автореферат диссертации по металлургии, 05.16.03, диссертация на тему:Исследование процесса гетерогенного термического разложения паров тетракарбонила никеля и формирования компактного никелевого осадка для создания технологии производства никелевой ленты

На правах рукописи

Козырев Владимир Федорович

V___

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ГЕТЕРОГЕННОГО ТЕРМИЧЕСКОГО РАЗЛОЖЕНИЯ ПАРОВ ТЕТРАКАРБОНИЛА НИКЕЛЯ И ФОРМИРОВАНИЯ КОМПАКТНОГО НИКЕЛЕВОГО ОСАДКА ДЛЯ СОЗДАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА НИКЕЛЕВОЙ ЛЕНТЫ

Специальность 05.16.03.- Металлургия цветных и редких

металлов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1996

Работа выполнена в АООТ "Институт Гипроникель" Российского АО "Норильский никель".

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая огранизация:

кандидат технических наук, старший научный сотрудник А.С.Мнухин

доктор технических наук, профессор Н.Н.Павлов

кандидат технических наук, доцент Ф.Т.Бумажнов

институт "Гинцветмет"

Защита* диссертации состоится "22. " Л73р/*>£ 199^ г.

ч на заседании диссертационного Совета Д.063.15.09 в Санкт-Петербургском государственном горном институте им. Г.В.Плеханова по адресу: 199026, С.-Петербург, В.0.,21 линия, дом 2, ауд. 6 36.9

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан " фё/рЗлЯ 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

А.К.Орлов

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В настоящее время производство никелевых лент осуществляется в России из катодного металла марки Н-1 и Н-0. В связи с увеличением цен на никель на ЛБМ стоимость готовой никелевой ленты достаточно высока,что сказывается на ценообразовании изделий, выпускаемых с применением ленты.Актуальность темы обусловлена необходимостью создания высокоэффективной экологически чистой технологии производства никелевой ленты для обеспечения различных отраслей промышленности этим видом продукции, по стоимости не превышающей никель марки Н-0. Одновременно исследования в области получения компактных никелевых осадков при гетерогенном термическом разложении карбонила никеля существенно расширяют номенклатуру карбонильного производства, позволяя создать такие виды продукции, как никелевые ленты, формообразующие поверхности литьевых и прессформ,различные композиционные порошковые материалы с компактным никелевым покрытием и другие.

Задачи исследования: Разработать и создать безотходную и безвыбросную высокоэффективную технологию производства никелевой ленты на основе изучения закономерностей формирования компактных никелевых осадков при термической диссоциации паров тетракарбони-ла никеля.

Для решения поставленной задачи необходимо:

- более детально изучить кинетику гетерогенного разложения применительно к предлагаемой технологии,

- выявить особенности разложения ТКН на цилиндрической поверхности с целью получения информации об особенностях кинетики осаждения металла для конструирования разложителя,

- определить структурные и морфологические особенности строения получаемых осадков для определения способов управления качеством ленты,

- создать и опробовать модель аппарата с целью получения ин-

формации для конструирования промышленного агрегата и выполнения технико-экономических расчетов эффективности технологии.

Методы исследования.

1.Для исследования кинетики реакции термораспада тетракарбо-нила никеля была разработана и создана экспериментальная установка с проточным дифференциальным реактором, обеспечивающая максимальное увеличение потока массы карбонила к реакционной поверхности, что позволило впервые (по сравнению с ранее выполненными работами) существенно расширить диапазон температур, в котором можно описывать' протекание процесса разложения в кинетической области.

2. Гидродинамика обтекания цилиндрической поверхности потоком реакционного газа с различным содержанием ТКН и скорость реакции разложения на участках цилиндрической поверхности изучались на укрупненно-лабораторной установке, представляющей собой герметичную камеру, оборудованную стальным барабаном и форсункой для подачи паро-газовой смеси.

3. Изучение зависимости состава структуры и морфологии поверхности никелевой ленты от технологических параметров процесса пиролиза производилось с помощью химического, металлографического анализов, растрово-электронной микроскопии ,рентгено-структурным анализом и микро-рентгеноспектральным анализом.

Научная новизна работы.

1. Установлена зависимость скорости термораспада паров кар-, бонила никеля от температуры в зоне реакции в диапазоне температур 150-250 °С, концентрации паров карбонила никеля в реакционном газе в диапазоне 0,5 - 30 % об. и определены кинетические параметры процесса термораспада тетракарбонила никеля.

