СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ МЕТАЛЛО-ОКСИДНО-СОЛЕВЫХ РАСПЛАВОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2001 года по МПК C22B7/00 C22B26/22 

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к области производства вторичных металлов путем разделения металлургических расплавов.

Известен способ (авт.свид. СССР N 141592, опубл. БИ N 19, 1961 г.) обработки жидкого металла посредством применения электромагнитных сил, для чего создается градиент давлений взаимодействием магнитного поля и электрического тока, подводимого к расплаву кондуктивным путем.

Однако данное изобретение не было реализовано на практике из-за целого ряда причин и, в частности, из-за краевых эффектов, приводящих к перемешиванию разделяемого расплава в зоне сепарации.

Наиболее близким способом того же назначения и устройством для его осуществления по совокупности признаков, выбранным в качестве прототипа, является способ и устройство (авт.свид. СССР N 353990, опубл. БИ N 30, 1972 г.) для извлечения металлического алюминия из расплавленных солевых шлаков путем утяжеления металла в скрещенных электрическом и магнитном полях. Обработке может подвергаться как неподвижный (периодический процесс), так и перемещающийся, т. е. текущий расплавленный шлак (непрерывный процесс). В обоих случаях емкость с расплавленным шлаком или желоб, по которому протекает шлак, располагают между полюсами электромагнита постоянного тока, а через слой шлака, находящегося в зоне постоянного магнитного поля, пропускают постоянный электрический ток путем погруженных в шлак электродов. Протекающий по желобу расплав подвергают воздействию скрещенных магнитного поля, создающего магнитную индукцию 0,4-0,6 тл, и электрического поля, создаваемого проходящим через шлак постоянным током плотностью (10-20)•10⁴ а/м².

Устройство по прототипу содержит печь, из которой разогретый до 650-900^oC шлак поступает в желоб, расположенный между полюсами электромагнита постоянного тока. Электрический постоянный ток подводят к шлаку с помощью электродов, погруженных в шлак. В противоположном конце желоба размещен второй желобок, установленный несколько выше днища основного желоба. Желобок предназначен для отвода уже отработанного шлака в шлаковую емкость. Для сбора выделенного из шлака металла предназначена емкость, в которую металл сливают через патрубок, размещенный в днище основного желоба.

Недостатками данного способа и устройства являются низкая производительность способа и устройства из-за небольшого межполюсного расстояния и соответственно небольшой зоны разделения. Кроме того, при плотности тока 2•10⁵ А/м² скорость нагрева солевой фазы будет около 130 градусов в секунду, что приведет к быстрому закипанию расплава и, соответственно, к прекращению разделения компонентов из-за их перемешивания в зоне разделения.

Задача изобретения заключается в устранении указанных недостатков, повышении производительности способа и устройства и степени разделения металло-оксидно-солевых расплавов на металлическую, солевую, а также и оксидную составляющие расплава вне зависимости от их содержания в расплаве.

Данная задача решается способом разделения металло-оксидно-солевых расплавов, включающим разделением металлической, оксидной и солевой составляющих расплава в скрещенных электрическом и магнитном постоянных полях под воздействием объемной магнитной силы, новым является то, что разделение на составляющие проводят при свободном падении струи расплава, а величину объемной электромагнитной силы задают из условия:
F_эм = jB>1,5σ/τ(gR³)^0,5, (1)
где F_эм - объемная электромагнитная сила, н/м³;
j - плотность тока, создаваемая в струе расплава постоянным электрическим полем А/м²;
B - индукция постоянного магнитного поля, Тл;
σ- поверхностное натяжение солевой составляющей расплава н/м;
τ- время нахождения струи расплава в скрещенных электрическом и магнитном полях, с;
g - ускорения свободного падения, м/с²;
R - радиус наименьших частиц металла, подлежащих сепарации, м;
Кроме того, отклонение солевой составляющей при воздействии электромагнитной силы определяют из выражения:
L = jBτ/2ρ (2)
где L - отклонение солевой составляющей, м;
j - плотность тока, создаваемая в струе расплава постоянным электрическим полем, А/м³;
В - индукция постоянного магнитного поля, Тл;
τ- время нахождения струи расплава в скрещенных электрическом и магнитном полях, сек;
ρ- плотность расплава, кг/м³.

