EA025055B1

EA025055B1 - Способ и устройство для конденсации паров металлов и других веществ

Info

Publication number: EA025055B1
Application number: EA201270604A
Authority: EA
Inventors: Йенс Сендерберг Фредериксен; Питер Саксби; Жан-Рамон Булль; Роберт Р. Одл
Original assignee: Булль Карботермик Металз Лтд.
Priority date: 2009-10-27
Filing date: 2010-10-27
Publication date: 2016-11-30
Also published as: CA2778396C; CN102597279A; CA2778396A1; MX2012004941A; IL219365A0; CN102597279B; JP2013508559A; EP2494082B1; US9970076B2; KR101742741B1; JP5909189B2; AU2016222430A1; AU2010311168C1; AU2010311168A1; AU2010311168B2; BR112012009931B1; NZ600173A; EP2494082A2; IL219365A; KR20120124057A

Abstract

Изобретение относится к конденсации паровой фазы соединений или элементов, в характерном случае металлов, таких как магний, получаемых с помощью восстановительных процессов. Эти процессы охватывают металлотермические и карботермические процессы. Описан способ конденсации пара металла, включающий обеспечение газового потока, содержащего пар, пропускание газового потока через сопло, которое имеет сужающуюся конфигурацию на входе и расширяющуюся конфигурацию на выходе, так что пар ускоряется внутри сопла и расширяется и охлаждается на выходе из сопла, что вызывает конденсацию пара с образованием пучка жидких капель или твердых частиц в конденсационной камере, при этом пучок капель или частиц направляют для соударения на расплавленную жидкую собирающую среду. Описано также устройство для осуществления способа.

Description

Изобретение относится к конденсации паровой фазы соединений или элементов, в характерном случае металлов, таких как магний, получаемых с помощью восстановительных процессов. Эти процессы охватывают металлотермические и карботермические процессы. В частности, изобретение относится к способу и устройству для конденсации паров металлов и других веществ и их сбора путем использования расширяющегося сопла.

Предшествующий уровень техники

Извлечение или экстракция магния из его минеральных руд является предметом научных исследований и технических разработок на протяжении более 100 лет. Особый интерес представляет магний и особые усилия направлены на его извлечение вследствие свойств этого металла в качестве важного легирующего элемента сплавах алюминия и других металлов. Кроме того, в последние годы магний сам по себе приобрел большое значение в качестве легкого и вместе с тем прочного конструктивного материала, в частности в автомобильной промышленности. Способ экстракции развивался по двум направлениям, а именно по направлению электролитического восстановления обезвоженных солевых расплавов или по пирометаллургическим направлениям, связанным с восстановлением оксидных и карбонатных форм металла с использованием углеродных агентов или восстановителей металла.

Основные технические проблемы в получении металлического магния в целом связаны не только с необходимостью больших непрерывных энергетических затрат вследствие присущего этому металлу высокого отрицательного электродного потенциала. Для пирометаллургических направлений дополнительно существует необходимость в высоких температурах реакции для инициации и поддержания восстановительного процесса, что, однако, может быть получено при соответствующем выборе типа печи. В пирометаллургических направлениях имеются две категории восстановителей: углерод (в карботермическом восстановлении) и определенные металлы (в металлотермическом восстановлении). В условиях высоких температурных режимов, применяемых в обоих случаях, восстановленный металл получают в газообразном состоянии, либо только один металл в металлотермических процессах, либо вместе с окисью углерода при карботермическом восстановлении. Характерными восстановителями являются твердые, жидкие или газообразные формы других металлов, углерод, углеводороды или другие органически полученные материалы и водород. Когда восстановленный металл сосуществует с оксидной формой восстановителя при высоких температурах, он может быть стабилизирован в виде металла только при низких температурах при очень быстром охлаждении до температуры ниже точки плавления.

Характерная проблема охлаждения горячего газа, содержащего как восстановленный металл в газообразной форме, так и восстановитель в форме оксида, заключается в том, что при охлаждении в газовой смеси происходит обратная реакция, так что получаемый продукт может полностью или частично возвращаться к оксиду металла и элементарному восстановителю. Так, например, если в качестве восстановителя используется углерод, первичная реакция восстановления описывается так

С(з) + МдО(з) — > Со(д) + Мд(д) [Уравнение 1 ]

Эта реакция благоприятно протекает в температурном диапазоне от 1600 до 1900°С в зависимости от общего давления в газе; в нижней области температурного диапазона она обеспечивается посредством снижения давления газа путем его отвода или путем добавления соответственно нагретого инертного газа.

При охлаждении газа происходит полностью или частично следующая реакция:

СО(д) + Мд(д) — > С(8) + МдО(з) [Уравнение 2]

Поскольку любая химическая реакция требует времени, системы конденсации для этого типа металлургической обработки основываются на быстром или мгновенном охлаждении, так что обратные реакции снижаются до минимума. Для достижения быстрого охлаждения газа в уровне техники известно несколько способов, однако в настоящем изобретении предпочтительно используется устройство, известное под названием адиабатического сопла Лаваля, которое схематично изображено на фиг. 6.

При пропускании горячих реакционных газов через показанное на фиг. 6 сопло может достигаться быстрое охлаждение, как это указано в приведенной ниже табл. 1. При прохождении через сопло газы ускоряются до скорости звука.

Температура газа падает от температуры реакции до температуры, которая определяется перепадом давления на концах сопла и его геометрией, как это известно в уровне техники. Это охлаждение происходит за время пребывания в сопле, указанное в третьей колонке табл. 1 для сопел различной длины.

