RU2231419C1

RU2231419C1 - Method for producing pellets and powders of rare, radioactive metals and their alloys

Info

Publication number: RU2231419C1
Application number: RU2002126332/02A
Authority: RU
Inventors: В.Т. Готовчиков (RU); В.Т. Готовчиков; В.А. Середенко (RU); В.А. Середенко; В.К. Саранчин (RU); В.К. Саранчин; И.В. Осипов (RU); И.В. Осипов; ков В.А. Кос (RU); В.А. Косяков
Priority date: 2002-10-02
Filing date: 2002-10-02
Publication date: 2004-06-27

Abstract

FIELD: metallurgy, namely production of pellets and powders of rare, radioactive metals and their alloys.

SUBSTANCE: method is realized due to producing from raw charge of chemical compounds of rare radioactive metals in crucible of melting furnace metallic melt after reducing chemical compounds with use of reducing metal. Method comprises steps of removing slag from prepared metallic melt or crystallizing it; then discharging melt out of crucible for dispersing stream of melt by drops; cooling drops and crystallizing them; in order to produce pellets and powders of alloys, adding to charge alloying elements in the form of chemical compounds, metals, alloys reacting with reducing metal for forming flux.

EFFECT: enhanced quality of products, lowered quantity of waste material, increased useful life period of equipment.

6 cl, 3 ex

Description

Изобретение относится к области металлургии и, в частности, к получению гранул и порошков редких, радиоактивных металлов и их сплавов.The invention relates to the field of metallurgy and, in particular, to the production of granules and powders of rare, radioactive metals and their alloys.

Существует ряд способов получения металлических гранул и порошков, основой которых являются расплавление металла в печи, слив струи расплава через фильеру, диспергирование на капли, охлаждение и кристаллизация капель. Недостатками этих способов является необходимость применения в качестве исходного материала чистых металлов или сплавов, полученных из чистых компонентов, что значительно удорожает стоимость конечных порошков и гранул.There are a number of methods for producing metal granules and powders, the basis of which is the melting of metal in a furnace, draining the melt jet through a die, dispersing into droplets, cooling and crystallizing droplets. The disadvantages of these methods is the need to use pure metals or alloys obtained from pure components as the starting material, which significantly increases the cost of the final powders and granules.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ получения гранул (см. Э.Г.Раков и др. Процессы и аппараты производств радиоактивных и редких металлов. М.: Металлургия, 1993, с. 352-357), включающий получение в тигле плавильной печи металлического расплава путем восстановления химических соединений металлом-восстановителем. Недостатком данного способа является то, что полученные гранулы распределены в массе шлака и для их извлечения шлак необходимо измельчать и выщелачивать, что значительно усложняет и удорожает процесс. Кроме того, данный способ не позволяет получать гранулы заданного гранулометрического состава.The closest in technical essence and the achieved result is a method of producing granules (see EG Rakov and others. Processes and apparatuses for the production of radioactive and rare metals. M: Metallurgy, 1993, S. 352-357), including obtaining in a crucible melting furnace of a metal melt by reduction of chemical compounds with a metal reducing agent. The disadvantage of this method is that the obtained granules are distributed in the mass of slag and for their extraction the slag must be crushed and leached, which greatly complicates and increases the cost of the process. In addition, this method does not allow to obtain granules of a given particle size distribution.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является сокращение числа технологических операций и энергозатрат при производстве гранул и порошков металлов и их сплавов за счет использования в качестве исходного сырья, из которого получают металлический расплав, химических соединений, но не чистых металлов, повышение качества получаемых продуктов, сокращение количества образующихся отходов и увеличение срока службы оборудования.The technical result of the invention is to reduce the number of technological operations and energy costs in the production of granules and powders of metals and their alloys through the use of raw materials from which metal melt is obtained, chemical compounds, but not pure metals, improving the quality of the products obtained, reducing the amount of formed waste and increased equipment life.