2. Исследована гидродинамика обтекания цилиндрической поверхности потоком реакционного газа, получена зависимость скорости реакции разложения тетракарбонила никеля на различных участках этой поверхности от величины разбавления паров карбонила никеля оксидом углерода, выделяющимся в процессе термораспада, и определены оптимальные технологические параметры процесса получения компактных никелевых осадков.

Практическая значимость работы.

1. Разработана замкнутая безотходная безреагентная экологически чистая высокоэффективная технология производства никелевой ленты методом карбонильной металлургии.

2. Создана опытно-промышленная установка и головной образец реактора (карбонилера) для получения никелевой ленты.

3. Разработанный головной образец реактора и технологическая схема предназначены для внедрения в цехе карбонильного никеля комбината "Североникель" с целью повышения эффективности производства и получения нового вида продукции.

4. Разработанные технология и аппаратура могут быть реализованы непосредственно на предприятиях, потребляющих никелевую ленту, как в сочетании с технологией трибохимического синтеза тетра-карбонила никеля, так и при использовании жидкого карбонила в качестве исходного сырья.

Положения, выносимые на защиту:

1. Зависимость скорости реакции термораспада паров карбонила никеля от скорости потока реакционного газа,температуры в зоне реакции, концентрации паров ТКН в газе-носителе и природы газа-носителя .

2. Закономерности процесса осаждения никеля из газовой фазы на нагретой цилиндрической поверхности барабана и разработка технологии получения никелевой ленты в процессе термораспада паров ТКН.

3. Зависимость состава, структуры и морфологии поверхности никелевой ленты от технологических параметров процесса осандения никеля из карбонильной газовой фазы.

4 Опытно-промышленная установка и головной образец реактора (ленточного карбонилера) для производства непрерывной никелевой ленты. Рекомендации к промышленному внедрению.

Апробация работы и публикации. По теме диссертации опубликованы две печатные работы, в том числе патент на изобретение.

Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения,четырех глав, заключительных выводов,библиографического спис-

ка из 98 наименований, содержит 12 таблиц, 22 рисунка и изложена на 106 страницах машинописного текста.

Основное содержание работы-

Аналитический обзор литературы в области исследований термического разложения тетракарбонила никеля свидетельствует о том, что кинетика термораспада карбонила никеля изучалась в диапазоне температур от 40 до 300 °С и давлений от 0,1 до 1 кг/см2 . Данные по кинетике термораспада карбонила никеля существенно различаются между собой, как формой кинетического уравнения, так и величинами кинетических констант. Такое различие является следствием использования различных по конструкции экспериментальных установок, методик проведения экспериментов и диапазонов технологических параметров. Более того, некоторые из авторов не коснулись проблем, связанных с диффузионным торможением процесса. Достаточно детального анализа, который позволил бы осуществить надежную экстраполяцию данных, полученных в области гетерогенной кинетики на область с преобладанием диффузионных ограничений, сделано не было.

В то же время, одним из основных условий получения достоверных кинетических данных при исследовании такого типичного гетерогенного процесса, как разложение карбонила никеля на нагретой поверхности, является возможно более полное снятие диффузионных ограничений в газовой фазе. Определение значений кинетических констант по экспериментальным данным, полученным на фоне значительного диффузионного торможения, поневоле может принести к заметным ошибкам. При этом может быть искажен даже сам характер функциональных зависимостей, определяющих кинетику реакции.

Зависимость скорости реакции термораспада паров карбонила никеля от скорости потока реакционного газа, температуры в зоне реакции, концентрации паров ТКН в газе носителе и природы газа носителя

При выборе методики исследования, разработке реактора и схемы экспериментальной установки в качестве одной из основных стояла задача обеспечения максимального, в пределах реальных технических возможностей, увеличения потока массы карбонила никеля к

реакционной поверхности с тем, чтобы расширить диапазон температур, в котором можно описывать протекание процесса разложения в кинетической области. Кроме того, исследуя реакцию гетерогенного термического разложения карбонила никеля, необходимо снижать степень нагрева реакционного газа за счет теплообмена с реакционной поверхностью для предотвращения разложения карбонила никеля в объеме газа. Разложение в объеме искажает картину концентрационного поля в газовой фазе, причем учесть это искажение при обработке экспериментальных данных практически невозможно.

