Способ получения редкого тугоплавкого металла и устройство для его осуществления

СОЮЗ СОВ-:ТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ РЕСПУБЛИК С 22 В 34 О рЩО 111 я Я ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ АТ нэ группы: т ниобий. Цель снижение эне ан, цирконий, тантал изобретения является етических затрат. Исгалогенид получаевосстановитель - поные реаген мого металл ругоогополу- зоны таллургия968,иж 15 х реср ед.- ицы4 НИЯ РЕДКОГО Т УСТРОЙСТВО ДЛЯ(54) СПОСОБ ПОЛУ ПЛАВКОГО МЕТАЛЛА ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Иэобретени и устройству дл тугоплавкого м тся к способуния редкоговыбранного тиос верхф-лы,пол уч алла,ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ,.80 133143 дают на восстановление в виде к вого или спирального газообраэн потока над расплавленным слоем чаемого металла для образования реакции в верхней части иэложни Изложница 2 снабжена крышкой, а ние части инжекционных труб 10 для подачи газообразных исходнь агентов раэмещень в крышке непо ственно у боковой стенки иэложн в определенном положении. Труба для вывода продукта размещена в ней части камеры 1.2 с.и 6 з.п.113Изобретение Относится к способунепрерывного производства редких тугоплавких металлов, выбранных иэгруппы: титан, цирконий, тантал, ниобий, - в результате реакции их галогенидов, в особенности хлоридов,с агентом-восстановителем при температуре, более высокой, нежели температура плавления получаемого металла.Целью изобретения является снижение энергетических затрат.На фиг. 1 и 2 приведена схемаустройства для осуществления предлагаемого способа; на фиг, 3 - изложница, разрез; на фиг. 4 - разрез А-Ана фиг. 3.Устройство (фиг. 1) включает закрытую камеру 1, расположенную над иэложницей 2 для слитка, которая охлаждается, например, посредством потокаводы (не показано), приспособление3 для ввода реагентов, принимающихучастие в реакции в верхней части 2изложницы 2, трубу 4 для непрерывного вывода побочных продуктов в видегазов, образующихся при восстановлении,Приспособление 3 для ввода реагентов в верхнюю часть 2 изложницы 2для слитка включает первую емкость 5,расположенную внутри нагревателя 6 цсвязанную посредством доэирующего насоса 7 с второй емкостью 8, расположенной внутри другого нагревателя 9,Вторая емкость 8 связана посредствоминжекционной трубы 10 с верхнейчастью 2,Емкость 1 1, оборудованная нагревателем 12, предназначенная для хранения восстановленного металла, связана посредством дозирующего насоса13 с емкостью 14 с нагревателем 9,Емкость 14 в свою очередь связана сзакрытой камерой 1 посредством инжекционной трубы 15.Предлагаемое устройство (фиг. 1)наиболее пригодно дпя восстановлениягалогенидов металлов, находящихся вжидком состоянии, при давлении, близком к атмосферному, в достаточно широком диапазоне температур.В этом случае галогенид поддерживается в жидком согтоянии в емкости5, нагреваемой при необходимости нагревателем б, и посредством насоса 7перекачивается ц емкость 8,нагреваемую нагрецате 11 см 9, в которой оц ловводится до кп 1 ц цпя, Газообразный га 31435логецид металла затем поступает вверхнюю часть иэлож 1 ццы через ццжекционц"ю трубч 10Металл-восстацовитель, содержащий)ся в емкости 11, поддерживается притемпературе, превышающей примерно на50 С его температуру ппанления, в результате нагревания посредством наг-.ревателя 12.Расг 1 лавлеццый металл переводят припомощи насоса 13 в емкость 14,гдеметалл поддерживают в кипящем состоянии. Металл-восстацовитель в жидкомсостоянии затем переводят в контролируемом режиме ц реакционную зону закрытой камеры 1 погредстном инжекционной трубы 15.Скорость потока газообразного металла-восстановителя контролируется в соответствии со скоростью потокажидкого металла при помощи доэирующего насоса 1 илц регулирования подачи 5энергии на стадии испарения регулятором (не показан).