Устройство для разделения смесей и сплавов

Изобретение относится к устройству для разделения смесей и сплавов на составляющие фракции, в частности для получения металлов высокой чистоты - до 99,99%, методом дистилляции в вакууме. Устройство для разделения смесей и сплавов методом вакуумной дистилляции содержит вакуумную камеру со средствами откачки, индуктор для нагрева тигля с исходным материалом и конденсатор, установленный над индуктором соосно с ним, высокочастотный водоохлаждаемый коаксиальный токоввод и колпак, тигель выполнен в виде стакана из теплоэлектроизолирующего материала, установлен соосно с индуктором и конденсатором, обращен открытой стороной к конденсатору и имеет по краю открытой стороны горизонтальный участок, высокочастотный водоохлаждаемый коаксиальный токоввод проходит через стенку вакуумной камеры и имеет внутренний провод для ввода высокого напряжения и внешний провод для ввода нулевого потенциала, электрически соединенный с корпусом вакуумной камеры, колпак окружает конденсатор со стороны, противоположной стороне, обращенной к стакану, и имеет внутренний диаметр больше внешнего диаметра конденсатора, а внешний диаметр - меньше внешнего диаметра края открытой стороны стакана и соединен со средствами откачки, индуктор выполнен в виде охватывающей стакан катушки, имеющей число витков более двух, верхний и нижний из которых короткозамкнуты и электрически соединены соответственно с внешним и внутренним проводами высокочастотного коаксиального водоохлаждаемого токоввода, конденсатор расположен над открытой стороной стакана и имеет внутренний диаметр больше внутреннего диаметра стакана. Конденсатор и окружающий его колпак могут быть установлены с возможностью перемещения в вертикальной и горизонтальной плоскостях, высокочастотный водоохлаждаемый коаксиальный токоввод и индуктор могут быть установлены с возможностью поворота вокруг горизонтальной оси токоввода. Технический эффект заключается в устранении возникновения разряда в широких диапазонах давления и напряжений, вследствие чего реализуются преимущества индукционного нагрева в сочетании с достоинствами вакуумной дистилляции. В частности, обеспечивается возможность проведения плавки легколетучих металлов, повышается производительность, обеспечивается сокращение потерь металла. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области металлургии разложения сплавов и смесей на составляющие фракции, в частности получения металлов высокой чистоты до 99,99%, из различных смесей и сплавов методом дистилляции в вакууме. Изобретение, в частности, позволяет разделять и очищать металлы непосредственно из вторичного сырья, восстанавливать металлы из их окислов, разделять исходные материалы по фракциям. Изобретение может быть использовано в устройствах утилизации отходов, проведения аффинажных процессов, глубокой переработки техногенного сырья.

Метод дистилляции в вакууме для получения чистых металлов и разделения смесей давно известен и используется, например, для рафинирования алюминиевых сплавов, получения скандия высокой чистоты и др. Преимущества дистилляции в вакууме - получение повышенного давления паров насыщения, в сочетании с преимуществами индукционного нагрева - возможности получения высокой концентрации энергии, обеспечивающей интенсивное перемешивание расплава, позволяют создавать высокотехнологичные производственные процессы получения особо чистых материалов. Однако при использовании для нагрева тигля с исходным материалом индукционного нагрева, как в любых вакуумных печах, возникает ряд проблем, которые ограничивают его применение. Прежде всего это проблема возникновения электрического пробоя между находящимися в вакууме частями установки с разными электрическими потенциалами. Даже при наличии электрической изоляции индуктора обычно вокруг его витков наблюдается фиолетовое свечение, связанное с появлением тлеющего разряда. Электрический разряд в вакууме может привести к повреждению индуктора, нарушению электрического режима и, как следствие, нестабильности технологического процесса.

Известно устройство, в котором описанная проблема решается за счет нанесения изоляции и экранирования витков индуктора [1]. Такая вакуумная индукционная печь включает вакуумную камеру, в которой расположен индуктор для нагрева тигля с исходным материалом в виде катушки, которая выполнена из медной водоохлаждаемой трубки, на поверхность которой нанесены последовательно: слой изоляции из термостойкого электроизоляционного материала (слои лака, на который намотан слой стеклоткани), экранирующий слой электропроводного материала (графитового лака). Экранирующий слой заземляют. В этом случае при напряжении 1500В и давлении 2·10^-3 мм рт.ст. разряда не возникает.

Основным недостатком такой конструкции является то, что при испарении вещества из тигля испаренное вещество распыляется во всем объеме камеры, оседает на разных частях технологической оснастки, в том числе на витках индуктора - возникает проводящий надет. Это приводит к большим обратимым и необратимым потерям металла. Поскольку в такой конструкции поле индуктора достаточно широко рассеяно в пространстве и ничем не ограничено, то внутри камеры возникают разряды. Кроме того, недостатками такой конструкции являются сложность, необходимость очень тщательного изготовления индуктора и, как следствие, удорожание, ограничение диапазона технологических возможностей.

