзина для брикетированной смеси, внутри которой размещена перфорированная труба, диаметр которой составляет от одной четверти до одной трети диаметра реторты, а ось перфорированной трубы расположена выше оси реторты, причем размер перфорационных отверстий меньше размеров брикетов смеси, при этом реторта дополнительно подсоединена к системе подачи аргона.

4. Устройство для получения лития, содержащее печь с вертикально установленной в ней, по крайней мере, одной ретортой, имеющей зону нагрева и зону конденсации и подсоединенной к системам вакуумирования и циркуляции хладагента, при этом зона конденсации сообщена с емкостью для сбора металла, отличающееся тем, что зона конденсации снаружи снабжена съемным теплоэлектронагревателем, а внутри зоны нагрева концентрично установлена, по крайней мере, одна цилиндрическая корзина для брикетированной смеси, внутри которой концентрично установлена перфорированная труба, диаметр которой составляет от одной четверти до одной трети диаметра реторты, причем размер перфорационных отверстий меньше размеров брикетов смеси, при этом реторта дополнительно подсоединена к системе подачи аргона, а система циркуляции хладагента выполнена по системе открытого орошения.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что емкость для сбора металла установлена внутри реторты.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3