Конструкция проточного реактора и его "кинетические" возможности в решающей мере определяются выбором способа подачи реакционного газа к реакционной поверхности. Наиболее интенсивный тепло- и массообмен может быть достигнут при направленном по нормали струйном обтекании поверхности. В этом случае коэффициент теплообмена, при прочих равных условиях, в несколько раз выше, чем при других способах подвода газа.

Разработанные нами безградиентный дифференциальный реактор и экспериментальная установка позволили, на наш взгляд, решить сформулированные выше задачи.

При проведении экспериментальных работ контролировались скорость .циркуляции газа, концентрация карбонила никеля в реакционном газе, температура образца.

Экспериментальные исследования зависимости скорости роста никелевого осадка от содержания карбонила никеля в газовой фазе и температуры покрываемой поверхности, при использовании в качестве разбавителя оксида углерода, проводили в диапазоне концентраций карбонила никеля в реакционном газе от 0,5 до 30 X об. и температур от 150 до 250 °С. Нижние пределы концентрации карбонила никеля в реакционном газе и температуры ограничиваются минимально принимаемой скоростью образования осадка и продолжительностью опыта. Верхний предел температурного нагрева образца определяется как опасностью разложения паров ТКН в объеме за счет перегрева в приповерхностном слое, так и максимальной скоростью осаждения никеля.

Экспериментальные данные по скорости осаидения никеля при различных концентрациях карбонила никеля в реакционном газе и температурах нагрева образца приведены на рис.1.

Из графика видно, что скорость реакции гетерогенного термического разложения карбонила никеля в этих условиях существенно зависит от концентрации карбонила никеля в газовой фазе. Обращает на себя внимание тот факт, что крутизна этой зависимости возрастает с увеличением содержания карбонила никеля.

Для оценки степени влияния диффузионного торможения на наблюдаемые в опыте скорости реакции были рассчитаны значения предельного диффузионного потока (рис.1, кривая 11). Сравнение кривых рис.1, показывает, что при температуре до 200 °С реакция протекает в чисто кинетической области - скорость реакции более чем на порядок ниае величины предельного диффузионного потока. Начиная с температуры 220 °С, диффузия начинает сказываться на верхнем пределе концентраций карбонила никеля. При температурах 230-250 °С реакция явно протекает в переходной области.

Эффект влияния температуры поверхности образца на скорость реакции показан на рис.2. Рассматривая температурную зависимость скорости реакции, необходимо отметить наличие двух, достаточно четко разграниченных участков. Оценка величины кажущейся энергии активации дает на "высокотемпературном" участке значение Е = 92 кДн/ноль, а на "низкотемпературном" - Е = 230 кДж/моль. Полученные нами экспериментальные данные достаточно корректно описываются уравнением, предложенным Б.Я.Красильщиком и А.М.Верб-ловским в работе [87].

а0 е-Еа/ит рко,5

= -!- •

(1 - Ьо е-Ев/ит рк)4

На рис.1 значения скорости реакции, рассчитанные по этому уравнению, показаны сплошными линиями.

Разработанная нами экспериментальная установка и методика проведения опытов позволили значительно интенсифицировать процессы массообмена у реакционной поверхности. Снижение диффузионных ограничений позволило повысить на 40-60 °С верхний предел температуры, определяющий переход в диффузионную область, и установить скорость реакции в диапазоне температур и концентраций, в котором предполагается осуществлять процесс формирования никелевой ленты.

Результаты кинетических исследований зависимости скорости реакции разлонения тетракарбонила никеля от его концентрации

в реакционном газе

Рис.1

Температура реакционной поверхности, °С. 1-150, 2-160, 3-170, 4-180, 5-190, 6-200, 7-220, 8-230, 9-240,

10-250

Зависимость скорости разложения от температуры реакционной поверхности

Рис.2

Концентрация ТКН а реакционном газе, % об. 1-0,5, 2-1,0, 3-2,0, 4-5,0, 5-10,0, 6-20,0,7-30,0.

Использование вместо оксида углерода иного, инертного по отношению к реакции термораспада карбонила никеля газа-разбавителя, приводит к заметному росту скорости разложения.

