RU1770420C

RU1770420C - Способ очистки тугоплавких металлов и сплавов от примесей цветных металлов

Info

Publication number: RU1770420C
Application number: SU904885990A
Authority: RU
Inventors: Станислав Алексеевич Юхимчук
Original assignee: Запорожский машиностроительный институт им.В.Я.Чубаря
Priority date: 1990-07-31
Filing date: 1990-07-31
Publication date: 1992-10-23

Abstract

Использование: плазменна металлурги и получение тугоплавких металлов (таких , как фовольфрам, молибден и др.) и прецизионных сплавов. Сущность изобретени : при способе очистки тугоплавких металлов и сплавов от примесей цветных металлов обработку ведут по всей поверхности расплава обрабатываемого материала путем создани разр да с использованием расплава в качестве отрицательного электрода и при пропускании через него тока с плотностью тока не менее 1 А/см2. 1 ил,, 2 табл.

Description

сл

С

Изобретение относитс к плазменной металлургии и может быть использовано при получении тугоплавких металлов (таких как молибден, вольфрам и др.) и специальных прецизионных сплавов

Известен вэкуумно-дуговой способ очищени металлов и сплавов от примесей цветных металлов, включающий нагрев обрабатываемого материала плазмой дугового разр да в вакууме до температуры испарени примесей из зоны обработки. К недостаткам способа следует отнести относительно низкую производительность процесса (вакуумный способ не позвол ет организовать непрерывное, крупнотоннажное производство), высокие энергетические затраты (10 Дж/кг), значительный унос очищаемого металла.

Известен также плазменно-дуговой способ очищени металлов и сплавов от примесей цветных металлов, включающий разогрев плазмой дугового разр да шихты обрабатываемого материала до температуры испарени примесей, отвод последних из зоны обработки и последующее застывание обрабатываемого материала в керамическомиливодоохлаждаемом кристаллизаторе. К недостачам отогоспособа следует отнести высокие затраты энергии (10 Дж/кг). необходимость предварительной подготовки шахты, относительно невысокой степенью очистки исходного материала от примесей цветных металлов (таких как медь цинк, свинец, сурьма, мышь к и др) и неравномерное ь распределени их в объеме кристэлизатора.

Ч| Лч1 О

ife

О

Наиболее близким к изобретению вл етс способ очистки металлов плазменной плавкой в горизонтальном кристаллизаторе включающий подачу очищенного плаз- мообразующего газа через плазмотрон в зону обработки металла и отвод его с парами примесей из зоны испарени последних: плавление и нагрев плазмой обрабатываемого материала до температуры испарени примесей: горизонтальное перемещение обрабатываемого материала nofa плазменной струей.

Однако в известном способе эффективность процесса ограничена размерами сечени плазменной струи, которое на материале определ ет зону обработки и составл ет не более 20 мм в диаметре, что ведет к длительности процесса, его малой производительности. Размеры площади расплава материала значительно больше площади сечени плазменной струи на материале . В сечении плазменной струи процессы очистки на поверхности расплава вл ютс неравновесными в св зи с наличием ионизированных частиц и поэтому очистка идет глубже, чем на периферии расплава, где выход примеси определ етс термодинамическим равновесием, а это, в конечном итоге, ведет к снижению чистоты продукта, а также к росту энергетических затрат, низкому качеству металлов и сплавов.

Цель изобретени - улучшение качества металлов и сплавов за счет повышени степени их очистки от примесей цветных метал- лов увеличение производительности процесса: снижение удельных энергетических затрат.

Цель достигаетс тем, что в известном способе, содержащем подачу плазмообра- зующего газа в зону обработки металла, плавление и нагрев плазмой обрабатываемого материала до температуры испарени примесей и последующий отвод плазмооб- разующего газа с парами примесей из зоны обработки ее ведут по всей поверхности расплава обрабатываемого материала путем создани объемного разр да с использованием расплава в качестве отрицательного электрода и при пропускании через него тока с плотностью тока не менее 1 А/см2.