Кроме того, в расплаве создают постоянное магнитное поле индукцией 0,1-1,5 тл.

Для осуществления данного способа предложено устройство для разделения металло-оксидно-солевого расплава на составляющие, включающее источник постоянного тока с электродами для подвода тока к расплаву, электромагнит, канал для подачи расплава, зону разделения расплава на составляющие, размещенную между полюсами постоянного магнитного поля, патрубки для слива подведенных продуктов и емкости для сбора, оно дополнительно снабжено каналом для сбора солевой составляющей, размещенным ниже зоны разделения и снабженным патрубком, установленным на канале и подсоединенным к источнику постоянного тока, канал для подачи расплава установлен выше зоны разделения расплава и снабжен патрубком, соединенным с источником постоянного тока.

Кроме того, емкости для сбора металлической и оксидной составляющей размещены по разные стороны от канала для солевой составляющей.

Кроме того, патрубок канала для сбора солевой составляющей выполнен асимметричным в сторону отклонения солевой составляющей.

Кроме того, каналы, на которых размещены патрубки, выполнены из непроводящего ток материала.

Механизм разделения металла и оксидов от солевой составляющей металлургических отходов в случае свободного падения струи основан на выбивании электромагнитными силами капель металла и частиц оксидов из струи. Известно (см. , например, кн. Половин Р.В., Демуцкий В.П. Основы магнитной гидродинамики. - М.: Энергоатомиздат, 1987 г, 208 с.), что на среду с током в магнитном поле действует объемная электромагнитная сила (F_эм), равная векторному произведению плотности тока (J) на величину индукции магнитного поля (В)
F_эм=J•B (3)
Причем, учитывая, что уравнения магнитной гидродинамики справедливы только в рамках раздела механики сплошных сред, то очевидно, что уравнение (2) описывает силу, воздействующую на сплошную среду. В нашем случае, такой средой является солевая составляющая расплава, в которой распределены как высокопроводящие включения - капли металла (электропроводность жидкого металла на четыре порядка превышает электропроводимость солевого расплава), так и непроводящие - оксиды (электропроводимость оксидов можно принять равной нулю).

Известно (см. например, Верте Л.А. - МГД-технология, 1990, 120 с.), что напряженность электрического поля в сферической области, обладающей электропроводимостью α_в и находящейся внутри сплошной среды с проводимостью α, определяется выражением
E_в = E3α_в/(2α+α_в) (4)
где E_в - напряженность электрического поля внутри включения, В/м;
E - напряженность электрического поля в сплошной среде, В/м;
Из (4) очевидно, что плотность тока внутри включений (j_в) будет равна:
J_в = α_вE_в = αΕ3α_в/(2α+α_в) = Jα_в/(2α+α_в) (5)
Определяя теперь разность электромагнитных сил, действующих на включения в расплаве и на сплошную среду (солевую составляющую расплава), получим:
F_рез = F_в-F_эм = (3α_в/(2α+α_в)-1)j•B = kj•B (6)
где F_рез - результирующая электромагнитная сила, действующая на включения в расплаве, н/м³;
F_в - электромагнитная сила, действующая на включения, н/м³;
k-3α_в/(2α+α_в)-1 - коэффициент;
Для металлических включений, когда α_в≫ α, коэффициент k=2, а для оксидных включений (α_в≪ α) k=1. Следовательно, металлические включения в зоне разделения будут двигаться в том же направлении, что и сплошная среда с ускорением относительно последней под действием силы 2j • В. Оксидные же включения будут двигаться в противоположном относительно сплошной среды направлении (k= 1) с ускорением относительно последней под действием силы j • В. Очевидно, что при определенных значениях силы, металлические и оксидные включения, за время свободного падения струи могут приобрести такую скорость, что их кинетической энергии будет достаточно для преодоления сил поверхностного натяжения солевого расплава. Нами экспериментально установлено, что частицы металла, имеющие радиус не меньший, чем R, будут выброшены из струи, если объемная электромагнитная сила, воздействующая на струю (F_эм - jB), превышает критическое значение (F_кр), определяемое из условия

Одновременно с металлическими частицами из струи расплава в противоположном направлении будут выброшены и частицы оксидов, размер которых не менее чем в 1,26 раз превышает размер металлических частиц.