В реакционной зоне, расположенной. вчасти 2 изложницы 2 цля слитка, поцдерживается температура выше температуры плавления получаемого металлаа также выше температуры кипения илисублимации всех прочих веществ,принимающих участие в реакции.Полученный металл собирают в изложницу 2 для слитка, которая состоит иэ меццого цилиндра с цвойнымистенками, между которыми циркулирует охлаждающая 1 ю 1 цкость.Верхний слой 16 металла находится 40 в реакционной зоне в расплавленномсостоянии, в то время как слой 17металла вокруг и цижс указанного жидкого слоя отвердецдет в результатеохлаждения и образует слиток, кото рый непрерывно церсмещают вниз (внаправлении, укаэаццом стрелкой 18)при помощи иэвестцых устройств, например вращающихся рол 11 ков (це показаны).50Все веществ, т:1 ичцые от металла(побочные продукт.1 реакции), выводятсц пз реакционной зоцк через трубу4. Воэможец также перевод этих газовц холоцильцпк (це показан) с цельюизвлечения неизрасходованных реагентов.Вс"1 ецствц 11 о, 1 1 камера 1закрыа гермет 1 ч. и возможно соз -10 11 20 21 ным,30 31 40 41 10 11 па,3 133 дание атмосферы инертного газа, например аргона или гелия, в ней посредством приспособления 19, содержащего подобный газ и соединенного с камерой 1 трубой 20.На фиг. 2 в приспособлении 3 для ввода галогенида в верхнюю часть 2 предусмотрена только одна емкость 5. Такое устройство особенно пригодно в том случае, когда галогениды не представляют собой жидкости, например, галогенида циркония. Подобные галогениды переводят в газообразное состояние в результате возгонки при нагревании их посредством нагревателя 6.Скорость потока газообразных галогенидов в зону реакции регулируется подачей энергии к указанному нагревателю.При получении не слишком тугоплавких металлов удобно вести реакцию восстановления при таких условиях, чтобы тепло, необходимое для поддержания реакционной зоны при температуре, превышающей температуру плавления получаемого металла, а также температуру кипения или сублимации всех прочих веществ, принимающих участйе в реакции, получалось бы только в результате экзотермической реакции между галогенидом получаемого металла и металлом-востановителем, таким как щелочной или щелочно- земельный металл.Более тугоплавкие металлы можно получить в результате одновременного восстановления соответствующего галогенида металлом-восстановителем и водородом.Тугоплавкие металлы, например ванадий, ниобий, молибден, вольфрам и гафний, получают в результате восстановления их галогенидов водородом.Для получения дополнительного количества тепла (в том случае, когда тепла, получаемого в результате реакции восстановления, недостаточно) можно использовать электрическую дугу, плазменную дугу или индуктивный плазменный факел, а также параболический зеркальный нагреватель или лазер .Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.Реагенты вводят в газообразном состоянии в зону реакции, расположенную в верхней части 2 изложницы 2 для слитка, в виде кругового воронкообразного потока. Этим достигается слияние маленьких капелек металла,образующихся в этом потоке, н болеекрупные капли. Последние выбрасываются иэ потока центробежными силами,собираются на боковых стенках формы для слитка, стекают по ним под действием силы тяжести и попадают в слой16 металла, покрывающий слиток 11.