СПОСОБ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ НАСЫПНЫХ МАТЕРИАЛОВ, ЗАТВЕРДЕВШИХ В КОНТЕЙНЕРЕ Российский патент 2008 года по МПК B02C19/00 G21F9/00 

Изобретение относится к области химической технологии, в частности к переработке материалов, склонных к слеживаемости, окомкованию при длительном хранении в контейнерах, в том числе к переработке урановых концентратов, слежавшихся при хранении в металлических контейнерах.

Изобретение может быть использовано в технологии переработки других материалов, склонных к слеживаемости, окомкованию при длительном хранении в контейнерах.

Химический концентрат урана, полученный из рудного сырья в результате операций механического обогащения, химического концентрирования, очистки, сушки, представляет из себя, в основном, оксидный материал переменного состава UO_2+x, где 0<х<0,67.

Урановый концентрат служит исходным продуктом в производстве двуокиси, тетрафторида и металлического урана, в частности для получения двуокиси урана производится термическое восстановление концентрата с использованием соответствующих реагентов. Скорость и полнота процесса восстановления прямо зависят от поверхности межфазного контакта взаимодействующих реагентов, что в свою очередь определяется размером и равномерностью перемешивания сухих сыпучих реагентов.

Концентрат выпускается в виде сыпучего порошка, частицы которого имеют размер, как правило, менее 2,5 мм, и поставляется в контейнерах цилиндрической формы, изготовленных из тонколистовой стали.

В условиях длительного хранения в контейнерах на открытом воздухе происходят изменения в состоянии уранового концентрата, что затрудняет возможность его рационального использования в последующих процессах. Продукт слеживается, теряет свойство сыпучести и образует крупные куски или сплошную монолитную массу определенной степени прочности, причем габариты такого монолита определяются размерами контейнера. Слеживаемости (затвердеванию) способствует попадание влаги вследствие разгерметизации и коррозионного разрушения материала контейнера. Вода, участвуя в процессе гидратации и окисления концентрата (степень восстановления оксида урана при закладке составляла 80-90%, а после длительного хранения 60-70%), ускоряет сцепление частиц в прочные агломераты. Кроме того, на слеживаемость влияют давление, обусловленное собственной массой тяжелого концентрата, сезонные перепады температуры, высокая дисперсность частиц.

Согласно лабораторным исследованиям образцов слежавшегося уранового концентрата данный материал имеет предел прочности при сжатии (временное сопротивление раздавливанию) на прессе, равный 40-60 кг/см². Указанный предел соответствует породам мягкой (низкой) прочности.

Известны способы, включающие раскалывание, удар, применяемые для дробления и измельчения пород низкой и средней прочности, например, мягких известняков (Андреев С.Е. и др. Дробление, измельчение и грохочение полезных ископаемых. М.: Недра, 1980, с.134-136, 217-242).

Известен способ получения известняковой муки из карбонатных пород, включающий их дробление в дробилке ударного действия, измельчение в шахтной мельнице и сушку (Монастырев А.В. Производство извести. М.: Высшая школа, 1971, с.57-70, 250-252).

Недостатком использования указанных способов для измельчения затвердевшего в контейнере уранового концентрата является необходимость создания достаточно дорогой герметичной установки для дробления и измельчения с аспирационной системой вентиляции и очистки воздуха, исключающей пылевыделение в воздух рабочей зоны радиоактивного вещества. К тому же при этом должен использоваться ручной труд для отделения металлической тары от слежавшегося монолитного продукта, например с помощью металлорежущего инструмента, а также для последующего раскалывания имеющего значительные размеры слежавшегося продукта под размер приемного отверстия дробильного оборудования. Все это приводит к значительному повышению радиационной нагрузки на работающий персонал, т.е. ухудшает условия труда. Кроме того, использование такого измельчительного оборудования вызывает дополнительное переизмельчение уранового концентрата, что в последующем при проведении термического восстановления ведет к повышенному пылеуносу, т.е. к потерям.