Известно устройство для разделения смесей и сплавов методом вакуумной дистилляции ([2], прототип), включающее вакуумную камеру, индуктор для нагрева тигля с исходным материалом и конденсатор, установленный над индуктором соосно с ним. Индуктор выполнен в виде медной водоохлаждаемой катушки, которая запечена в изолированный материал и размещена в вакуумной камере.

Основным недостатком такой конструкции является то, что при испарении вещества из тигля не все испаренное вещество оседает на конденсаторе; часть его распыляется в объеме камеры, оседает на ее стенках и разных частях технологической оснастки, в том числе образуется проводящий налет между шинами индуктора. В результате не устраняется возможность возникновения разряда между стенками камеры и индуктором; что существенно ограничивает технологические возможности и возникают большие обратимые и необратимые потери металла.

Задача, решаемая предлагаемым изобретением, - расширение технологических возможностей при простоте конструкции.

Технический эффект, обеспечивающий решение задачи, заключается в устранении возникновения разряда в широких диапазонах давления и напряжений, вследствие чего реализуются преимущества индукционного нагрева в сочетании с достоинствами вакуумной дистилляции. В частности, обеспечивается возможность проведения плавки легколетучих металлов, повышается производительность, обеспечивается сокращение потерь металла.

Поставленная задача решается тем, что в известное устройство для разделения смесей и сплавов методом вакуумной дистилляции, включающее вакуумную камеру, индуктор для нагрева тигля с исходным материалом и конденсатор, установленный над индуктором соосно с ним, в отличие от известного дополнительно включены высокочастотный водоохлаждаемый коаксиальный токоввод, стакан из теплоэлектроизолирующего материала и колпак, при этом высокочастотный водоохлаждаемый коаксиальный токоввод проходит через стенку вакуумной камеры и имеет внутренний провод, служащий для ввода высокого напряжения, и внешний провод, служащий для ввода нулевого потенциала и электрически соединенный с корпусом вакуумной камеры, причем стакан установлен соосно с индуктором и конденсатором, обращен открытой стороной к конденсатору и имеет по краю открытой стороны горизонтальный участок, также при этом колпак окружает конденсатор со стороны, противоположной стороне, обращенной к стакану, и имеет внутренний диаметр больше внешнего диаметра конденсатора, а внешний диаметр меньше внешнего диаметра горизонтального участка края открытой стороны стакана и также колпак соединен со средствами откачки, кроме того индуктор выполнен в виде охватывающей стакан катушки, имеющей число витков более двух, верхний и нижний из которых - короткозамкнуты и электрически соединены соответственно с внешним и внутренним проводами высокочастотного коаксиального водоохлаждаемого токоввода, а конденсатор расположен над открытой стороной стакана и имеет внутренний диаметр больше внутреннего диаметра стакана. Конденсатор и окружающий его колпак могут быть установлены с возможностью перемещения в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Также высокочастотный водоохлаждаемый коаксиальный токоввод и индуктор могут быть установлены с возможностью поворота вокруг горизонтальной оси токоввода. Это обеспечивает возможность разлива кубового остатка металла в специальные изложницы внутри камеры.

Предлагаемая конструкция (совокупность признаков) является новой, так как в настоящее время не известны аналогичные устройства, характеризуемые приведенной совокупностью признаков. Отличиями заявляемого устройства являются наличие новых конструктивных элементов, форма их выполнения и взаимосвязи между ними.

Сущность предлагаемого решения заключается в том, что отличия предлагаемой конструкции обеспечивают сокращение поля рассеяния индуктора и исключение рассеяния испаряемого вещества внутрь общей вакуумной камеры за пределами колпака. Это приводит к достижению указанного технического эффекта - устранению возможности возникновения разряда в широких диапазонах давления и напряжений, сокращению потерь металла и, как следствие, расширению технологических возможностей. Таким образом, указанный технический эффект достигается новой, не известной из уровня техники совокупностью конструктивных признаков.

Сущность изобретения поясняется приведенным на чертеже схематическим изображением конкретного варианта предлагаемого устройства, где

1 - вакуумная камера,

2 - водоохлаждаемый коаксиальный токоввод,

3 - внутренний провод водоохлаждаемого коаксиального токоввода 2,

4 - внешний провод водоохлаждаемого коаксиального токоввода 2,

5 - вакуумное уплотнение,

6 - стакан из тепло- и электроизолирующего материала,

7 - горизонтальный участок по краю открытой стороны стакана 6,

8 - индуктор,

9 - верхний виток индуктора 8,

10 - нижний виток индуктора 8,

11 - конденсатор,

12 - колпак.