- 1 025055

Таблица 1

Время пребывания газов в соплах различной длины

Длина шейки сопла, см	Скорость газа, м/с	Время пребывания, с
1	997,2	1,00282Е-05
2	997,2	2,00563Е-05
5	997,2	5,01408Е-05
6	997,2	6,01689Е-05
10	997,2	0,000100282
15	997,2	0,000150422
20	997,2	0,000200563

* Ср/Ον = 5/3 для одноатомного газа (Мд) * Ср/Ον = 7/5 для одноатомного газа (СО) у= Ср/Ον

Скорость звука = (у* В/пТ)¹'², где В - константа газа, а Т - температура в градусах по Кельвину

В патенте υδ 3761248 описан способ металлотермического получения магния, который включает конденсацию выходящего из печи пара магния в конденсаторе. Конденсацию активизируют путем использования текущего инертного газа для втягивания пара в конденсатор.

В патентном документе \УО 03/048398 описаны способ и устройство для конденсации паров магния, причем струю пара направляют в конденсатор, имеющий нижнюю тигельную секцию, из которой может быть отведен жидкий магний. Для охлаждения тигельной секции используется рубашка из свинцового расплава.

В патентной заявке υδ 2008/0115626 описана конденсация пара магния в герметичной системе, в которой жидкий металл непрерывно отводится из тигельной части.

В патенте υδ 5803947 описан способ получения магния и оксида магния. Подача к конденсатору для сбора жидкого магния производится через сужающееся/расширяющееся сопло для сверхзвукового адиабатического охлаждения газа, проходящего через сопло. В документе нет данных по конструкции или конфигурации сопла и конденсатора, хотя указано, что используется циклон для осаждения содержащихся в газе-носителе частиц на выходе сопла.

Известны описания адиабатических систем охлаждения как таковых, см., например, Сотргс^ДЫс Ишб Иоте (Поток сжимаемой текучей среды) авторов Ра1пск Н.ОоЧНш/сп с1 а1., 1997, ΙδΒΝ 0-07048197-0, Мс-Огате-НШ РиЪНзкегз.

В патентном документе υδ 4488904 описан способ, в котором пар металла (такого как магний) направляют через сужающееся/расширяющееся сопло, охлаждающее металл до уровня, при котором не происходит окисления. Пар металла подают непосредственно или не непосредственно на металлический собирающий бассейн, который в случае сбора магния содержит расплав свинца, висмута, олова, сурьмы или их смеси. В патентном документе ЕР-А-012465 также описан способ сбора жидкого металла (магния) из пара через адиабатическое сопло. В решении по этому документу пар собирают в бассейне расплава магния.

В патентном документе 1Р-А-63125627 описан способ формирования композиционного материала с металлической матрицей, в котором пар металла направляют через адиабатическое сопло. В сопло вводят реакционноспособный газ, чтобы он вступал в реакцию с металлом и образовывал порошкообразное соединение металла. Соединение направляют из сопла в бассейн металла материала металлической матрицы. Таким путем обеспечивается дисперсия частиц соединения металла в металлической матрице.

В патентном документе υδ 4147534 описан способ получения магния (или кальция), в котором пар металла пропускают через адиабатическое сопло и направляют на охлаждаемую поверхность, которая в одном из примеров осуществления может быть вращающейся цилиндрической поверхностью. Отвержденные частицы магния соскребаются с поверхности и падают в шнековый конвейер, который ведет к печи для расплавления частиц. Далее расплав магния падает в собирающий резервуар.

В патентном документе 1Р-А-62099423 описано устройство для сбора пара металла, направляемого от адиабатического клапана. Собирающий бассейн снабжен перфорированным поддоном или решеткой, через которую обеспечивается циркуляция расплава металла для сбора пара металла и отражения окисляющего газа.

В процессах, известных из уровня техники, проблемы возникают в нескольких областях. Одной из

- 2 025055 проблем является окисление или загрязнение конденсированных капель или частиц в конденсационной камере. Другая заключается в окислении или загрязнении отбираемого от сопла жидкого металла, при этом в обоих случаях источником является газ-носитель или реакционноспособный газ, присутствующий в конденсационной камере.

Другая проблема касается эффективного поглощения частиц или капель жидкой массой в локализованной области жидкости, с которой соударяется пучок конденсированных капель или частиц.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения в его различных аспектах является решение одной или большего числа указанных проблем одним или несколькими путями. Примеры осуществления и другие преимущества изобретения будут ясны специалисту в данной области из последующего описания.

Согласно изобретению созданы способ и устройство для конденсации пара, в частности пара металла, в соответствии с пунктами формулы изобретения.

Согласно одному аспекту изобретения создан способ конденсации пара металла или парообразного содержащего металл соединения, такого как пар металла, включающий обеспечение газового потока, содержащего пар, пропускание газового потока в конденсационную камеру через сопло, которое имеет сужающуюся конфигурацию на входе и расширяющуюся конфигурацию на выходе, так что пар металла ускоряется внутри сопла и расширяется и охлаждается на выходе из сопла, что вызывает конденсацию пара с образованием пучка жидких капель или твердых частиц в конденсационной камере, при этом пучок капель или частиц направляют для соударения на расплавленную жидкую собирающую среду.

В другом аспекте изобретения создано устройство для конденсации пара металла от источника газа, содержащего пар и один или больше других газов, включающее конденсационную камеру, питаемую от источника пара посредством сопла, которое имеет сужающуюся конфигурацию на входе и расширяющуюся конфигурацию на выходе, так что входящий в сопло пар ускоряется в сопле и расширяется и охлаждается на выходе из сопла, что вызывает конденсацию пара с образованием пучка жидких капель или твердых частиц в конденсационной камере, и ванну, содержащую собирающую среду для жидких капель или частиц, причем собирающая среда имеет открытую часть поверхности, которая расположена таким образом, чтобы допускать соударение с ней выходящего из сопла пучка капель или частиц.

