RU2780215C1

RU2780215C1 - Method for granulation of substances

Info

Publication number: RU2780215C1
Application number: RU2021135320A
Authority: RU
Inventors: Владимир Николаевич Абрютин; Елена Васильевна Давыдова; Михаил Александрович Егоров; Сергей Юрьевич Макаров; Игорь Игоревич Марончук; Дарья Дмитриевна Саникович
Original assignee: Общество С Ограниченной Ответственностью "Адв-Инжиниринг"
Filing date: 2021-12-01
Publication date: 2022-09-20

Abstract

FIELD: chemical industry.

SUBSTANCE: invention relates to the chemical industry and metallurgy, namely to liquid granulation, and is intended for the production of spherical granules of substances. Substances are subjected to granulation whose melting point does not exceed 1150°C. The method is carried out in a device containing a reactor consisting of a housing and a lid connected to an inert gas supply system, with a crucible with a starting substance with at least one hole placed inside, a furnace block and retorts of the first and second cooling circuits. During assembly, the crucible is placed in the reactor vessel, and the lower edge of the reactor vessel is immersed to form a liquid gate into the retort of the first cooling circuit with a cooling liquid, which is combined with the retort of the second cooling circuit, having previously filled it with refrigerant. The coolant for the first circuit is used differently in physicochemical properties than the refrigerant of the second cooling circuit. The reactor is filled with inert gas, overpressure is created and the circulation of inert gas through a liquid gate. The furnace block is heated, and after the initial substance is melted, when it flows out of the crucible, its melt is filtered and granules are formed first in an atmosphere of inert gas, and then in the coolant of the first circuit and their scattering throughout the bottom of the retort of the first cooling circuit due to bubbling of the coolant with inert gas passing through the reactor.

EFFECT: granulation of a wide class of materials, materials of various degrees of purity, including high-purity ones is provided.

10 cl, 2 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к химической промышленности и металлургии, к жидкостной грануляции и предназначено для производства сферических гранул веществ различной степени чистоты, включая многокомпонентные твердые растворы и соединения, металлы и сплавы.The invention relates to the chemical industry and metallurgy, to liquid granulation and is intended for the production of spherical granules of substances of varying degrees of purity, including multicomponent solid solutions and compounds, metals and alloys.

Известен способ гранулирования расплавленного металла (изобретение RU 2036050, МПК B22F 9/06) в котором одну или несколько струй расплавленного металла подают в ванну с охлаждающей жидкостью создавая ее равномерный поток от одной из боковых стенок ванны, средняя скорость потока охлаждающей жидкости составляет менее 0,1 м/с. Высота потока равна расстоянию от зеркала ванны на глубину, где гранулы имеют уже затвердевшую поверхность, а ширина потока превышает ширину струи или струй подаваемого жидкого металла. Длина струи жидкого металла от выхода из желоба до зеркала ванны охлаждающей жидкости составляет менее 100 ее диаметров. В качестве охлаждающей жидкости используют воду, в которую могут добавлять тензид в количестве до 500 ppm, антифриз в количестве до 10%, NaOH до 5%, вещества, изменяющие ее поверхностное натяжение и вязкость. Температура воды, подаваемой в резервуар, составляет 5-95°С. В качестве охлаждающей жидкости можно использовать жидкий углеводород, предпочтительно керосин. Недостатком способа является то, что он не предназначен для грануляции высокочистых веществ.A known method of granulating molten metal (invention RU 2036050, IPC B22F 9/06) in which one or more jets of molten metal is fed into a bath of coolant creating its uniform flow from one of the side walls of the bath, the average flow rate of the coolant is less than 0, 1 m/s. The height of the flow is equal to the distance from the bath mirror to the depth where the granules have an already solidified surface, and the width of the flow exceeds the width of the jet or jets of the supplied liquid metal. The length of the liquid metal jet from the exit from the chute to the surface of the cooling liquid bath is less than 100 of its diameters. Water is used as a coolant, to which tenside can be added in an amount up to 500 ppm, antifreeze in an amount up to 10%, NaOH up to 5%, substances that change its surface tension and viscosity. The temperature of the water supplied to the tank is 5-95°C. The coolant can be a liquid hydrocarbon, preferably kerosene. The disadvantage of this method is that it is not intended for granulation of high-purity substances.

Известен способ грануляции меди (изобретение RU 2237546, МПК B22F 9/08) в котором производится слив расплавленной меди струями в воду и диспергирование их под слоем воды. Диспергирование осуществляют двумя параллельными подводными водяными потоками через верхнее и нижнее подводные сопла, устанавливают угол их наклона к сливаемым струям меди, равным 60-90°, при этом поддерживают давление воды в верхнем подводном сопле, равным 0,04-0,10 МПа, а в нижнем подводном сопле -равным 0,10-0,20 МПа, а воду в зоне падения струй меди барботируют надводным водяным потоком, направляемым на ее поверхность через надводное сопло. Недостатком способа является сложность регулировки системы движения охлаждающей жидкости для получения гранул необходимого качества и, как следствие, способа грануляции в целом, при этом способ предназначен непосредственно для грануляции меди и не предназначен для грануляции высокочистых веществ.A known method of copper granulation (invention RU 2237546, IPC B22F 9/08) in which the molten copper is drained into water in jets and dispersed under a layer of water. Dispersion is carried out by two parallel underwater water flows through the upper and lower underwater nozzles, their angle of inclination to the drained copper jets is set to 60-90°, while maintaining the water pressure in the upper underwater nozzle, equal to 0.04-0.10 MPa, and in the lower underwater nozzle - equal to 0.10-0.20 MPa, and water in the zone of falling copper jets is bubbling with surface water flow directed to its surface through the surface nozzle. The disadvantage of this method is the complexity of adjusting the coolant movement system to obtain granules of the required quality and, as a result, the granulation method as a whole, while the method is intended directly for granulating copper and is not intended for granulating high-purity substances.

Известен способ получения гранулированной серы (изобретение RU 2545281, МПК С01В 17/0, B01J 2/06) в котором жидкая сера под напором от 900 Па до 9000 Па истекает из отверстия диаметром от 0,5 мм до 2,5 мм в виде вертикальной сплошной струи и попадает в воду, при этом расстояние между точкой истечения струи серы и поверхностью воды составляет не более 80 мм. Способом получают гранулированную серу в виде сферических частиц заданного диаметра. Недостатком способа является сложность поддержания постоянного давления напора истекающего расплава, что влечет за собой изменения диаметра гранул, кроме того, способ и конструкционные особенности его реализации предназначены только под грануляцию серы и не могут быть использованы под другие материалы.A known method for producing granulated sulfur (invention RU 2545281, IPC C01B 17/0, B01J 2/06) in which liquid sulfur under pressure from 900 Pa to 9000 Pa flows out of a hole with a diameter of 0.5 mm to 2.5 mm in the form of a vertical solid jet and enters the water, while the distance between the point of expiration of the sulfur jet and the water surface is no more than 80 mm. The method produces granulated sulfur in the form of spherical particles of a given diameter. The disadvantage of this method is the difficulty of maintaining a constant head pressure of the outflowing melt, which entails changes in the diameter of the granules, in addition, the method and design features of its implementation are intended only for sulfur granulation and cannot be used for other materials.

