Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО БЕРИЛЛИЯ

Изобретение относится к металлургии и направлено на совершенствование производства металлического бериллия, на снижение потерь и расхода бериллия и магния в ходе процесса магнийтермического восстановления металлического бериллия, востребованного в различных отраслях промышленности.

Известен способ, в котором фторид бериллия восстанавливают при 900°C в высокочастотных электрических печах с графитовым тиглем, диаметром до 610 мм [Г.Ф. Силина, Ю.И. Зарембо, Л.Э. Бертина Бериллий. Химическая технология и металлургия. М.: Атомиздат, 1960, с. 97-101]. Для восстановления используют кусковой магний, размеры кусков достигают 25 мм; общий вес загрузки составляет 118 кг гранулированного фторида бериллия и 43,5 кг магния. Практический опыт фирмы «Браш Бериллиум» показал, что фторид бериллия является наилучшим и наиболее экономически выгодным флюсом. Для проведения восстановления магний берут в количестве 75% от стехиометрически необходимого по реакции; при таком соотношении бериллий легко отделяется от шлака. Фторид бериллия, оставшийся в шлаке после восстановления, выщелачивают водой в процессе мокрого измельчения шлака, в осадке остается нерастворимый фторид магния.

Увеличение количества магния до 85% от стехиометрически необходимого делает практически невозможным отделение бериллия от шлака. Восстановление является периодической операцией; при расходе мощности на одну печь от 75 до 100 кВт продолжительность цикла составляет около 3,5 ч. После окончания реакции восстановления (900-1000°C) температуру в печи повышают до 1300°C для осуществления расплавления смеси и разделения продуктов реакции. Бериллий, ввиду меньшей плотности по сравнению со шлаком, располагается в результате плавки над шлаком. Восстановленный металл и шлак сливают по очереди через горловину тигля в специальные изложницы.

Недостатки данного способа:

- низкая производительность процесса;

- низкий процент использования полезного объема печи;

- низкий выход по бериллию (около 66-67%);

- удаление значительного количества не прореагировавшего магния в виде паров при проведении процесса восстановления;

- использование кускового, а не порошкового, металлического магния уменьшает площадь поверхности взаимодействия реагентов.

Известен способ получения бериллия, взятый за прототип [В.Т. Дзуцев, Н.П. Брылев, В.Е. Брюханов, М.В. Караваев, В.А. Муравьев, А.В. Шереметьев. Способ получения бериллия. Авторское свидетельство СССР №816178, от 04.05.1978 г.], в котором магнийтермическое восстановление фторида бериллия происходит при 900°C в высокочастотных электрических печах с графитовым тиглем с порционной загрузкой фторида бериллия в три стадии: на первой загружают 40-45% BeF₂, на второй - порциями по 1-2%, далее по мере их расплавления загружают 52-55% фторида бериллия, на третьей стадии вводят при нагреве оставшиеся 3-5% фторида бериллия до разделения продуктов реакции. Необходимое количество металлического кускового магния предварительно загружается в тигель в полном необходимом объеме.

Недостатки данного способа:

- при получении металлического бериллия данным способом необходимый избыток фторида бериллия возрастает до 33%;

- неравномерный прогрев смеси и протекание реакции по всему объему тигля.

Задача - увеличение производительности процесса металлотермического восстановления BeF₂ и выхода по металлическому бериллию, сокращение потерь реагентов, удаляющихся из зоны реагирования в виде паров.

Способ получения металлического бериллия включает магнийтермическое восстановление бериллия при 900°C в высокочастотных электрических печах с графитовым тиглем. Способ отличается тем, что используемые реагенты - фторид бериллия и порошкообразный магний - укладывают слоями поочередно. Масса самого верхнего слоя фторида бериллия составляет не менее 40% от всего его количества, и масса нижнего слоя магния составляет не менее 40% от всего его количества. Количество порошкообразного магния для восстановления составляет 75% от стехиометрически необходимого. Процесс восстановления бериллия и разделения фаз металла и шлака проводят в токе аргона. По завершению переплавки тиглю дают остыть до 550-600°C. Производят догрузку реагентов в том же порядке и повторяют операции восстановления и переплавки до тех пор, пока продукты процесса не займут 3/4 объема тигля.

Процесс магнийтермического восстановления бериллия проводят при 900°C в высокочастотных электрических печах с графитовым тиглем. Для восстановления используют порошкообразный металлический магний. Использование порошкообразного металлического магния позволяет многократно увеличить площадь поверхности взаимодействия реагентов, что благоприятно сказывается на производительности процесса восстановления. Для улучшения контакта фаз и равномерного распределения нагрева шихты в графитовый тигель порошкообразный магний и фторид бериллия укладывают слоями. Такой способ укладки также повышает производительность процесса и выход металлического бериллия. Вследствие того, что температура плавления магния составляет всего 650°С, в ходе процесса восстановления магний интенсивно испаряется. Для осуществления сорбции и улавливания паров легкоплавкого магния-восстановителя слой фторида бериллия помещают на слой металлического магния (t_пл(BeF₂)=797°C). В зависимости от объема тигля количество слоев может варьироваться. В то же время самый верхний слой фторида бериллия, так же, как и самый нижний слой магния, составляют не менее 40% от всего количества реагента. Количество магния, необходимое для проведения восстановления, составляет 75% от стехиометрически необходимого. Избыток фторида бериллия необходим в качестве флюса для осуществления разделения фаз металлического бериллия и шлака. Для предупреждения сгорания порошкообразного магния в атмосфере воздуха и появления оксикарбонитридов получаемого бериллия восстановление проводят в атмосфере аргона.