В дополнение к конденсируемому пару металла для целей настоящего описания два других типа газа определяются следующим образом: реакционноспособный газ, который участвует в реакциях восстановления или был продуктом реакций восстановления, и газ-носитель, определяемый как любой газ, который добавляется к источнику пара и не вступает в значительную реакцию с другими присутствующими газами или с паром металла. Одним из примеров газа-носителя является впрыскиваемый инертный газ.

Изобретение относится к эффективному улавливанию тумана металла из высокоскоростного газового потока путем соударения газового потока с расплавом соли или расплавом металла. В частности, оно относится к сбору паров металла из низконапорного выхода сопла Лаваля для того, чтобы способствовать эффективной добыче металлов из являющейся предшественником минеральной смеси, которая обрабатывается при высокой температуре восстановителем для получения выбранного металла в элементарной форме.

В характерном случае капли металла представляют собой тонкий туман с размером капель от размера частиц при распылении аэрозоля до отдельных капель диаметром до 1 мм.

Изобретение особенно концентрируется на получении металла в жидком состоянии для того, чтобы облегчить передачу добытого металла из конденсационного резервуара к литейному или плавильному цеху без необходимости открытия конденсатора.

Передача может осуществляться путем насосного перекачивания с периодическими интервалами или непрерывно, что снижает потери на окисление, способствует экологическому контролю паров и газов и безопасному транспортированию легко окисляющихся металлов.

В последующем описании магний использован в качестве примера металла, который может быть получен в соответствии с изобретением, однако изобретение распространяется на все другие металлы, которые появляются при высоких температурах в форме пара как по отдельности, так и в комбинации с другими газами.

В принципе описанная система может использоваться для любого металла, который может принимать состояние пара металла в результате восстановления, например, для Ζη, Нд, δη, РЬ, Αδ, §Ь, Βί, δί и СП или их комбинаций.

В характерном случае собирающая среда представляет собой расплав соли или ванну расплава металла. Предпочтительно расплав соли должен иметь удельную массу меньше удельной массы получаемого металла, так что металл оседает ниже ванны расплава.

В качестве примера в приведенной ниже таблице указаны солевые композиции, удовлетворяющие этому условию. Дополнительно показаны величины плотности различных солевых смесей при трех различных температурах. Плотность магния в этом температурном диапазоне, от 750 до 900°С, составляет от 1,584 до 1,52 г/см³, см. табл. 2. Температура солевой ванны поддерживается выше точки плавления магния, которая составляет 650°С.

- 3 025055

Таблица 2

Композиция солей (мас.%)

МдС1₂	иС1+1%СаР₄	КС1	750 “С	вооч:	900 “С
6.8	90	3,1	1,47	1,45	1,39
10.0	85	5,0	1,49	1,47	1,42
14.6	80	6,4	1,49	1,47	1,42
17.0	75	8,0	1,50	1,48	1,43
20.4	70	9,6	151	1,49	1,44
24.0	65	11,0	1,52	1,49	1,45
26.2	60	13,8	1,52	1,50	1,46
30.6	55	14,4	1,53	151	1,46
34.0	50	16,0	1,53	1,52	1,47
100% магний	1,567	1,557	1,518
Ссылка: иЗ-А-2,950,236

Ванна расплава металла может состоять из того же металла, который конденсируется при проходе через сопло, и, соответственно, иметь такую же удельную массу, или из более легкого металла, несмешиваемого с конденсированным металлом. В предпочтительном примере осуществления ванна содержит солевой расплав, который в характерном случае поддерживается при температуре выше точки плавления конденсированного металла.

Предпочтительно собирающая среда является движущейся жидкостью. Туман металла, выходящий из обычного сопла Лаваля осесимметричной формы, имеет форму обрушающегося конуса, как это будет объяснено ниже. Когда пучок соударяется со средой, поверхность среды непрерывно обновляется, и капли и частицы непрерывно уносятся. Таким образом, тепло и масса отводятся от места соударения, что предотвращает локальный перегрев и испарение металла.

В одном примере осуществления движущаяся жидкость представляет собой поток жидкости, предпочтительно падающей под действием гравитации. Это может достигаться путем использования переливного устройства (перегородки или затвора сливного отверстия), поверх которого переливается собирающая среда. Это может создавать поверхность движущейся завесы. В варианте этого примера осуществления жидкая соль падает через отверстия в цилиндрической трубке, ось тела вращения которой параллельна оси сопла как тела вращения. Диаметр трубы подобран таким, чтобы она охватывала весь сформированный конус конденсированного металла.

В другом примере осуществления движущаяся жидкость представляет собой ванну жидкости, циркулирующей по кругу. В этом случае содержащий ванну резервуар может быть в основном цилиндрическим или кольцевым и снабженным механической или индукционной мешалкой или насосными или подобными средствами.

Далее, что касается работы сопла, изменение фазы от высокотемпературного пара металла к жидким или твердым частицам, имеющим более низкую температуру и значительно более низкий объем, вызывает обрушение образованного конденсированными фракциями конуса тумана с образованием более острого конического пучка по сравнению с конусом реакционных газов или газов-носителей в источнике пара на выходе сопла. Образующиеся капли или частицы имеют общий объем, который может быть определен по закону идеального газа, как это показано в приведенной ниже табл. 3.

- 4 025055

Таблица 3

Расчет изменения объема при переходе от свободного газа выше точки кипения магния к конденсату твердых/жидких частиц ниже точки кипения магния

Закон идеального газа:

Ρχν = пВТ [ Уравнение 3]

Число Рейнольдса К = 0,0821 Р = атмосферное давление (агм.)