Также из уровня техники известны модификации способа и устройства для его осуществления, описанные в патенте на полезную модель UA 131214 МПК B22F 9/08 и в статье тех же авторов, опубликованной в журнале Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2017, №1-2, с. 55-60, которая дополнительно описывает защищенное патентом техническое решение. Способ и устройство на его основе предназначены для грануляции легкоплавких металлов. Устройство включает в своем составе верхнюю емкость, предназначенную для расплавленного металла, помещенную в нагревательный элемент, в дне которой выполнены отверстия, и емкость с охлаждающей жидкостью, которая размещена под емкостью для расплавленного металла. Верхняя емкость может быть выполнена в двух вариантах, как с поршнем способствующем выдавливанию расплавленного металла из емкости, так и без него. Недостатком способа и устройства является то, что при грануляции легкоплавких металлов, с широким диапазоном плотностей, используемой охлаждающей жидкостью является только бидистиллированная вода, что не способствует получению сферических гранул у всего спектра материалов. Судя по фотографиям гранул полученных металлов, они не имеют четкую сферическую форму. При этом ни в патенте, ни в статье не указано в какой атмосфере проводятся процессы грануляции.Also known from the prior art are modifications of the method and device for its implementation, described in the utility model patent UA 131214 IPC B22F 9/08 and in an article by the same authors published in the journal Technology and design in electronic equipment, 2017, No. 1-2, With. 55-60, which further describes the patent-protected technical solution. The method and device based on it are designed for granulation of fusible metals. The device includes in its composition an upper container intended for molten metal, placed in a heating element, in the bottom of which holes are made, and a container with a cooling liquid, which is placed under the container for molten metal. The upper container can be made in two versions, both with a piston that contributes to the extrusion of the molten metal from the container, and without it. The disadvantage of the method and device is that when granulating low-melting metals, with a wide range of densities, the coolant used is only bidistilled water, which does not contribute to the production of spherical granules for the entire range of materials. Judging by the photographs of the granules of the obtained metals, they do not have a clear spherical shape. At the same time, neither the patent nor the article indicates in what atmosphere the granulation processes are carried out.

Наиболее близким является способ получения гранул термоэлектрического материала (изобретение RU 2567972, МПК B22F9/08, H01L 5/12) в котором получают гранулы термоэлектрического материала на основе твердого раствора, имеющие сердцевину с рентгеноаморфной структурой и оболочку с кристаллической структурой. Способ включает сплавление компонентов материала в графитовом тигле, в дне которого выполнено сливное отверстие, обеспечение вытекания капель полученного расплава из сливного отверстия в тигле и обеспечение кристаллизации вытекающих капель расплава в полете в газе и в охлаждающей жидкости, расположенной под тиглем, с образованием в результате кристаллизации гранул термоэлектрического материала. Используют проточную охлаждающую жидкость, продуваемую газообразным азотом, а верхний уровень охлаждающей жидкости располагают на 5-7 см ниже сливного отверстия в тигле. Недостатком способа является низкая производительность и достаточная сложность используемой конструкции, в связи с чем возрастает трудоемкость изготовления гранул. При этом в описанном способе требуется большое количество циркулирующей охлаждающей жидкости, а материал, подвергаемый грануляции, не подвергается дополнительной очистке, что может сказаться на качестве получаемых гранул.The closest is the method for producing granules of thermoelectric material (invention RU 2567972, IPC B22F9/08, H01L 5/12) in which granules of thermoelectric material based on a solid solution are obtained, having a core with an X-ray amorphous structure and a shell with a crystalline structure. The method includes fusion of the material components in a graphite crucible, in the bottom of which a drain hole is made, ensuring the flow of drops of the resulting melt from the drain hole in the crucible and ensuring the crystallization of the flowing melt drops in flight in the gas and in the cooling liquid located under the crucible, with the formation as a result of crystallization granules of thermoelectric material. A flowing coolant is used, purged with nitrogen gas, and the upper level of the coolant is placed 5-7 cm below the drain hole in the crucible. The disadvantage of this method is the low productivity and sufficient complexity of the design used, and therefore increases the complexity of the manufacture of granules. At the same time, in the described method, a large amount of circulating coolant is required, and the material subjected to granulation is not subjected to additional purification, which may affect the quality of the resulting granules.

Основной целью при разработке способа было создание конкурентоспособного, недорогого, воспроизводимого метода с использованием технологически простого оборудования. Получение высокой производительности при использовании менее трудоемкой технологии на оборудовании с высокими эксплуатационными свойствами. При реализации способа получают гранулы сферической формы у широкого класса веществ различной степени чистоты с размером диаметра от 1 до 4 мм. Заявленный способ относительно имеющихся в мире производств имеет низкую себестоимость.The main goal in developing the method was to create a competitive, inexpensive, reproducible method using technologically simple equipment. Achieve high productivity using less labor-intensive technology on high performance equipment. When implementing the method, spherical granules are obtained from a wide class of substances of various degrees of purity with a diameter size of 1 to 4 mm. The claimed method has a low cost relative to the productions available in the world.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является разработка универсального способа грануляции веществ (металлов или сплавов), который можно использовать для материалов различной степени чистоты, включая высокочистые материалы, при условии использования оснастки, основных и вспомогательных материалов необходимого качества и соответствующей подготовки к процессу. Способ можно использовать для широкого класса материалов, однако диапазон ограничен максимальной температурой в нижеописанных технологических процессах не превышающей 1250°С, что вызвано эксплуатационными характеристиками используемого в способе реактора, выполненного из кварцевого стекла, т.е. температура плавления гранулируемых веществ (материалов) в разработанном способе и устройстве на его основе не должна превышать 1150°С.The task to be solved by the claimed technical solution is the development of a universal method for granulation of substances (metals or alloys), which can be used for materials of varying degrees of purity, including high-purity materials, provided that equipment is used, basic and auxiliary materials of the required quality and appropriate preparation for process. The method can be used for a wide class of materials, however, the range is limited by the maximum temperature in the following technological processes not exceeding 1250°C, which is caused by the operational characteristics of the reactor made of quartz glass used in the method, i.e. the melting temperature of granulated substances (materials) in the developed method and device based on it should not exceed 1150°C.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе грануляции веществ, температура плавления которых не превышает 1150°С, согласно изобретению, его осуществляют в устройстве, содержащем реактор, состоящий из корпуса и крышки, подключенный к системе подачи инертного газа, с размещенным внутри тиглем с исходным веществом с, по крайней мере, одним отверстием, печной блок и колбы первого и второго контура охлаждения, при этом при его сборке тигель помещают в корпус реактора, при этом нижний край корпуса реактора погружают с образованием жидкостного затвора в колбу первого контура охлаждения с охлаждающей жидкостью, которую совмещают с колбой второго контура охлаждения, предварительно заполнив ее хладагентом, причем используют охлаждающую жидкость для первого контура иную по физико-химическим свойствам, чем хладагент второго контура охлаждения, заполняют реактор инертным газом, создают избыточное давление и циркуляцию инертного газа через жидкостной затвор, и осуществляют плавный нагрев печного блока, при этом после расплавления исходного вещества при его вытекании из тигля обеспечивают фильтрацию расплава исходного вещества и формирование гранул сначала в атмосфере инертного газа, а затем в охлаждающей жидкости первого контура и их разброс по всему дну колбы первого контура охлаждения за счет барботажа охлаждающей жидкости инертным газом, проходящим через реактор.The problem is solved due to the fact that in the method of granulation of substances whose melting point does not exceed 1150°C, according to the invention, it is carried out in a device containing a reactor consisting of a housing and a lid, connected to an inert gas supply system, with a crucible placed inside with the starting material with at least one hole, the furnace block and the flasks of the first and second cooling circuits, while assembling the crucible is placed in the reactor vessel, while the lower edge of the reactor vessel is immersed to form a liquid seal in the flask of the first cooling circuit with coolant, which is combined with the flask of the second cooling circuit, having previously filled it with a coolant, and a coolant for the first circuit is used that is different in physical and chemical properties than the coolant of the second cooling circuit, the reactor is filled with an inert gas, an excess pressure is created and circulation of the inert gas through the liquid shutter, and perform a smooth load at the same time, after melting of the initial substance as it flows out of the crucible, the filtration of the melt of the initial substance and the formation of granules are provided, first in an inert gas atmosphere, and then in the cooling liquid of the primary circuit and their spread over the entire bottom of the flask of the primary cooling circuit due to the bubbling of the cooling liquid by an inert gas passing through the reactor.