Закономерности процесса осавдения никеля из карбонильной газовой фазы на нагретой цилиндрической поверхности барабана и разработка технологии получения карбонильной никелевой ленты

В укрупненно лабораторном реакторе, представляющем собой герметичную камеру, с вмонтированным в нее цилиндрическим барабаном диаметром 200 мм и длиной 250 мм, внутри которого находится печь сопротивления, и.щелевой форсункой, установленной соосно с образующей барабана на расстоянии 20 мм от поверхности последнего, выполнена серия экспериментов по изучению влияния гидродинамических и технологических параметров процесса термораспада карбонила никеля на скорость формирования компактного никелевого осадка на цилиндрической поверхности барабана.

Все эксперименты проводились при концентрации карбонила никеля в реакционном газе в диапазоне от 5 до 25 % об. и температурах реакционной поверхности от 170 до 220 °С.

Исследования осуществлялись следующим образом: на поверхность барабана накладывалась цилиндрическая "маска" с вырезанными щелями шириной 10.мм, расположенными в определенно заданных точках по длине окружности барабана. Пиролиз ТКН протекал как на поверхности "маски", так и на поверхности барабана, в щелях "маски". Никелевый осадок из щелей "маски", полученный за фиксированное время при заданных технологических параметрах, являлся исследуемым материалом.

Схема расположения щелей "маски" на реакционной поверхности барабана показана на рис.3.

Для получения достоверной информации и воспроизводимых данных в процессе экспериментальной работы каждый опыт при определенных условиях повторяли многократно.

Зависимость скорости образования никелевого осадка от температуры реакционной поверхности барабана показана на рис.4, а от содержания ТКН - на рис.5. Точками на рисунках показаны средние

из пяти значений измерений. Среднеквадратичное отклонение во всех измерениях не превышало 14,8 %.

Зависимость состава, структуры и морфологии поверхности никелевой ленты от технологических параметров процесса осандения никеля из карбонильной газовой фази

Исследование свойств никелевой ленты проводилось на образцах, полученных при двух различных режимах осаждения никеля, условно подразделяемых на "жесткий" и "мягкий".

Под "жестким" режимом подразумевался процесс, протекавший при температуре поверхности барабана 200-220 °С, содержании паров тетракарбонила никеля в газе-носителе 20-25 % об. и скорости реакционного газа в зоне реакции не менее 320 м3/час. "Мягкий" режим характеризовался температурой 170-190 °С, концентрацией не более 10 % об. и скоростью реакционного газа не более 290 м3/час.

Образцы подвергались изотермическому отжигу в атмосфере водорода при температуре 700 °С в течение одного часа.

Содержание примесей, как в отожженной, так и "сырой" ленте, за исключением железа и углерода, практически полностью соответствует стандартным продуктам карбонильного производства.

Зародыши металла при осаждении из газовой фазы на начальных: этапах покрытия формируются в виде сферических сегментов. При толщине ленты 10 мкм размер этих сегментов не превышает 1-2 мкм, а при толщине ленты 20 мкм - 4-6 мкм. При дальнейшем наращивании слоя никеля сферическая форма зерен исчезает и заменяется кристаллической структурой с четко выраженными гранями. При этом рост кристаллов осуществляется по граням и вершинам, что приводит к образованию разнонаправленных микропиков с размерами до 20-30 мкм.

Сопоставляя во времени рост кристаллов никеля и толщину формируемого покрытия можно представить зависимость, показанную на рис.6 (кривая 1).

При более мягких режимах осаждения никеля, т.е. при меньших линейных скоростях газового потока, более разбавленной паро-газо-вой смеси и пониженной температуре подложки рост толщины никеле-

Схема расположения целей "маски" на реакционной поверхности барабана

(.)А - горизонтальная ось форсунки

и барабана

(.) - Б,Б' - на расстоянии -я К/12 от оси,

(.) - В.в' - на расстоянии й~К/6 от оси,

(.) - К,К' - на расстоянии 7ГР./З от оси,

(.) - Л,л'- на расстоянии чгЕ/2 от оси,

(.) - М,М'- на расстоянии 3/4 17В, от оси.

Рис.3

Зависимость скорости реакции разложения тетракарбонила никеля на цилиндрической поверхности барабана от температуры этой поверхности

Рис.4

Концентрация ТКН в реакционном газе, % об. 1 - б, 2 - 10, 3 - 15, 4 - 20, 5 - 25.