V = объем в литрах (л) л = моли газа

Т= температура в градусах по Кельвину моль магния п= 24,3050 г

При постоянном р = 1 атм. и для 1 моля Мд

Υ= ВТ [Уравнение 4]

Плотность магния (твердого)
при 20 Ό,	г/см³	1,738
при 600 Ό	г/см³	1,622
Плотность при атм. р и 650°С жидкого	г/см³	1,583

Т°по Цельсию	°К	Объем 1 моля V (л)	Р = 1 атм.	р=0,1 атм.	р=0,01 агм.
отношение объема Газ/ твердое состояние*	600 Ό отношение Газ/ твердое состояние*	650 Ό отношение Газ/ ЖИДКОСТЬ	650 Ό отношение Газ/ жидкость	650 Ό отношение Газ/ ЖИДКОСТЬ
1200	1473,15	120,95	8649	8071	7882	78822	788224
1220	1493,15	122,59	8766	8181	7989	79893	798925
1240	1513,15	124,23	8883	8290	8096	80963	809626
1260	1533,15	125,87	9001	8400	8203	82033	820328
1280	1553,15	127,51	9118	8510	8310	83103	831029
1300	1573,15	129,16	9236	8619	8417	84173	841730
1320	1593,15	130,80	9353	8729	8524	85243	852431
1340	1613,15	132,44	9470	8838	8631	86313	863132
1360	1633,15	134,08	9588	8948	8738	87383	873834
1380	1653,15	135,72	9705	9058	8845	88453	884535
1400	1673,15	137,37	9823	9167	8952	89524	895236
1420	1693,15	139,01	9940	9277	9059	90594	905937
1440	1713,15	140,65	10058	9386	9166	91664	916639
1460	1733,15	142,29	10175	9496	9273	92734	927340
1480	1753,15	143,93	10292	9605	9380	93804	938041
1500	1773,15	145,58	10410	9715	9487	94874	948742
1520	1793,15	147,22	10527	9825	9594	95944	959443
1540	1813,15	148,86	10645	9934	9701	97014	970145
1560	1833,15	150,50	10762	10044	9808	98085	980846
1580	1853,15	152,14	10879	10153	9915	99155	991547
1600	1873,15	153,79	10997	10263	10022	100225	1002248
1620	1893,15	155,43	11114	10372	10129	101295	1012949
1640	1913,15	157,07	11232	10482	10237	102365	1023651
1660	1933,15	158,71	11349	10592	10344	103435	1034352
1680	1953,15	160,35	11467	10701	10451	104505	1045053
1700	1973,15	162,00	11584	10811	10558	105575	1055754
1720	1993,15	163,64	11701	10920	10665	106646	1066455
1740	2013,15	165,28	11819	11030	10772	107716	1077157
1760	2033,15	166,92	11936	11140	10879	108786	1087858
1780	2053,15	168,56	12054	11249	10986	109856	1098559
1800	2073,15	170,21	12171	11359	11093	110926	1109260

* твердое состояние при 20 °С.

Приведенная табл. 3 иллюстрирует изменение объема, который при предпочтительном парциальном давлении магния становится меньше в число раз от 7000 до 70000 для конденсированного магния по сравнению с газообразным магнием.

Таким образом, в одном аспекте изобретения на выходе сопла конденсированные капли или части- 5 025055 цы образуют первый конус (обрушающийся конус), а присутствующие реакционные газы или газыносители образуют второй конус, при этом угол расхождения первого конуса меньше угла расхождения второго конуса, так что первый конус находится внутри второго конуса.

Может быть предусмотрен дефлектор (разделительная перегородка), расположенный таким образом, что при работе устройства он окружает первый конус и расположен внутри второго конуса. Это помогает отделять капли или частицы от газовых фракций. Дефлектор может быть выполнен в виде цилиндрической втулки или кольца, через которое первый конус от сопла проходит перед соударением с собирающей средой. Однако могут использоваться и другие физические барьеры.

Альтернативно или дополнительно разделение газовых фракций и капель/частиц может быть улучшено путем установки фланца или пластины вокруг дефлектора, так что поверхность собирающей среды закрыта от реакционных газов и газов-носителей в наружном конусе. Предусмотрен всасывающий порт для вытяжки реакционных газов и газов-носителей наружу от конденсационной камеры.

В предпочтительном аспекте изобретения пучок капель или частиц соударяется с собирающей средой под острым углом (т.е. не перпендикулярно) к поверхности собирающей среды. Это может достигаться путем ориентации сопла под углом и/или путем создания наклонной поверхности собирающей среды.

Так, когда собирающая среда является совершающей круговую циркуляцию ванной расплава внутри образующего перевернутый конус резервуара, циркуляция может создавать на поверхности солевого расплава коаксиальный перевернутый конус (в форме параболоида), что обеспечивает наклонную поверхность для приема пучка капель или частиц.

Соударение пучка может использоваться для возбуждения в круговой циркуляции собирающей среды. Так, сопло может быть направлено для соударения с собирающей средой в месте, радиально отстоящем от центральной оси вращения ванны, тем самым способствуя круговому потоку ванны расплава или вызывая его.

Предпочтительно сопло выполнено в виде сопла Лаваля, которое хорошо известно в области газовых приводных систем, таких как турбины и ракетные двигатели. Обычно сопло имеет продольное сечение в форме песочных часов с суженной средней частью. При соответствующем перепаде давления между входной и выходной частями сопла газ ускоряется до сверхзвуковых скоростей в суженной части перед тем, как расшириться и охлаждаться на выходе из наружной части сопла.

Входная сторона сопла работает на давлении, близком к атмосферному, а в закрытом конденсационном резервуаре на выходной стороне сопла поддерживается меньшее давление с помощью вакуумного насоса, который сообщается с внутренней полостью конденсационного резервуара. Альтернативно или дополнительно могут использоваться паровые эжекторы для обеспечения эффективных средств удаления газа.

В правильно спроектированном адиабатическом сопле с использованием размеров и геометрии, описанных в указанной выше литературе (ОоОий/сп с1 а1.), индивидуальные атомы/молекулы газовых компонентов будут ускоряться до скорости звука в шейке сопла, а на стороне выхода сопла газ свободно расширяется. Расширение вызывает падение температуры газовой смеси в соответствии с законами состояния газов.