При грануляции глубину погружения корпуса реактора предпочтительно поддерживают на таком уровне, чтобы сохраняя жидкостной затвор, исключить контакт охлаждающей жидкости с печным блоком и тиглем в процессе барботажа.During granulation, the immersion depth of the reactor vessel is preferably maintained at such a level that, while maintaining a liquid seal, to exclude contact of the coolant with the furnace block and crucible during bubbling.

При грануляции целесообразно поддерживать расстояние между охлаждающей жидкостью первого контура и тиглем, обеспечивающее формирование под действием сил поверхностного натяжения гранул в сферическую форму непосредственно в охлаждающей жидкости при исключении возможности интенсивного перегрева охлаждающей жидкости или затвердения расплавленного вещества в атмосфере инертного газа.During granulation, it is advisable to maintain a distance between the coolant of the primary circuit and the crucible, which ensures the formation of granules under the action of surface tension forces into a spherical shape directly in the coolant, while excluding the possibility of intense overheating of the coolant or solidification of the molten substance in an inert gas atmosphere.

Могут поддерживать уровень хладагента в колбе второго контура охлаждения ниже уровня охлаждающей жидкости в колбе первого контура охлаждения в течение всего технологического процесса грануляции.They can maintain the coolant level in the flask of the second cooling circuit below the level of the coolant in the flask of the first cooling circuit during the entire granulation process.

При сборке уровень верхнего края колбы второго контура охлаждения могут размещать выше уровня верхнего края колбы первого контура охлаждения.When assembling, the level of the upper edge of the flask of the second cooling circuit can be placed above the level of the upper edge of the flask of the first cooling circuit.

В качестве охлаждающей жидкости первого контура могут использовать охлаждающую жидкость с плотностью от 0,7 до 1,2 г/см³, которая исключает возможность загрязнения гранулируемого вещества посторонними примесями и вступление с гранулируемым веществом в химические реакции.Coolant with a density of 0.7 to 1.2 g/cm ³ can be used as the coolant of the primary circuit, which excludes the possibility of contamination of the granulated substance with foreign impurities and entry into chemical reactions with the granulated substance.

В качестве хладагента второго контура могут использовать воду. При необходимости могут обеспечивать циркуляцию хладагента второго контура. Могут использовать тигель, материал которого исключает возможность смачивания его расплавом гранулируемого вещества и вступление с ним в химические реакции с обеспечением одновременного смачивания его окислами.Water can be used as the secondary coolant. If necessary, they can circulate the refrigerant of the second circuit. A crucible can be used, the material of which excludes the possibility of wetting it with a melt of a granulated substance and entering into chemical reactions with it, while ensuring its simultaneous wetting with oxides.

При получении сферических гранул грануляцию веществ с плотностью расплава от 1,5 до 5,5 г/см³ могут проводить в охлаждающей жидкости с плотностью от 0,9 до 1,2 г/см³, а с плотностью расплава от 5,5 до 10,5 г/см³ - в охлаждающей жидкости с плотностью от 0,7 до 0,9 г/см³.Upon receipt of spherical granules, granulation of substances with a melt density of 1.5 to 5.5 g/cm ³ can be carried out in a coolant with a density of 0.9 to 1.2 g/cm ³ , and with a melt density of 5.5 to 10.5 g / cm ³ - in a coolant with a density of 0.7 to 0.9 g / cm ³ .

Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым способом, является разработка способа, который можно использовать для грануляции широкого класса материалов, материалов различной степени чистоты, включая высокочистые, при условии использования описанной оснастки, основных и вспомогательных материалов необходимого качества и соответствующей подготовки к процессу. Способ универсален, он обеспечивает возможность использования в одном технологическом цикле, как процесс грануляции вещества, так и процесс фильтрации его расплава одновременно, за счет прохождения (истекания) расплава через фильтрационные, каплеобразующие отверстия. При этом способ характеризуется высокой производительностью. Качество получаемых гранул отвечает требованиям высоких стандартов. При этом трудозатраты и себестоимость получения гранул относительно низкие за счет использования простого устройства состоящего из недорогих комплектующих с высокими эксплуатационными показателями, а так же применением недорогих расходных материалов, и достижения необходимых в работе технологический показателей за счет оптимизации и выверенной точности всех этапов работы с устройством.The technical result provided by the claimed method is the development of a method that can be used for granulation of a wide class of materials, materials of varying degrees of purity, including high purity, provided that the described equipment is used, basic and auxiliary materials of the required quality and appropriate preparation for the process. The method is universal, it provides the possibility of using in one technological cycle, both the process of granulation of a substance and the process of filtering its melt at the same time, due to the passage (outflow) of the melt through the filtration, drop-forming holes. In this case, the method is characterized by high productivity. The quality of the obtained granules meets the requirements of high standards. At the same time, the labor costs and the cost of obtaining granules are relatively low due to the use of a simple device consisting of inexpensive components with high performance, as well as the use of inexpensive consumables, and the achievement of the technological indicators required in the work due to optimization and verified accuracy of all stages of work with the device.

Способ относится к методам грануляции расплавов в жидкость и включает в себя возможность использования в одном технологическом цикле, как процесс грануляции вещества, так и процесс фильтрации его расплава, которые протекают одновременно. Способ реализуется в устройстве с вариантом вертикального расположения рабочего реактора с оснасткой. Схематическое изображение реакторной (рабочей) части с оснасткой, размещенные в печи установки грануляции и системой охлаждения гранул показаны на фигуре 1.The method relates to methods of granulation of melts into a liquid and includes the possibility of using in one technological cycle both the process of granulation of a substance and the process of filtering its melt, which proceed simultaneously. The method is implemented in a device with a variant of the vertical arrangement of the working reactor with equipment. A schematic representation of the reactor (working) part with equipment, located in the furnace of the granulation unit and the granule cooling system are shown in figure 1.

Фиг. 1 и 2. Схематическое изображение реакторной (рабочей) части с оснасткой установки грануляции: 1 - крышка реактора, 2 - корпус реактора, 3 - печной блок, 4 - расплав гранулируемого материала, 5 - тигель, 6 - охлаждающая жидкость, 7 - колба первого контура охлаждения, 8 - гранулы материала, 9 - упор, 10 - хладагент второго контура (например, вода); 11 - колба второго контура охлаждения.Fig. 1 and 2. Schematic representation of the reactor (working) part with equipment for the granulation plant: 1 - reactor cover, 2 - reactor vessel, 3 - furnace block, 4 - melt of the granulated material, 5 - crucible, 6 - cooling liquid, 7 - flask of the first cooling circuit, 8 - material granules, 9 - stop, 10 - refrigerant of the second circuit (for example, water); 11 - flask of the second cooling circuit.

Ниже, в соответствии с фигурой 1 приводим более детальное описание конструкции (устройства) и способа, реализованного на ее основе.Below, in accordance with figure 1, we give a more detailed description of the design (device) and the method implemented on its basis.

Во время технологического процесса реактор размещается в однозонной резистивной печи, таким образом, чтоб вдоль помещенного в него тигля, с расплавом гранулируемого материала, возможно было создать необходимую для проведения процессов температуру.During the technological process, the reactor is placed in a single-zone resistive furnace, so that along the crucible placed in it, with the melt of the granulated material, it was possible to create the temperature necessary for carrying out the processes.