вого слоя значительно опережает увеличение размеров кристаллов никеля(рис.6, кривая 2).

Своеобразной особенностью поверхности никелевой ленты является то, что на расстоянии около 100 мкм просматривается неоднородность роста, проявившаяся в возникновении "бугров" с пологими склонами, поверхность которых покрыта микропикаки. Так как рост микропиков идет перпендикулярно к локальному участку поверхности, а вся поверхность испещрена "буграми", то микропики оказываются расположенными под значительными углами друг к другу,что и определяет их разнонаправленность.

Исключительно быстрый рост кристаллов никеля из газовой фазы, в частности, при "жестких" ренимах осаядения и сравнительно низкие температуры процесса предопределяют весьма неравновесную структуру покрытия и, соответственно, высокую плотность дефектов кристаллической решетки образующего металла. При этом характерная морфология поверхности с исключительно развитыми острыми выступами свидетельствует о большом запасе поверхностной энергии, что приводит к существенной перестройке всей поверхности в результате проведения изотермического отжига.

После изотермического отжига микропики практически исчезают, микрорельеф поверхности в диапазоне 20 мкм значительно сглаживается, а в диапазоне 100 мкм становиться еще более выраженным.

Поверхность отожженной ленты по-прежнему остается весьма развитой, однако, в значительно меньшей степени чем до отжига. Характер изменения поверхности в процессе отжига свидетельствует об уменьшении плотности дефектов решетки во всей массе ленты, что и способствует снижению ее твердости и повышению пластичности. Результаты исследования механических свойств карбонильной никелевой ленты свидетельствуют о том, что изменение структуры ленты при переходе от "жестких" режимов процесса осаждения к "мягким" и последующему отжигу весьма существенно сказывается на ее механических свойствах, делая ее более мягкой и пластичной.

Зависимость скорости реакции разложения тетракарбонила никеля на цилиндрической поверхности барабана

Рис.5

Температура реакционной поверхности, °С. 1 - 220, 2 - 200, 3 - 190, 4 - 170.

Зависимость величины зерна от толщина никелевого осадка

толщина осадка, мкм Рис.6

1 - осадок получен в "иестких" режимах.

2 - осадок получен в "мягких" режимах.

Опытко-прокыпленная установка и головной образец реактора (ленточного карбонилера) для производства непрерывной никелевой ленты. Рекомендации к промыиленному внедрению.

Для производства никелевой ленты путем осаждения из карбонильной газовой фазы был создан головной образец реактора и экспериментальная установка, схема которой показана на рис.7.

Жидкий тетракарбонил никеля (ТКН) подается в напорный бак (1), в котором предусмотрено измерение уровня ТКН уровнемером типа УБ (16). Напорный бак снабжен переливной и аварийной линиями, соединенными с емкостью для хранения ТКН; уравнительной линией, сообщающейся с газгольдером (10) для уравнивания давления (400 мм вд.ст.) в аппарате. Жидкий ТКН по линии подачи через регулирующий клапан (12) поступает в испаритель (2). В испарителе при помощи уровнемера (16) и регулирующей арматуры (12) напорного бака поддерживается заданный уровень ТКН. Испаритель имеет аварийный слив, который соединен с аварийным сливом напорного бака. В испарителе установлен змеевик для нагрева и испарения ТКН. Разогрев и испарение осуществляются подачей горячей воды из бака (3), где производится ее нагрев. Основным параметром работы испарителя является избыточное давление паров ТКН в аппарате, которое поддерживается в автоматическом режиме изменением температуры нагрева воды.

Пары ТКН по трубопроводу из испарителя через регулировочный клапан (18) подаются в смеситель (4), в который также подается оксид углерода для разбавления паров ТКН и создания оптимальной парогазовой смеси, необходимой для проведения процесса получения никелевой ленты. Смеситель термостатирован во избежание возможной конденсации паров ТКН в аппарате. Оксид углерода подается газо-дувкой (8) через расходомер (13) и регулирующий клапан (19), который поддерживает в автоматическом режиме подачу необходимого количества оксида углерода на разбавление паров ТКН. Расходомером (15) и клапаном (18) регулируется подача паров ТКН в смеситель.

