способ получения кальция и устройство для его осуществления (варианты)

Формула изобретения

1. Способ получения кальция, заключающийся в том, что готовят исходную смесь, содержащую карбонат кальция и порошок алюминия, исходную смесь подвергают обработке в режиме совмещения процессов диссоциация - восстановление - расплавление, проводимой в три стадии, при этом на первой стадии исходную смесь нагревают в вакууме в диапазоне температур 700-850^oС в течение 4-8 ч при остаточном давлении газов 10-50 Па, на второй стадии температуру полученной смеси также в вакууме повышают до 1000-1200^oС и при остаточном давлении менее 10 Па выдерживают в течение 8-12 ч, на третьей стадии полученный твердый конденсат кальция расплавляют в аргоне при давлении 15-20 кПа и при температуре 900^oС в течение 1-2 ч и сливают в металлоприемник.

2. Устройство для получения кальция, содержащее печь с горизонтально установленной в ней, по крайней мере, одной ретортой, имеющей зону нагрева и зону конденсации и подсоединенной к системам вакуумирования и циркуляции хладагента, при этом в нижней части зоны конденсации выполнено выходное отверстие, сообщающее ее с емкостью для сбора металла, отличающееся тем, что внутри зоны конденсации установлен теплоэлектронагреватель, а внутри зоны нагрева концентрично установлена, по крайней мере, одна снабженная перфорированной крышкой цилиндрическая корзина для брикетированной смеси, внутри которой размещена перфорированная труба, диаметр которой составляет от одной четверти до одной трети диаметра реторты, а ось трубы расположена выше оси реторты, причем размер перфорационных отверстий меньше размеров брикетов смеси, при этом реторта дополнительно подсоединена к системе подачи аргона.

3. Устройство для получения кальция, содержащее печь с вертикально установленной в ней, по крайней мере, одной ретортой, имеющей зону нагрева и зону конденсации и подсоединенной к системам вакуумирования и циркуляции хладагента, при этом зона конденсации сообщена с емкостью для сбора металла, отличающееся тем, что зона конденсации снаружи снабжена съемным теплоэлектронагревателем, а внутри зоны нагрева концентрично установлена, по крайней мере, одна цилиндрическая корзина для брикетированной смеси, внутри которой концентрично установлена перфорированная труба, диаметр которой составляет от одной четверти до одной трети диаметра реторты, причем размер перфорационных отверстий меньше размеров брикетов смеси, при этом реторта дополнительно подсоединена к системе подачи аргона, а система циркуляции хладагента выполнена по системе открытого орошения.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что емкость для сбора металла установлена внутри реторты.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии и касается способа получения кальция и устройства для его осуществления. Изобретение может быть использовано для получения щелочных и щелочно-земельных металлов, но преимущественно оно предназначено для получения кальция в режиме совмещенного процесса диссоциация - восстановление - расплавление.

Аналогом первого объекта предложенного изобретения является способ получения кальция, состоящий из пяти основных операций: обжига известняка, перевода гидроксида кальция в сухую соль хлорида кальция, электролитического выделения металла на меднокальциевом катоде, дистилляции кальция из меднокальциевого сплава и переплавки конденсата в слиток (Доронин Н.А. Кальций. М.: Госатомиздат, 1962, с. 14-123).

Способ получения кальция, основанный на электролизе хлоридных солей, характеризуется большим количеством операций, использованием постоянного тока и весьма гигроскопичных хлоридных солей, а также наличием экологически вредных выбросов и отходов производства.

Прототипом первого объекта предложенного изобретения является способ получения кальция алюминотермическим восстановлением его оксида в вакууме в горизонтальной графитовой реторте, нагреваемой индукционным током до 1350^oС и остаточном давлении 10 Па, при этом пары кальция конденсируются в конденсаторе в твердом виде (FR 2775484 А1, С 22 В 5/4, 5/16).

Недостатком данного способа и устройства является необходимость предварительного обжига известняка с получением оксида кальция, работа с которым требует особых мер предосторожности из-за его высокой гигроскопичности, а также его малой активности после высокотемпературного обжига. В данном устройстве используется индукционный нагрев. Использование графитовой трубы больших размеров при 1350^oС создает трудности при эксплуатации; полученный кальций требует дополнительной переплавки в отдельном аппарате.

Все это повышает затраты при производстве кальция, а на стадии переплавки увеличивает потери уже произведенного кальция и его загрязнение.

