Способ для очистки висмута зонной плавкой, покровный флюс и аппарат для осуществления способа зонной плавки Российский патент 2020 года по МПК C22B9/02 C22B30/06 

Изобретение относится к цветной металлургии и в частности получению металлов высокой чистоты зонной плавкой. Известен способ воздействия на очистку металла при кристаллизации [1], включающий расплавление металла, в процессе кристаллизации ведут ультразвуковую обработку возбуждением знакопеременных напряжений. Недостаток в малой производительности способа. Известен флюс [2] лужения легкоплавкими припоями, который содержит, мас. %: хлористый цинк 25-50, хлористый натрий 0,5-5, хлористый калий 0,1-1, гидроксиламин гидрохлорид 0,1-0,4. Недостатком флюса является наличие хлора, что не обеспечивает связывание сурьмы при температуре плавления висмута. Известно устройство для зонной плавки [3] электропроводных материалов в лодочке с радиационным нагревателем зоны и приспособлением для индукционного перемешивания расплава в виде электромагнитной дорожки. Его недостаток в малой производительности.

Известен и принят за прототип [4] устройство зонной плавки, содержащее кольцевую лодочку-контейнер, разделенную перегородкой на начальный и конечный секторы, зонные нагреватели расположенные симметрично по обе стороны кольцевого контейнера, привод вращения, индукционные устройства, перемешивания расплава установленные с боковых сторон контейнера за каждым зонным нагревателем и последовательно за ним расположенного холодильного приспособления

Недостатком указанного устройства в том, что часть примесей накапливаются в концевом секторе, а сурьма накапливается в начальном секторе, очищенном от других примесей. В качестве готового чистого продукта выбирается один из средних участков (секторов). Эта неопределенность влияет на стабильность качества продукции. Поэтому для олова используется водный электролиз для предварительной очистки от сурьмы.

Целью изобретения является концентрирование примесей в одном секторе с упрощением их выгрузки раздельно от массы очищенного висмута.

Поставленная цель достигается тем, что процесс кристаллизации ведут под слоем легкоплавкого покровного флюса содержащего соль-окислитель, а контейнер аппарата исполнения способа выполнен с наклонными стенками, обеспечивающими возможность расширения расплава вверх при затвердевании расширяющегося висмута, а также он снабжен съемным ковшем для сбора расплава с примесями, размещенным в конечной зоне плавления у перегородки.

Сущность изобретения в том, что процесс кристаллизации ведут под слоем покровного флюса, содержащем компоненты гидроксида натрия и калия, образующие легкоплавкую эвтектику для очистки висмута зонной плавкой, дополнительно содержит соль-окислитель 2-3% сульфит натрия или натрий азотнокислый в следующем соотношении, вес %: сульфит натрия 2-3%; калий гидроксид 75-77; натрий гидроксид 22-24, или в следующем соотношении: натрий азотнокислый 2-3; калий гидроксид 75-77; натрий гидроксид 22-24.

Сущность способа для очистки висмута зонной плавкой, содержащий операции плавления и кристаллизации раздельных участков продольного слитка в том, что процесс кристаллизации ведут под слоем покровного флюса, более легкоплавкого, чем висмут, с расходом, обеспечивающим покрытие расплавленной зоны слитка слоем 0,5-2 мм.

Сущность предлагаемого аппарата зонной плавкой осуществления способа в том, что стенки контейнера выполнены наклонными, обеспечивающими возможность расширения расплава вверх при затвердевании и снабжен съемным ковшом для выгрузки расплава с примесями, размещенным у перегородки.

Технический результат достигается тем, что все примеси (в том числе и сурьма обычно перемещаемая в обратном направлении) накапливаются в окислах флюса в одном конечном "грязном" секторе с возможностью выделенной выгрузки отдельно от очищенного участка.

На фиг. 1 изображен аппарат; на фиг. 2 - аппарат изображен в плане.