Предлагаемый способ обеспечиваетболее быстрое непрерывное и глубокоеотделение образующегося металла отреагентов и газообразных продуктовреакции,Ввод газообразных реагентов в указанную зону под углом к вертикалиобеспечивает образование, например,кругового или спирального потока,Каждый из двух реагентов вводитсяв верхнюю часть 2 изложницы 2 дляслитка одновременно на несколькихуровнях, чем достигается высокаяскорость потока реагентов, сокращается время смешивания и контактирования различных реагентов, причем контактирование является наиболее полДля создания кругового или спирального потока каждая иэ инжекционных труб 1 О и 15 вводится в реакционную зону в вид,. насадок (например, двойных), оборудованных инжекционными выходами 10, 1 О , 15, 15", которые расположень в плоскостях, касательных к цилиндрам, расположенным соосно с изложницей 2 для слитка, горизонтальные составляющие которых ориентированы в круговом направлении,Эти инжекционные выходы расположены несколько ниже крышки 21, которая герметически закрывает верхнюючасть 2 изложницы для слитка. Крышка 21 оборудована трубой 4, предназначенной для выпуска побочных продуктов реакции,П р и м е р 1. Получение титанав результате восстановления хлоридатитана натрием,Металл-восстановитель (в данномслучае натрий) находится в емкости11 при температуре около 150 С, аименно при температуре, превышающейпримерно на 50 С температуру плавления, что достигается в результатеиспользования нагревателя 12, которыйпредпочтительно представляет собойэлектронагреватель резисторного ти 133 435Температура внутри всего объемаверхней части 2 поддерживается цауровне, превышающем температуру кипения реагентов, конкретно 1100 С.Натрий и хлорид титана вводятсяв нужном соотношении в указаннуюверхнюю часть 2 изложницы для слитка; скорость их подачи регулируетсядозирующими насосами 7 и 13.Так как хлорид титана представляет собой при комнатной температурежидкость, отсутствует необходимостьв нагревании емкости 5, поэтому нагреватель 6 может не использоваться.Перед .вводом реагентов камеру 1 15первоначально дегаэируют несколькораз в результате последовательноговакуумирования и продувания аргономчерез магистраль 20 при атмосферномдавлении или при давлении, несколько 20большем атмосферного.Общая скорость потока реагентоврегулируется таким образом, чтобы вреакционной зоне в верхней части 2изложницы 2 для слитка обеспечивалась 25температура, превьпцающая температуруплавления металла (1688"С), т.е. температура порядка 1750 С.Скорость потока при подаче хлорида титана 2,6 м /ч, а скорость подачи натрия 2,7 т/ч. Подобное соотношение реагентов обеспечивает 253-ныйизбыток натрия, что улучшает протекание реакции,Количества тепла, выделяющегося 35в результате реакции, достаточно дляподдержания температуры в реакционной зоне, равной 1750 С.Охлаждение изложницы 2 для слиткарегулируется таким образом, чтобы в 40верхней части формы для слитка всевремя находился слой жидкого металла,Температура слоя жидкого металла поддерживается на уровне, превышающемтемпературу плавления металла ца 15- 4530 С.Таким образом возможно получениетитана с выходом 1 т/ч в виде гомогенного объемного слитка, который может быть непосредственно подвергнут 50ковке и прокатке,В процессе восстановления из реакционной зоны непрерывно выводятсягазообразные вещества в виде дыма,содержащего хлорид натрия, побочные 55продукты переработки титана, а такжеизбыток натрия. Эти газы поступаютв холодильник,где полное восстановление металла завершается при низкой температуре с образованием децдритов, которы затем вновь вводятся в жидкий слой металла цад слитком.Изложницы для слитка имеют диаметр 80 - 160 мм,высоту 200 - 400 мм.Слитки диаметром 150 мм выводятся со скоростью 210 мм/мин, а слитки диаметром 100 мм - со скоростью 470 мм/миц (в обоих случаях при приведенных выше скоростях потоков).П р и м е р 2, Получение титана в результате одновременного восстановления хлорида титана цатрием и водородом.Используют устройство (фцг. 1, 3 и 4) для получения дополнительного количества тепла используют водородный плазменный факел (це показан).4,4 кг/ч газообразного хлористого титана 2,7 кг/ч газообразного натрия и 1,2 м/ч водорода вводят в зону реакции, в которой поддерживается температура 2450 - 3570 К, предпочтительно 3000 К. Избыток водородавозвращают в цикл.