Известен способ измельчения твердых материалов, включающий их обработку в высокотемпературном поле, а затем веществом, легко переходящим в другое термодинамическое состояние, например водой, формирование струи материала, ударное термическое воздействие струей высокотемпературного газа, ударную деформацию о твердую преграду и резкое охлаждение (а.с. СССР №1669548, МПК В02С 19/00). В основе этого способа измельчения лежат физические процессы. Так, при увлажнении вода проникает в объем частиц материала по ослабленным зонам и при термическом воздействии за счет перехода воды в другое фазовое состояние и расширения при этом происходит разрыв частиц по этим ослабленным зонам.

Недостатками способа являются необходимость предварительной многостадийной подготовки материала, а также необходимость тщательного формирования и подачи в виде струй измельчаемого материала и высокотемпературного газа.

Наиболее близким к заявляемому является способ разрушения насыпных материалов, затвердевших в контейнере, с помощью вращающегося механического устройства, обеспечивающего измельчение монолитного порошкового материала за счет трения, соскреба и извлечения фрагментов из контейнера при вращении крутящегося узла вокруг вертикальной оси (патент США №6568613, МПК В02С 19/00).

Недостатком способа является то, что его можно использовать только для измельчения небольших количеств затвердевшего материала, к тому же заполнившего лишь часть контейнера определенной конструкции, а именно его коническую секцию.

Задачей изобретения является создание недорогого и безопасного способа измельчения уранового концентрата, затвердевшего в контейнере, с получением порошкообразного продукта с необходимой крупностью частиц (в основном не более 2,5 мм), не допускающей при последующем использовании снижения извлечения продукта.

Для достижения технического результата в предлагаемом способе, включающем механическое разрушение монолитного материала в контейнере и его выгрузку из контейнера, механическое разрушение монолитного материала в контейнере ведут в два этапа путем многократного сжатия боковой поверхности контейнера в радиальном направлении усилием 40-200 кг/см², между этапами механического разрушения материал в контейнере выдерживают в воде в течение 10-50 часов, а после выгрузки из контейнера осуществляют его окислительную термообработку.

Сжатие может производиться с помощью пресса, выполненного с возможностью плавного повышения усилия.

Сжатие производят от 2 до 6 раз при равномерном перемещении площадки приложения усилия по поверхности контейнера.

Окислительная термообработка может осуществляться в потоке воздуха при температуре 200-600°С в течение 20-120 минут.

Влияние существенных признаков изобретения на достижение технического результата заключается в следующем.

Измельчение производится в результате последовательных технологических операций, на каждой из которых происходит изменение состояния слежавшегося монолитного материала. Так, на первом этапе сжатия в монолитном материале возникают трещины, расколы, внутренние напряжения, в последующем при выдерживании в водной среде через образовавшиеся трещины в объем частиц материала проникает вода, которая способствует ослаблению сил сцепления в слежавшемся продукте, его размоканию и разрушению, а следующий этап сжатия приводит к распаду материала на порошковые и кусковые фрагменты. При окислительной термообработке таких увлажненных фрагментов в результате окисления оксида урана и изменения при этом плотности материала (плотность UO₂ ˜11 г/см³, плотность U₃O₈ ˜7 г/см³) происходит резкое расширение и разрушение агломератов материала до порошкообразного состояния, т.е. в основе измельчения на этой стадии - химический процесс.

Диапазон значений применяемого усилия при сжатии и времени замачивания, а также количество приложений усилий сжатия определяется исходя из разной степени слеживаемости (затвердевания) продукта.

Усилие сжатия 40÷200 кг/см² соответствует интервалу между нижним значением предела прочности при сжатии слежавшегося концентрата и предельным усилием, вызывающим допустимую для последующих грузоподъемных операций деформацию нагруженного контейнера.

Выбор времени выдерживания в воде от 10 до 50 часов обусловлен необходимостью полного размокания продукта во всем объеме.

Количество сжатий от 2 до 6 раз позволяет раздробить монолитный материал на небольшие кусковые фрагменты.

Выбор интервала параметров окислительной термообработки определяется тем, что при температуре ниже 200°С и времени обработки менее 20 минут окислительный процесс проходит с низкой скоростью и полнотой, а при температуре свыше 600°С и времени пребывания выше 120 минут происходит спекание, агломерация до крупности зерен более 2,5 мм и, как следствие, снижение реакционной активности оксидов урана, что нежелательно для дальнейшей переработки термическим восстановлением до двуокиси урана.