Паро-газовая смесь из испарителя поступает в карбонилер (5), где происходит формирование никелевой ленты. Готовая никелевая лента через гидрозатвор идет на намоточное устройство (17), а газ

Схема опытно-промимлешюй установки для получения карбонильной никелевой ленты

ю

13

Л*-

¿3 20 ,

НгО

д

«т

I Гор.^ххЬа

7Г»гО

ъо

Р.т

Э17

9

Л-1&

*

енв

Рис.7

1 - напорный бак; 2 - испаритель; 3 - Сак горячей воды; 4 - смеситель; 5 - карбонилер; 6 - теплообменник (холодильник); 7 - каплеуловитель; 8 - гаэодувка; 9 - промежуточная емкость; 10 - газгольдер; 11 - запорная арматура; 12, 18, 19, 20 - регулировочная арматура; 13, 14, 15 - расходомеры; 16 - уровнемеры; 17 - намоточное устройство

из карболилера отводится в теплообменник (6) для конденсации не-разложившихся паров ТКН. Теплообменник охлаждается водой.Образовавшийся жидкий карбонил никеля сливается в промежуточную емкость (9). Газ из теплообменника направляется в каплеулови-тель (7), охлаждаемый водой, где происходит конденсация и улавливание остатка ТКН, содержащегося в газе. Слив жидкого карбонила никеля осуществляется в промежуточную емкость, которая имеет уровнемер.

Оксид углерода из каплеуловителя поступает на всас газодув-ки (8). Часть газа направляется на подготовку парогазовой смеси через расходомер (13) и регулирующий клапан (19), а часть - сбрасывается через расходомер (14) и регулирующий клапан (20) в газгольдер. При стабилизации процесса по расходомеру (14) определяется производительность установки по газу.

На установке была получена опытная партия никелевой ленты я проведены работы по изучению ее состава, структуры и свойств в зависимости от технологических параметров процесса. Проведены испытания в процессах, использующих никелевые ленты, изготовляемые по традиционной технологии. В частности, карбонильная никелевая лента испытывалась в производстве кадмий-никелевых щелочных аккумуляторов в качестве основы электродов. Испытания на операциях просечки, растяжки и прокатки ленты с предварительной термообработкой показали,что технологические характеристики карбонильной никелевой ленты не уступают характеристикам ленты НП-2, выпускаемой по ГОСТ-2170-73 и применяемой в настоящее время в технологическом процессе производства аккумуляторов.

В настоящее время на комбинате "Североникель" в производстве карбонильного никеля получают два основных вида продукции: тонкодисперсные никелевые порошки и карбонильную никелевую дробь.

Реализация разработанной нами технологии в промышленном производстве карбонильного никеля на комбинате "Североникель" позволит:

1.Расширить ассортимент продукции карбонильного производства.

2.Повысить эффективность производства карбонильного никеля.

3.Обеспечить производства, потребляющие никелевую ленту, про-

дукцией значительно более дешевой, чем ленты выпускаемые по технологии прокатки или электролиза.

Учитывая новые направления в развитии синтеза карбонила никеля, в частности, синтез карбонила никеля при атмосферном давлении, в том числе, с применением механо-химического воздействия, мошно рекомендовать внедрение разработанной нами технологии получения ленты совместно с этими процессами непосредственно на предприятиях,потребляющих никелевую ленту.

Сочетание низкотемпературного процесса синтеза карбонила никеля при атмосферном давлении в едином цикле с производством карбонильной никелевой ленты позволяет реализовать замкнутую, безвыбросную, безотходную, экологически чистую технологическую схему.

Себестоимость никелевой ленты, полученной методом карбонильной металлургии, при выпуске ее на действующем карбонильном производстве комбината "Североникель", составит примерно 10500 $ за тонну.

Оптовая цена Кольчугинского завода на никелевую ленту марки НП-2 в апреле 1995 г. составляла - 15500 $ за тонну при себестоимости 12900 $ за тонну.

Из анализа приведенных данных видно, что себестоимость никелевой ленты, выпускаемой по карбонильной технологии, существенно ниже себестоимости ленты, выпускаемой на Кольчугинском заводе.

В этом случае прибыль комбината "Североникель" при производстве и аналогичных условиях реализации (100 тонн в год) никелевой ленты составит:

(12900 - 10500) • 100 = 240000 $ в год.

Капитальные затраты на проектирование, изготовление оборудования и строительно-монтажные работы составят 312000 $. Срок окупаемости при этом составит примерно 15 месяцев.