Реактор установки грануляции изготовлен из кварца и состоит из корпуса 2 и крышки 1 снабженной в верхней части патрубком для подвода инертного газа (в процессах, в зависимости от используемых материалов применяется либо газообразный аргон, либо азот, имеющие марки ОСЧ). Крышка плотно (герметично) соединяется с корпусом реактора. Корпус реактора снабжен упором 9, на котором устанавливается тигель 5 с гранулируемым веществом 4, таким образом, чтоб на нем создавалась температурная полка при помощи печного блока 3 с температурой необходимой для проведения процесса фильтрации и грануляции расплава вещества.The reactor of the granulation plant is made of quartz and consists of a body 2 and a cover 1 equipped in the upper part with a branch pipe for supplying an inert gas (in the processes, depending on the materials used, either gaseous argon or nitrogen is used, having OSCh grades). The lid is tightly (hermetically) connected to the reactor vessel. The reactor vessel is equipped with a stop 9, on which a crucible 5 with a granulated substance 4 is installed, so that a temperature shelf is created on it with the help of a furnace block 3 with the temperature necessary for the process of filtering and granulating the substance melt.

Тигель, размещенный в реакторной части изготавливается из кварца, используемого в электронной промышленности, либо из высокоплотного графита не хуже марки МПГ-6, либо из/или пиролитического/прессованного нитрида бора в зависимости от физико-химических свойств очищаемого материала. В ряде случаев (в зависимости от свойств гранулируемых веществ) графитовые тигли полируются либо уплотняются пироуглеродом в специальных печах.The crucible placed in the reactor part is made of quartz used in the electronics industry, or of high-density graphite not worse than MPG-6 grade, or of/or pyrolytic/pressed boron nitride, depending on the physicochemical properties of the material to be cleaned. In some cases (depending on the properties of the granulated substances), graphite crucibles are polished or compacted with pyrolytic carbon in special furnaces.

В нижней части тигля имеется одно, или несколько отверстий, через которые происходит фильтрация расплава с образованием капель, при застывании в жидкости становящихся гранулами 8.In the lower part of the crucible there is one or several holes through which the melt is filtered with the formation of drops, which, when solidified in the liquid, become granules 8.

Под реактором размещается колба 7 с охлаждающей жидкостью 6 таким образом, чтоб края реактора были опущены в жидкость создавая жидкостной затвор и обеспечивая герметичность реактора от окружающей атмосферы создавая в нем с помощью продуваемого газа инертную среду. Колба 7 в свою очередь размещается в колбе 11 второго контура охлаждения с хладагентом 10, в роли которого может быть использована вода.Flask 7 with coolant 6 is placed under the reactor in such a way that the edges of the reactor are lowered into the liquid, creating a liquid seal and ensuring the tightness of the reactor from the surrounding atmosphere, creating an inert medium in it with the help of a purge gas. The flask 7, in turn, is placed in the flask 11 of the second cooling circuit with the coolant 10, in the role of which water can be used.

Газ подается сверху, проходит через реактор и барботирует через поверхностный слой охлаждающей жидкости, выходя с внешней стороны нижнего края корпуса реактора (изображено на фигурах). Этот процесс возможен потому, что давление окружающей среды во время осуществления способа равно атмосферному, а давление, создаваемое газом в реакторе, его незначительно превышает. При этом, край реактора, погруженный в охлаждающую жидкость, создает жидкостной затвор, препятствующий попаданию атмосферного воздуха в реактор. Чем глубже будет опускаться нижняя часть реактора в охлаждающую жидкость, тем выше давление в реакторе будет создаваться, что сделает процесс барботажа сложнее и создаст большее «волнение» охлаждающей жидкости при выходе из реактора газового пузыря. Поэтому погружение нижней части корпуса реактора в охлаждающую жидкость производят незначительно, не более нескольких миллиметров.The gas is supplied from above, passes through the reactor and bubbles through the surface layer of the coolant, exiting from the outer side of the lower edge of the reactor vessel (shown in the figures). This process is possible because the ambient pressure during the implementation of the method is equal to atmospheric, and the pressure created by the gas in the reactor slightly exceeds it. At the same time, the edge of the reactor, immersed in the coolant, creates a liquid seal that prevents atmospheric air from entering the reactor. The deeper the lower part of the reactor is lowered into the coolant, the higher the pressure in the reactor will be created, which will make the sparging process more difficult and create more "swell" of the coolant when the gas bubble exits the reactor. Therefore, the immersion of the lower part of the reactor vessel into the coolant is carried out insignificantly, no more than a few millimeters.

В способе могут использоваться легко-воспламеняемые жидкости, и гранулируемые материалы 1-3 класса опасности, которые имеют свой ПДК (предел допустимой концентрации), т.е. токсичны, и аргон, тяжелый газ (тяжелее воздуха) не полезен для дыхания. Поэтому все устройство, с реализуемым способом, размещается в замкнутой (герметичной) зоне обвязанной приточно-вытяжной вентиляцией с нижним и верхним отсосом воздушной массы, т.е. выходящие газы и испарения отводятся и фильтруются.The method can use flammable liquids, and granular materials of hazard class 1-3, which have their MPC (maximum permissible concentration), i.e. toxic, and argon, a heavy gas (heavier than air) is not good for breathing. Therefore, the entire device, with a realized method, is placed in a closed (hermetic) zone tied with supply and exhaust ventilation with lower and upper suction of the air mass, i.e. escaping gases and vapors are removed and filtered.

Колба второго контура охлаждения, превышающая по высоте колбу первого контура, может быть снабжена крышкой с патрубком соединенным с вытяжной вентиляцией, для отвода паров различных испарений и инертных газов. При отсутствии крышки, как это изображено на фигурах, иллюстрирующих изобретение, давление над контурами охлаждения атмосферное, локальный отвод инертного газа и паров различных испарений от устройства не осуществляется, поэтому она должна быть размещена в вышеуказанной герметичной зоне.The flask of the second cooling circuit, exceeding the height of the flask of the first circuit, can be equipped with a lid with a branch pipe connected to exhaust ventilation to remove vapors of various fumes and inert gases. In the absence of a cover, as shown in the figures illustrating the invention, the pressure above the cooling circuits is atmospheric, local removal of inert gas and vapors of various vapors from the device is not carried out, therefore it must be placed in the above sealed area.

Размеры оснастки и тиглей определяются объемом очищаемого материала и могут масштабироваться в зависимости от требований производства. Однако, значительное увеличение оснастки может привести к удорожанию процесса за счет усложнения конструктивных решений установки в целом, что может быть не пропорционально к себестоимости получаемого продукта. Кроме того, значительное увеличение в загрузке может повлечь за собой эксплуатационные проблемы, связанные с: увеличением размеров оснастки, что может потребовать дополнительных приспособлений и трудозатрат для ее сборки; сроком службы оснастки, при изменении регламента ее сборки; поиском новых (других) материалов для изготовления оснастки. Все это опять-таки приведет к усложнению узлов установки в целом и повысит стоимость производимого продукта. Поэтому, при конструировании оборудования необходимо учитывать данные проблемы, найдя оптимальный вариант по принципу цена-качество.The dimensions of tooling and crucibles are determined by the volume of material being cleaned and can be scaled depending on the requirements of the production. However, a significant increase in equipment can lead to an increase in the cost of the process due to the complexity of the design solutions of the installation as a whole, which may not be proportional to the cost of the resulting product. In addition, a significant increase in load may lead to operational problems associated with: an increase in the size of the tooling, which may require additional fixtures and labor costs for its assembly; the service life of the tooling, when changing the rules for its assembly; search for new (other) materials for the manufacture of tooling. All this again will lead to the complication of the units of the installation as a whole and will increase the cost of the product being produced. Therefore, when designing equipment, it is necessary to take into account these problems, finding the best option according to the price-quality principle.