В одном примере осуществления капли металла в пучке могут охлаждаться для формирования твердых частиц до соударения с собирающей средой. Формирование твердых частиц не снижает тепла, передаваемого собирающей среде, поскольку дополнительное тепло, поглощаемое энтальпией отверждения, компенсируется более высокой скоростью твердых частиц по сравнению с жидкими частицами с сохранением основной энергии. Однако частицы, движущиеся с более высокой скоростью, глубже проникают в солевую ванну, способствуя передаче тепла ванне.

Важно тщательно контролировать температуру внутри собирающей емкости для поддержания металла в жидкой фазе.

Соударение с каплями металла нагревает солевую ванну, при этом тепловая энергия примерно равна теплоте испарения жидкого магния с превращением в пар магния. Это относительно большое количестве тепла, порядка 10 кВт-ч энергии на 1 кг магния. Поэтому необходимо эффективно охлаждать собирающую среду для предотвращения обратного испарения жидкого металла пучка.

Это создает особенную проблему в месте соударения, так что круговая циркуляция или движение собирающей среды имеет важное значение. Средства охлаждения могут быть средствами известного типа, такими как рубашки или спирали охлаждения. Теплообменной текучей средой может быть жидкий металл или пар (или другой газ) или вода. Альтернативно охлаждающая жидкость может иметь твердые частицы, добавляемые в отдельном резервуаре, соединенном с контуром охлаждения. При выборе на основе соответствующей точки плавления такие частицы могут улучшать охлаждающую способность охлаждающей жидкости и действовать как буферный теплоотвод благодаря латентной теплоте расплава. Подходящим материалом могут быть твердые частицы того же материала, что и конденсируемый.

Количество тепла, которое может быть поглощено солью, определяется количеством соли или, точнее, отношением теплоемкости соли к массе магния с учетом объема, в котором тепло передается соли от металла. Для описанной здесь системы нижняя температура соли должна быть выше точки плавления

- 6 025055 соли или, точнее, выше температуры, при которой соль становится достаточно текучей (низковязкой) для перекачивания насосом, и выше точки плавления металла (для магния 650°С). Верхняя граница температурного диапазона для соли должна лежать ниже точки кипения металла (для магния = 1091°С).

Это означает, что температурное окно для обеспечения функциональности соли составляет всего несколько сот градусов, в пределах которых может эффективно поглощаться тепло от магния. При допущении, что теплоемкость соли и жидкого магния одинаковы, отношение соли к массовому количеству магния должно быть больше чем 10:1 в зависимости от разности температур между газовой печью и солевой ванной.

Предпочтительно собирающая емкость должна быть оснащена средствами для контроля давления и удаления газов, сопровождающих поток металла.

Абсолютное давление в собирающей емкости должно поддерживаться на предварительно заданном уровне для регулирования перепада давления на сопле и температуры формируемого потока металла. Температура потока металла должна поддерживаться ниже точки кипения металла (например, для магния ниже 1093°С), а наиболее предпочтительно вблизи точки плавления (для магния 650°С) или выше. Абсолютное давление должно быть ниже чем примерно 0,1 атм, но в характерном случае выше 0,01 атм. Пониженное давление может поддерживаться способами, обычно применяемыми специалистами в данной области.

В предпочтительном примере осуществления собирающая среда в характерном случае является расплавом соли, имеющей удельную массу ниже, чем жидкий металл. Собранный жидкий металл должен периодически или непрерывно отводиться из собирающей среды, чтобы отбирать от нее тепло. В предпочтительной системе расплав металла передается на этап литья или этап сплавления или другой этап формования металла.

Таким образом, могут быть предусмотрены средства для непрерывного или периодического отвода конденсированной жидкости из собирающей среды и передачи жидкого металла на этап литья или этап сплавления или другой этап формования металла. Такие средства могут включать трубопровод для текучей среды и связанные с ним клапаны регулирования потока.

Пар может представлять собой металл или металлический материал, например, выбранный из группы, содержащей Мд, Ζη, δη, РЬ, Αδ, δό, Βί, δί и СЬ или их комбинаций. В предпочтительном примере осуществления металлом является магний.

В характерном случае источник пара является металлотермическим или карботермическим восстановительным процессом и/или аппаратом.

Г аз-носитель может быть газом, который принимает участие в реакции восстановления и/или одним или несколькими дополнительными газами, которые добавляют или вводят в поток газа и пара. Дополнительный газ или газы могут удобным образом вводиться путем инфекции (впрыскивания) газа.

Краткое описание графических материалов

Далее следует описание являющихся только иллюстративными примеров осуществления изобретения со ссылками на чертежи, где:

фиг. 1 изображает блок-схему объединенного процесса экстракции магния и литья, в котором используется процесс конденсации паров и устройство согласно настоящему изобретению;

фиг. 2 схематично изображает конденсационную камеру согласно первому примеру осуществления изобретения;

фиг. 3 схематично изображает конденсационную камеру согласно второму примеру осуществления изобретения;

фиг. 4 схематично изображает конденсационную камеру и вспомогательное устройство согласно третьему примеру осуществления изобретения;

фиг. 5 схематично изображает конденсационную камеру и вспомогательное устройство согласно четвертому примеру осуществления изобретения;

фиг. 6 изображает круговую часть сопла Лаваля в продольном сечении.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Пример 1.