Выводы

1. Аналитический обзор отечественной и зарубежной научно-технической и патентной литературы свидетельствует о том, что исследования в области термического разложения карбонила никеля, как правило, направлены на разработку получения порошкового никеля или никелевой дроби, в то время, как информация о формировании компактных никелевых осадков, в том числе никелевых лент, методом осаждения из карбонильной газовой фазы, весьма ограничена.

2. С целью получения достоверной информации о зависимости скорости реакции термораспада паров карбонила никеля от различных технологических параметров процесса была разработана установка с дифференциальным проточным без градиентным реактором. На указанной установке выполнены кинетические исследования зависимости скорости реакции разложения ТКН от температуры подложки и концентрации карбонила никеля в реакционном газе. Показано, что в диапазоне температур 150-200 °С реакция термораспада карбонила никеля протекает в кинетическом режиме при содержаниях ТКН в оксиде углерода от 0,2 до 20 % об. Начиная с температуры 220 °С, диффузия сказывается на скорости разложения и в диапазоне температур 220-250 °С реакция протекает в переходной области, близкой к кинетической.

3. Температурная зависимость скорости реакции во всем исследуемом диапазоне концентраций в полулогарифмической ■ шкале представлена двумя четко разграниченными прямолинейными участками с точкой перелома в районе 180 °С (оценка величины кажущейся энергии активации, рассчитанной по углам наклона температурной зависимости, дает значения на "высокотемпературном" участке - 92 кДж/моль, а на "низкотемпературном" - 230 кДж/моль).

4. Сравнение скоростей реакции, полученных в азоте и оксиде углерода, при прочих равных условиях (160 °С, 2 % об.ТКН), свидетельствуют о том, что использование инертного газа увеличивает скорость разложения примерно на два порядка.

5. На экспериментальном реакторе, представляющим собой герметичную камеру с встроенным в нее цилиндрическим барабаном и щелевой форсункой, проведены исследования по получению компактных никелевых осадков при термическом разложении паров карбонила ни-

келя. Показано, что в зоне поверхности барабана, находящейся непосредственно против щелевой форсунки, процесс пиролиза тетракар-бонила никеля в диапазоне 170-220 °С и концентраций карбонила никеля в реакционном газе 5-25 % об. протекает в кинетической области.

6. В зоне поверхности барабана, удаленной от форсунки, процесс термического разложения карбонила никеля протекает в переходной и диффузионной областях и моает быть описан уравнением массопереноса, учитывающим наличие стефановского потока за счет увеличения объема газа при реакции разложения. Показано, что в зависимости от температуры поверхности барабана и скорости потока парогазовой смеси, коэффициент массопередачи изменяется от 1,42 * Ю-з м/с до 1,58 * Ю-з м/с.

7. Выполненные лабораторные и укрупненно лабораторные исследования легли в основу создания опытно-промышленной установки и головного образца реактора (карбонилера) для производства никелевой ленты из карбонильной газовой фазы.

8. На опытно-промышленной установке получена опытная партия карбонильной никелевой ленты и выполнены исследования ее состава, структуры, морфологии поверхности и физико-технологических свойств в зависимости от технологических параметров процесса.

9. Испытания никелевой ленты, полученной осаждением никеля из карбонильной газовой фазы в производстве герметичных кадмий-никелевых аккумуляторов, показали,что в операциях просечки, растяжки и прокатки ленты с предварительной термообработкой ее технологические характеристики не уступают характеристикам традиционно применяемой в указанном процессе ленты НП-2 ГОСТ-2170-73.

10. Организация производства никелевой ленты в цехе карбонильного никеля комбината "Североникель" в объеме 100 тонн в год обеспечит получение прибыли в размере 240000 $ при капитальных затратах 312000 $ и сроке окупаемости примерно 15 месяцев.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. В.Ф.Козырев, Л.В.Бикетова, А.С.Мнухин. Разработка технологии и аппаратуры для производства никелевой ленты методом карбонильной металлургии. / Совершенствование технологии, аппаратуры и методов исследования в производстве тяжелых цветных металлов. СПб. Гипроникель, 1992, с.64-70.

2. Патент RU 2035525 от 20.05.95. Бюл. N14. Способ непрерывного получения никелевой ленты и устройство для его осуществления. / Козырев В.Ф., Мнухин A.C. и др.