Способ получения металла карботермическим восстановлением оксида металла и реактор для осуществления способа



Способ получения металла карботермическим восстановлением оксида металла и реактор для осуществления способа
Способ получения металла карботермическим восстановлением оксида металла и реактор для осуществления способа
Способ получения металла карботермическим восстановлением оксида металла и реактор для осуществления способа
Способ получения металла карботермическим восстановлением оксида металла и реактор для осуществления способа
Способ получения металла карботермическим восстановлением оксида металла и реактор для осуществления способа
Способ получения металла карботермическим восстановлением оксида металла и реактор для осуществления способа
Способ получения металла карботермическим восстановлением оксида металла и реактор для осуществления способа
Способ получения металла карботермическим восстановлением оксида металла и реактор для осуществления способа
Способ получения металла карботермическим восстановлением оксида металла и реактор для осуществления способа
Способ получения металла карботермическим восстановлением оксида металла и реактор для осуществления способа
Способ получения металла карботермическим восстановлением оксида металла и реактор для осуществления способа
Способ получения металла карботермическим восстановлением оксида металла и реактор для осуществления способа
Способ получения металла карботермическим восстановлением оксида металла и реактор для осуществления способа

 


Владельцы патента RU 2536709:

КОММОНВЕЛТ САЙЕНТИФИК ЭНД ИНДАСТРИАЛ РИСЕРЧ ОРАНАЙЗЕЙШН (AU)

Группа изобретений относится к получению металла карботермическим восстановлением оксида металла. Способ включает карботермическое восстановление оксида металла для получения смешанного газового потока, содержащего металл и оксид углерода, поддержание смешанного газового потока при повышенной температуре, достаточной для предотвращения повторного образования оксида металла, выпуск смешанного газового потока из реактора через присоединенное к нему суживающееся-расширяющееся сопло для мгновенного охлаждения этого потока до температуры, при которой не происходит повторное образование оксида металла, отделение и сбор металла. Сопло дополнительно нагревают за счет непосредственного взаимодействия с реактором, и/или за счет использования системы индукционного нагрева, и/или за счет прямой теплопередачи. Температуру поверхности сопла, находящейся в контакте со смешанным газовым потоком, поддерживают на уровне, достаточном для предотвращения осаждения на указанной поверхности продуктов из указанного смешанного газового потока. Реактор содержит суживающееся-расширяющееся сопло для выпуска смешанного газового потока, выполненное с возможностью упомянутого нагрева. Обеспечивается исключение образования осадка на поверхности сопла. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 13 ил., 1 пр.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу получения металлов посредством карботермического восстановления соответствующих оксидов металла и к устройству (реактору) для его осуществления.

Предполагается, что настоящее изобретение, в частности, будет использоваться в производстве магния из оксида магния, и изобретение будет описываться, в частности, со ссылкой на производство магния. Однако предполагается, что принципы, положенные в основу настоящего изобретения, могут применяться для производства широкого ряда металлов, и поэтому настоящее изобретение и его описание не должны рассматриваться как ограниченные до производства магния. Например, изобретение также может быть использовано для производства марганца, кальция, кремния, бериллия, алюминия, бария, стронция, железа, лития, натрия, калия, цинка, рубидия и цезия посредством карботермического восстановления.

Уровень техники

Получение металлического магния из его оксида посредством карботермического восстановления хорошо известно примерно на протяжении столетия. Основой способа является быстрое охлаждение продуктов реакции (оксида углерода и паров магния) до температуры ниже температуры, при которой имеет место обратная реакция (примерно 400°С). Один из предложенных способов для обеспечения требуемого охлаждения заключался в продувке газов продуктов через суживающееся-расширяющееся сопло при сверхзвуковой скорости. Это приводит к быстрому расширению газов и немедленному охлаждению, как требуется (приблизительно со скоростью 105 °С·с-1). Примеры этого подхода включают в себя описание из Hori (US 4147534 и US 4200264). Для предотвращения обратной реакции Hori указывает, что тепловое регулирование газов продуктов является важным на протяжении всего процесса от реакторной камеры до места сбора продуктов с помощью сопла.

