Способ получения кальция

Изобретение относится к получению металлического кальция высокой чистоты. Способ включает размещение вакуумированного дистиллятора с медно-кальциевым сплавом в предварительно нагретой шахтной печи и вакуумную дистилляцию кальция из медно-кальциевого сплава. Дистиллятор нагревают в шахтной печи в течение 1 ч до температуры пуска вакуумной дистилляции и ведут вакуумную дистилляцию при температуре 1020-1040°C в течение 5 ч, при этом температура дистилляции не превышает температуру пуска дистилляции более чем на 20°C. Обеспечивается снижение труднолетучих примесей в получаемом кальции. 1 ил., 1 пр.

 

Изобретение относится к цветной металлургии, а именно к получению металлов методом дистилляции.

Известен способ дистилляции кальция [Н.А. Доронин. Металлургия кальция. М.: Госатомиздат, 1959], позволяющий получать дистиллят кальция из медно-кальциевого сплава.

Наиболее близким к заявляемому способу аналогом является вакуумная дистилляции кальция из медно-кальциевого сплава, осуществляемая по шестичасовому циклу в шахтной печи [Патент РФ №2260066, МПК C22B 26/20].

Недостатком данного способа является низкое качество получаемого кальция по труднолетучим примесям, например таким, как медь и азот. Данный недостаток обусловлен тем, что при проведении процесса дистилляции кальция из медно-кальциевого сплава при температуре в печи 1100-1200°C фильтр из колец Рашига нагревается, что снижает его эффективность при осаждении труднолетучих примесей. При этом давление паров указанных примесей при нагреве повышается. Поэтому данный способ позволяет получать кальций с массовой долей примесей, например азота, не более 0,015%.

Известно, что при повышении температуры процесса дистилляции отношение давления паров труднолетучих примесей к кальцию увеличивается [М.Л. Коцарь, Е.В. Ильенко и др. Получение металлического кальция высокой чистоты. Вопросы атомной науки и техники №5, Харьков, 2012 г., с. 106-109]. Поэтому для снижения количества примесей необходимо снижение температуры процесса дистилляции кальция.

Следует отметить, что при проведении процесса дистилляции температуру печи определяют по показаниям термопары типа ПП, горячий спай которой может иметь разное положение относительно нагревателей. Разница между температурой печи и медно-кальциевым сплавом составляет 50-110°C. Поэтому при проведении процесса дистилляции кальция при пониженной до 1100°C температуре массовая доля меди и азота в кальции имеет значительный разброс значений до указанных выше значений.

Техническим результатом предлагаемого способа является снижение массовых долей труднолетучих примесей, например азота, в слитках дистиллированного кальция менее чем до 0,003%.

Технический результат достигается тем, что вакуумированный дистиллятор с медно-кальциевым сплавом размещают в предварительно нагретую шахтную печь, нагревают его в течение 1 ч до температуры пуска вакуумной дистилляции и ведут вакуумную дистилляцию при температуре 1020-1040°C в течение 5 ч, при этом температура дистилляции не превышает температуру пуска дистилляции более чем на 20°C.

При нагреве медно-кальциевого сплава в вакууме давление паров кальция повышается, и при пусковой температуре равновесие жидкость ↔ пар смещается вправо. На фиг.1 показаны две диаграммы «температура-время»: одна соответствует существующему способу, другая - предлагаемому способу. При пуске процесса дистилляции на кривых нагрева появляются перегибы.

Проведение дистилляции при температуре, не превышающей температуру пуска более чем на 20°C, исключает влияние положения горячего спая термопары в печи на температурный режим процесса, снижает нагрев фильтра из колец Рашига и уменьшает давление паров труднолетучих примесей. Это позволяет получать слитки дистиллированного кальция с массовой долей примесей, например азота, менее 0,003%.

Совокупность существенных признаков заявляемого способа при анализе научно-технической и патентной литературы не выявлена, что подтверждает изобретательский уровень заявляемого технического решения.

Пример

Дистиллятор с «богатым» медно-кальциевым сплавом в количестве 150 кг после сборки и вакуумирования до остаточного давления 13,3 Па (0,1 мм рт.ст.) устанавливают в предварительно нагретую до 1000°C шахтную печь. При нагреве сплава до 1020°C начался процесс дистилляции. При этом на кривой нагрева температурной диаграммы появился характерный перегиб вследствие того, что часть подводимого тепла начала расходоваться на испарение кальция. Также появились другие признаки начала процесса дистилляции - закипание воды на крышке дистиллятора и снижение остаточного давления менее чем до 1,33 Па (0,01 мм рт.ст.). Последний признак начала процесса обусловлен взаимодействием паров кальция с остатком воздуха.

После отсоединения вакуумной линии процесс дистилляции проводят по существующей технологии шестичасового цикла (1 ч - нагрев до пуска процесса и 5 ч - технологическое время процесса дистилляции) при температуре 1020-1040°C.

По окончании процесса дистиллятор извлекают из печи для его охлаждения. Далее проводят разборку дистиллятора и извлечение слитка дистиллированного кальция и остатка «бедного» медно-кальциевого сплава.

В дистилляте кальция труднолетучие примеси находятся в нижней части слитка. Поэтому полученный дистиллят переплавляют в среде аргона для получения слитка монолитного кальция, имеющего равномерное распределение примесей.

По представленному способу проведено 90 процессов дистилляции. Распределение слитков монолитного кальция по массовой доле азота показано на фиг. 1. Здесь видно, что при использовании предлагаемого способа содержание азота в слитках являлось более стабильным по сравнению с существующим способом - ближайшим аналогом. При этом максимальное значение доли слитков в предлагаемом способе сместилось в сторону меньшего содержания азота. Средняя массовая доля азота в опытных слитках снизилась по сравнению со штатными с 0.0095 до 0,0025%. Также было отмечено снижение массовой доли кислорода с 0,10-0,08 до 0,95-0,07%.

Использование полученного по предлагаемому способу кальция по сравнению с аналогом [Патент №2149734, РФ МПК B22F 9/10] при получении гранул позволило снизить массовую долю азота в гранулированном кальции с 0,010-0,050% до 0,008%.

Способ получения кальция, включающий размещение вакуумированного дистиллятора с медно-кальциевым сплавом в предварительно нагретой шахтной печи и вакуумную дистилляцию кальция из медно-кальциевого сплава, отличающийся тем, что дистиллятор нагревают в шахтной печи в течение 1 ч до температуры пуска вакуумной дистилляции и ведут вакуумную дистилляцию при температуре 1020-1040°C в течение 5 ч, при этом температура дистилляции не превышает температуру пуска дистилляции более чем на 20°C.