Далее приводим описание способа грануляции веществ на описанном устройстве. После загрузки навески исходного вещества 4 в тигель 5 помещаем его в корпус реактора 2, который плотно закрываем крышкой 1. После чего собранный вышеописанным способом реактор размещаем в печном блоке 3 установки. Снизу располагаем колбу 7 с охлаждающей жидкостью 6, погрузив в нее нижний край корпуса реактора, и подсоединяем колбу второго контура охлаждения, заполнив ее хладагентом. Подсоединяем патрубок крышки реактора 1 к газовой линии установки и плавно пропускаем через реактор инертный газ. Создается циркуляция газа через жидкостной затвор, образованный корпусом реактора 2 и охлаждающей жидкостью 7. После заполнения реактора инертным газом включаем нагрев печного блока 3, плавно выводя на температурный профиль относительно тигля 5 необходимый для проведения технологического процесса. При необходимости включаем ток хладагента в колбе второго контура охлаждения.The following is a description of the method of granulation of substances on the described device. After loading a sample of the initial substance 4 into the crucible 5, we place it in the reactor vessel 2, which is tightly closed with a lid 1. After that, the reactor assembled as described above is placed in the furnace block 3 of the installation. Below we place the flask 7 with the coolant 6, immersing the lower edge of the reactor vessel into it, and connect the flask of the second cooling circuit, filling it with the coolant. We connect the branch pipe of the reactor cover 1 to the gas line of the installation and smoothly pass the inert gas through the reactor. Gas circulation is created through a liquid seal formed by the reactor vessel 2 and coolant 7. After filling the reactor with an inert gas, we turn on the heating of the furnace block 3, smoothly bringing to the temperature profile relative to the crucible 5 necessary for the technological process. If necessary, turn on the refrigerant current in the flask of the second cooling circuit.

Принцип действия устройства при реализации способа грануляции веществ состоит в следующем:The principle of operation of the device when implementing the method of granulation of substances is as follows:

В начале технологического процесса, после расплавления вещества, происходит фильтрация расплава исходного вещества из загрузочного тигля 5 с формированием капли. Особенностью загрузочного тигля является то, что он имеет легкую конусность внутренней части (для удобства выгрузки тигельного остатка), в нижней части выполнено необходимое количество фильтрационных отверстий диаметром от 0,5 до 1,0 мм (в зависимости от физических свойств, уровня чистоты и окисления гранулируемого вещества). Тигель выполнен из материала, не смачиваемого расплавом исходного вещества, при этом он должен смачиваться его окислами. Данная операция проходит в инертной атмосфере с незначительным избыточным давлением (не более 0,1 атм.) создаваемым за счет жидкостного затвора и при температурной полке в зоне тигля 5 на уровне, превышающем температуру плавления вещества на 60÷150° (в зависимости от физических свойств исходного материала). Сущность процесса фильтрации заключается в том, что после расплавления исходного вещества происходит рафинирование расплава прохождением через фильтровальные, каплеобразующие отверстия. При этом происходит механическое отделение крупных неметаллических включений и адгезионная очистка тонко дисперсных неметаллических включений, которые остаются в расплаве. На поверхности расплава в тигле находится окисная пленка, образованная за счет естественного окисления кусочков исходной загрузки помещенной в тигель перед плавлением, в которой, в частности, задерживается ряд тяжелых примесей. Окисная пленка смачивает поверхность тигля и за счет действия сил поверхностного натяжения не дает всему расплаву профильтроваться. Количество фильтрационных отверстий подбирается таким образом, чтоб в зависимости от свойств рафинируемого-гранулируемого материала и степени его загрязнения и окисления за счет сил поверхностного натяжения и смачивания процесс фильтрации-грануляции останавливался при тигельном остатке равном -10% от загрузки исходного материала. Диаметр фильтрационных отверстий выбирается в зависимости от физических свойств гранулируемых материалов, таким образом, чтоб размер диаметра гранул составлял от 1 до 4 мм.At the beginning of the technological process, after the melting of the substance, the melt of the initial substance is filtered from the loading crucible 5 with the formation of a drop. A feature of the loading crucible is that it has a slight taper of the inner part (for the convenience of unloading the crucible residue), the required number of filtration holes with a diameter of 0.5 to 1.0 mm is made in the lower part (depending on physical properties, purity and oxidation levels). granular substance). The crucible is made of a material that is not wettable by the melt of the initial substance, while it must be wetted by its oxides. This operation takes place in an inert atmosphere with a slight overpressure (no more than 0.1 atm.) created by a liquid seal and at a temperature shelf in the zone of the crucible 5 at a level exceeding the melting point of the substance by 60÷150° (depending on the physical properties source material). The essence of the filtration process lies in the fact that after the melting of the initial substance, the melt is refined by passing through filtering, drop-forming holes. When this occurs, the mechanical separation of large non-metallic inclusions and adhesive cleaning of finely dispersed non-metallic inclusions that remain in the melt. On the surface of the melt in the crucible, there is an oxide film formed due to the natural oxidation of pieces of the initial charge placed in the crucible before melting, in which, in particular, a number of heavy impurities are retained. The oxide film wets the surface of the crucible and, due to the action of surface tension forces, does not allow the entire melt to be filtered. The number of filtration holes is selected in such a way that, depending on the properties of the refined-granulated material and the degree of its contamination and oxidation due to the forces of surface tension and wetting, the filtration-granulation process stops at a crucible residue equal to -10% of the initial material load. The diameter of the filtration holes is selected depending on the physical properties of the materials to be granulated, so that the size of the granule diameter is from 1 to 4 mm.

В случае грануляции высокочистых веществ используется конструкция тигля, показанная на фигуре 2. Как правило, в таком случае тигель выполнен из кварца подвергнутого специальной химической обработке, с целью уменьшения его смачивания расплавом фильтруемого-гранулируемого вещества и имеет одно фильтрационное отверстие в своей нижней части. В этом случае расплав практически полностью подвергается фильтрации-грануляции с выходом годного продукта практически в 100% при этом незначительные окислы, имеющиеся на расплаве, остаются на нижней, конической части тигля.In the case of granulation of high-purity substances, the crucible design shown in Figure 2 is used. As a rule, in this case, the crucible is made of quartz subjected to special chemical treatment in order to reduce its wetting with the melt of the filtered-granulated substance and has one filtration hole in its lower part. In this case, the melt is almost completely subjected to filtration-granulation with a yield of a suitable product of almost 100%, while minor oxides present on the melt remain on the lower, conical part of the crucible.

Сформировавшаяся капля расплава, отделяясь от тигля 5, проходит определенный путь, до погружения в охлаждающую жидкость 6 и затвердевание в ней, находясь в инертной среде, препятствующей окислению расплава. Расстояние между охлаждающей жидкостью 6 и дном тигля 5 стараются сделать таким, чтоб воспрепятствовать интенсивному перегреву охлаждающей жидкости 6, но так, чтоб расплавленная капля под действием сил поверхностного натяжения сформировалась в сферическую гранулу 8 непосредственно в охлаждающей жидкости 6 не успев затвердеть ранее, т.е. расстояние может определятся либо физическими свойствами гранулируемого вещества 4, либо интенсивностью съема тепловой энергии с колбы 7 с охлаждающей жидкостью 6 хладагентом 10 (при этом, во втором случае оно может быть и минимальным). Минимальное расстояние при наиболее низкой температуре технологического процесса стремящейся к комнатной определяется отсутствием контакта охлаждающей жидкости с электрической частью печного блока и зависит от уровня волнения охлаждающей жидкости вызванного прохождением инертного газа через жидкостной затвор и разлета капель охлаждающей жидкости при погружении в нее капель расплавленного вещества в процессе грануляции. Температура охлаждающей жидкости при опытных условиях использования метода и устройства менялась от 10 до 60°С, что ни как не сказывалось на качестве гранул.The formed drop of the melt, separating from the crucible 5, goes through a certain path, until it is immersed in the cooling liquid 6 and solidifies in it, being in an inert environment that prevents the oxidation of the melt. They try to make the distance between the coolant 6 and the bottom of the crucible 5 such as to prevent intense overheating of the coolant 6, but so that the molten drop under the action of surface tension forces is formed into a spherical granule 8 directly in the coolant 6 without having time to solidify earlier, i.e. . the distance can be determined either by the physical properties of the granulated substance 4, or by the intensity of the removal of thermal energy from the flask 7 with the coolant 6 by the refrigerant 10 (in this case, in the second case, it can be minimal). The minimum distance at the lowest process temperature tending to room temperature is determined by the absence of contact of the coolant with the electrical part of the furnace block and depends on the level of excitement of the coolant caused by the passage of an inert gas through the liquid seal and the expansion of coolant drops when drops of molten substance are immersed in it during granulation . The temperature of the coolant under the experimental conditions of using the method and device varied from 10 to 60°C, which did not affect the quality of the granules in any way.