Несмотря на общий подход, рекомендованный Hori, было установлено, что твердые частицы склонны к образованию осадка и накапливанию на внутренних поверхностях сопла, находящихся в контакте с газообразными продуктами, протекающими через сопло. Это может привести к ухудшению характеристик сопла и, что еще хуже, к его засорению. Засорение ведет к потенциально небезопасным условиям эксплуатации (из-за создания повышенного давления), и позднее возникает необходимость в остановке производства и рассверливании или замене сопла. В описании Hori не сообщается о засорении, и причины этого полностью не выяснены. Это может быть связано с тем, что способы выполнялись только в малом объеме и/или с использованием относительно беспримесных взаимодействующих веществ (примеси могут увеличить проблему засорения). Следует отметить, что способ, предлагаемый Hori, не был внедрен в промышленном масштабе.

Также следует упомянуть описание из Donaldson, A and Cordes, R A, Rapid Plazma Quenching for the Production of Ultrafine Metal and Ceramic Powders, JOM, 2005:57(4), pp.58-63. Здесь описывается предварительный нагрев охлаждаемого сопла при экспериментальном производстве алюминия в плазменном реакторе. Предварительный нагрев выполняется при пуске посредством подачи горячего аргона из реакционной печи через сопло. При звуковых условиях такой нагрев наилучшим образом обеспечивал бы достижение температуры поверхностей сопла при равновесии с потоком газа, проходящим через сопло. Авторы настоящего изобретения установили, что предварительный нагрев сопла, используя поток газа по Donaldson и Cordes, может быть недостаточным для получения и поддержания требуемой температуры с целью предотвратить проблемы с образованием осадков, в частности, при производстве металлов, отличных от алюминия, например магния.

Кроме того, Donaldson и Cordes упоминают предварительный нагрев сопла только при пуске. Предположительно, температура газа на выходе из реакционной печи должна поддерживать температуру сопла. Однако авторы настоящего изобретения установили, что это не является надежным способом для предотвращения проблем с образованием осадка.

На этом фоне было бы желательно предложить способ и реактор, который обеспечивал бы внедрение описываемого способа карботермического восстановления в промышленном масштабе и который уменьшил бы и, предпочтительно, исключил проблемы с образованием осадка, в общем, для производства ряда металлов, в частности магния.

Раскрытие изобретения

Соответственно, настоящее изобретение предлагает способ получения металла, включающий:

карботермическое восстановление соответствующего оксида металла для получения смешанного газового потока, содержащего металл и оксид углерода;

поддержание смешанного газового потока при соответствующей повышенной температуре, достаточной для предотвращения повторного образования оксида металла;

продувку смешанного газового потока через суживающееся-расширяющееся сопло для мгновенного охлаждения смешанного газового потока до температуры, при которой не может происходить повторное образование оксида металла; и

отделение и сбор металла,

причем сопло нагревают с помощью средства, отличного от потока газа, проходящего через сопло, так что температуру поверхности сопла, находящейся в контакте со смешанным газовым потоком, поддерживают на уровне, который является достаточным для предотвращения осаждения на указанной поверхности продуктов из газового потока.

Важным аспектом настоящего изобретения является способ, с помощью которого нагревается сопло. Таким образом, согласно настоящему изобретению нагрев сопла выполняется с помощью средства, отличного от потока газа, проходящего через сопло. Другими словами, в настоящем изобретении тепло подается к соплу в добавление к теплу, подаваемому к соплу газовым потоком. Как объясняется далее, такой нагрев (т.е. нагрев в добавление к нагреву с помощью газового потока) может обеспечиваться за счет непосредственного теплового взаимодействия имеющего соответствующую проводимость сопла с расположенным до него присоединенным к нему карботермическим реактором (например, с помощью индуктивного поля реактора, посредством использования системы индуктивного нагрева, посредством прямой теплопередачи, например непосредственного нагрева и т.п.). Могут использоваться комбинации способов нагрева.

Следует также отметить, что подход, принятый в настоящем изобретении (поддержание температуры сопла на уровне, соответствующем достаточно высокой температуре для предотвращения осаждения), фактически, представляет собой неожиданное отклонение от стандартного подхода, поскольку расширение газов продукта, проходящих через сопло, рассматривается как адиабатический процесс, т.е. не оказывающий влияния на температуру сопла. В этом случае (и при условии, что газовый поток, подаваемый в сопло, имеет температуру выше температуры обратной реакции) является неожиданным, что забивание не будет происходить, и, кроме того, является неожиданным то, что дополнительный нагрев сопла окажет какое-либо практическое влияние на проблему засорения/осаждения осадка. Однако в противоположность такому подходу авторы настоящего изобретения установили, что во время осуществления способа температура сопла может изменяться (уменьшаться) по его длине от входа до выхода. Эффект состоит в том, что сопло может вызывать чрезмерное охлаждение газового потока, и это охлаждение может приводить к конденсации и осаждению на (внутренних поверхностях) сопла частиц, присутствующих в газовом потоке. Таким образом, авторы настоящего изобретения предлагают, чтобы тщательное регулирование температуры сопла рассматривалось как весьма важный фактор надежной работы сопла. Это было дополнительно подтверждено расчетными исследованиями гидродинамики работы сопла, которые указывают на весьма значительный температурный градиент через поток газа. Этот эффект также был подтвержден экспериментальными работами.