Контакт разр да со всей поверхностью материала достигаетс разогревом электродной системы материал-катод и анод до температуры, при которой плотность тока термоэмиссии выше плотности тока разр да . Температуру расплава - катода поддерживают на уровне 2000-3000°С. что соответствует эффективному испарению примеси цветных металлов обладающих

более низкими температурами кипени . Протекание разр да через расплав приводит к по влению электромассопереноса и электроконвекции, когда под действием

протекани тока ионы примеси подвергаютс направленному воздействию электронных импульсов. Это приводит к по влению силы внешнего воздействи на элементы примеси ( и перемещению их к поверхности расплава, где осуществл етс испарение . Согласно теории Фикса и Хаттингтона сила Рез, обеспечивает перемещение примесей цветных металлов в расплаве черных от катода к аноду. Направленный дрейф

примесей к поверхности расплава под действием электронных импульсов, повышает глубину очистки расплава, что приводит к улучшению качества конечного продукта, скорости процесса. Содержание примеси в

этих услови х по всему обьему расплава будет неравновесным, вследствие контакта объемного.разр да со всей поверхностью расплава В результате глубина очистки будет всегда выше, чем в отсутствие обьемного разр да, так как при его отсутствии всегда существуют периферийные зоны расплава, где соотношение примеси и основы равновесны.

Плотность тока через расплав должна

обеспечить скорость дрейфа примеси цветных металлов к поверхности расплава несколько миллиметров в час и более, тогда это будет иметь практическое приложение. Из теории Фикса и Хаттиигтона можно получить , что эта скорость выражаетс :

, -pjloDo/kT,(1)

где 2Эф - эффективный зар д ионов примеси цветных металлов находитс ориентировочно в пределах - (20-50), в соответствии

с представлени ми в работе (4);

р- удельное сопротивление расплава (/ -10 4-10 5Ом/см); j - плотность тока; 10 - зар д электрона (1 ЭВ):

Do - молекул рный коэффициент диффузии ( см2/с),

(величины 2Эф, р, D0 вз ты или рассчитаны по материалам работ /4. 5/).

Если в соответствии с уравнением (1)

прин ть, что А/см2, то 1 1-5 мм/ч. Если «эту величину прин ть как минимально необходимую , то минимальным граничным значением плотности тока будет величина j 1 А/см2.

Пример. Осуществл лась очистка молибденового концентрата (молибден - железо), используемого затем в качестве лигатуры дл сталей, от свинца, олова, висмута , мышь ка, цинка, сурьмы кадми меди.

Предложенный способ, реализуемый в данном примере, по сн етс чертежом. Устройство , представленное на чертеже, состоит из коаксиальных цилиндрических катода (1) и анода (2), разделенных высокотемпературным изол тором (3) на основе . В конусной части катода (1) накапливаетс расплав очищаемого металла (4). Отверсти (5) предназначены дл слива чистого металла в высокотемпературный накопитель (6). В зоне накопител (6) имеетс окно (7), достаточное дл прохода накопител (6), Герметичность изол тора (3) обеспечиваетс засыпкой кварцевого песка (8). Теплоизол ци устройства обеспечиваетс графитовой крошкой или пылью (9). На дне установки расположен высокотемпературный шамотный кирпич (10). Соленоид (11) предназначен дл управлени разр дом в коаксиальном зазоре. Теплоизол цион-на дверца (12) обеспечивает герметичность установки .