Аппарат содержит кольцевой контейнер 1, снабженный роликовым приводом вращения 2, выполненный в виде кольцевого канала с наклонными стенками. Кольцевой канал контейнера 1 имеет герметичную перегородку 3. По обе стороны кольцевого канала симметрично расположены радиационные нагреватели 4, служащие для создания расплавленных зон. Рядом с нагревателями размещены приспособления для перемешивания расплава J, установленные с боковой стороны канала за каждым зонным нагревателем. Приспособления перемешивания 5 выполнены в виде электромагнитных дорожек (линейных трехфазных статоров). Рядом с перемешивателями 5 размещены зоны охлаждения 6. Охлаждение в них осуществляется принудительно или конвекционно воздушными потоками, омывающими боковые поверхности контейнера. По длине кольцевого канала контейнера 1 расположено не менее двух (в данном случае пять) последовательно расположенных нагревателей (4), перемешивателей (5) и охладителей (6), образующих зоны плавления с перемешиваемым расплавом и зоны охлаждения для кристаллизации слитка. В конце по ходу движения у перегородки 3 в контейнер 1 вставляется съемный сосуд (ковш) 7. Привод вращения 2 выполнен в виде роликов, один из которых связан с редуктором и двигателем. Приводной ролик фрикционо приводит во вращение кольцевую платформу 9, на которой установлен контейнер для вращения против часовой стрелки.

Аппарат работает следующим образом. В контейнер 1 заливается расплавленный висмут, включаются нагреватели 4, перемешиватели 5, и обеспечивается работа охладителей б. Проводится регулировка температуры участков расплавленных зон путем изменения силы тока нагревателей 4. Расплав перемешивается при помощи электромагнитного бегущего поля перемешивателей 5. На поверхности раздела фаз кристаллизуется чистый висмут, а примеси остаются в расплаве висмута. Привод 2 вращает контейнер против часовой стрелки относительно нагревателей 4, обеспечивая перемещение расплавленных зон с заданной линейной скоростью по кольцевому слитку висмута. Перегородка 3 контейнера 1 отделяет конечный, обогащенный примесями, от условных последовательно чистых секторов. Наклонные стенки кольцевого контейнера 1 обеспечивают возможность расширения висмута вверх при затвердевании и предохраняет контейнер от разрушения.

Примеси серебро, свинец, медь, теллур планомерно смещаются в зону 1. Расплавленную зону покрывают флюсом с температурой плавления меньше температуры плавления висмута 271°С, чтобы расплав флюса перемещался вместе с расплавленной зоной металла. Состав флюса: гидроокись калия 75-77 вес %; гидроокись натрия - 20-23%; с добавкой 2-3% сульфита натрия Na₂SO₃ или селитры; с эвтектической температурой плавления 167°С. Флюс добавляется с расходом, обеспечивающем покрытие расплавленной зоны слитка слоем 0,5-2 мм т.е в таком количестве, чтобы поверхность расплава при перемешивании оголялась для контакта с воздухом При большем расходе жидкий расплав с примесями растекается на затвердевшую зону и при подходе к конечному сектору недостаточно вязкий для полного сбора. При меньшем расходе получается недостаточное окислене сурьмы и процесс удлиняется. Покрытием расплавленной зоны покровным флюсом с окислителем обеспечивает окисление сурьмы в прочные соединения Na₃SbO₃ и Na₃SbS₃, а не перемещает в чистую зону б. Расплав флюса перемещается вслед с перемещением расплавленной зоны металла.

По мере перемещения примесей в конечный сектор, происходит повышение уровня металла на этом участке. Установка съемного сосуда 7 на конечном секторе позволяет оперативно из сектора отделять расплав с накопившимися примесями вместе с загрязненным покровным флюсом Периодически, по мере накопления "грязного металла" в сосуде 7 на конечном секторе, сосуд извлекают и заменяют новым. Пример: В контейнер залито 26 кг расплавленного висмута состава, вес %: Pb - 0,15; Ag - 0,0085; Cu - 0,0048; Sb - 0,005; As - 0,0012; Sn - 0,0038 и др. Включается привод вращения, нагреватели зон, перемешиватели, регулируется заданная скорость вращения, регулируется температура и ширина расплавленных зон. В каждую расплавленную зону догружаются навески по 10 г, заранее приготовленного покровного флюса состава: KOH - 75%; NaOH - 22%; Na₂SO₃ - 3%. По истечении заданного времени отбирается на анализ металл с начального и конечного секторов в моменты когда их зоны расплавлены. Через 36 часов, когда конечный сектор расплавлен, ковш наклоняется, с металлом и массой покровного флюса приподнимается, извлекается из контейнера и сливается в приготовленную емкость. Ковш вставляется на место в контейнер и при необходимости если он наполняется оставшимся жидким металлом снова извлекают. Освободившееся место в секторе заливается исходным металлом. После перемещения расплавленной зоны в начальный сектор чистого металла повторяют разгрузку чистого висмута. После разгрузки чистого висмута процесс продолжается. В таблице приведены результаты плавки.