Если газовый поток, проходящий через сопло, используется для передачи тепла соплу, по существу, максимальная температура, которая может быть достигнута соплом, будет установившейся температурой самого газа (предполагая, что сопло полностью изолировано и не теряет тепла). Однако, как указано выше, неожиданно было установлено, что температура сопла является более низкой, чем установившаяся температура газа, что может привести к проблемам образования осадка. Кроме того, сама температура газа может быть недостаточной для предотвращения осаждения. Нагрев сопла в соответствии с настоящим изобретением предотвращает эти проблемы и позволяет поддерживать температуру сопла на уровне любой температуры, подходящей для предотвращения образования осадка независимо от газа, протекающего через сопло. Это является значительным преимуществом по сравнению с подходом, принятым по Donaldson и Cordes, как указано выше.

Можно было бы ожидать, что нагрев сопла в соответствии с настоящим изобретением уменьшит общую эффективность охлаждения сопла и поэтому увеличит вероятность обратных реакций. Однако, к удивлению, было установлено, что это не является верным, и что характеристики сопла относительно скорости охлаждения не подвергаются воздействию.

Краткое описание чертежей

Варианты выполнения настоящего изобретения показаны со ссылкой на приложенные неограничивающие чертежи, на которых:

фиг.1 - полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа отраженное изображение поперечного сечения засора в масштабе, используемом также и для фиг.2-6;

фиг.2 - изображение кальция (Са) в засоре сопла (здесь и на фиг.3-6 светлота указывает на концентрацию изображенного элемента);

фиг.3 - изображение железа (Fe) в засоре сопла;

фиг.4 - изображение кремния (Si) в засоре сопла;

фиг.5 - изображение магния (Mg) в засоре сопла; и

фиг.6 - изображение кислорода (О) в засоре сопла;

фиг.7 - полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа отраженное изображение поперечного сечения, показывающее увеличение засорения и необратимое закупоривание потока;

фиг.8 - полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа отраженное изображение поперечного сечения после эксплуатации с дополнительным нагревом, показывающее незначительное засорение;

фиг.9 - схематическое изображение, показывающее реакционную камеру и сопло в сборе; приводится изображение реакционной камеры дуговой печи и специального индукционного нагревательного устройства для поддержания температуры сопла;

фиг.10 - схематическое изображение, показывающее реактор в сборе и сопло; приводится изображение индукционного нагрева печи и местоположения сопла для обеспечения отдельно контролируемого индукционного нагрева поверхности сопла;

фиг.11 - схематическое изображение, показывающее реактор в сборе и сопло; приводится изображение положения сопла, по большей части в реакционной камере, для поддержания температуры поверхности;

фиг.12 - данные по газовому потоку для экспериментов TMG-84, 85 и 88-89. Отсутствие дополнительного нагрева сопла стало причиной катастрофического и необратимого засорения сопла, и эксперименты были прекращены на ранней стадии;

фиг.13 - данные по газовому потоку для экспериментов TMG-87 и 91-95. Был предусмотрен дополнительный прямой нагрев сопла, и диаграмма показывает, что может быть обеспечена надежная эксплуатация за счет поддержания температуры горловины выше 1600°С.

Осуществление изобретения

Полагают, что существует ряд механизмов, за счет которых образуется осадок на соответствующих поверхностях сопла. Первый из них относится к началу процесса и соответствующим условиям, существующим при пуске. Остальные же относятся к установившемуся режиму работы во время карботермического процесса. По варианту выполнения изобретения во время пуска, а также при установившемся режиме работы может потребоваться нагрев сопла. Во время пуска через сопло может продуваться горячий инертный газ для подачи дополнительного тепла, как здесь описывается. По альтернативному варианту выполнения во время пуска температура сопла повышается за счет предварительного нагрева перед продуванием газа через сопло. Это позволяет предотвратить образование осадка до того, как будут обеспечены условия установившегося режима работы (температура).