Снабжение каналов устройства патрубками, соединенными с источниками постоянного тока, позволяет улучшить процесс разделения расплава на составляющие, избежать зарастания каналов устройства продуктами электролитического разложения соли и тем самым повысить производительность процесса разделения.

Выполнение патрубка асимметричным в сторону смещения солевой составляющей позволяет уменьшить потери в процессе разделения.

Заявленная группа изобретений соответствует требованию единства изобретения, поскольку группа разнообъектных изобретений образует единый изобретательский замысел, причем один из зявленных объектов группы - устройство для разделения металло-оксидно-солевых расплавов предназначено для осуществления способа разделения металло-оксидно-солевых расплавов на составляющие. При этом оба объекта группы изобретений направлены на решение одной и той же задачи с получением единого технического результата.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными (идентичными) всем существенным признакам изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном способе, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного способа. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований для достижения технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".

На чертеже показано устройство для осуществления способа разделения металло-оксидно-солевых расплавов. Устройство состоит из электромагнита постоянного тока 1, источника постоянного тока 2, канала 3 для подачи металло-оксидно-солевого расплава в зону разделения, зоны разделения 4 расплава на составляющие, размещенной между полюсами электромагнитной системы, патрубка 5 канала 3, соединенного с источником постоянного тока 2, канала 6 для отвода солевой составляющей расплава, снабженного патрубком 7 и соединенного с источником постоянного тока 2, емкостей 8 и 9 для сбора оксидной и металлической составляющей расплава. Элекромагнит представляет собой магнитопровод с обмоткой замкнутого типа с зазором между полюсами. Зона разделения расположена в зазоре электромагнита между полюсами. Электромагнит установлен и закреплен на не проводящей ток подставке.

Устройство работает следующим образом.

Включают электромагнит 1 для создания в зоне разделения постоянного магнитного поля и от источника постоянного тока 2 подают постоянную разность потенциалов на патрубки 5 и 7, служащие электродами постоянного тока. Затем по каналу 3 в зону разделения 4 подают металло-оксидно-солевой расплав. Расплав, выходя из патрубка 5, падает на патрубок 7, выполненный асимметрично на длину, равную величине отклонения солевой составляющей под воздействием силы электромагнитного поля. По расплаву в зоне разделения (между патрубками-электродами 5 и 7) начинает протекать постоянный электрический ток, который, взаимодействуя с внешним магнитным полем, приводит к возникновению в расплаве объемной электромагнитной силы, равной по величине произведению плотности тока в солевой составляющей расплава (j) на индукцию постоянного магнитного поля В, F_эм = j•В. Под действием этой силы солевая составляющая струи расплава ("сплошная среда") отклоняется от вертикального направления к моменту падения на величину L = jΒτ/2ρ. При этом на металлические включения будет действовать электромагнитная сила, превышающая силу, действующую на солевую составляющую расплава примерно в 3 раза и, соответственно, результирующая сила, равная удвоенному произведению j•В, т.е. F_рез = 2j•В. Под действием этой силы металлические включения будут двигаться с ускорением относительно солевой составляющей струи и за время ее свободного падения могут достигнуть величины кинетической энергии, необходимой для преодоления сил поверхностного натяжения солевого расплава. Установлено, что металлические включения, имеющие радиус не меньший, чем R, будут выброшены из струи, если электромагнитная сила (F_эм = jB) превысит критическое значение F_кр, определяемое из условия
F_эм = jB>F_кр = 1,5σ/τ(gR³)^0,5 (6)
На оксидные включения в свободно подающей струе расплава действует результирующая электромагнитная сила F_рез= -jB, под действием которой эти частицы вылетают из струи в направлении, противоположном направлению отклонения струи и вылетающим из нее металлическим включениям. Оксидные включения собираются в емкости 8, а металлические - в емкости 9.

Немагнитный зазор магнитопровода составляет в опытах 25-30 мм, площадь сечения магнитопровода - 850 мм², расстояние между патрубками - электродами 5 и 7 - 130 мм. Канал 3 для подвода металло-оксидно-солевого расплава и канал 6 для отвода солевой составляющей расплава, а также емкости 8 и 9 для сбора металлической и оксидной составляющих расплава выполнены из нержавеющей стали марки Х18Н10Т. Канал 3 для подвода расплава выполнен из тонкостенной трубки с внутренним диаметром 16 мм. Входной патрубок 5 этого канала 3 вмонтирован в крышку герметичного тигля, емкостью на 20 кг расплава, установленного в стационарную электрическую печь сопротивления. Для создания избыточного давления тигель оборудован системой подвода инертного газа (аргона) от баллонов.

