автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Разработка электротехнологии и исследование рабочих режимов электропечей для получения сверхчистого скандия

На правах рукописи

-9 ШОП ' УДК621.365.9

Чередниченко Марина Владимировна

РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОЧИХ РЕЖИМОВ ЭЛЕКТРОПЕЧЕЙ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СВЕРХЧИСТОГО СКАНДИЯ

Специальность: 05.09.10 - Электротехнология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новосибирск - 1997

Работа выполнена в Новосибирском государственном техническом университете.

Научный руководитель - Заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор Рубцов Н. А.

Официальные оппоненты:

Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук,

профессор Васильев А. С

Заслуженный изобретатель РФ, кандидат технических наук, профессор Помещиков А. Г.

Ведущее предприятие - АО "ВНИИЭТО"

Защита состоится 1997 г. в 1асов на заседании

диссертационного совета Д 063.34.09 Новосибирского государственного технического университета по адресу: 630092, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан "со - ¿>5 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета канд.техн.наук, доцент

А. И. Алиферов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Разработки последнего десятилетия в области материаловедения определили новые пути получения специальных сплавов с существенным улучшением эксплуатационных свойств за счет использования исходных составляющих п виде чистых и сверхчистых металлов при выплавке этих сплавов. Существующие электротехнологичсские установки в принципе позволяли полу чать чистые металлы путем их рафинирования в электронно-лучевых, вакуумных дуговых, вакуумных индукционных установках. Однако существующие процессы ограничивались возможностью получения чистых металлов до значений 99,9 % по основному металлу.

Уже в Я Г)-с годы вопросы принципиального изменения производства чистых и сверхчистых цветных металлов приобрели проблемный характер не только в нашей стране, но и за рубежом в технически развитых государствах. Одним из показателей увеличения потребности в сверхчистых металлах явился значительный рост цен на чистые и сверхчистые металлы с одновременным ростом цен на исходное сырье. Это определило необходимость постановки комплексной задачи, включающей как обеспечение качества получаемых металлов, так и увеличение сквозного извлечения металлов в готовый продукт. Практическое отсутствие промышленного электротехнологического оборудования, которое позволило бы осуществлять процессы восстановления цветных металлов и последующего их рафинирования не позволяло даже в первом приближении решить задачу промышленного производства сверхчистых металлов.

Потребность в получении более чистых цветных металлов определила необходимость разработки не только оборудования, но и электротехнологии, » включая определение температурных режимов и их продолжительность (графиков ведения электротехнологического процесса).

Вышеизложенное обуславливает актуальность темы диссертационной работы, направленной на изучение электротехнологии получения сверхчистого скандия с содержанием примесей не более 0,005 - 0,008 % и создание электротехнологического оборудования для его промышленного производства.

Диссертация выполнена в рамках хоздоговорных научно-исследовательских работ с научно-производственным предприятием "ЭЛЬТА" (г. Новосибирск) и Всероссийским научно-исследовательским институтом химической технологии (г. Москва) и включает результаты, полученные в соответствии с комплексной координационной программой "Сибирь" на 19911995 г г "Новые материалы и технологии".

Целью работы является разработка электротехиологии получения сверхчистого скандия из его оксида и создание оборудования для ее реализации, в том числе вакуумной плазменной электропечи для получения чернового металла и рафинировочного оборудования на базе электропечи сопротивления с -технически сопряженными системами испарения, паропередачи и конденсации металлических паров легколетучих примесей и скандия в рабочем пространстве электропечи; разработка рабочих режимов электротехиологии, обеспечивающих требуемое качество скандия при высоком уровне извлечения металла из исходного сырья.

В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решались следующие задачи:

1. Анализ современного состояния электротехнологии получения чистого и сверхчистого скандия; разработка основ промышленной электротехнологии, включающей перевод оксида скандия в трифторид скандия, восстановление в вакуумной плазменной электропечи металлическим кальцием и последующее рафинирование от легколетучих и труднолетучих примесей.

2. Исследование тепломассопереноса в рафинировочной системе электропечи периодического действия.

3. Расчетно-теоретическое исследование теплового состояния конденсаторов, обеспечивающих режимы "холодной" конденсации. Проведение анализа теплового состояния системы расплав-паропровод-поверхность конденсации с целью создания условий получения сверхчистого скандия.

4. Исследование проводимости паропровода в системе "поверхность расплава-паропровод-конденсатор".

5. Экспериментальные исследования рабочих процессов получения чернового металлического скандия.

6. Исследование энергетических и тепломассообменных процессов в промышленном оборудовании для получения сверхчистого скандия.

7. Разработка температурных режимов и графика ведения элекгротехно-логических процессов для промышленного оборудования.