Фиг.1 - полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа отраженное изображение поперечного сечения засора с видимой в верхней части стенкой графитового сопла. Рядом со стенкой можно наблюдать блестящий осадок, который, главным образом, представляет собой кальций, железо и кремний (см. фиг.2-4). Эти частицы осаждаются во время начала процесса.

Оставшаяся часть осадка, главным образом, представляет собой магний (фиг.5), представленный в виде оксида (фиг.6), который постепенно осаждается при установившемся режиме работы сопла.

Первоначально и при относительно низких температурах определенные примеси в исходных материалах (оксид металла), например Са, Fe и Si, в случае восстановления оксида магния будут способны к карботермическому восстановлению. Восстановление таких оксидов, перечисленных выше в качестве примера, происходит при температуре 500-1000°С, что значительно ниже температуры, при которой может быть восстановлен оксид магния. На этом этапе сопло достигает предполагаемой рабочей температуры и, тем самым, переохлаждается. В сопле конденсируются пары металлических примесей, что приводит к началу процесса засорения (фиг.2-4).

По варианту выполнения настоящего изобретения сопло нагревается так, что в этот критический момент предотвращается конденсация паров металлов. По этому варианту выполнения температура сопла может быть повышена, как требуется, перед продувкой газов через сопло из карботермического реактора, предусмотренного перед соплом, так чтобы во время протекания газа через сопло оно уже имело температуру выше температуры, при которой происходит конденсация частиц. В этом отношении критическая температура будет зависеть от состава исходного материала и может быть определена на основе такого состава. После необходимого повышения температуры сопла газы из реактора, расположенного выше по технологическому потоку, могут проходить через сопло без риска осаждения твердых частиц в сопле. Обычно температура (соответствующих поверхностей) сопла поддерживается выше 1100°С, например выше 1300°С.

По этому варианту выполнения нагрев сопла может выполняться с помощью какого-либо соответствующего средства, включая электрический нагрев, индукционный нагрев, прямой наружный конвективный нагрев, или какого-либо другого средства, пригодного для материалов и конструкции сопла.

При температуре выше 1700°С образуются магний и пар СО вместе с примесями, такими как Аl, Мn и S, которые могут образовываться в результате восстановления соответствующих оксидов при таких высоких температурах. Если температура соответствующих поверхностей сопла будет ниже температуры конденсации любых из этих частиц, будет иметь место конденсация и в сопле будут образовываться осадки (фиг.5 и 6).

Кроме того, образующиеся за счет обратной реакции оксидные продукты, возвращающиеся к исходному состоянию, например CaO, SiO2, MgO и С, стабильны при высоких температурах и не могут вытесняться сразу же после их образования в сопле. Таким образом, температура сопла должна поддерживаться выше критических температур обратной реакции для этих частиц и любых других, которые, вероятно, осаждаются при таких температурных условиях.

Образование осадков в сопле является очень значительным, поскольку даже небольшие количества осадков могут препятствовать протеканию газа через сопло, расширяя граничный слой и приводя к турбулентности и увеличенному протеканию обратной реакции, при этом твердые продукты будут способствовать дополнительному осаждению и возможному засорению. Фиг.7 показывает постепенное и полное засорение, являющееся следствием этого процесса.

По настоящему изобретению установлено, что поддержание температуры поверхности сопла выше критических температур конденсации для любых и всех газообразных частиц, протекающих через сопло, является существенным для надежной работы сужающегося-расширяющегося сопла (фиг.8). Таким образом, минимальная температура поверхностей сопла, которые контактируют с газами, протекающими через сопло, всегда должна быть достаточной для предотвращения в любой момент конденсации частиц, присутствующих в газе.

Настоящее изобретение может быть осуществлено с помощью такого же базового способа и компонентов/реактора, как описано выше в Hori. Однако принципиальным отличием по сравнению с таким традиционным подходом является то, что по настоящему изобретению выполняются специальные действия для нагрева сопла до соответствующей высокой температуры и поддержания сопла при этой высокой температуре. В этом контексте изобретение основано на нагреве сопла, помимо эффекта нагрева от протекания газа через сопло. Такой подход не потребовался бы, если бы сопло работало адиабатически, когда через него протекает горячий газ. Однако авторы настоящего изобретения установили, что «пассивный» нагрев сопла только за счет протекания газа не позволяет предотвратить образование осадков в сопле.