Входной патрубок 7, учитывая предполагаемые режимные параметры работы установки (j~10⁵ А/м², В~0,5 т, r~8•10^-2 с) и плотность расплава (ρ ~1,6•10³ кг/м³) удлинен в направлении действия электромагнитной силы на величину отклонения L = 120 мм.

Пример 1. В тигле печи сопротивления приготовили расплав хлоридов следующего состава (% мас. ): 10 MgCl₂, 60 NaCl, 30 KCl. Расплав нагрели до 700^oC и ввели в него 200 г сферических гранул магния размером от 0,5 до 3,0 мм в диаметре и 200 г дробленых алюмосиликатов такого же гранулометрического состава. После расплавления гранул металла и стабилизации расплава при 700^oC подали напряжение на канал подачи избыточным давлением аргона, расплав поступил в канал 3 и затем через сливной патрубок в зону разделения и далее на патрубок-электрод 7. Электрическая цепь замкнулась и по струе пошел ток величиной 20,1 А. Под действием возникшей в расплаве электромагнитной силы струя отклонилась от вертикального направления на ~80 мм и из нее начали вылетать капли магния в направлении действия электромагнитной силы и частицы алюминатов - в противоположном направлении. После окончания опыта проанализировали размер частиц металла и алюмосиликатов. Оказалось, что размер минимальных частиц металла равен 1,17 мм, а минимальных частиц алюмосиликатов - 1,45 мм, что очень хорошо согласуется с формулой (1). Так, в рассмотренном опыте (j=100000 А/м², В=0,45 тл, τ = 76 мс; σ = 0,1 н/м) F_эм=jB = 45000 н/м³
и минимальный размер частиц металла, после преобразования данной формулы к виду

оценивается как R_min = 5,81•10 ^-4 м, или их диаметр D_min = 2R_min = 1,16 мм.

Соответственно, минимальный размер непроводящих частиц D_окmin = 1,26 D_min = 1,46 мм.

Пример 2. В тигле печи сопротивления подготовили расплав металлургических литейных отходов (донных остатков) в количестве 20 кг следующего состава (% мас.): 7,2 Mgмет; 4,5 MgO: 88,3 сумма хлоридов. Расплав нагрели до 700^oC, прогрели канал 3 и подали постоянную разность потенциалов 65В на электроды 5 и 7. Включили электромагнит и создали в зоне сепарации постоянное магнитное поле индукцией 0,50 тл. При прогреве канала 3 в тигель печи сопротивления подали аргон, под избыточным давлением которого расплав по каналу 3 через патрубок-электрод 5 поступил в зону 4 разделения. При падении струи расплава на патрубок-электрод 7 электрическая цепь источника постоянного тока 2 замкнулась и по струе расплава пошел постоянный электрический ток величиной 25 А. Под действием возникшей в расплаве электромагнитной силы струя к моменту падения отклонилась на 110 мм и из нее начали вылетать капли магния - в направлении действия электромагнитной силы, вылет оксидов визуально не наблюдался. Анализ отсепарированных продуктов после окончания опыта показал, что в емкости 5 находились гранулы металла, покрытые тонкой солевой пленкой. Масса гранул 940 г, минимальный размер 0,95 мм. В емкости 8 оксидов не было обнаружено. Исследования солевой составляющей расплава показали, что ее масса равна 19 кг при следующем химическом составе: Mgмет = 2,6%, MgO - 4,7%, сумма хлоридов - 92,7%. Полученные в опыте экспериментальные данные хорошо согласуются с отдельными теоретическими результатами. Так, отклонение струи, рассчитанное по формуле L = jΒτ/2ρ должно составлять 112 мм, минимальный размер отсепарированных частиц магния - 0,94 мм, оксидных частиц - 1,18 мм. Отсутствие оксидных частиц в емкости 8 свидетельствует о том, что в расплаве таких крупных частиц не оказалось. Отметим, что в ходе опытов негативных эффектов, характерных для способа и устройства по прототипу (перемешивание расплава при выделении хлора, зарастание катода и перегрева солевой фазы), не наблюдалось. По-видимому, это связано с тем, что расплав в зоне действия постоянной разности потенциалов находится только сотые доли секунды и, вследствие этого, ионы солей, имеющие, как правило, очень низкие скорости движения в расплавах (~10^-6 м/сек), физически не успевают разрядится на электродах.