Процесс восстановления при 900-950°С проводят до прекращения яркого свечения реакционной массы. Далее температуру в печи поднимают до 1300-1350°С для расплавления и разделения продуктов реакции. Расплавленные продукты дают усадку и, как правило, в жидком состоянии занимают 17-20% от первоначального объема. Для рационального использования полезного объема тигля после плавки продуктов и их охлаждения в токе аргона до 600-650°С в тигель снова слоями помещают фторид бериллия и порошкообразный магний и повторяют процесс восстановления. Догрузку реагентов осуществляют до тех пор, пока расплав продуктов реакции не займет 3/4 тигля. Металлический бериллий, ввиду меньшей плотности, всплывает над шлаком. После прекращения подачи аргона восстановленный металл и шлак сливают по очереди через горловину тигля в отдельные изложницы.

Без учета бериллия, содержащегося в избыточном количестве BeF₂, используемом в качестве флюса, выход по черновому бериллию по данному методу составляет 85-90%.

Преимущества данного метода:

- использование порошкообразного металлического магния увеличивает площадь поверхности реагирования, тем самым увеличивает скорость реакции, что благоприятно влияет на производительность процесса;

- укладка слоями реагентов позволяет улучшить контакт фаз и равномерно распределить нагрев шихты, что благоприятно сказывается на производительности процесса и выходе металлического бериллия;

- укладка слоя фторида бериллия поверх слоя магния предупреждает удаление магния из зоны реакции и способствует повышению выхода металлического бериллия;

- послойная укладка реагентов и использование порошкообразного магния позволяет снизить избыточное количество фторида бериллия, необходимое для эффективного разделения фаз металла и шлака, с 33 до 25%;

- проведение реакции магнийтермического восстановления бериллия в атмосфере аргона позволяет предупредить возгорание порошкообразного металлического магния и образование оксикарбонитридов бериллия.

Пример 1

Для восстановления металлического бериллия используют 200 г фторида бериллия и 76,6 г порошкообразного металлического магния, что составляет 75% от стехиометрически необходимого количества магния. Реагенты распределены на 4 последовательные загрузки. В графитовый тигель реагенты загружают в 4 слоя (сверху вниз): 25 г BeF₂, 9,575 г магния, 25 г BeF₂, 9,575 г магния. Масса верхнего слоя фторида бериллия составила 50% от массы всего BeF₂. Аналогично, масса нижнего слоя магния составила 50% от общего количества всего магния-восстановителя. Тигель с шихтой помещают в высокочастотную электрическую печь с крышкой, в которую вмонтирован патрубок для подачи аргона. Перед восстановлением тигель продувают аргоном в течение 5 мин. Шихту нагревают до 910°С и ведут процесс восстановления до прекращения свечения из-под крышки печи, поддерживая подачу аргона на уровне 100 мл/мин. Свечение наблюдалось в течение 37 секунд. Затем температуру в печи доводят до 1340°С и выдерживают шихту в течение 30 мин, не прекращая подачу инертного газа. При этом происходит полное расплавление и усадка продукционной смеси. Далее отключают нагрев и дают остыть продуктам до 600°С. В остуженный тигель догружают реагенты послойно по методике, описанной выше, и повторяют операцию по проведению восстановления бериллия и переплавке продукционной массы. Восстановленный металл при 1320°С сливают через горловину тигля в специальную изложницу, шлак сливают при 1200°С (температура плавления шлака составляет 1170°С). В ходе восстановления получен черновой металл массой 24,961 г, выход по бериллию составил 87%.

Пример 2

Отличается от примера 1 тем, что реагенты распределены на 4 последовательные загрузки. В графитовый тигель реагенты загружают в 6 слоев (сверху вниз): 20 г BeF₂, 5,745 г магния, 15 г BeF₂, 5,745 г магния, 15 г BeF₂, 7,660 г магния. Масса верхнего слоя фторида бериллия составила 40% от массы всего BeF₂. Аналогично, масса нижнего слоя магния составила 40% от общего количества восстановителя. Шихту нагревают до 950°С и ведут процесс восстановления до прекращения свечения из-под крышки печи. Свечение наблюдалось в течение 24 секунд. Затем температуру в печи доводят до 1315°С и выдерживают шихту в течение 30 мин, не прекращая подачу инертного газа. В ходе восстановления получен черновой металл массой 25,708 г, выход по бериллию составил 89,5%.

Таким образом, достигнуты следующие технические результаты:

- использование порошкообразного магния и послойная укладка реагентов позволяет увеличить площадь поверхности взаимодействия, улучшить контакт фаз и равномерно распределить нагрев реакционной смеси, что приводит к увеличению скорости реакции магнийтермического восстановления бериллия и, соответственно, к увеличению производительности по металлу;

- рациональное использование полезного объема тигля (осуществление догрузок новых партий реагентов после усадки предшествующих), использование порошкообразного восстановителя-магния и послойная укладка реагентов позволяет повысить выход бериллия;

- размещение слоев фторида бериллия над легкоплавким восстановителем - магнием позволяет сократить потери магния в виде паров при проведении восстановления.