Как показано на фиг. 1, газоход 10 печи карботермического восстановления подает смесь пара магния и окиси углерода в сопло 11 Лаваля конденсационной камеры (которая будет подробно описана далее со ссылками на фиг. 2-5). Сопло направляет туман Мд (капли жидкости) и реакционноспособного газа окиси углерода для соударения со сборником 12 в виде ванны солевого расплава. Окись углерода отводится к конденсационному отделителю/антизапотевателю 13, известному в уровне техники. Захваченные СО твердые металлы удаляются в отходы. Окись углерода втягивается в отделитель 13 с помощью вакуумного насоса 14 и/или паровых эжекторов. Собранный СО сжимается для использования с помощью компрессора 15. Основная функция отделителя состоит в том, чтобы вывести какие-либо капли жидкости и частицы из газовой фазы для защиты вакуумного насоса или эжекторов.

Расплав магния отводится от донного конца сборника и передается к печи 16 осаждения для магния. Какой-либо солевой расплав, передаваемый вместе с металлом, отводится к печи 18 осаждения для соли. Далее расплав магния передается на этап 17 литья для отливки в слитки.

- 7 025055

Солевой расплав непрерывно отводится из сборника 12 и передается в печь осаждения, где случайно попавший магний отводится и возвращается к печи 16 осаждения для магния. Свежая соль 19 предварительно нагревается и подается в печь осаждения. Излишняя соль может быть отведена через спускной клапан 20. Соль возвращается от печи 18 в сборник 12 солевой ванны.

Конденсационная камера и сопло будут подробно описаны со ссылкой на фиг. 2. Конденсационная камера 99 представляет собой в основном цилиндрический резервуар с верхним концом 117 и нижним концом 118 в форме усеченных конусов. Окись углерода и пар магния входят в верхний сужающийся вход 100 сопла 110. Газовая смесь ускоряется до сверхзвуковой скорости внутри сопла и затем расширяется и охлаждается в нижнем расширяющемся выходе 101 сопла. Газовая смесь расширяется в форме фокусированного двойного конуса (не показано) с общей верхней точкой, почти совпадающей с вершиной расширяющегося конического выхода сопла. Внутренний конус образован, по существу, туманом магния, а наружный коаксиальный конус образован, по существу, окисью углерода.

Вследствие изменения фазы от газовой в жидкую металлическая часть газового потока будет обрушаться к центру потока с образованием конического фокусированного тумана металла на выходе сопла, тем самым оттесняя окись углерода или любой другой газ к наружной стороне потока. Этот фокус конуса металла вызывает его соударение с центральной частью ванны через отверстие 107.

Кольцевой дисковый фланец 104 закрывает верхнюю поверхность ванны 105 расплава соли. Композиция солевой ванны будет обсуждена ниже. Вертикальная цилиндрическая разделительная перегородка или цилиндрический дефлектор 106 окружает центральное отверстие 107 в дисковом фланце. Дефлектор выполнен по размерам и расположен таким образом, что вплотную окружает конус магния (не показан), так что не происходит непосредственного соударения капель или твердых частиц магния со стенками.

Однако стенки дефлектора 106 отсекают большую часть газового потока СО, таким образом предотвращая существенное смешивание двух компонентов. Это помогает снизить обратную реакцию. Отведенная наружу от дефлектора окись углерода вытягивается через вакуумный насос 114.

Нижний конец дефлектора обеспечивает подачу через отверстие 107 в открытую верхнюю поверхность 108 ванны солевого расплава, которая обозначается как циркулирующая солевая ванна. Таким образом, туман магния соударяется с солевой ванной и преобразуется в капли, которые падают в нижнюю область резервуара.

Кинематический угол соударения тумана металла с поверхностью жидкой соли может быть отрегулирован путем регулировки скорости вращения солевой ванны, см. фиг. 2. В идеальном случае поверхность солевой ванны вследствие своего вращения принимает вид впадины в форме эллиптического параболоида. При этом туман металла соударяется под острым углом, представленным наклоном профиля впадины солевой ванны.

Таким образом, когда ось вращения находится на одной линии с осью симметрии сопла, угол соударения конуса тумана металла зависит от формы параболоида. Она, в свою очередь, зависит от скорости вращения расплава соли. При низких скоростях вращения контур солевой поверхности принимает вид широко раскрытого параболоида, а при повышении скорости вращения параболоид становится более крутым.

Расплав 131 магния оседает в нижней части солевой ванны благодаря своей более высокой удельной массе. Он может быть отведен под действием гравитации при открытии спускного клапана 132.

Резервуар 133 с двойными стенками рубашки водяного охлаждения окружает солевую ванну для обеспечения наружного охлаждения и температурного контроля. Резервуар может быть изготовлен из стали или никелевых сплавов. Внутри рубашки охлаждения могут использоваться вода, пар, синтетические жидкости теплопередачи, такие как Эо\\1сгп. жидкие металлы, такие как ртуть или другие подходящие материалы для отвода тепла от соли и поддержания ее при температуре, подходящей для отвода энергии, которая выделяется при соударении потока металла с солевой ванной.

Конденсационная камера оснащена нагревателем (не показан), который может быть внутренним или внешним. Он предназначен для контроля температуры соли во время пуска и выключения установки. При стабильном режиме работы нагреватель отключен, так как тепло обеспечивается паром, подаваемым в систему.

Пример 2.

На фиг. 3 показан альтернативный пример осуществления, при этом подобные компоненты обозначены теми же позициями, что и на фиг. 2. В этом примере в центральной области солевой ванны расположена вертикальная перфорированная труба 140. Солевой расплав окружает трубу. Пустота внутри трубы обеспечивается тем же давлением газа, что и в верхней газовой камере. В верхней части 141 трубы выполнены отверстия или перфорация, которая позволяет расплаву соли литься каскадом внутрь трубы. Соль непрерывно нагнетается вверх от нижнего солевого резервуара 143 по трубопроводу 144. Это поддерживает уровень соли в ванне 105, несмотря на объемы, спускаемые по трубе 140.