По настоящему изобретению температура сопла может регулироваться, как требуется, с помощью ряда различных подходов. По первому варианту выполнения и как указано выше, сопло может быть нагрето с помощью нагревательного устройства, связанного с соплом и специально предназначенного для этого. Например, сопло может быть нагрето с помощью индукционных катушек, расположенных вокруг сопла.

По варианту выполнения, показанному на фиг.9, гранулированные реагенты подаются из бункера (1) через направляющую трубу в главный реактор. Дуговая печь заключена в стальной кожух (3), облицованный соответствующим огнеупором (4) и подовым материалом (5). Электроды (6) обеспечивают нагрев печи. Индукционные катушки (7), имеющие управление, независимое от температуры печи, и заключенные в дополнительный огнеупор (8), обеспечивают нагрев сужающегося-расширяющегося сопла (9) для предотвращения образования осадка и засорения. Количество реагентов (10) поддерживается на соответствующем уровне для оптимизации реакции.

Однако по другому варианту выполнения сопло может получать тепло, находясь близко к реактору, в котором происходит реакция карботермического восстановления. В этом случае сопло получает тепло за счет расположения, по меньшей мере частичного, в нагреваемой зоне реактора. Например, сопло может получать тепло от первичной индукционной катушки реактора с индукционным нагревом. По этому варианту выполнения нагрев сопла может выполняться с помощью одного или нескольких способов: конвективный нагрев при средних температурах и низком расходе газа (ниже 1000°С); излучающий нагрев (более распространенный при температурах выше 1000°С); и нагрев посредством соединения сопла (обычно графитового) с индукционным полем катушки, используемой для нагрева реактора, или посредством дополнительного индукционного нагрева (см. фиг.10). По настоящему изобретению положение сопла может варьироваться для получения наиболее выгодного эффекта нагрева с учетом предполагаемых результатов применения настоящего изобретения. Также целесообразно изолировать сопло для сведения потери тепла к минимуму. По варианту выполнения, показанному на фиг.10, гранулированные реагенты подаются из бункера (1) в главный реактор. Индукционная печь заключена в стальной кожух (3), облицованный соответствующим огнеупором (4), дополнительным изоляционным материалом (8) для индуктивной катушки (7) и соответствующим проводящим материалом (5), в которой гранулированные реагенты (10) поддерживаются в надлежащем количестве. Дополнительные индуктивные катушки (7) обеспечивают нагрев сужающегося-расширяющегося сопла (9).

На практике один или несколько из подходов, описанных для нагрева сопла, может применяться для получения наиболее эффективного и экономичного результата в контексте настоящего изобретения. Требуемый температурный профиль для сопла может быть задан на основе состава исходного материала (материалов), подлежащего восстановлению, и газообразных частиц, которые будут протекать через сопло в любой момент времени. Входная температура газа, протекающего через сопло, может содействовать нагреву сопла, но, как было указано, температура газа не будет определять температуру сопла, поскольку протекание газа через сопло может вызывать его охлаждение.

По изобретению подлежащий восстановлению металл может быть выбран из группы, состоящей из Mg, Mn, Ca, Si, Be, Al, Ba, Sr, Fe, Li, Na, K, Zn, Rb и Cs.

Настоящее изобретение, в частности, может использоваться для производства магния, при этом следует отметить, что термохимия металлов может значительно варьироваться. Этот момент можно проиллюстрировать на примере алюминия и магния. Важным является то, что продукты реакции при карботермическом восстановлении оксида алюминия имеют относительно высокие температуры кипения (алюминий кипит примерно при 2500°С, и Аl2O (субоксид алюминия) имеет значительное давление пара при температуре выше примерно 1800°С) по сравнению с продуктами реакции при карботермическом восстановлении оксида магния (магний кипит примерно при 1050°С, и не имеется никаких частиц субоксида). Соответственно, при использовании для сопла стандартного способа, при котором сопло нагревается потоком газа, продукты, получаемые из оксида алюминия во время реакции, требуют более высоких температур сопла для предотвращения проблем образования осадка. При преобладающей температуре сопла, свойственной потоку газа (примерно 1100°С, предполагая в среднем отсутствие потерь), продукты, получаемые из оксида алюминия во время реакции, склонны быстро конденсировать и осаждаться на сопле. В отличие от этого карботермическое восстановление оксида магния в стандартном представлении должно было бы привести к предположению, что сопло имело бы соответствующую высокую температуру, так что проблема образования осадка была бы маловероятной. Однако авторы настоящего изобретения установили обратное, и это до некоторой степени является неожиданным с учетом традиционного опыта в этой области техники.