Технический результат достигается тем, что в способе получения гранул и порошков редких, радиоактивных металлов и их сплавов, включающем получение из исходной шихты химических соединений редких, радиоактивных металлов в тигле плавильной печи металлического расплава путем восстановления химических соединений металлом-восстановителем. Из полученного металлического расплава удаляют или кристаллизуют шлаковый расплав, после чего полученный расплав сливают из тигля для диспергирования струи на капли, которые охлаждают и кристаллизуют.The technical result is achieved by the fact that in the method for producing granules and powders of rare, radioactive metals and their alloys, which involves obtaining from the initial charge chemical compounds of rare, radioactive metals in a crucible of a melting furnace of a metal melt by reducing the chemical compounds with a reducing metal. Slag melt is removed or crystallized from the obtained metal melt, after which the obtained melt is poured from the crucible to disperse the jet into droplets, which are cooled and crystallized.

Легирующие элементы вводят в исходную шихту в виде химических соединений, металлов и сплавов, которые взаимодействуют с металлом-восстановителем с образованием флюса.Alloying elements are introduced into the initial charge in the form of chemical compounds, metals and alloys that interact with the reducing metal to form a flux.

Получение металлического расплава осуществляют в герметичной индукционной печи с медным разрезным водоохлаждаемым тиглем, прозрачным для электромагнитного поля с перемещающимся внутри тигля медным водоохлаждаемым поддоном, а его слив - через сливные устройства, расположенные в верхней части стенки тигля и поддоне(патент РФ №2177132).Obtaining a metal melt is carried out in a sealed induction furnace with a split copper water-cooled crucible, transparent to the electromagnetic field with a copper water-cooled tray moving inside the crucible, and its discharge through drain devices located in the upper part of the crucible wall and the tray (RF patent No. 2177132).

Металлический расплав сливают через вмонтированный в поддон индукционный плавильный узел с медным разрезным водоохлаждаемым тиглем, прозрачным для электромагнитного поля, и установленной внутри тигля фильерой с калиброванными отверстиями.The metal melt is poured through an induction melting unit mounted in a pan with a copper split water-cooled crucible transparent to the electromagnetic field and a die installed inside the crucible with calibrated holes.

Шлаковый расплав удаляют при перемещении поддона вверх по сливному желобу, расположенному в верхней части стенки тигля.The slag melt is removed by moving the pan up the drain trough located in the upper part of the crucible wall.

Протекающие с выделением большого количества тепла металлотермические реакции позволяют исключить или значительно сократить энергозатраты на плавление. Легирующие элементы также целесообразно вводить в исходную шихту в виде более дешевых, чем чистые металлы, химических соединений, при условии, что они также восстанавливаются металлом-восстановителем. Наибольший эффект достигается тогда, когда образующийся при восстановлении легирующих элементов шлак является флюсом, снижающим температуру плавления шлака или улучшающим другие физико-химические свойства (вязкость, поверхностное натяжение и т.п.), обеспечивающие полноту разделения металлического и шлакового расплавов.The metallothermal reactions taking place with the release of a large amount of heat make it possible to eliminate or significantly reduce the energy consumption for melting. It is also advisable to introduce alloying elements into the initial charge in the form of cheaper than pure metals chemical compounds, provided that they are also reduced by a reducing metal. The greatest effect is achieved when the slag formed during the reduction of alloying elements is a flux that reduces the melting point of the slag or improves other physicochemical properties (viscosity, surface tension, etc.), ensuring the complete separation of metal and slag melts.

Удаление или кристаллизация шлака перед сливом металлического расплава исключают попадание шлакового расплава в сливаемый металлический расплав и не загрязняют последний.Removal or crystallization of slag before the discharge of the metal melt excludes the ingress of slag melt into the merged metal melt and does not pollute the latter.

Применение индукционной печи с холодным тиглем для металлотермической реакции обусловлено длительным сроком службы печей такого типа (до 20 лет) и тем, что выплавляемые в них металлы и сплавы не загрязняются материалом тигля. Применение сливного устройства для расплава в виде индукционного плавильного узла с холодным тиглем также обеспечивает длительный срок его службы, а также, в силу практической безынерционности индукционного нагрева, позволяет оперативно регулировать температуру фильеры и сливаемого расплава в заданном диапазоне.The use of an induction furnace with a cold crucible for a metallothermic reaction is due to the long service life of this type of furnace (up to 20 years) and the fact that the metals and alloys smelted in them are not contaminated with the crucible material. The use of a drain device for the melt in the form of an induction melting unit with a cold crucible also provides a long service life, and also, due to the practical inertia of induction heating, it allows you to quickly control the temperature of the die and the melt being drained in a given range.