Температурные условия для подаваемых реагентов и для реакционной зоны, а также способ ицжектированияидентичны описанным в примере 1.Количество получаемого титана1 кг/ч,Дополнительное нагревание можетбыть осуществлено также с помощьюэлектрической дуги, зеркального нагревателя, лазера или другого устройства, однако использование водородного плазменного факела наиболее эффективноГаз, образующий плазму, представляет собой восстановительный агентдля восстановления хлористого титана, таким образом, становится возможным одновременное восстановление хлористого титана натрием и водородом.Восстановление натрием являетсяэкзотермическим процессом, а восстаФнонление водородом - эндотермическим, следовательно, при одновременном проведении обеих реакций наблюдается следующий эффект: в том случае, когда меняется температура проведения реакции, одна из двух реакций получает преимущество, и общий металлургический выход, таким образом, будет вьше, чем выход каждой иэ отдельно протекающих реакций.П р и м е р 3. Получение цирконияв результате восстановления четырех- хлористого циркоцгя натрием.Установлено, что высокие температуры, необходимые для плавки металла, легко достижимы и способствуют восстановлению металла водородом, поскольку реакция восстановления является эндотермической.Тантал представляет собой жидкость при температуре 3000 - 5000 С, а температура в зоне реакции поддерживает 50 55 7 13314Так как четыреххлористый цирконийне представляет собой жидкость, используется устройство, изображенноена фиг. 2,Четыреххлористый цирконий сублимируется при атмосферном давлении и331 С.Натрий доводят до кипения в емкости 14, нагревая нагревателем 9,до введения через инжекционную трубу 1015 в верхнюю часть 2 изложницы 2для слитка, а четыреххлористый цирконий возгоняют в емкости 5, нагревая нагревателем 6.Скорость потока газообразного галогенида диктуется энергией, сообщаемой нагревателем 6.Получают 9 кг/ч циркония в результате восстановления 23 кг/ч четыреххлористого циркония 5 кг/ч натрия. 20Используемое соотношение реагентов соответствует 257-ному избыткунатрия.Остальные условия идентичны условиям, описанным в предыдущих приме рах, за исключением того, что скорость потока реагентов поддерживается на уровне, достаточном для обеспечения в реакционной зоне температуры, более высокой, чем температура 30 плавления циркония (1860 С), т.е.около 1900 С.П р и м е р 4. Получение тантала в результате восстановления хлорида тантала водородом.Так как тантал является очень тугоплавким металлом, получение его в жидком состоянии требует применения температур выше 3000 С.В общем случае металлотермическое 40 восстановление не дает достаточного количества тепла для достижения такой температуры; кроме того, экзотермическая реакция имеет очень незначительный металлургический выход при 45 очень высоких температурах, поэтому в данном случае для получения теплаприменяется водородный плазменный факел. 35 8ся на уровне около 4000 С, Кроме того,поскольку хлорид тантала плавитсяпри температуре около 220 С, существует принципиальная возможность дляизменения скорости потока посредствомдозирующего насоса,Поскольку диапазон температур, в/котором пятихлористый тантал представляет собой жидкость, ограничен(около 220 С), предпочтительна регулировка скорости газового потока этого хлорида посредством измененияэнергии, сообщаемой нагревателем Ь,аналогично описанному в примере 3.В результате реакции получают1 кг/ч тантала при восстановлении2,1 кг/ч пятихлористого тантала1,2 м/ч водорода, что соответствуетзначительному избытку восстанавливающего агента (молярное соотношениеН,ТаС 1 равно 10).