Способ очистки магния от примесей

Изобретение относится к области цветной металлургии, в частности к процессам очистки магния от примесей, к получению магния высокой чистоты.

Известен электролитический способ получения металлического магния (кн. Производство магния электролизом. Лебедев О.А. - М.: Металлургия, 1988, стр. 29-33). Для электролиза применяют безводный хлористый магний, либо карналлит, который получают после окончательного обезвоживания в виде расплава или в твердом виде. Расплав заливают в ванну, а твердый карналлит загружают в электролизер. В результате электролиза получают магний, хлор и отработанный электролит. Хлор используют для получения различных хлорпродуктов. Часто производство магния сочетается с производством титана, где хлор используют для получения четыреххлористого титана, а магний для восстановления этого соединения до титана по реакции

TiCl₄+2Mg=Ti+MgCl₂.

Полученный хлористый магний возвращается в магниевый передел для производства магния и хлора.

Недостатком способа является невысокая чистота магния для выпуска титана высших марок.

Известен способ получения магния высокой чистоты (патент РФ №2307180, опубл. 27.09.2007, бюл. №27) методом электролиза смеси хлоридов магния и калия на жидком медно-ванадиевом катоде с получением обогащенного по магнию магний-медного сплава, из которого вакуумной

дистилляцией получают магний высокой чистоты, а оставшийся после отгонки обедненный по магнию сплав возвращают на электролиз.

Недостатком данного способа является сложное аппаратурное оформление процесса электролиза, большие энергозатраты, высокая температура процесса электролиза.

Известен способ получения высокочистого магния (патент РФ №2618018, опубл. 02.05.2017, бюл. 13) путем дистилляции при уменьшенном давлении. Согласно способу исходный материал в форме магнийсодержащего расплава металла находится в контакте с верхней зоной сосуда конденсации в верхней зоне реторты. Верхнюю зону реторты доводят до температуры выше точки кипения магния в пределах двух линий уровня, а затем удерживают постоянной таким образом, что пар поднимается от кипящего магнийсодержащего металлического расплава и заполняет внутренний объем верхней зоны реторты. Пар, просочившийся в верхнюю зону сосуда конденсации, конденсируют под нижней линией уровня и собирают в виде высокочистого расплава в нижней зоне сосуда конденсации. Для предотвращения попадания загрязненного расплава, который падает из зоны над верхней линией уровня, к отверстию сосуда конденсации производят защиту крышкой, которая перемещает загрязненный магний обратно в расплав.

Недостатком данного способа является низкое качество магния, так как при дистилляции вероятнее перенос примесей из испарителя в конденсатор. Кроме того, недостатком данного способа является то, что дистилляция магния возможна при температуре его кипения. Для этого нужны печи из стойких против магния материалов. Особенно важно, чтобы в жидком магнии не растворялись примеси из стенок конденсатора. Кроме того, недостатком является сложное аппаратурно-технологическое оформление способа, что значительно усложняет технологию обслуживания.

Известен способ получения магния высокой чистоты (кн. Электролитическое получение магния. Щеголев В.И., Лебедев О.А. - М.: Издательский дом "Руда и металлы", 2002, стр. 325-327). Способ включает вакуумную возгону магния в стальной реторте с внешним обогревом при остаточном давлении 1,33-13,3 Па и температурах в зоне возгонки 685, 660, 575°C, температура в конденсаторе 300-380°C.

Недостатком данного способа получения магния высокой чистоты является низкое качество магния, так как наиболее чистой является средняя часть кристаллов магния в конденсаторе; верхние зоны конденсата загрязнены щелочными и щелочноземельными металлами и цинком, а также солями; нижние слои содержат примеси тяжелых металлов вследствие их механического захвата и уноса парами магния. Готовой продукцией является средняя часть конденсата, верхние и нижние зоны подвергаются повторной возгонке. Выход конденсата от загрузки не превышает 70-80%. Высокая себестоимость возогнанного магния.

Известен способ получения магния высокой чистоты (кн. Металлургия магния. Стрелец Х.Л., Тайц А.Ю., Гуляницкий Б.С. - М.: Госиздат, 1960, стр. 452-467) по количеству общих признаков принятый за ближайший аналог-прототип. В способе магний - сырец заливают в предварительно нагретый тигель электрической тигельной печи, присыпают флюсом, основным компонентом которого является хлористый магний, с добавлением хлористых солей калия или натрия, для повышения вязкости к флюсу добавляют фтористые соли и окись магния (марки и химсостав флюсов приведены там же с. 452-455) и нагревают до температуры 700-720°C. При этой температуре проводят процесс рафинирования магния, для чего в тигель с металлом засыпают молотым флюсом и расплав интенсивно перемешивают. После рафинирования металл перегревают до 740-750°C. Затем для более полного отделения металла от флюса и шлама расплав отстаивают. Во время отстаивания металл охлаждается до 690-710°C, то есть до температуры разливки. Выбирают расплавленный металлический магний и направляют на процесс литья. После литья металлический магний в виде чушек направляют на процесс вакуумной возгонки.