Аналогом второго и третьего объектов предложенного изобретения (вариантов) является устройство для получения кальция возгонкой его из меднокальциевого сплава при 1180^oС и остаточном давлении менее 5 Па, состоящее из толстостенной реторты, стакана с меднокальциевым сплавом и конденсатора, охлаждаемого проточной водой. (Доронин Н.А. Кальций. М.: Госатомиздат, 1962, с. 14-123).

Недостатком известного устройства является необходимость перегрузки и переплавки конденсата в другом аппарате.

Прототипом второго объекта предложенного изобретения является устройство для получения щелочно-земельных металлов, в частности кальция, содержащее печь с горизонтально установленной в ней, по крайней мере, одной ретортой, имеющей зону нагрева и зону конденсации и подсоединенной к системам вакуумирования и циркуляции хладагента, при этом в нижней части зоны конденсации выполнено выходное отверстие, сообщающее ее с емкостью для сбора металла (RU 2149911 С1, опубл. 27.05.2000, кл. С 22 В 26/12).

К недостаткам устройства относится неполное использование объема реторты и ухудшенные условия прогрева исходной смеси и выхода из нее паров кальция. Кроме того, принцип работы устройства предполагает конденсацию кальция только в жидком состоянии и нахождение его в этом состоянии более десяти часов, что приводит к увеличению энергозатрат.

Прототипом третьего объекта предложенного изобретения является устройство для получения щелочно-земельных металлов, в частности кальция, содержащее печь с вертикально установленной в ней, по крайней мере, одной ретортой, имеющей зону нагрева и зону конденсации и подсоединенной к системам вакуумирования и циркуляции хладагента, при этом зона конденсации сообщена с емкостью для сбора металла (RU 2149911 С1, опубл. 27.05.2000, кл. С 22 В 26/12).

К недостаткам этого варианта устройства относятся те же, что и в предыдущем варианте: неполное использование объема реторты и ухудшенные условия прогрева исходной смеси и выхода из нее паров кальция. Кроме того, принцип работы устройства предполагает конденсацию кальция только в жидком состоянии и нахождение его в этом состоянии более десяти часов, что приводит к увеличению энергозатрат.

В первом объекте изобретения достигается технический результат, заключающийся в повышении удельной производительности, снижении энергозатрат, сокращении количества технологических операций при значительном сокращении трудовых затрат, получении кальция в литом состоянии, более высокой чистоты.

Указанный технический результат достигается следующим образом.

Способ получения кальция заключается в том, что готовят исходную смесь. содержащую карбонат кальция и порошок алюминия. Исходную смесь подвергают обработке в режиме совмещения процессов диссоциация - восстановление - расплавление, проводимой в три стадии. На первой стадии исходную смесь нагревают в вакууме в диапазоне температур 700-850^oС в течение 4-8 ч при остаточном давлении газов 10-50 Па. На второй стадии температуру полученной смеси также в вакууме повышают до 1000-1200^oС и при остаточном давлении менее 10 Па выдерживают в течение 8-12 ч. На третьей стадии полученный твердый конденсат кальция расплавляют в аргоне при давлении 15-20 кПа и при 900^oС в течение 1-2 ч. Кальций сливают в металлоприемник.

Способ получения кальция, осуществляемый согласно настоящему изобретению, позволяет за счет режима совмещения процессов диссоциация - восстановление - расплавление уменьшить количество технологических операций и снизить энергозатраты.

Повышение удельной производительности и снижение энергозатрат достигается также за счет удаления на первой стадии СО₂ и получения при этом брикетов с хорошей пористостью, что значительно облегчает выход паров кальция на второй стадии проведения способа.

Во втором объекте изобретения достигается технический результат, заключающийся в повышении удельной производительности устройства за счет увеличения используемого объема зоны нагрева и улучшения выхода газов из зоны нагрева, снижении энергозатрат, улучшении эксплуатационных качеств и безопасности работы с устройством, получении кальция в литом состоянии, более высокой чистоты.

Указанный технический результат достигается следующим образом.

Устройство для получения щелочно-земельных металлов, в частности кальция, содержит печь с горизонтально установленной в ней, по крайней мере, одной ретортой, имеющей зону нагрева и зону конденсации. Реторта подсоединена к системам вакуумирования и циркуляции хладагента. В нижней части зоны конденсации выполнено выходное отверстие, сообщающее ее с емкостью для сбора металла.