Таким образом, в результате проведенных исследований установлено, что предлагаемый способ и устройство для его осуществления позволяют с высокой производительностью разделять металло-оксидно-солевые расплавы на металлическую, солевую и оксидную составляющие. Разработанный способ и устройство будет использовано для извлечения металла из расплавленных металлургических отходов, образующихся при производстве металлов и сплавов в цветной и черной металлургии.

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к производству вторичных металлов путем разделения металлургических расплавов. Предложенный способ разделения металло-оксидно-солевых расплавов включает разделение металлической, оксидной и солевой составляющих расплава в скрещенных электрическом и магнитном постоянных полях, причем разделение на составляющие проводят при свободном падении струи расплава под воздействием объемной электромагнитной силы определенной величины, определяемой по формуле: параметры которой определены в формуле изобретения. Для осуществления способа предложено устройство, включающее источник постоянного тока с электродами для подвода тока к расплаву, электромагнит, канал для подачи расплава, зону разделения расплава на составляющие, размещенную между полюсами постоянного магнитного поля, патрубки для слива подведенных продуктов и емкости для сбора, устройство дополнительно снабжено каналом для сбора солевой составляющей, размещенным ниже зоны разделения и снабженным патрубком, установленным на канале и подсоединенным к источнику постоянного тока, причем канал для подачи расплава установлен выше зоны разделения расплава и снабжен патрубком, соединенным с источником постоянного тока. Предложенный способ и устройство позволяют с высокой производительностью разделять металло-оксидно-солевые расплавы на металлическую, солевую и оксидную составляющие. 2 с. и 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ разделения металло-оксидно-солевых расплавов, включающий разделение металлической, оксидной и солевой составляющих расплава в скрещенных электрическом и магнитном постоянных полях под воздействием объемной электромагнитной силы, отличающийся тем, что разделение на составляющие проводят при свободном падении струи расплава, а величину объемной электромагнитной силы задают из условия

где F_эм - объемная электромагнитная сила, н/м;
j - плотность тока, создаваемая в струе расплава постоянным электрическим полем, А/м²;
В - индукция постоянного магнитного поля, Тл;
σ - поверхностное натяжение солевой составляющей расплава, н/м;
τ - время нахождения струи расплава в скрещенных электрическом и магнитном полях, с;
g - ускорение свободного падения, м/с;
R - радиус наименьших частиц металла, подлежащих сепарации, м. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что отклонение солевой составляющей при воздействии электромагнитной силы определяют из выражения
L = jBτ/2ρ,
где L - отклонение солевой составляющей, м;
j - плотность тока, создаваемая в струе расплава постоянным электрическим полем, А/м³;
В - индукция постоянного магнитного поля, Тл;
τ - время нахождения струи расплава в скрещенных электрическом и магнитном полях, с;
ρ - плотность расплава, кг/м. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в расплаве создают постоянное магнитное поле индукцией 0,1 - 1,5 тл. 4. Устройство для разделения металло-оксидно-солевого расплава на составляющие, включающее источник постоянного тока с электродами для подвода тока к расплаву, электромагнит, канал для подачи расплава, зону разделения расплава, на составляющие, размещенную между полюсами постоянного магнитного поля, патрубки для слива подведенных продуктов и емкости для сбора металлической и оксидной составляющей, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено каналом для сбора солевой составляющей, размещенным ниже зоны разделения и снабженным патрубком, установленным на канале и подсоединенным к источнику постоянного тока, причем канал для подачи расплава установлен выше зоны разделения расплава и снабжен патрубком, соединенным с источником постоянного тока. 5. Устройство по п.6, отличающееся тем, что емкости для сбора металлической и оксидной составляющей размещены по разные стороны от канала для солевой составляющей. 6. Устройство по п.6, отличающееся тем, что патрубок канала для сбора солевой составляющей выполнен асимметричным в сторону отклонения солевой составляющей. 7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что канал для подачи расплава выполнен из непроводящего ток материала.