Недостатком данного способа получения магния высокой чистоты является низкое качество магния, так как использование в процессе рафинирования хлористых, фтористых флюсов, флюсов содержащих алюминий, криолит приводит к резкому загрязнению магния натрием, а так же алюминием, что связано с реакцией разложения фторсолей алюминия с выделением натрия и алюминия. Кроме того, при возгонке калий и натрий хотя и должны конденсироваться на более холодных частях конденсатора, однако на практике значительная их часть (20-40%) конденсируется совместно с магнием, что загрязняет его. Алюминий, вносимый с флюсами, образует также с магнием интерметаллиды типа Mg_xAl_y, которые при возгонке частично переходят в конденсат. При обнаружении загрязнения магния примесями производится его повторная переработка, что усложняет и удорожает процесс получения высокочистого магния.

Технический результат направлен на устранение недостатков прототипа и позволяет улучшить качество магния за счет повышения степени очистки магния от примесей, упростить и удешевить процесс производства.

Технический результат достигается тем, что в способе очистки магния от примесей включающем рафинирование магния в подогретом тигле, установленном в электропечи, с получением предварительно очищенного расплавленного магния, заливку очищенного расплавленного магния в литейные формы, выдержку полученных отливок магния, извлечение их из литейных форм, загрузку отливок магния в аппарат для возгонки, их нагрев, возгонку паров магния и их конденсацию в реторте-конденсаторе, охлаждение аппарата для возгонки, извлечение конденсатного магния из реторты-конденсатора, новым является то, что рафинирование магния ведут смесью, состоящей из титанового плава и флюса бромидного при соотношении титановый плав : флюс бромидный = (2-1):1, перед загрузкой в аппарат для возгонки отливки магния измельчают до крупности кусков 50-100 мм, а возгонку ведут путем герметизации аппарата для возгонки и его вакуумирования без нагрева до остаточного давления 0,027 кПа, при этом после нагрева до температуры 800°С проводят высокотемпературную выдержку в течение 3-5 часов при постоянной откачке аппарата для возгонки, а по окончании высокотемпературной выдержки прекращают нагрев и откачку аппарата для возгонки, а затем осуществляют подачу в него аргона.

Кроме того, предварительно очищенный расплавленный магний выдерживают в литейных формах в течение 15-30 минут.

Кроме того, отливки магния измельчают распилом или разломом.

Кроме того, высокотемпературную выдержку ведут до остаточного давления 0,067 кПа.

Кроме того, аргон подают в аппарат для возгонки с обеспечением избыточного давления 24,5 кПа.

Рафинирование магния смесью, состоящей из титанового плава и флюса бромидного при соотношении титановый плав : флюс бромидный = (2-1):1, позволяет эффективно очистить магний от примесей, в частности от железа, кремния, меди, алюминия, марганца. Это способствует повышению качества магния, и снижению потерь магния при рафинировании.

Измельчение отливок магния до крупности кусков 50-100 мм перед загрузкой в аппарат для возгонки позволяет повысить качество конечного продукта, в частности магния высокой чистоты, за счет отбраковки некачественного сырья - обнаружения в загружаемых кусках магния следов солей (хлористых, фтористых и др.).

В результате проведения процесса вакуумной возгонки путем герметизации аппарата для возгонки и его вакуумирования без нагрева до остаточного давления 0,027 кПа, после нагрев до температуры 800°С и проведение высокотемпературной выдержки в течение 3-5 часов при постоянной откачке аппарата для возгонки, а по окончании высокотемпературной выдержки прекращение нагрева и откачки аппарата для возгонки, а затем подачи в него аргона, магний конденсируется в крупные тесно сросшиеся между собой кристаллы (друзы) высокой чистоты. Так в результате вакуумной возгонки магния, был получен магний высокой чистоты с содержанием примесей не более, ppm: железо - 2; кремний - 10; никель - 5; медь - 4; алюминий - 10; марганец - 2; цинк - 3; хлор 1; калий - 4; натрий - 4, что соответствует чистоте магния - 99,99%.