Конический пучок тумана магния направлен внутрь трубы и соударяется с непрерывно падающим расплавом соли. Затем магний падает по трубе в нижний солевой резервуар 143 и оседает в виде сплавленной массы 131 жидкого магния.

В этой системе обеспечивается создание непрерывно движущейся поверхности или завесы падаю- 8 025055 щей соли, с которой может соударяться пучок тумана. Удаляемый через газоходы газ очищается от захваченных капель или частиц магния в отдельной установке.

Пример 3.

На фиг. 4 показан третий пример осуществления, в котором солевая ванна снабжена переливным устройством 150 (перегородкой или затвором сливного отверстия). Сопло входит в конденсационную камеру в радиальном поперечном направлении. При этом пучок тумана соударяется с пеленой или завесой движущейся соли, падающей каскадом через переливное устройство. Соль и захваченные ею твердые или жидкие частицы магния падают в переливной бассейн 156 под переливным устройством. Смесь непрерывно подается из переливного бассейна в солевую ванну на вход 152 с помощью солевого насоса 151 с проходом через теплообменник 162, который отводит тепло от соли. Капли 158 металла подаются в солевую ванну вместе с солью.

Дефлекторы 154 образуют лабиринтный путь для соли от входа до переливного устройства 150. Дефлекторы 154 образуют препятствия и поверхности, на которых захваченный магний может сливаться и затем падать в нижнюю часть 155 ванны. Магний может откачиваться насосом 163 из нижней части в печи осаждения 157 для магния.

Предусмотрены датчики/контроллеры ЬС уровня, температурные датчики/контроллеры ТС и датчики/контроллеры РС давления для поддержания требуемых уровней, температур и давлений.

Подпиточный питатель 159 может использоваться для регулирования композиции соли в пределах требуемых характеристик (см. табл. 1).

Пример 4.

На фиг. 5 показан другой пример осуществления, являющийся вариантом примера по фиг. 4. В этом примере сопло 110 направлено таким образом, чтобы создавать пучок, направленный на наружную окружную область 160 солевой ванны. Сопло может быть направлено под острым углом к поверхности солевой ванны, чтобы способствовать ее круговой циркуляции. Перелив через переливное устройство 150 и действие возвратного насоса 151 обеспечивают дальнейшую циркуляцию соли в ванне.

Во всех примерах осуществления изобретения устройство включает вторичный резервуар (резервуары), которые требуются для того, чтобы (1) осаждать частицы или капли магния из расплава соли; (2) регулировать температуру и (3) удалять частицы и капли из газового потока для повышения добычи и защиты оборудования, расположенного ниже по потоку.

Пример 5.

Пятый пример осуществления показан на фиг. 7 и является вариантом решения по первому примеру осуществления по фиг. 2. В этом примере нет ни дефлектора, ни цилиндрической перегородки. Массив собирающей среды представляет собой расплав 205 металла (магния). Относительно тонкий слой 204 солевого флюса находится на верхней поверхности расплава металла. При работе устройства выходящий из сопла 110 пучок капель или частиц соударяется с собирающей средой и разрывает слой солевого флюса, открывая находящийся ниже расплав металла. Таким образом, после запуска устройства пучок непосредственно соударяется с вскрытой поверхностью 206 расплава металла в центральной области конденсационной камеры. Солевой флюс продолжает покрывать остальной расплав металла вокруг центра и создает защитный слой, который предотвращает окисление или загрязнение находящегося под ним металла.

Пример 6.

Шестой пример осуществления показан на фиг. 8 и является альтернативным примером выполнения сопла. Сопло выполнено асимметричным относительно оси и включает удлиненное поперечное сужение 210 и расширяющуюся юбку 211. Юбка образует, по существу, вытянутое выходное отверстие 212 сопла. Эта конфигурация создает в основном плоский или клинообразный выходной пучок 215 конденсированных капель или частиц. Таким образом, пучок соударяется с соответствующей собирающей средой (не показана) не в точке, а вдоль отрезка линии. Это асимметричное сопло может использоваться в любом из предыдущих примеров осуществления вместо обычного симметричного сопла. Однако оно особенно хорошо подходит для системы по фиг. 4, в которой образована движущаяся пелена или завеса 150 собирающей среды для сбора соударяющихся с ней конденсированных капель или частиц. В этом случае пучок направлен таким образом, чтобы соударение происходило поперечно падающей пелене для эффективного поглощения частиц/капель металла.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ конденсации парообразного материала, включающий обеспечение газового потока, содержащего пары металла;

пропускание газового потока через сопло Лаваля с охлаждением газового потока и образованием пучка жидких капель или твердых частиц в конденсационной камере, причем пучок капель или частиц направляют для соударения на ванну расплавленной жидкой собирающей среды, поддерживаемой при температуре выше точки плавления конденсированного из пара материала,

- 9 025055 отличающийся тем, что собирающая среда содержит солевой флюс, который имеет плотность меньше плотности конденсированного из пара материала.
2. Способ по п.1, в котором собирающая среда представляет собой движущийся слой жидкости, который представляет собой поток жидкости, падающей под действием гравитации;