Восстановитель, используемый в настоящем изобретении, может быть получен из множества традиционных источников углерода, включающих в себя графит, нефть и кокс (например, металлургический кокс).

Настоящее изобретение также предлагает реактор, пригодный для осуществления по изобретению, как здесь описывается. Конструкция реактора, по существу, является такой же, как описано выше в Hori. Однако реактор по настоящему изобретению адаптирован для обеспечения активного нагрева сопла (т.е. отличающегося от нагрева потоком газа) для предотвращения проблем с образованием осадка. Как описывается, сопло может нагреваться нагревательным средством, специально связанным с соплом (фиг.10), и/или сопло может быть расположено так, чтобы оно получало тепло от реактора, в котором будет протекать реакция карботермического восстановления (см. фиг.11).

По варианту выполнения, показанному на фиг.11, гранулированные реагенты подаются из бункера (1) через направляющую трубу в главный реактор. Дуговая печь заключена в стальной кожух (3), облицованный соответствующим огнеупором (4) и подовым материалом (5). Электроды (6) обеспечивают нагрев печи. В этом случае излучающий и конвективный нагрев поддерживает соответствующую температуру сужающегося-расширяющегося сопла (7). Количество реагентов (8) поддерживается на соответствующем уровне для оптимизации реакции.

По настоящему изобретению температура сопла может определяться в ходе способа производства с помощью соответствующего контроля температуры сопла для предотвращения проблем образования осадка. Температура сопла может измеряться с помощью стандартного способа и стандартного устройства. Как вариант, температурные характеристики сопла могут определяться экспериментально на основе расхода газа через сопло при изменяющихся температурах и температуры сопла, регулируемой на практике на основе такого определения и поддерживаемой с помощью дополнительного моделирования. Последний подход позволил бы избежать необходимости текущего измерения температуры сопла в ходе способа производства

Настоящее изобретение представлено со ссылкой на следующий неограниченный пример.

Пример

Было выполнено две серии экспериментов с TMG-84 по TMG-90 и TMG-91 по TMG-95. В первой серии дополнительный нагрев поверхности сопла не выполнялся, за исключением TMG-87, который включен здесь во вторую серию. Эксперименты с TMG-91 по TMG-95 и TMG-87 включали в себя дополнительный нагрев сопла. В результате было получено следующее.

а. TMG-84. Без дополнительного нагрева сопла. Быстрое и необратимое засорение; реакция прекращается.

b. TMG-85. Без дополнительного нагрева сопла. Быстрое и необратимое засорение; никаких важных данных не получено.

с. TMG-86. Без дополнительного нагрева. Сопло засорилось при температуре у горловины сопла около 1200°С.

d. TMG-87. Дополнительный нагрев, обеспечиваемый за счет расположения сопла. Продолжается до завершения (300 г).

е. TMG-88. Без дополнительного нагрева. Неудавшийся эксперимент на раннем этапе.

f. TMG-89. Без дополнительного нагрева. Неудавшийся эксперимент на раннем этапе.

g. TMG-90. Без дополнительного нагрева, но реактор нагревался более медленно для приведения в равновесие с соплом. Недостаточное увеличение температуры привело к засорению.

h. TMG-91. Дополнительный нагрев, обеспечиваемый за счет расположения сопла. Сопло не засоряется выше приблизительно 1650°С. Расход загрузки - 300 г.

i. TMG-92. Повторение TMG-91 со схожим результатом.

j. TMG-93. Немного более быстрый нагрев, приводящий к более низкой температуре сопла и большему засорению во время нагрева, но засорение аналогично было обратимым выше 1650°С. Расход загрузки - 400 г.

k. TMG-94. Дополнительный нагрев, обеспечиваемый за счет удаления внутренней изоляции. (Нагрев, вызываемый индукционным соединением и излучением в реакторной камере). Сопло нагревалось быстрее, что привело к намного более ровному профилю засорения (меньшее засорение). Расход загрузки - 400 г.

l. TMG-95. Повторение TMG-94 с расходом загрузки 500 г.

Как показано на фиг.12, эксперименты, выполнявшиеся без дополнительного нагрева поверхности сопла, приводили к обратимому засорению, демонстрируемому падением расхода газа через сопло. Расход газа прямо пропорционален имеющейся площади поперечного сечения горловины; при ограничении расхода течение со скоростью звука не может поддерживаться.