При анализе научно-технической и патентной литературы технических решений, обладающих совокупностью существенных признаков заявляемого изобретения, не выявлено.

Пример 1

Металлический контейнер со слежавшимся монолитным продуктом укладывали в горизонтальном положении на стол пресса и производили 2-6 разовое сжатие усилием 40 кг/см² различных участков поверхности контейнера при его проворачивании вокруг осевой линии.

Контроль нагрузки осуществляли по манометру.

После первого этапа сжатия контейнер с материалом помещали в емкость с водой и выдерживали в течение 10 часов.

По истечении выбранного времени выдерживания в воде контейнер с материалом вновь подвергали сжатию с тем же усилием 40 кг/см² и количеством приложений, что и на первом этапе, для окончательного разрыхления кусков продукта, после чего разрыхленный увлажненный материал выгружали из контейнера обычным для грузоподъемной тары способом.

Полученный увлажненный материал направляли на окислительную термообработку во вращающуюся трубчатую печь. Процесс осуществляли при температуре в печи 200°С с принудительной подачей воздуха при времени обработки 20 минут. После этого проводили анализ гранулометрического состава измельченного концентрата.

Аналогично опыту, описанному в примере 1, провели другие опыты, используя различные условия измельчения как в заявляемых пределах, так и за этими пределами. Условия и результаты измельчения приведены в таблице, в которой пример 1 соответствует опыту 3.

Как видно из результатов, приведенных в таблице, при заявленных условиях был получен достаточно однородный измельченный концентрат:

содержание частиц фракции до 2,5 мм, что соответствует штатному урановому концентрату, составило более 97,5%.

В дальнейшем высушенный концентрат подавали на операцию термического восстановления для получения двуокиси урана. Двуокись урана по крупности, степени восстановления не отличалась от продукта, полученного по штатной технологии, т.е. из неслежавшегося концентрата. Извлечение продукта и потери находились на одинаковом уровне.

По данным дозиметрического и радиометрического контроля увеличения запыленности радиоактивным материалом и повышения индивидуальной дозы, полученной работающим персоналом, не происходило.

Таким образом, решена поставленная задача по созданию недорогого и безопасного способа измельчения сыпучего уранового концентрата, затвердевшего в контейнере, с получением порошкообразного продукта с необходимой крупностью частиц, не допускающей при последующем использовании снижения извлечения продукта.

Способ может быть использован в химической технологии для переработки материалов, склонных к слеживаемости, окомкованию при длительном хранении в контейнерах, в том числе к переработке урановых концентратов, слежавшихся при хранении в металлических контейнерах. Достигаемый технический результат заключается в обеспечении экономичности и радиационной безопасности процесса. Измельчение производят механическим разрушением монолитного материала в контейнере путем многократного сжатия боковой поверхности контейнера усилием 40-200 кг/см² в два этапа. Между этапами механического разрушения материал выдерживают в воде в течение 10-50 часов. Затем его выгружают из контейнера и подвергают окислительной термообработке. Способ позволяет получить порошкообразный концентрат, например, урановый, который используется в дальнейшем производстве урановых материалов без снижения выхода годного продукта. 3 з.п.ф-лы, 1 табл.

1. Способ измельчения насыпных материалов, затвердевших в контейнере, включающий механическое разрушение монолитного материала в контейнере, его выгрузку из контейнера, отличающийся тем, что механическое разрушение монолитного материала в контейнере ведут в два этапа путем многократного сжатия боковой поверхности контейнера усилием 40÷200 кг/см², между этапами механического разрушения материал выдерживают в воде в течение 10-50 ч, а после выгрузки из контейнера осуществляют окислительную термообработку.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сжатие производят с помощью пресса, выполненного с возможностью плавного повышения усилия.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что сжатие производят от 2 до 6 раз при равномерном перемещении площадки приложения усилия по поверхности контейнера.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что окислительную термообработку осуществляют в потоке воздуха при температуре 200-600°С в течение 20-120 мин.