Отличие устройства состоит в том, что внутри зоны конденсации установлен теплоэлектронагеватель. Внутри зоны нагрева концентрично установлена, по крайней мере, одна снабженная перфорированной крышкой цилиндрическая корзина для брикетированной смеси. Внутри корзины размещена перфорированная труба, диаметр которой составляет от одной четверти до одной трети диаметра реторты. Ось трубы расположена выше оси реторты. Размер перфорационных отверстий меньше размеров брикетов смеси. Реторта дополнительно подсоединена к системе подачи аргона.

В третьем объекте изобретения достигается технический результат, заключающийся в повышении удельной производительности устройства за счет увеличения используемого объема зоны нагрева и улучшения выхода газов из зоны нагрева, снижении энергозатрат, улучшении эксплуатационных качеств и безопасности работы с устройством за счет открытого охлаждения конденсатора, получении кальция в литом состоянии, более высокой чистоты.

Указанный технический результат достигается следующим образом.

Устройство для получения кальция содержит печь с вертикально установленной в ней, по крайней мере, одной ретортой, имеющей зону нагрева и зону конденсации. Реторта подсоединена к системам вакуумирования и циркуляции хладагента. Зона конденсации сообщена с емкостью для сбора металла.

Отличие состоит в том, что зона конденсации снаружи снабжена съемным теплоэлектронагевателем. Внутри зоны нагрева концентрично установлена, по крайней мере, одна цилиндрическая корзина для брикетированной смеси. Внутри корзины концентрично установлена перфорированная труба, диаметр которой составляет от одной четверти до одной трети диаметра реторты. Размер перфорационных отверстий меньше размеров брикетов смеси. Реторта дополнительно подсоединена к системе подачи аргона. Система циркуляции хладагента выполнена по системе открытого орошения.

Емкость для сбора металла установлена внутри реторты.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 схематически представлен первый вариант предложенного устройства для получения кальция и на фиг.2 схематически представлен второй вариант предложенного устройства для получения кальция.

На фиг.1 показаны печь 1 с горизонтально установленной в ней, по крайней мере, одной ретортой 2, имеющей зону нагрева и зону конденсации. Реторта подсоединена к системе 3 циркуляции хладагента и системе 4 вакуумирования. В нижней части зоны конденсации выполнено выходное отверстие, сообщающее ее с емкостью 5 для сбора металла. Внутри зоны конденсации установлен теплоэлектронагеватель (ТЭН) 6. Внутри зоны нагрева концентрично установлена, по крайней мере, одна цилиндрическая корзина 7 для брикетированной смеси, снабженная перфорированной крышкой 8. Внутри корзины размещена перфорированная труба 9, диаметр которой составляет от одной четверти до одной трети диаметра реторты. Ось трубы расположена выше оси реторты, но при этом стенки трубы имеют зазор относительно стенок реторты. Размер диаметра трубы 9 и смещение ее оси от оси реторты 2 выбраны с учетом обеспечения достаточно быстрой эвакуации газов, образующихся в зоне нагрева при диссоциации и восстановлении исходной смеси. Размер перфорационных отверстий на трубе 9 и крышке 8 меньше размеров брикетов смеси. Реторта 2 подсоединена также к системе 10 подачи аргона. В зоне конденсации размещены ловушка 11 для легколетучих примесей и конденсатор 12. Реторта снабжена охлаждаемой крышкой 13.

Второй вариант устройства для получения кальция, показанный на фиг.2, содержит те же элементы, что и устройство по первому варианту. Отличия заключаются в следующем.

Реторта 2 расположена в печи 1 вертикально. При таком расположении реторты 2 исходная смесь удерживается в перфорированной корзине 7 без крышки 8, в связи с чем крышка корзины в этом варианте устройства отсутствует.

Внутри корзины 7 концентрично размещена перфорированная труба 9, диаметр которой составляет от одной четверти до одной трети диаметра реторты. Размер диаметра трубы и концентричное размещение ее в реторте также обеспечивают достаточно быструю эвакуацию газов, образующихся в зоне нагрева при диссоциации и восстановлении исходной смеси.

Охлаждение конденсатора 12 осуществляется с помощью системы 3 циркуляции хладагента, выполненной в этом варианте устройства по системе открытого орошения. При таком выполнении вода непосредственно стекает по стенкам реторты 2 и далее удаляется. Такое охлаждение позволяет осуществлять визуальный контроль за состоянием стенок реторты 2 и предотвращает попадание в нее воды в случае коррозии металла, что особенно опасно при вертикальном расположении реторты.