Фиг.13 показывает улучшение, обеспечиваемое посредством дополнительного нагрева поверхности сопла. В то время как при более ранних испытаниях заметно до некоторой степени быстрое ограничение расхода, дополнительный нагрев приводит к поддержанию траектории течения газа и непрерывной безопасной работе сопла. Критическая температура поверхности горловины сопла составляет примерно 1600-1700°С.

По другому варианту выполнения настоящего изобретения скорость движения струи газа, выходящей из сопла, может быть использована для регенерации энергии. Такая энергия может быть в виде электрической или тепловой энергии. В последнем случае тепловая энергия может повторно использоваться непосредственно в способе по изобретению для предварительного нагрева реагентов или обеспечения дополнительного регулирования температуры сопла.

В этом описании и следующей далее формуле изобретения, если контекст не требует иного, подразумевается, что слово «содержат» и варианты, такие как «содержит» и «содержащий», означают включение указанного единого целого или стадии или группы единых целых или стадий, а не исключение любого другого единого целого или стадии или группы единых целых или стадий.

Ссылка в этом описании на любую предыдущую публикацию (или взятую из нее информацию) или на любой известный случай не является и не должна рассматриваться как подтверждение или допущение или как любая форма предположения, что эта предыдущая публикация (или взятая из нее информация) или известный случай образует часть общеизвестных данных в области техники, к которой относится это описание.

1. Способ получения металла карботермическим восстановлением оксида металла, включающий:
осуществление в реакторе карботермического восстановления оксида металла c получением смешанного газового потока, содержащего указанный металл и оксид углерода;
поддержание указанного смешанного газового потока при повышенной температуре, достаточной для предотвращения повторного образования соответствующего оксида металла;
выпуск указанного смешанного газового потока через суживающееся-расширяющееся сопло для мгновенного охлаждения указанного смешанного газового потока до температуры, при которой не может происходить повторное образование оксида металла; и
отделение и сбор металла,
отличающийся тем, что в дополнение к нагреванию сопла за счет газового потока, проходящего через сопло, указанное сопло нагревают за счет непосредственного теплового взаимодействия имеющего соответствующую проводимость сопла с расположенным до него и присоединенным к нему карботермическим реактором, и/или за счет использования системы индукционного нагрева, и/или за счет прямой теплопередачи, так что температуру поверхности указанного сопла, находящейся в контакте с указанным смешанным газовым потоком, поддерживают на уровне, достаточном для предотвращения осаждения на указанной поверхности продуктов из указанного смешанного газового потока.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в начале карботермического восстановления температуру указанного сопла повышают за счет нагрева до прохождения газа через сопло.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что требуемый температурный профиль для указанного сопла задают на основе состава оксида металла, подлежащего восстановлению, и газообразных частиц, которые будут проходить через сопло в любой момент времени.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что металл представляет собой магний.

5. Реактор для получения металла карботермическим восстановлением оксида металла способом по п.1, который содержит суживающееся-расширяющееся сопло, выполненное с возможностью нагрева за счет непосредственного теплового взаимодействия имеющего соответствующую проводимость сопла с расположенным до него и присоединенным к нему карботермическим реактором, и/или за счет использования системы индукционного нагрева, и/или за счет прямой теплопередачи.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к области металлургии, в частности к получению олова из касситеритовых концентратов. Способ получения олова включает приготовление шихты смешиванием касситеритового концентрата с углем и флюсующими добавками, состоящими из карбоната натрия и хлорида натрия, и восстановительную плавку шихты при температуре 870°C.

Изобретение относится к переработке лопаритового концентрата. Способ включает измельчение концентрата и пирометаллургическое вскрытие концентрата в два этапа.
Изобретение относится к переработке лопаритового концентрата. Заявляемый способ пирометаллургической переработки лопаритового концентрата включает три этапа: восстановительный, плавильный и окислительный.
Изобретение относится к металлургии и касается способа вскрытия перовскитового концентрата в вакууме. Способ включает карботермическую обработку в вакууме.
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.

Изобретение относится к способу получения карбида кальция. Способ включает термическую обработку дробленых известняка и угля с отводом газообразных продуктов, которые используют для производства углекислоты.