Примеры показывают, что по трудно удаляемым примесям получен висмут марки Ви-0000. Примесь сурьма, олово, мышьяк сконцентрировались в окислах покровного флюса. Серебро сконцентрировалось в 6 конечном секторе. Свинец и медь распределились

Технический результат изобретения выражается в концентрировании сурьмы в секторе с примесями с окислами флюса и предотвращении обратного отекания металла, насыщенного примесями в чистые сектора и разгрузки съемным ковшом из концевого сектора загрязненного металла.

Цитируемые источники:

1. A.c. 2102183, М. кл. B22d 27\08 - Способ обработки технически чистого металла

2. Пат РФ №2149089 - Флюс для пайки легкоплавкими припоями - МПК B23K 35/363 Опубл. 2000.05.20

3 Абакумов Г.И. ж. Заводская лаборатория. 12, 1506, (1963).

4. Соловьев Б.А., Галкин Е.А. Зонная перекристаллизация олова в аппаратах кольцевого типа - В сб.: Технология переработки оловянных руд и концентратов различного вещественного состава. Новосибирск, ЦНИИОлово, 1979, с. 42-45.

Группа изобретений относится к покровным флюсам для покрытия поверхности расплавленной зоны кристаллизации для очистки висмута зонной плавкой, способу для очистки висмута зонной плавкой и аппарату зонной плавки для очистки висмута. Способ для очистки висмута зонной плавкой содержит операции плавления и кристаллизации раздельных участков продольного слитка. Для повышения выхода продукта и накопления примесей в одном участке, отделенном от очищенного участка, процесс кристаллизации ведут под слоем покровного флюса, более легкоплавкого чем висмут, с расходом, обеспечивающим покрытие расплавленной зоны слитка слоем 0,5-2 мм. Покровный флюс для покрытия поверхности расплавленной зоны кристаллизации для очистки висмута зонной плавкой содержит компоненты, образующие легкоплавкую эвтектику, дополнительно содержит соль-окислитель в следующем соотношении, вес %: сульфит натрия - 3; натрий гидроксид - 22-24, остальное калий гидроксид или в следующем соотношении: натрий азотнокислый - 3, остальное калий гидроксид. Технический результат заключается в концентрировании примесей в одном секторе с упрощением их выгрузки раздельно от массы очищенного висмута. 4 н.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Покровный флюс для покрытия поверхности расплавленной зоны кристаллизации для очистки висмута зонной плавкой, содержащий компоненты, образующие легкоплавкую эвтектику, отличающийся тем, что дополнительно содержит соль-окислитель в следующем соотношении, вес %: сульфит натрия - 3; натрий гидроксид - 22-24, остальное калий гидроксид.

2. Покровный флюс для покрытия поверхности расплавленной зоны кристаллизации для очистки висмута зонной плавкой, содержащий компоненты, образующие легкоплавкую эвтектику, отличающийся тем, что дополнительно содержит соль-окислитель в следующем соотношении, вес %: натрий азотнокислый - 3; натрий гидроксид - 22-24, остальное калий гидроксид.

3. Способ для очистки висмута зонной плавкой, содержащий операции плавления и кристаллизации раздельных участков продольного слитка, отличающийся тем, что для повышения выхода продукта и накопления примесей в одном участке, отделенном от очищенного участка, процесс кристаллизации ведут под слоем покровного флюса по п.1 или 2, более легкоплавкого чем висмут, с расходом обеспечивающим покрытие расплавленной зоны слитка слоем 0,5-2 мм.

4. Аппарат зонной плавки для осуществления способа очистки висмута по п.3, содержащий кольцевой контейнер, разделенный перегородкой на начальную и конечную зоны, привод вращения, последовательно расположенные нагреватели, установленные симметрично по обе стороны кольцевого контейнера, устройства перемешивания расплава в виде линейных электромагнитных дорожек, холодильные приспособления, отличающийся тем, что стенки контейнера выполнены наклонными, обеспечивающими возможность расширения расплава вверх при затвердевании и также он снабжен съемным ковшом для сбора расплава с примесями, размещенным у перегородки.