Научная новизна результатов работы состоит в том, что исследован характер процессов тепломассопереноса в системе расплав-конденсирующая поверхность для периодического режима и с использованием разработанного физико-математического аппарата определен диапазон режимио-конструктивных параметров, обеспечивающих получение слитков металлов высокой чистоты в режиме холодной конденсирующей поверхности; обнаружено и экспериментально подтверждено, что основными определяющими параметрами при оптимизации операций рафинирования как от легколетучих примесей, так и от труд-

нолетучих примесей являются рабочие температуры и длительность каждой операции рафинирования. Обнаружена и количественно оценена роль паропровода в системе расплав-ппропровод-конденсатор и на основании этих результатов сформулированы инженерные принципы оптимизации конструкции паропровода.

При этом показано, что необходимо при ведении промышленного электротехнологического процесса обеспечивать режим максимальной проводимости паропровода при отгонке легколетучих примесей (кальция, фторида кальция) и определены пределы минимально возможного снижения проводимости в режимах отделения скандия от труднолетучих примесей. Разработаны принципы предварительной расчетной оценки рабочих температур последовательных операций получения сверхчистого скандия и продолжительность ведения каждой операции в зависимости от массы получаемого слитка и количества примесей, имеющихся в черновом металле. Установлено, что эти параметры являются определяющими в новой электротехнологии и зависят от конструктивного исполнения оборудования, массы исходной загрузки и содержания в черновом металле легколетучих примесей.

Методы проведения исследований. Взаимосвязанность поставленных задач обусловила необходимость применения комплексного метода исследований, включающего теоретические исследования, получение расчетных зависимостей для обработки эксперимента и экспериментальные исследования - на промышленном оборудовании.

Основные выводы работы проверялись на производственных участках при получении промышленного металла.

Практическая ценность работы определяется тем, что она позволила создать промышленное электротехнологическое оборудование, разработать режимы плавки и получить промышленные слитки скандия чистотой до 99,995 % с одновременным увеличением извлечения скандия в товарный продукт от 54,5% до 78,4 %; сформулированы принципы конструктивного исполнения конденсирующей системы, обеспечивающей гарантированный режим "холодной" конденсации.

На защиту вы но с яте я:

- результаты теоретических и экспериментальных исследований рабочих процессов удаления из чернового скандия легколетучих примесей и отделения скандия от труднолетучих примесей;

- разработанные принципы оценки рабочих температур последовательных операций получения сверхчистого скандия и продолжительности ведения каждой операции в зависимости от массы получаемого слитка и количества примесей, имеющихся в черновом металле;

- инженерный метод расчета системы испаритель-конденсатор с гарантированным поддержанием режима "холодной" конденсации паров легколетучих примесей и скандия;

- вольт-амперные и энергетические характеристики вакуумного плазменного разряда с коаксиальным полым катодом и использованием тигля в качестве анода.

Апробация работы: Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции "Проблемы комплексного развития регионов Казахстана" (г. Ал маты, 1996), научно-практической конференции "Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири" (г. Новосибирск, 1995), научно-технических семинарах кафедры "Автоматизированные электротехнологические установки " НГТУ. Основное содержание диссертации опубликовано в 10-ти печатных работах.

Структура н объем диссертации: Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 80-ти наименований. Материал изложен на 160 страницах, 30 рисунках и 12 таблицах.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы проблемы, цель и научные задачи исследований. Выполнено аннотирование полученных научных и практических результатов, их новизны и практической реализации.

В первой главе рассмотрены электротехнологическне основы получения чистого и сверхчистого скандия, обзор литературы по современному состоянию исследований электротехнологий получения чистого скандия, проанализированы достигнутые результаты различными авторами и группами исследователей, проведена оценка их значимости для теории и практики электротехнологий.

Анализ состояния электротехнологий получения металлического скандия и оборудования для их осуществления позволил сделать заключение, что на данном этапе развития эгой электротехнологии промышленное производство чистого и сверхчистого скандия сдерживается отсутствием теории, позволяю-

шей провести анализ и оптимизацию электротехнологии с целью улучшения качества получаемого металла по чистоте и обеспечению производительности процесса промышленного уровня.

При этом показано, что определяющим этапом оптимизации электротехнологии по чистоте металла является завершающая операция - получение металла путем испарения скандия из чернового металла с последующей конденсацией. Однако все предшествующие этапы технологии также должны быть оЬ-тимизированы с целью получения чернового металла такого состава, который позволил бы успешно осуществить рафинировочный процесс. Сделан вывод о целесообразности разработки новой электротехнологической схемы производства сверхчистого скандия и формировании научно-технических требований к каждому этапу технологического процесса.

Для постановки решения этих задач проведен анализ физико-химических свойств скандия, сопутствующих примесей и исходного сырья. На основании рассмотренных литературных и патентных информационных материалов конкретизированы задачи настоящей работы и обоснована постановка и методы их решения.