Изобретение относится к получению редкоземельных металлов. Способ включает углетермическое восстановление оксидного соединения редкоземельного металла в вакууме с получением порошка карбида редкоземельного металла, свободного от остатков примеси кислорода.
Изобретение относится к способу переработки кианитового концентрата и может быть использовано при производстве глинозема, корундовых огнеупоров, керамики, силумина и алюминия.

Изобретение относится к способу переработки твердых или расплавленных веществ и/или пирофоров, в частности, легких фракций, образующихся при измельчении. .

Изобретение относится к технологиям восстановления металлов из неорганических оксидов. .

Изобретение относится к области цветной металлургии и может быть применено для обеднения медных шлаков. Способ обеднения медных шлаков включает обработку шлака оксидом кальция в присутствии восстановителя при повышенной температуре. При этом массовое отношение медного шлака к углероду твердого углеродистого восстановителя составляет 1:(0,05-0,09). Поверхность смеси продувают кислородсодержащим окислителем с использованием верхнего непогружного дутья c расходом кислородсодержащего окислителя в количестве, определяемом по содержанию в нем кислорода, 50-100 кг на тонну шлака. Техническим результатом является снижение содержания цветных металлов в обедненном шлаке и упрощение процесса за счет устранения сложности, связанной с подготовкой смеси соединений щелочноземельного металла и восстановителя и их загрузкой. 1 табл., 1 ил.

Группа изобретений относится к получению металлического олова из его рудных пород. Способ получения металлического олова из водной суспензии частиц, содержащих соединения олова руды, включает генерацию в объеме сырья физических треугольных магнитных полей, напряженность которых составляет 8·104÷1,0·105 А/м. Восстановление олова осуществляют при подаче к слоям сырья струй газов, состоящих из сжатого атмосферного воздуха, и в качестве восстановителя углерода, присутствующего в составе газов. Получаемый металл формируют в виде кольцевого столбчатого монокристалла, целиком состоящего из олова. Предложено также устройство для реализации данного способа. Обеспечивается получение олова с соответствующей степенью чистоты непосредственно из рудного сырья. 2 н.п. ф-лы, 5 ил., 3 пр.

Группа изобретений относится к получению металлического цинка из его рудных пород. Способ получения металлического цинка из водной суспензии частиц, содержащих соединения цинка руды, включает генерацию в объеме сырья физических «треугольных» магнитных полей, напряженность которых составляет 8·104÷1,0·105 А/м. Восстановление цинка осуществляют при подаче к слоям сырья струй газов, состоящих из сжатого атмосферного воздуха и в качестве восстановителя углерода, присутствующего в составе газов. Получаемый металл формируют в виде кольцевого столбчатого монокристалла, целиком состоящего из цинка. Предложено также устройство для реализации данного способа. Обеспечивается получение готового продукта с соответствующей степенью чистоты непосредственно из рудного сырья. 2 н.п. ф-лы, 5 ил., 3 пр.
Изобретение относится к экстракции металлов из красного шлама. Красный шлам измельчают до размера частиц 5-500 мкм. Полученный порошкообразный красный шлам соединяют с углеродистым восстановителем для получения смеси с соотношением порошкообразного красного шлама и углеродистого восстановителя 88:12-95:5. Полученную смесь прессуют с получением формованного материала, выбранного из группы, включающей пеллеты, блоки и брикеты. Формованный материал плавят, по меньшей мере частично, для получения масс железа и шлака, содержащего массу по меньшей мере одного металла из алюминия и титана. Отделяют массу железа от шлака и отделяют из шлака по меньшей мере одну массу металла, выбранного из группы, включающей алюминий и титан. Обеспечивается эффективная экстракция масс металла высокой чистоты. 8 з.п. ф-лы, 2 пр.

Группа изобретений относится к получению металлического циркония из его рудных пород. Способ получения металлического циркония из водной суспензии частиц руды, содержащей соединения циркония, включает генерацию в объеме сырья физических трапецеидальных магнитных полей, напряженность которых составляет 1,1·105 - 1,5·105 А/м. Восстановление циркония осуществляют при подаче к слоям сырья струй газов, состоящих из сжатого атмосферного воздуха и в качестве восстановителя углерода, присутствующего в составе газов. Получаемый металл формируют в виде кольцевого столбчатого монокристалла, целиком состоящего из циркония. Предложено также устройство для реализации данного способа. Обеспечивается получение готового продукта с соответствующей степенью чистоты непосредственно из рудного сырья. 2 н.п. ф-лы, 5 ил., 3 пр.
Наверх