Совмещенный карботермический способ получения кальция из карбоната
Владельцы патента RU 2501871:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" (RU)
Изобретение относится к металлургии, а именно к способу получения кальция, в режиме совмещенного карботермического восстановления карбоната кальция в вакууме. Способ включает приготовление шихты из карбоната кальция, преимущественно из химически осажденного мела или высококачественных отсевов при получении известняков, и углерода, преимущественно из оборотного графита, получаемого на конечной стадии совмещенного карботермического процесса. При этом исходную шихту брикетируют, помещают в печь и нагревают в вакууме ступенчато в одном аппарате в три стадии. На первой стадии проводят диссоциацию карбоната кальция в присутствии углерода при нагреве в диапазоне температур 600-700°C в течение 2-4 часов и остаточном давлении 40-50 Па с удалением монооксида углерода. На второй осуществляют синтез карбида кальция (CaC2) при 1400-1500°C и давлении 100-150 Па с удалением монооксида углерода, на третьей - диссоциацию карбида кальция с получением элементарного кальция и графита при 1300-1400°C и давлении менее 10 Па. Технический результат изобретения заключается в повышении удельной производительности, сокращении технологических операций и использовании дешевого восстановителя - углесодержащих материалов. Экологический эффект изобретения заключается в отсутствии отходов - получающийся на последней стадии углерод представляет собой чистый графит и может быть использован по назначению или для получения исходной смеси - карбонат кальция + углерод. 1 табл.
Изобретение относится к металлургии и касается способа получения кальция. Изобретение может быть использовано для получения щелочных и щелочно-земельных металлов, но преимущественно оно предназначено для получения кальция при использовании совмещенного карботермического способа восстановления. Способ состоит из трех стадий: диссоциации карбоната кальция в присутствие углерода с получением шихты оксид кальция - углерод; на второй стадии происходит синтез карбида кальция с последующим его разложением на третьей стадии на металлический кальций и углерод, причем все три стадии проводятся в одном цикле и в одном аппарате.
Наиболее близким, принятым за прототип, является Способ получения кальция и устройство для его получения (Патент Российской Федерации №2205241 от 15.03. 2002 г. Бюллетень изобретений №19 от 16 марта 2003 г).
Недостатком данного способа является использование в качестве восстановителя порошка алюминия, стоимость которого в настоящее время достаточно высока, его расход составляет 45-50 кг на кг получаемого кальция, и при этом доля восстановителя в себестоимости составляет более 40%.
Недостатком способа является также невозможность получения высоких извлечений кальция из исходного сырья. Процесс восстановления идет через образование все более бедных по кальцию алюминатов кальция. При этом кальций из более бедных алюминатов не может быть восстановлен из-за термодинамических ограничений. Теоретическое извлечение кальция при низкотемпературном процессе не превышает 65%, при высокотемпературном - не выше 75%. На практике извлечение не достигает 62-72%.
Недостатком способа является также повышенный расход алюминия за счет его частичного (5-6%) окисления диоксидом углерода при диссоциации карбоната кальция на первой стадии процесса восстановления.
Недостатком способа является также большой объем шлаков после алюминотермического восстановления, составляющий 1.5 т на т получаемого кальция, что снижает удельную производительность аппаратов восстановления и необходимость вывоза и утилизации шлаков
Известен способ получения кальция из технического карбида кальция (Доронин Н.А. Кальций. - М.: Госатомиздат, 1962. - 190 с).
Недостатком данного способа является использование технического карбида кальция, получаемого в руднотермических печах из обожженной извести металлургического класса, где содержание оксидов CaO+MgO не превышает 85-88%. Технического карбид кальция из такого сырья содержит до 25% примесей (в основном оксиды кальция и магния), что снижает удельную производительность аппаратов восстановления и нарушает технологический процесс.
Недостатком способа является также невозможность получения кальция высокой степени чистоты из-за прохождения побочных реакций с примесями, содержащимися в техническом карбиде кальция.
Недостатком способа является также необходимость предварительного выделения продуктов побочных реакций, что снижают извлечение кальция из карбида кальция за счет его потерь с отходами, также усложняет конструкцию конденсатора.
В основу изобретения поставлена задача создания способа получения кальция, позволяющего использовать более дешевый восстановитель, повысить удельную производительность, сократить количество технологических операций, снизить энергозатраты.
Поставленная задача решается таким образом, что приготовление шихты ведут из карбоната кальция, преимущественно из химически осажденного мела или высококачественных отсевов при получении известняков, и углерода в качестве восстановителя, преимущественно из оборотного графита, получаемого на конечной стадии, при этом исходную брикетируют и нагрев в вакууме проводят ступенчато в одном аппарате в три стадии, причем на первой стадии осуществляется диссоциация карбоната кальция в присутствии углерода при нагреве в диапазоне температур 600-700°C в течение 2-4 часов и остаточном давлении газов 40-50 Па с удалением монооксида углерода, на второй стадии - синтез карбида кальция (CaC2) при температуре 1400-1500°C и давлении 100-150 Па с удалением монооксида углерода, на третьей - диссоциация карбида кальция с получением элементарного кальция и углерода в виде графита при 1300-1400°C и давлении менее 10 Па.
Кальций является готовой продукцией, а углерод используется для подготовки шихты для первой стадии процесса, что на 50% снижает потребность в углероде.
Получаемый на последней стадии углерод обладает свойствами графита и при необходимости и при потребности может быть использован по назначению, как готовая продукция. Таким образом, совмещенный карботермический процесс получения кальция имеет только газовые выбросы, состоящие из преимущественно из диоксида углерода, и не имеет твердых отходов.
В таблице приведены конкретные примеры осуществления способа.
| № | Состав шихты | Стадии | Температура, °C | Давление, Па | Время, час | Извлечение Ca, % |
| 1 | CaCO3+4C | 1 | 600-700 | 40-50 | 2 | |
| 2 | 1400-1500 | 100-150 | 4 | |||
| 3 | 1300-1350 | Менее 10 | 8 | 97 |
Способ получения кальция в режиме совмещенного карботермического восстановления карбоната кальция в вакууме, включающий приготовление шихты из карбоната кальция и углерода, брикетирование ее и нагрев в вакууме ступенчато в одном аппарате в три стадии, на первой из которых проводят диссоциацию карбоната кальция в присутствии углерода при нагреве в диапазоне температур 600-700°C в течение 2-4 ч и остаточном давлении 40-50 Па с удалением монооксида углерода, на второй - синтез карбида кальция (CaC2) при 1400-1500°C и давлении 100-150 Па с удалением монооксида углерода и на третьей - диссоциацию карбида кальция с получением элементарного кальция и графита при 1300-1400°C и давлении менее 10 Па, при этом приготовление шихты ведут из карбоната кальция, преимущественно из химически осажденного мела или высококачественных отсевов при получении известняков, и углерода, преимущественно из оборотного графита, получаемого на третьей стадии совмещенного карботермического процесса.