Экспериментальную проверку предложенного способа проводили в вакуумной индукционной печи с холодным тиглем диаметром 200 мм, медным водоохлаждаемым поддоном, который перемещается внутри тигля, и двумя сливными устройствами: в виде желоба - в верхней части стенки тигля, а также в поддоне в виде плавильного узла с холодным тиглем диаметром 40 мм со вставляемой в этот тигель фильерой с отверстиями различного диаметра.An experimental verification of the proposed method was carried out in a vacuum induction furnace with a cold crucible with a diameter of 200 mm, a water-cooled copper pan that moves inside the crucible, and two drain devices: in the form of a gutter in the upper part of the crucible wall, as well as in a pan in the form of a melting unit with a cold a crucible with a diameter of 40 mm with a die inserted into this crucible with holes of various diameters.

Пример 1. В холодный тигель загружали порцию шихты, состоящей из тетрафторида урана и стружки металлического кальция, взятого с избытком 10 мас.% от стехиометрически необходимого, печь герметизировали и инициировали металлотермическую реакцию. После прохождения реакции, продукты плавки охлаждали до 1200°С, что приводило к кристаллизации шлака - фторида кальция (t_пл.-1418°С), но не металлического урана (t_пл.-1136°С). Температуру уранового расплава поддерживали на уровне 1200°С подачей энергии на индуктор холодного тигля. Далее подавали напряжение на индуктор сливного устройства в поддоне, разогревая фильеру и расплавляя пробку из закристаллизовавшегося уранового расплава. Урановый расплав стекал через фильеру диаметром 3 мм, попадал на вращающийся охлаждаемый диск и кристаллизовался в виде гранул.Example 1. A portion of a mixture consisting of uranium tetrafluoride and calcium metal shavings taken with an excess of 10 wt.% Stoichiometrically necessary was loaded into a cold crucible, the furnace was sealed and a metallothermic reaction was initiated. After the reaction, the melting products were cooled to 1200 ° C, which led to the crystallization of slag - calcium fluoride (t _pl. -1418 ° C), but not metal uranium (t _pl. -1136 ° C). The temperature of the uranium melt was maintained at 1200 ° C by supplying energy to the cold crucible inductor. Next, voltage was applied to the inductor of the drain device in the pan, heating the die and melting the plug from the crystallized uranium melt. The uranium melt flowed down through a die with a diameter of 3 mm, fell onto a rotating cooled disk, and crystallized in the form of granules.

Пример 2. Исходная шихта состояла из трифторида неодима, трихлорида железа и порошка бора, взятых в соотношении, необходимом для получения сплава Nd-Fe-B, и стружки металлического кальция, взятой с избытком 10 мас.% сверх стехиометрии для восстановления фторида неодима и хлорида железа до металлов. Введение в шихту железа в виде трихлорида железа приводило к образованию в процессе металлотермической реакции флюса - СаСl₂, обеспечивающего получение легкоплавкого шлака при смешении с фторидом кальция, образующимся при восстановлении фторида неодима. После прохождения металлотермической реакции поддон перемещали вверх до полного слива шлакового расплава по желобу. Поддон возвращали в исходное положение, поддерживая индукционными токами температуру расплава неодим-железо-бор на уровне 1450°С. Далее подавали напряжение на индуктор сливного устройства в поддоне, разогревая фильеру и расплавляя пробку из закристаллизовавшегося уранового расплава. Расплав неодим-железо-бора стекал через фильеру диаметром 1 мм, попадал на вращающийся охлаждаемый диск и кристаллизовался в виде мелкодисперсного порошка.Example 2. The initial mixture consisted of neodymium trifluoride, iron trichloride and boron powder, taken in the ratio required to obtain the Nd-Fe-B alloy, and calcium metal shavings taken with an excess of 10 wt.% Over stoichiometry to restore neodymium fluoride and chloride iron to metals. The introduction of iron in the form of iron trichloride led to the formation of a flux — CaCl ₂ during the metallothermal reaction, which provides low-melting slag when mixed with calcium fluoride formed during reduction of neodymium fluoride. After the metallothermal reaction, the pan was moved up to the complete discharge of the slag melt along the trough. The pallet was returned to its original position, maintaining the temperature of the neodymium-iron-boron melt at 1450 ° C by induction currents. Next, voltage was applied to the inductor of the drain device in the pan, heating the die and melting the plug from the crystallized uranium melt. The neodymium-iron-boron melt flowed down through a die with a diameter of 1 mm, fell onto a rotating cooled disk, and crystallized in the form of a fine powder.