Однако, при значительном перегреве расплава происходит не формирование капли, а сливание через фильтрационные отверстия небольших струй расплава, которые при попадании в охлаждающую жидкости разбиваются при охлаждении и кристаллизуются в сферические гранулы более крупного размера. Поэтому перегрев расплава на определенную величину с целью получения гранул необходимого размера для каждого вещества индивидуален, определяется его свойствами и подбирается опытным путем.However, with a significant overheating of the melt, it is not the formation of a drop that occurs, but the merging through the filtration holes of small jets of the melt, which, when they enter the cooling liquid, break upon cooling and crystallize into spherical granules of a larger size. Therefore, overheating the melt by a certain amount in order to obtain granules of the required size for each substance is individual, determined by its properties and selected empirically.

Выбор охлаждающей жидкости 6 так же в значительной степени зависит от физических свойств гранулируемого в ней вещества 4. К охлаждающей жидкости 6 применимы следующие требования: она не должна дополнительно загрязнять гранулируемое вещество посторонними примесями и не вступать с ней в химические реакции; должна обеспечивать возможность формирования сферических гранул для гранулируемого в нее вещества, т.е. иметь необходимую плотность и как следствие определенную вязкость и поверхностное натяжение; быть недорогой в использовании и/или в очистке (регенерации) и/или утилизации; быть относительно безвредной для окружающей среды.The choice of coolant 6 also largely depends on the physical properties of the substance 4 granulated in it. The following requirements apply to coolant 6: it must not additionally contaminate the granulated substance with foreign impurities and not enter into chemical reactions with it; should provide the possibility of forming spherical granules for the substance granulated into it, i.e. have the required density and, as a result, a certain viscosity and surface tension; be inexpensive to use and/or clean (reclaim) and/or dispose of; be relatively environmentally friendly.

Опытным путем установлено, что грануляцию веществ 4 с плотностью расплава: от 1,5 до 5,5 г/см³ при условии получения сферических гранул целесообразно проводить в охлаждающие жидкости 6 с плотностью от 1,2 до 0,9 г/см³, а от 5,5 до 10,5 г/см³ в охлаждающие жидкости 6 с плотностью от 0,9 до 0,7 г/см³. При условии соблюдения вышеописанных требований к охлаждающим жидкостям 6. Например, при грануляции расплава сурьмы (имеющей плотность расплава 6,53 г/см³) в деионизованную воду (имеющую плотность 1,0 г/см³) образуются гранулы, имеющие чешуйчатую форму, а при ее грануляции в изопропиловый спирт марки ОСЧ (имеющий плотность 0,7851 г/см³) при тех же технологических условиях получаются сферические гранулы.It has been empirically established that the granulation of substances 4 with a melt density of 1.5 to 5.5 g/cm ³ , provided that spherical granules are obtained, it is advisable to carry out in cooling liquids 6 with a density of 1.2 to 0.9 g/cm ³ , and from 5.5 to 10.5 g/cm ³ into coolants 6 with a density of 0.9 to 0.7 g/cm ³ . Subject to the above requirements for coolants 6. For example, when granulating an antimony melt (having a melt density of 6.53 g/cm ³ ) into deionized water (having a density of 1.0 g/cm ³ ), granules are formed that have a scaly shape, and when it is granulated into isopropyl alcohol grade OSCh (having a density of 0.7851 g/cm ³ ) under the same technological conditions, spherical granules are obtained.

Необходимо отметить, что охлаждающие жидкости 6 с плотностью менее 1,0 г/см³ соответствующие сформулированным нами требованиям в большинстве своем относятся к легко воспламеняемым жидкостям. Поэтому отличительной особенностью грануляции в них является использование в качестве инертного газа аргона марки ОСЧ. При этом уровень верхней кромки колбы охлаждения второго контура 11 должен на несколько сантиметров превышать уровень колбы 7 с охлаждающей жидкостью 6, с целью предотвращения возгорания последней, при высоких температурах проведения технологического процесса. В случае применения в качестве охлаждающей жидкости 6 веществ не относящихся к легко воспламеняемым, возможно использования в качестве продуваемого через реактор газа азот марки ОСЧ.It should be noted that coolants 6 with a density of less than 1.0 g/cm ³ corresponding to the requirements formulated by us, for the most part, are flammable liquids. Therefore, a distinctive feature of granulation in them is the use of OSCh grade argon as an inert gas. In this case, the level of the upper edge of the cooling flask of the second circuit 11 must be several centimeters higher than the level of the flask 7 with the coolant 6, in order to prevent the latter from igniting at high temperatures of the technological process. In the case of using as a coolant 6 substances that are not easily flammable, it is possible to use nitrogen grade OSCh as a gas blown through the reactor.

Положительным явлением при попадании капель во время технологического процесса в охлаждающую жидкость и их грануляции, является то, что гранулы 8 не концентрируются в нижней центральной части колбы 7, а разбрасываются по всей площади ее донной части. Эффект вызван прохождением газовых пузырей (инертного газа) через жидкостной затвор. Это в частности обеспечивает и циркуляцию охлаждающей жидкости 6 в колбе с усреднением температурного профиля в ней.A positive phenomenon when drops get into the coolant during the technological process and their granulation is that the granules 8 do not concentrate in the lower central part of the flask 7, but are scattered over the entire area of its bottom part. The effect is caused by the passage of gas bubbles (inert gas) through the liquid seal. This, in particular, ensures the circulation of the coolant 6 in the flask with the averaging of the temperature profile in it.

С увеличением объема гранул 8 в колбе 7 происходит перелив охлаждающей жидкости 6 из колбы 7 в колбу второго контура охлаждения 11. Поэтому необходимо, чтоб уровень хладагента 10 в колбе 11 второго контура охлаждения был и поддерживался ниже уровня охлаждающей жидкости 6 в колбе 7 в течение всего технологического процесса. Кроме того, в зависимости от необходимой эффективности отвода тепла от колбы 7 с охлаждающей жидкостью 6, колба 11 контура охлаждения которого может быть выполнена как в варианте с протоком хладагента 10 (фигура 1), так и без него (фигура 2).With an increase in the volume of granules 8 in the flask 7, the coolant 6 overflows from the flask 7 into the flask of the second cooling circuit 11. Therefore, it is necessary that the level of the coolant 10 in the flask 11 of the second cooling circuit be and be maintained below the level of the coolant 6 in the flask 7 during the entire technological process. In addition, depending on the required efficiency of heat removal from the flask 7 with coolant 6, the flask 11 of the cooling circuit of which can be made both in the version with the coolant flow 10 (figure 1) and without it (figure 2).