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, тождественным (идентичными) всем существенным признакам изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволило установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков, изложенных в пунктах формулы изобретения способа очистки магния от примесей. 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. В результате поиска не было обнаружено новых источников и заявленные объекты не вытекают явным образом для специалиста, 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".

Пример осуществления способа.

На дно прогретого тигля, установленного в шахту печи сопротивления, с внутренним диаметром 1,0 м, высотой 1,88 м, выполненным из материала сталь 20К, заливают вакуум-ковшом магний-сырец (ТУ 1714-004-05785388), который является продуктом электролиза безводного карналлита и хлоридов магния, в количестве 2500 кг и нагревают до температуры 700°С. Затем в тигель устанавливают прогретую пропеллерную вертикальную мешалку (перед применением мешалку прогревают до красна в солевой ванне). После включения мешалки в металл загружают небольшими порциями предварительно подготовленную навеску смеси, состоящую из плава титанового (ТУ 2152-474-05785388) и флюса бромидного (ТУ 1714-49705785388) в количестве 42,5 кг. Навеску смеси, состоящей их плава титанового и флюса бромидного предварительно готовят в коробе при соотношении, равном 1,4:1. После расплав перемешивают 20 минут. По окончании перемешивания мешалку удаляют из тигля. Затем тигель с нагретым расплавом вынимают из печи для отстоя и охлаждения до температуры разливки. Время отстаивания 20 минут. От полученного расплава отбирают пробы металла на полный химический анализ. Химический состав магния (до возгонки), % масс.: магний - 99,95; железо - 0,003; кремний - 0,004; никель - 0,0010; медь - 0,0030; алюминий - 0,010; марганец - 0,010; цинк - 0,010; хлор - 0,005; калий - 0,004; натрий - 0,004. Предварительно очищенный расплавленный магний направляют на процесс литья. Тигель, с предварительно очищенным расплавленным магнием, устанавливают в шахту подъемно-поворотного устройства литейного конвейера, и производят заливку в литейные формы. Предварительно очищенный расплавленный магний выдерживают в литейных формах в течение 20 минут. Охлажденные отливки до температуры окружающей среды извлекают из литейных форм, осуществляют визуальный контроль, в процессе которого удаляют несоответствия (высолы с поверхности отливок). Отливки предварительного очищенного магния измельчают на куски размером 50-100 мм путем разлома на прессе для излома типа П6332Б или распиловкой. После производят визуальный контроль и отбраковку некачественных кусков магния со следами солей (хлористых, фтористых и др.). Металлический магний в изломах не содержит шлаковых включений. Из выбранных кусков магния формируют навеску весом 40 кг, которую размещают в реторте с водоохлаждаемым фланцем. Реторту устанавливают в электропечь сопротивления, на фланец реторты устанавливают разборную обечайку, прокладку из вакуум-резины, реторту-конденсатор и соединяют аппарат для возгонки при помощи болтов. Производят обвязку аппарата для возгонки. Его соединяют с вакуумной линией, подают воду в водоохлаждаемые фланцы реторты и во внутреннюю рубашку охлаждаемой реторты-конденсатора. Прижимают термопару к стене аппарата для возгонки. Производят откачку аппарата для возгонки вакуумным насосом типа ВН-6Г. Измерение остаточного давления в аппарате для возгонки проводят прибором ВТ-2А. При достижении остаточного давления в аппарате для возгонки 0,27 кПа электропечь включают. Процесс проводят при заданном температурном режиме и постоянной откачке аппарата для возгонки вакуумным насосом. Уставки температуры устанавливают на 800°С. Откачку не прекращают до окончания процесса. При достижении температуры 800°С делают высокотемпературную выдержку 4 часа. Во время высокотемпературной выдержки при достижении остаточного давления 0,067 кПа подключают бустерный насос типа НИБМ-2,5. По окончании высокотемпературной выдержки печь отключают, и откачку прекращают, затем в аппарат для возгонки задают аргон, с обеспечением избыточного давления 24,5 кПа. Аппарат для возгонки охлаждают в печи до температуры не более 30°С. После этого аппарат для возгонки демонтируют, извлекают из него обечайку, разбирают и извлекают конденсатный магний из реторты-конденсатора.

Таким образом, предложенный способ направлен на повышение степени очистки магния от примесей и позволяет получить магний высокой чистоты с содержанием примесей не более, ppm: железо - 2; кремний - 10; никель - 5; медь - 4; алюминий - 10; марганец - 2; цинк - 3; хлор - 1; калий - 4; натрий - 4, что соответствует чистоте магния - 99,99%.