Пример 3. Исходная шихта состояла из кристаллических порошков тетрафторида циркония и порошка металлического ниобия, взятых из расчета получения сплава цирконий - 2,5 мас.% ниобия, и стружки металлического кальция, взятой с избытком 5 мас.% сверх стехиометрии для восстановления фторида циркония до металла. Шихту нагревали в атмосфере аргона до 300°С и инициировали металлотермическую реакцию. Температура продуктов плавки составила 2000°С. После прохождения металлотермической реакции поддон перемещали вверх до полного слива шлакового расплава по желобу. Поддон возвращали в исходное положение, поддерживая индукционными токами температуру цирконий-ниобиевого расплава на уровне 1950°С. Далее подавали напряжение на индуктор сливного устройства в поддоне, разогревая фильеру и расплавляя пробку из закристаллизовавшегося уранового расплава. Цирконий-ниобиевый расплав стекал через фильеру диаметром 1 мм, попадал на вращающийся охлаждаемый диск и кристаллизовался в виде мелкодисперсного порошка.Example 3. The initial mixture consisted of crystalline powders of zirconium tetrafluoride and a powder of niobium metal, taken from the calculation of obtaining a zirconium alloy of 2.5 wt.% Niobium, and shavings of calcium metal, taken with an excess of 5 wt.% Over stoichiometry to restore zirconium fluoride to metal. The mixture was heated in an argon atmosphere to 300 ° C and a metallothermic reaction was initiated. The temperature of the melting products was 2000 ° C. After the metallothermal reaction, the pan was moved up to the complete discharge of the slag melt along the trough. The pallet was returned to its original position, maintaining the temperature of the zirconium-niobium melt at the level of 1950 ° C by induction currents. Next, voltage was applied to the inductor of the drain device in the pan, heating the die and melting the plug from the crystallized uranium melt. Zirconium-niobium melt flowed through a die with a diameter of 1 mm, fell on a rotating cooled disk and crystallized in the form of a fine powder.

Таким образом, приведенные примеры доказывают эффективность предложенного способа для получения гранул и порошков редких радиоактивных металлов и их сплавов.Thus, the above examples prove the effectiveness of the proposed method for producing granules and powders of rare radioactive metals and their alloys.

Claims

1. A method of producing granules and powders of rare, radioactive metals and their alloys, comprising obtaining from the initial charge of chemical compounds of rare, radioactive metals in a crucible of a metal melt furnace by reducing the chemical compounds with a reducing metal, characterized in that they are removed or the slag melt crystallizes, after which the resulting melt is poured out of the crucible to disperse the jet into droplets, which are cooled and crystallized.

2. The method according to claim 1, characterized in that upon receipt of granules and alloy powders alloying elements are introduced into the initial charge in the form of chemical compounds, metals, alloys.

3. The method according to claim 2, characterized in that the chemical compounds of the alloying elements interact with a reducing metal to form a flux.

4. The method according to claim 1, characterized in that the production of the metal melt is carried out in a sealed induction furnace with a copper split water-cooled crucible, transparent to the electromagnetic field, with a copper water-cooled tray moving inside the crucible, and its discharge through the drain devices located in the upper parts of the crucible wall and pan.

5. The method according to claim 1 or 4, characterized in that the metal melt is poured through an induction melting unit mounted in a pan with a copper split water-cooled crucible, transparent to the electromagnetic field, and a die installed inside the crucible with calibrated holes.

6. The method according to claim 1 or 4, characterized in that the slag melt is removed through a drain trough located in the upper part of the crucible wall, when the pan moves up.