Избыток водорода возвращают в циклдля дальнейшего осуществления процесса восстановления.Металл затвердевает в охлаждаемоймедной изложнице для слитка так же,как и в предшествующих примерах.При осуществлении предлагаемого способа реагенты вводятся в газообразном состоянии непосредственно в верхнюю часть формы для слитка, а не в отдельную реакционную камеру,Предлагаемый способ позволяет получать реакционно-способные металлы в чистом состоянии или в виде сплавов с другими реакционно-способными или нереакционно-способными элементами, например в виде сплава титана с ванадием и алюминием, при экономии энергии за счет осуществления процесса с минимальным подводом или беэподвода внешнего тепла и за счет уменьшения зоны реакции.Формула изобретения1. Способ получения редкого тугоплавкого металла, выбранного из группы: титан, цирконий, тантал, ниобий, включающий восстановление их галогенидов при температуре, превышающей температуру плавления металла, при подаче газообразных галогенида получаемого металла и восстановителя в форме наклонных вихревых потоков с получением металла в виде жидких капель, образующих расплавленный слой на верхней части слитка получаемогоизложницы,2. Способ по п юцийс я тем, новлением по край 1, о тлича что перед восстаней мере один из цс - 15 подвергают плавле ю с последующим ндгреходных реагентовна первой стадиивом его нд второй стадии до темперацрерьвной транспор 20 п, 1 и 2, о тли тем, что один из исперед восстановлецигонке при атмосферемпературе его суб туры кипения ц нетцровкой,3. Способ по и ч а ю щ ц й с яходныу реагентов ем подьергают возном давлении пр; лимацци и расходрегулируют путем его ь зону реакцииконтроля температурь,4,С соб по пп, 1 - 3,о т л ив качестве 30 чзющцй явосстанвиталяцс что тем,по.ьзи. 1 натрий. уют 3Сособ ьэ ицийся новителя цс о тлив качестве чаю что тем,пользи, 1 водород. уют 3восстдэ. Сэсб по ищ и й : я ротл - 35 в качестве чаю тем, что металла в изложнице в зоне р.акциивбпизи расплавленного слоя вьше температуры кипения или сублимации побочных продуктов реакции, и цх удалением, о т л ц ч а ю щ и й с я тем,что, с целью сижения энергетическихзатрат, исходные реагенты на восстановление подают в виде кругового илиспирального потока над расплавленньмслоем полученного металла для образо Ования зоны реакции в верхней части ц . с с тд ноцте чя цс чь з уют смес ь цдтрия и водорода.1 . Ус гройс го для олуения редкого тугочацкого мста :а, вьбранного из групп : ти гдн, яр коций, тантал, ниоб.и, нос с та новле нце м цх галогенидов, включающее герметичную камеру с расположенной в цей охлджддемой цилиндрической зложнцей, раздельные камеры для испарения исходных реагентов, трубьподачи дрона и вывода побочных продуктов реакции, инжекциоццые 1 рубы для подачи исходных реагецтов и сред.тво для тягиванияслц ть л полу ваемо го металла из изложнццы, о т л и ч а ю щ с е с я тем, что, с целью снижения энергетических -дтрдт, оно снабжено крышкой для герметизации изложницы, д нижние части цжскццонных труб рдэмещень в крышке непосредственно у боковой стенки изложцицы в направлениях, расположенцых в плоскэстях, касательных к цилццдрич.схим стендм изложницы, причем; кд д ццые направления имеют гори.эт,.е состацччющие,а труба для цыводд побочцых продуктов размещеная верхней части камеры. 8. Устройство о и. 1, о т л и ч д ю щ е е г я т:.м, го оно снабже,стм;, ч еренода исходных рц гоп в жидкое состояние, соедиь до ирун.щцми насосами с камерами л;я -дреия ц выполненными сцдр дтелчми.1331435 фиГ оставите рректор Е. Рош хред М. Хо Зака. 3595/5 одписное омитета СССРоткрытий наб., д. 4/5 ни ск венно-полиграфическое предприятие,Пронзво дактор Л. Веселовска ВНИИПИ Государств по делам иэобре3035, Москва, Ж, Р Тиражного Мельниковнич город, ул. Проектная,