Предлагаемое устройство включает вакуумную камеру 1, через стенку которой через уплотнение 5 проходит высокочастотный водоохлаждаемый коаксиальный токоввод 2. Токоввод 2 имеет внутренний провод 3, служащий для ввода высокого напряжения, и внешний провод 4, служащий для ввода нулевого потенциала и электрически соединенный с корпусом вакуумной камеры 1. Внутри камеры 1 установлен стакан 6 из тепло- и электроизолирующего материала, имеющий горизонтальный участок 7 по краю открытой стороны стакана 6. Индуктор 8 в виде катушки охватывает стакан 6. Катушка индуктора 8 состоит, например, из трех витков, верхний виток 9 и нижний виток 10 которой короткозамкнуты и электрически соединены соответственно с внешним 4 и внутренним 3 проводами высокочастотного коаксиального токоввода 2. Конденсатор 11 расположен над стаканом 6 соосно с ним и имеет диаметр больше внутреннего диаметра стакана. Колпак 12 расположен соосно над конденсатором 11, окружает его и имеет внешний диаметр больше диаметра конденсатора, но меньше внешнего диаметра горизонтального участка 7 стакана. Колпак 12 соединен со средствами откачки. Конденсатор 11 и окружающий его колпак 12 могут быть выполнены с возможностью поворота в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Высокочастотный водоохлаждаемый коаксиальный токоввод 2 и индуктор 8 с размещенным внутри стаканом могут быть установлены с возможностью поворота вокруг горизонтальной оси токоввода.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Исходный материал (сплав) загружают в тигель, который устанавливают внутри стакана. Устанавливают конденсатор над стаканом, опускают колпак. Герметизируют вакуумную камеру, производят откачку воздуха из камеры. Включают откачку воздуха из колпака. Включают питание индуктора, нагревают тигель до заданной температуры, при которой испаряется одна из фракций сплава. Процесс конденсации может контролироваться по времени, по изменениям вакуума или температуры. После окончания процесса испарения фракции отключают индуктор, камеру заполняют воздухом или инертным газом и вскрывают камеру. Колпак поднимают, конденсатор поднимают вверх и смещают в сторону, снимают конденсат.

Примером конкретного применения может служить установка для получения чистого серебра из сплавов благородных металлов. Конструкция такой установки соответствует приведенной на чертеже. Камера выполнена из нержавеющей стали 1X18Н9Т. Высокочастотный водоохлаждаемый коаксиальный токоввод проходит через стенку вакуумной камеры и имеет внутренний провод для ввода высокого напряжения и внешний провод для ввода нулевого потенциала и электрически соединен с корпусом вакуумной камеры. Стакан выполнен из асбоцемента, имеет высоту 80 мм, диаметр 100 мм, толщину стенки 10 мм. Индуктор выполнен в виде охватывающей стакан катушки из медной трубки марки M1 диаметром 10 мм, имеет 6 витков, верхний и нижний из которых короткозамкнуты и электрически соединены соответственно с внешним и внутренним проводами высокочастотного коаксиального водоохлаждаемого токоввода. Конденсатор и колпак имеют цилиндрическую форму. Конденсатор имеет развитую - выпуклую или вогнутую - поверхность, обращенную к расплаву. Колпак выполнен из меди марки M1.

Таким образом видно, что предлагаемое устройство имеет широкие технологические возможности при простоте конструкции. Устранена возможность возникновения разряда внутри камеры в широких диапазонах давления и напряжений, вследствие чего реализуются преимущества индукционного нагрева в сочетании с достоинствами вакуумной дистилляции.

Источники информации

1. Б.В.Линчевский. Вакуумная индукционная плавка. - Москва, "Металлург", 1975, с.166-167.

2. JP 3319056 В2, С2В 19/30, оп. 26.08.2002.

1. Устройство для разделения смесей и сплавов методом вакуумной дистилляции, содержащее вакуумную камеру со средствами откачки, индуктор для нагрева тигля с исходным материалом и конденсатор, установленный над индуктором соосно с ним, отличающееся тем, что оно снабжено высокочастотным водоохлаждаемым коаксиальным токовводом, колпаком и стаканом из теплоэлектроизолирующего материала, установленным соосно с индуктором и конденсатором, стакан обращен открытой стороной к конденсатору и имеет по краю открытой стороны горизонтальный участок, высокочастотный водоохлаждаемый коаксиальный токоввод проходит через стенку вакуумной камеры и имеет внутренний провод для ввода высокого напряжения и внешний провод для ввода нулевого потенциала, электрически соединенный с корпусом вакуумной камеры, колпак окружает конденсатор со стороны, противоположной стороне, обращенной к стакану, и имеет внутренний диаметр больше внешнего диаметра конденсатора, а внешний диаметр - меньше внешнего диаметра края открытой стороны стакана и соединен со средствами откачки, индуктор выполнен в виде охватывающей упомянутый стакан катушки с числом витков более двух, верхний и нижний из которых короткозамкнуты и электрически соединены соответственно с внешним и внутренним проводами высокочастотного водоохлаждаемого коаксиального токоввода, конденсатор расположен над открытой стороной стакана и имеет внутренний диаметр больше внутреннего диаметра стакана.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что конденсатор и окружающий его колпак установлены с возможностью перемещения в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что высокочастотный водоохлаждаемый коаксиальный токоввод и индуктор установлены с возможностью поворота вокруг горизонтальной оси токоввода.