движущийся слой обеспечивается переливным устройством резервуара собирающей среды.
3. Способ по п.2, в котором сопло направлено горизонтально или по существу горизонтально по отношению к слою жидкой собирающей среды.
4. Способ по п.2 или 3, в котором сопло включает щелевую область для создания в основном плоского или клинообразного выходного пучка конденсированных частиц или жидкости.
5. Способ по любому из пп.1-4, в котором сопло включает щелевую область для создания в основном плоского или клинообразного выходного пучка конденсированных частиц или жидкости.
6. Способ по любому из пп.1-5, в котором собирающая среда выполнена в виде ванны жидкости, совершающей круговую циркуляцию.
7. Способ по п.6, в котором круговая циркуляция жидкости обеспечивается механическими средствами, такими как мешалка.
8. Способ по любому из пп.1-7, в котором пучок капель или частиц направляют для соударения с собирающей средой под острым углом к поверхности среды.
9. Способ по п.8, в котором собирающая среда расположена в ванне расплава, совершающей круговую циркуляцию.
10. Способ по п.9, в котором пучок капель из сопла подают таким образом, что обеспечивается циркуляция содержимого ванны в виде перевернутого центробежного конуса в верхней поверхности ванны, причем этот конус обеспечивает наличие наклонной поверхности для приема пучка капель или частиц.
11. Способ по п.8, в котором наклонный пучок направляют для соударения с собирающей средой в месте, радиально отстоящем от центральной оси вращения ванны, тем самым способствуя круговому потоку ванны расплава или вызывая его.
12. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором газовый поток содержит реакционный газ, который участвует в реакциях восстановления или является продуктом реакций восстановления, и/или нереакционноспособный газ-носитель, который не вступает в значительную реакцию с другими присутствующими газами или с паром металла, в дополнение к подлежащему конденсации пару металла.
13. Способ по любому из пп.1-12, в котором реагенты подают таким образом, что на выходе сопла конденсированные капли или частицы образуют первый конус, в то время как реакционный газ, который участвует в реакциях восстановления или был продуктом реакций восстановления, и/или газ-носитель, который не вступает в значительную реакцию с другими присутствующими газами или с паром металла, образуют дополнительный конус, причем первый конус расположен внутри второго конуса, и при этом вокруг первого конуса и, по существу, внутри дополнительного конуса предусмотрены дефлекторные средства, чтобы создавать физический барьер, который помогает отделять газ-носитель и остальные газообразные фракции от конденсированных капель или частиц, которые проходят через дефлектор в собирающую среду.
14. Способ по п.13, в котором дефлекторные средства включают удлиненный в осевом направлении трубопровод, стенки которого обеспечивают отделение первого конуса.
15. Способ по п.13 или 14, в котором дефлекторные средства окружены фланцем, который закрывает по меньшей мере часть или всю остальную поверхность собирающей среды.
16. Способ по любому из пп.1-15, в котором конденсированный жидкий материал непрерывно или периодически отводят из резервуара собирающей среды и направляют без промежуточного отверждения на этап литья, или этап сплавления, или другой этап формования.
17. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором капли металла в пучке охлаждают для формирования твердых частиц до соударения с собирающей средой.
18. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором собирающую среду охлаждают для предотвращения испарения жидкого металла из пучка.
19. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором подлежащий конденсации парообразный материал является магнием или содержит магний.
20. Способ по п.19, в котором пар является металлом, выбранным из группы, содержащей Мд, Ζη, δη, РЬ, Αδ, 8Ь, Βί, δί, Сб и их комбинации.
21. Способ по п.19 или 20, в котором источник пара обеспечен металлотермическим или карботермическим восстановительным аппаратом и/или процессом.
22. Устройство для конденсации пара, такого как металл, содержащее источник газа, содержащего пары металла, конденсационную камеру, питаемую от источника пара посредством сопла Лаваля, с целью конденсации пара металла с образованием пучка жидких капель или твердых частиц в конденсационной камере;

жидкую собирающую среду для жидких капель или частиц, причем собирающая среда имеет открытую часть поверхности, которая расположена таким образом, чтобы допускать соударение с ней вы- 10 025055 ходящего из сопла пучка капель или частиц, отличающееся тем, что собирающая среда является солевым флюсом, причем солевой флюс имеет плотность меньше плотности конденсированных капель или частиц, так чтобы при работе устройства конденсированный материал оседал в части ванны ниже собирающей среды.
23. Устройство по п.22, в котором собирающая среда является расплавленной жидкостью, представляющей собой расплавленный солевой флюс.
24. Устройство по любому из пп.22 или 23, в котором собирающая среда расположена в ванне.
25. Устройство по любому из пп.22-24, в котором предусмотрены средства для непрерывного перемещения собирающей среды через участок, на котором пучок соударяется с собирающей средой, которые включают ванну собирающей среды, снабженную переливным устройством, через которое может течь жидкая собирающая среда для формирования слоя движущейся собирающей среды, с которой соударяется пучок конденсированного пара, причем сопло расположено таким образом, чтобы направлять пучок капель или частиц на слой жидкости, падающей с переливного устройства под действием гравитации.
26. Устройство по п.25, в котором сопло расположено таким образом, чтобы направлять пучок капель или частиц в основном горизонтально по отношению к собирающей среде.
27. Устройство по п.25 или 26, в котором предусмотрены средства для рециркуляции собирающей среды в ванну после перелива через переливное устройство.
28. Устройство по любому из пп.22-27, в котором предусмотрены средства для побуждения круговой циркуляции собирающей среды в ванне.
29. Устройство по п.28, в котором циркуляцию жидкости обеспечивают механическими средствами, такими как мешалка.
30. Устройство по любому из пп.22-29, в котором сопло выполнено и/или ориентировано таким образом, чтобы пучок капель или частиц соударялся с собирающей средой под острым углом к поверхности среды.
31. Устройство по п.30, в котором собирающая среда расположена в ванне, а место соударения наклонно ориентированного пучка с собирающей средой радиально отстоит от центральной оси вращения среды в ванне, так чтобы передаваемый им собирающей среде импульс способствовал круговому потоку собирающей среды в ванне или вызывал его.
32. Устройство по любому из пп.22-31, в котором сопло выполнено симметричным относительно продольной оси вращения.
33. Устройство по любому из пп.22-32, в котором сопло выполнено удлиненным в поперечном направлении, т.е. щелевым, так что пучок капель или частиц создается в основном плоским или клинообразным по форме и таким, что пучок соударяется с собирающей средой вдоль удлиненной области контакта.