Необходимо добавить, что устройство и способ для ряда веществ, с целью увеличения производительности, могут быть снабжены известными устройствами дозагрузки гранулируемого вещества в тигель и известными устройствами выгрузки гранул из колбы, которые применяются в цветной металлургии и электронной промышленности.It should be added that the device and method for a number of substances, in order to increase productivity, can be equipped with known devices for additional loading of the granulated substance into the crucible and known devices for unloading granules from the flask, which are used in non-ferrous metallurgy and the electronics industry.

После проведения вышеописанных операций печной блок выключается, продувка инертным газом уменьшается до минимальных значений, реактор с оснасткой в свою очередь охлаждается, после чего происходит его разборка. Тигельные остатки и полученный гранулированный материал извлекаются, гранулы промываются в этиловом спирте и сушатся в сушильном вакуумном шкафе, производится отбор необходимых проб и упаковка материалов. Оснастка и реактор подвергаются необходимой обработке и подготовке к следующему процессу фильтрации-грануляции.After carrying out the above operations, the furnace block is turned off, the purge with inert gas is reduced to the minimum values, the reactor with the equipment, in turn, is cooled, after which it is disassembled. The crucible residues and the resulting granular material are removed, the granules are washed in ethanol and dried in a vacuum oven, the necessary samples are taken and the materials are packed. The equipment and the reactor are subjected to the necessary processing and preparation for the next filtration-granulation process.

Таким образом, заявляемый способ положительно отличается от всех известных способов следующим (далее перечислены все положительные отличительные признаки, включая те, которые развивают и дополняют заявляемое техническое решение, не являясь при этом признаками, определяющими испрашиваемый объем прав):Thus, the claimed method positively differs from all known methods as follows (all positive distinguishing features are listed below, including those that develop and supplement the claimed technical solution, without being features that determine the requested scope of rights):

- наличием единого технологического пространства для размещения тигля с гранулируемым материалом, создающим направленный поток инертного газа обеспечивающим отсутствие контакта материала, расплава и его капель, с атмосферой препятствуя их окислению (за счет герметичности реактора создаваемого с одной стороны газовой системой установки, а с другой жидкостным затвором);- the presence of a single technological space for placing a crucible with a granulated material that creates a directed flow of inert gas ensuring that the material, melt and its drops do not come into contact with the atmosphere, preventing their oxidation (due to the tightness of the reactor created on the one hand by the gas system of the installation, and on the other by a liquid seal );

- наличием совмещения (для материалов низкой чистоты) процесса грануляции с процессом фильтрации расплава;- the presence of a combination (for materials of low purity) of the granulation process with the melt filtration process;

- возможностью использования тиглей разной конфигурации и материалов для их изготовления, обеспечивающих расширение возможности их применения для грануляции (фильтрации) широкого спектра веществ с различными физическими свойствами, требования к которым заключаются в том, что материал тигля не должен смачиваться расплавом гранулируемого вещества и не вступать с ним в химические реакции, но должен смачиваться его окислами;- the possibility of using crucibles of various configurations and materials for their manufacture, providing an extension of the possibility of their use for granulation (filtration) of a wide range of substances with different physical properties, the requirements for which are that the material of the crucible should not be wetted by the melt of the granulated substance and should not come into contact with him in chemical reactions, but must be wetted by his oxides;

- наличием второго охлаждающего контура способствующего грануляции веществ с температурой плавления до 1150°С (ограничивается за счет возможностей использования в качестве реактора кварцевого стекла), и расширяющим возможности использования широкого спектра охлаждающих жидкостей в первом контуре;- the presence of a second cooling circuit that facilitates the granulation of substances with a melting point of up to 1150 ° C (limited by the possibility of using quartz glass as a reactor), and expanding the possibilities of using a wide range of coolants in the primary circuit;

- использованием охлаждающей жидкости, способствующей за счет своих физических свойств и свойств гранулируемого вещества к образованию сферических гранул к которой предъявляются следующие требования: она не должна дополнительно загрязнять гранулируемое вещество посторонними примесями и не вступать с ней в химические реакции; должна обеспечивать возможность формирования сферических гранул для гранулируемого в нее вещества, т.е. иметь необходимую плотность и как следствие определенную вязкость и поверхностное натяжение; быть недорогой в использовании и/или в очистке (регенерации) и/или утилизации; быть относительно безвредной для окружающей среды (опытным путем установлено, что грануляцию веществ с плотностью расплава: от 1,5 до 5,5 г/см3 при условии получения сферических гранул целесообразно проводить в охлаждающие жидкости с плотностью от 1,2 до 0,9 г/см³, а от 5,5 до 10,5 г/см³ в охлаждающие жидкости с плотностью от 0,9 до 0,7 г/см³);- the use of a coolant that, due to its physical properties and the properties of the granulated substance, contributes to the formation of spherical granules, to which the following requirements are imposed: it must not additionally contaminate the granulated substance with foreign impurities and not enter into chemical reactions with it; should provide the possibility of forming spherical granules for the substance granulated into it, i.e. have the required density and, as a result, a certain viscosity and surface tension; be inexpensive to use and/or clean (reclaim) and/or dispose of; be relatively harmless to the environment (experimentally established that the granulation of substances with a melt density of 1.5 to 5.5 g / cm3, provided that spherical granules are obtained, it is advisable to carry out in cooling liquids with a density of 1.2 to 0.9 g /cm ³ , and from 5.5 to 10.5 g/cm ³ into coolants with a density of 0.9 to 0.7 g/cm ³ );

- использованием газов с различными физическими характеристиками (например, как легче, так и тяжелее воздуха) для создания инертной атмосферы в зависимости от применяемой в том или ином процессе охлаждающей жидкости и ее свойств, при этом в процессе грануляции в реакторной части образуется избыточное давление инертного газа, что полностью препятствует возможности попадания в систему атмосферного воздуха и окислению материалов.- the use of gases with different physical characteristics (for example, both lighter and heavier than air) to create an inert atmosphere, depending on the coolant used in a particular process and its properties, while during the granulation process, an excess pressure of inert gas is formed in the reactor part , which completely prevents the possibility of atmospheric air entering the system and the oxidation of materials.

На основе разработанного способа было создано опытное оборудование, на котором проводились процессы промышленной грануляции широкого класса материалов (веществ) различной степени чистоты (от 3N до 6N5) в широком диапазоне плотностей, например: сера, селен, теллур, сурьма, цинк, кадмий, висмут, свинец, многокомпонентные твердые растворы на основе теллурида висмута. Максимальная загрузка гранулируемого вещества в установке этой конструкции составила 5 кг. При грануляции высокочистых материалов загрязнение их посторонними примесями не было выявлено. Анализ полученного опыта работы на описанном оборудовании, позволил сформулировать необходимый и достаточный минимум признаков способа, отвечающего заданным параметрам.On the basis of the developed method, experimental equipment was created on which industrial granulation processes were carried out for a wide class of materials (substances) of various degrees of purity (from 3N to 6N5) in a wide range of densities, for example: sulfur, selenium, tellurium, antimony, zinc, cadmium, bismuth , lead, multicomponent solid solutions based on bismuth telluride. The maximum loading of the granulated substance in the installation of this design was 5 kg. When granulating high-purity materials, their contamination with foreign impurities was not revealed. An analysis of the experience gained on the described equipment made it possible to formulate the necessary and sufficient minimum of the features of the method that meets the specified parameters.