Работа устройства осуществл лась следующим образом,

Подаетс плазмообразующий газ в зону обработки металла, в качестве которого используют смесь природного газа с воздухом в соотношении 1:5, что соответствует практически полному св зыванию кислорода и углерода без образовани сажи и паров воды , в количестве 6 нм3/ч. Рабоча смесь поступает через тангенциальное отверстие в изол торе (3), омывает внутреннюю поверхность конуса - катода (1) и выноситс через внутреннее отверстие анода наружу. Между цилиндрическим анодом (2) и конусообразным торцом корпуса - катода (1) поджигалс дуговой разр д. Под действием магнитного пол соленоида (11) разр д перемещалс в зазоре, нагрева теплоизол ционные графитовые камеры до температуры более 2000°С. При этом за счет увеличени плотности тока термоэмиссии с катода до величины , большей плотности рабочего тока в газовом зазоре разр д принимает объемную форму Опуска анод (2). добиваютс режима, когда основна часть тока разр да протекает между торцом анода и конусной частью катода(1). Загружаемый через отверстие анода исходный материал в виде брикетов по 250-300 г плавилс и нагревалс до температуры 3000°С. Разр д, контактирующий со всей поверхностью расплава, обеспечивал плотность тока через расплав около 1,1 А/см , что соответствует эффективному выносу примесей к поверхности. При температуре 3000°С примеси свинца, висмута, мышь ка цинка сурьмы, кадми , меди интенсивно испар ютс с поверхности металла и отвод тс пл чмообразуюшим газом из

зоны обработки. Падающие в расплав брикеты молибденового концентрата, как бопее холодные тонут, а на поверхности скапливаетс очищенный металл, который через отверстие (5) сливаетс в накопитель (6), После заполнени накопител очищенным металлом накопитель через отверстие (7) и дверцу (12) извлекаетс из установки. Стенки графитового корпуса покрываютс слоем кар0 бида молибдена, относительно стойким к расплаву веществом. После выгрузки накопител процесс повтор етс снова.

Удельные затраты энергии в эксперименте доставили 5 10 Дж/кг, производи5 тельность установки - 20 кг/ч.

Аналогичный эксперимент проведен дл сплава никел с кобальтом.

Дл сравнени полученных результатов с прототипом в горизонтальном тигле, пере0 мещающемс под плазменной струей (от струйного плазмотрона), состо щей из смеси природного газа с воздухом в соотношении 1.5, осуществл лось рафинирование молибденового концентрата и отдельно

5 сплава никел с кобальтом (15%). Мощность плазменных устройств во всех экспериментах была посто нной и составл ла 110 кВт. Результаты эксперимента показаны в табл. 1 и 2.

0Из таблицы видно, что содержание примесей цветных металлов при использовании предлагаемого способа резко снижаетс , что приводит к повышению качества конечного продукта.

5Использование предлагаемого способа

очистки металлов и сплавов от примесей цветных металлов обеспечивает по сравнению с прототипом следующие преимущества:

0 1. Улучшение качества металлов и сплавов за счет снижени в них примесей цветных металлов в 2-100 раз в зависимости от вида цветного металла.

2.Повышение производительности про- 5 цесса примерно в 3-4 раза обеспечивающее возможность выпуска продукции в промышленном масштабе.

3.Снижение удельных энергозатрат в 2 раза.

0 4. Повышение технологичности процесса за счет устранени вакуумных систем и снижени вследствие этого непроизводительных затрат. Как следствие - снижение себестоимости конечного продукта.

Claims

5 Формула изобретени

Способ очистки тугоплавких металлов и сплавов от примесей цветных металлов включающий их обработку подачей плазмо образующего газа, плавление и нагрев илл i- мой обрабатываемого материала до

температуры испарени примесей и последующий отвод плазмооб|эазующего газа с парами примесей из зоны обработки, о т- л ичающийс тем, что, с целью улучшени качества металла и сплавов за счет повышени степени их очистки от примесей цветных металлов, увеличени произ- водительности процесса, снижени

,Сравнительные донние по сос

процессе обработки

.Таблица2

Сравнительные данные по составу примеси цветных металлов в процессе обработки спла-1

ва никел с кобальтом (15 %)

удельных энергетических затрат, обработку ведут по всей поверхности расплава обрабатываемого материала путем создани объемного разр да с использованием расплава в качестве отрицательного электрода и при пропускании через него тока с плотностью тока не менее 1 А/см2,

f | т п и ч а I имесей цветных «мталлоа , - . |

I

/7

Ю