Во втором варианте устройства ТЭН 6 выполнен съемным и его устанавливают снаружи реторты 2.

По второму варианту выполнения устройства емкость 5 для сбора металла установлена внутри реторты 2.

Способ получения кальция с помощью первого варианта устройства осуществляют следующим образом.

Готовят исходную смесь (шихту), содержащую карбонат кальция и порошок алюминия, крупностью 0,15-0,4 мм из расчета 15% сверх стехиометрически необходимого для восстановления оксида кальция, полученного при диссоциации карбоната кальция и с учетом образования шлака в виде СаО*Аl₂O₃.

Приготовленную шихту брикетируют и помещают в цилиндрическую корзину 7 с размещенной в ней перфорированной трубой 9. Корзину 7 закрывают перфорированной крышкой 8 и устанавливают в зоне нагрева реторты 2, горизонтально размещенной в печи 1.

Предложенная конструкция для размещения шихты позволяет более полно использовать рабочий объем реторты 2, что увеличивает производительность устройства на 5-10% в зависимости от диаметра перфорированной трубы 9, а также ускоряет процесс перезагрузки.

Исходную смесь подвергают обработке в режиме совмещения процессов диссоциация - восстановление - расплавление, проводимой в три стадии.

На первой стадии, при которой происходит диссоциация исходной смеси, в зоне нагрева обеспечивают вакуум с помощью системы 4 вакуумирования и поддерживают температуру в диапазоне 700-850^oС в течение 4-8 ч при остаточном давлении газов 10-50 Па.

При диссоциации происходит разложение карбоната кальция. Наличие газоотводящей перфорированной трубы способствует ускорению процесса удаления из обрабатываемой смеси (шихты) газов диссоциации, в частности СО₂, и получения при этом брикетов с хорошей пористостью, что значительно облегчает выход паров кальция на второй стадии проведения способа.

На второй стадии, при которой происходит восстановление полученного в результате диссоциации оксида кальция, температуру в зоне нагрева также в вакууме повышают до 1000-1200^oС и при остаточном давлении менее 10 Па выдерживают шихту в течение 8-12 ч.

В процессе восстановления пары кальция из корзины 7 через перфорированную трубу 9 и крышку 8 поступают в зону конденсации, где осаждаются на стенках конденсатора, охлаждаемого с помощью системы 3 циркуляции хладагента.

Более легколетучие примеси проходят зону конденсации и осаждаются в ловушке 11.

Понижение давления до 2-5 Па означает окончание процесса восстановления.

Затем отключают систему 3 циркуляции хладагента и начинают проводить третью стадию - расплавление. Полученный в конденсаторе 12 твердый конденсат кальция расплавляют в аргоне, поступающем по системе 10 подачи аргона, при давлении 15-20 кПа и при температуре 900^oС, поддерживаемой с помощью ТЭН 6 в течение 1-2 ч. Полученный жидкий кальций сливают в емкость 5 для сбора металла.

В некоторых случаях при получении кальция используют шихту, содержащую не карбонат, а оксид кальция. В этом случае исключают стадию диссоциации, а сразу проводят восстановление шихты.

Способ получения кальция с помощью второго варианта устройства осуществляют таким же образом, как описано выше.

Вследствие отличий в конструкции второго варианта устройства после окончания стадии восстановления отключают систему 3 циркуляции хладагента (воды) и снаружи реторты 2 устанавливают и включают съемный ТЭН 6. После этого кальций сливают в емкость 5 для сбора металла, находящуюся непосредственно в реторте под конденсатором 12. После этого реторту вынимают из печи 1 и на ее место устанавливают новую.

В обоих вариантах устройства использование корзины 7 для размещения шихты с центральным расположением газоотводящей трубы 9 ускоряет процесс удаления из шихты газов диссоциации на первой стадии и паров кальция на второй стадии, причем потоки газов и паров металла не пересекаются с тепловым потоком, предназначенным для прогрева шихты, и шихта прогревается со всех сторон по окружности более интенсивно и равномерно.

Оба варианта устройства позволяют при переплавке снизить потери металлов и предотвратить их загрязнение.

В таблице приведены конкретные примеры осуществления способа.