Ниже приводим способ грануляции цинка, по описанным способу и устройству. Используют тигель изготовленный из графита марки МПГ-7 уплотненный пироуглеродом. Тигель имеет небольшую конусность. В его нижней части выполнено семь отверстий диаметром 0,7 мм. В тигель загрузили три слитка цинка марки 5N прошедших предварительную химическую подготовку. Масса загрузки составила 2500 г. После загрузки навески исходного материала в тигель его помещают в корпус кварцевого реактора и плотно закрывают его кварцевой крышкой. После чего собранный вышеописанным способом реактор размещают в печном блоке установки. Снизу располагают колбу первого контура охлаждения, в которую заливают 3,0 литра изопропилового спирта, погружают в нее нижний край корпуса реактора на 10 мм, обеспечивая герметичность реактора жидкостным затвором. Расстояние между зеркалом охлаждающей жидкости и дном тигля с отверстиями составляет 250 мм. Под колбу первого контура охлаждения размещают колбу второго контура охлаждения, предварительно заполнив ее водой. Колбу с охлаждающей жидкостью и колбу второго контура охлаждения располагают относительно друг друга в соответствии с вышеприведенным описанием. Далее подсоединяют патрубок крышки реактора к газовой линии установки и плавно пропускают через реактор аргон. Через пять минут после начала продувки включают нагрев печного блока. Рабочая температура процесса составляла 550°С. После выхода печного блока на режим и 20 минутной выдержки самопроизвольно начинает происходить процесс грануляции расплава цинка. Температура охлаждающей жидкости контролируется и во время всего процесса не превышает 35°С. После окончания процесса грануляции отключают нагрев печного блока, уменьшают ток аргона и проводят остывание установки в инертной среде, после чего разбирают реактор, извлекают тигель с остатком исходного вещества. Вес тигельного остатка составляет 280 г. Из колбы сливают изопропиловый спирт, полученные гранулы цинка тщательно промывают в этиловом спирте, после чего помещают в вакуумный сушильный шкаф и сушат в вакууме при температуре 80°С. Полученный таким образом материал упаковывают в стеклянные химические банки, заполнив аргоном. Полученные гранулы цинка имеют серую блестящую поверхность, размер гранул составляет 2,0÷2,5 мм.Below is a method for granulating zinc, according to the described method and device. A crucible made of MPG-7 grade graphite sealed with pyrolytic carbon is used. The crucible has a slight taper. In its lower part, seven holes with a diameter of 0.7 mm are made. The crucible was loaded with three ingots of 5N grade zinc that had undergone preliminary chemical preparation. The loading weight was 2500 g. After loading a sample of the starting material into the crucible, it is placed in the quartz reactor body and tightly closed with a quartz lid. After that, the reactor assembled in the manner described above is placed in the furnace block of the installation. A flask of the first cooling circuit is placed below, into which 3.0 liters of isopropyl alcohol are poured, the lower edge of the reactor vessel is immersed in it by 10 mm, ensuring the tightness of the reactor with a liquid seal. The distance between the cooling liquid mirror and the bottom of the crucible with holes is 250 mm. A flask of the second cooling circuit is placed under the flask of the first cooling circuit, having previously filled it with water. The flask with coolant and the flask of the second cooling circuit are positioned relative to each other in accordance with the above description. Next, the nozzle of the reactor cover is connected to the gas line of the installation and argon is smoothly passed through the reactor. Five minutes after the start of blowing, heating of the furnace block is turned on. The operating temperature of the process was 550°C. After the furnace block reaches the regime and 20 minutes of exposure, the process of granulation of the zinc melt spontaneously begins to occur. The coolant temperature is controlled and does not exceed 35°C during the whole process. After the end of the granulation process, the heating of the furnace block is turned off, the argon current is reduced and the installation is cooled in an inert atmosphere, after which the reactor is dismantled, the crucible with the remainder of the initial substance is removed. The weight of the crucible residue is 280 g. Isopropyl alcohol is drained from the flask, the resulting zinc granules are thoroughly washed in ethyl alcohol, then placed in a vacuum oven and dried in vacuum at a temperature of 80°C. The material obtained in this way is packed in glass chemical jars filled with argon. The resulting zinc granules have a gray shiny surface, the size of the granules is 2.0÷2.5 mm.

От гранулированного материала при этом была отобрана контрольная технологическая проба. Технологические пробы материала отбирали и на входной контроль. Пробы подготавливали и отправляли на исследования элементного состава. Элементный анализ осуществляли масс-спектральным методом в ООО «АРМОЛЕД» на масс-спектрометре с индуктивно связанной плазмой NexION. По результатам анализа в результате фильтрации цинка произошла его очистка по четырем примесям, дополнительного загрязнения по другим примесям выявлено не было. Результат показан в таблице 1.At the same time, a control technological sample was taken from the granular material. Technological samples of the material were also taken for input control. Samples were prepared and sent for elemental composition studies. Elemental analysis was carried out by mass spectral method at ARMOLED LLC on a mass spectrometer with inductively coupled plasma NexION. According to the results of the analysis, as a result of zinc filtration, it was purified by four impurities; additional contamination by other impurities was not detected. The result is shown in table 1.

Claims

1. A method for granulating substances whose melting point does not exceed 1150°C, characterized in that it is carried out in a device containing a reactor consisting of a body and a lid, connected to an inert gas supply system, with a crucible placed inside with an initial substance with at least at least one hole, the furnace block and the flasks of the first and second cooling circuits, while during its assembly the crucible is placed in the reactor vessel, while the lower edge of the reactor vessel is immersed to form a liquid seal in the flask of the first cooling circuit with coolant, which is combined with the flask of the second cooling circuit, pre-filling it with a refrigerant, and using a coolant for the primary circuit different in physical and chemical properties than the refrigerant of the second cooling circuit, filling the reactor with an inert gas, creating an overpressure and circulation of an inert gas through a liquid seal and smoothly heating the furnace block, while after melting of the initial substance when it flows out of the crucible, the filtration of the melt of the initial substance and the formation of granules, first in an atmosphere of inert gas, and then in the cooling liquid of the primary circuit, and their dispersion over the entire bottom of the flask of the primary cooling circuit due to bubbling of the cooling liquid with an inert gas passing through the reactor, are provided.

2. The method according to claim 1, characterized in that during granulation, the immersion depth of the reactor vessel is maintained at such a level that, while maintaining a liquid seal, to exclude contact of the coolant with the furnace block and crucible during bubbling.

3. The method according to claim 1, characterized in that, during granulation, a distance is maintained between the coolant of the primary circuit and the crucible, which ensures the formation under the action of surface tension forces of granules into a spherical shape directly in the coolant, while eliminating the possibility of intense overheating of the coolant or solidification of the molten substance in an inert gas atmosphere.

4. The method according to p. 1, characterized in that the level of the coolant in the flask of the second cooling circuit is maintained below the level of the coolant in the flask of the first cooling circuit during the entire granulation process.

5. The method according to claim 1, characterized in that during assembly the level of the upper edge of the flask of the second cooling circuit is placed above the level of the upper edge of the flask of the first cooling circuit.

6. The method according to p. 1, characterized in that as the coolant of the primary circuit, a coolant with a density of 0.7 to 1.2 g/cm ³ is used, which eliminates the possibility of contamination of the granulated substance with foreign impurities and entry into chemical reactions.

7. The method according to p. 1, characterized in that water is used as the refrigerant of the second circuit.

8. The method according to p. 1, characterized in that, if necessary, the refrigerant of the second circuit is circulated.

9. The method according to p. 1, characterized in that a crucible is used, the material of which excludes the possibility of wetting it with a melt of a granulated substance and entering into chemical reactions with it, ensuring simultaneous wetting with oxides.

10. The method according to p. 6, characterized in that when obtaining spherical granules, the granulation of substances with a melt density of 1.5 to 5.5 g/cm ³ is carried out in a coolant with a density of 0.9 to 1.2 g/cm ³ , and with a melt density of 5.5 to 10.5 g/cm ³ - in a coolant with a density of 0.7 to 0.9 g/cm ³ .