Во второй главе приведены обоснование и характеристика принятой промышленной электротехнологии получения сверхчистого скандия. Принятая к осуществлению производственная схема получения металлического скандия включает в себя три последовательных технологических процесса: химико-технологическое получение фторида скандия из его оксида, получение чернового металлического скандия путем его восстановления сверхчистым кальцием в специальной электротехнологической установке - вакуумной плазменной электропечи, и вакуумная дистилляция чернового скандия в два последовательных этапа - отгонка легколетучих примесей и последующее получение сверхчистого металла путем его испарения и конденсации. При этом используемые технологические процессы передела оксида скандия в сверхчистый металл сами по себе являются известными технологическими операциями. В задачи работы входило выявление электротехнологической сущности этих процессов и на основании этих результатов создание оборудования и определение режимных параметров, обеспечивающих получение продукта высокого качества.

Принятая схема получения фторида скандия методом промежуточного хлорирования с дальнейшим получением фторида с использованием плавиковой кислоты, включала три этапа: получение раствора хлорида скандия из его оксида и его фильтрование; осаждение продукта из хлорида в виде фторида с использованием плавиковой кислоты с промывкой осадка; предварительное обезвоживание (просушка) фторида скандия в сушильном боксе и прокалка в электропечи сопротивления

Необходимое количество фторида металла отбиралось в виде проб для проведения прямого атомного эмиссионно-спектрального анализа или нейтрон-но-активационного анализа.

Для разработки новой электротехнологии получения металлического чернового скандия проведено два цикла экспериментов, включающих однократную плавку в тигельной высокотемпературной электропечи сопротивления с донным разливом в медную изложницу и переплав в вакуумной плазменной электропечи на аноде - поддоне, выполненном из молибденового листа. В работе показано, что оба исследованных электротехнологических процесса обеспечивают восстановительные процессы, но проведение их в вакуумной плазменной установке оказывается более эффективным за счет увеличения производительности с 200 г/ч (в печи сопротивления) до 300-350 г/ч с более глубоким уровнем восстановления фторида скандия. Масса получаемых слитков составляла 250-300 грамм. На этом этапе осуществления электротехнологии проводился анализ состава чернового металла по содержанию примесей и степени восстановления.

Черновой металлический скандий является исходным продуктом для получения сверхчистого металла путем вакуумной дистилляции в два этапа: отгонка легколетучих примесей и отделение скандия от труднолетучих примесей путем его перевода в пар с последующей конденсацией.

Основным агрегатом производственного участка являлась вакуумная электропечь сопротивления шахтного типа, имеющая танталовый тигель и два технологических конденсатора. Фотография рабочего пространства электропечи приведена на рис. 1. Пробоотбор и анализ состава получаемого металла осуществлялись по методике Лаборатории массоспектрометрии и газовой хромото-графии ГИРЕДМЕТа. Исследовательские плавки показали, что определяющими факторами для получения сверхчистоги скандия при дистилляции являются рабочие температуры первой и второй стадий электротехнологического процесса и время дистилляционного процесса первой и второй стадий, а также конструктивное исполнение дистилляционной системы. В завершение этого раздела работы сформулированы технологические требования к отдельным узлам установки, специальному инструменту и посуде, предотвращающим загрязнение основного металла примесями.

В третьей главе проведен теоретический анализ рабочих процессов электротехнологии очистки скандия от примесей. Используя известную в теории дистилляционных процессов классификацию металлов, на основании зависимости упругости паров этих Металлов от температуры все возможные 75 примесей в скандии были разбиты на четыре группы: легколетучие, среднелетучие, малолетучие и наименее летучие. На основании анализа температурных диапазонов

возможного отделения основного металла от примесей определены диапазоны рабочих температур отдельных периодов процесса и проведена их группировка для двух режимов: среднетемпературного для отгонки из расплава легколетучих примесей и высокотемпературного для отделения скандия от труднолетучих примесей. Одновременно показано, что постановка физического моделирования рабочих процессов должна осуществляться с учетом изменения массы расплава на втором этапе рафинирования скандия от труднолетучих компонентов. Предварительный анализ различных вариантов конструктивного исполнения оборудования показал, что для поставленной задачи наиболее оптимальным является периодический процесс обработки металла путем выдержки всего объема смеси металлов при заранее определенной температуре с последующим изменением рабочей температуры по заданным графикам.

Постановка задачи исследования тепломассообмена в установке периодического действия, в которой рабочее пространство образовано поверхностью расплава, паропроводом и конденсатором, включала рассмотрение перехода отдельных составляющих расплава в паровую фазу, передачу паров по паропроводу и конденсацию их на конденсаторе. При этом конденсатор, находящийся в прямой видимости от поверхности расплава, может создавать встречный поток массы паров, направленный в зону испарения составляющих расплава. Показано, что для таких условий производительность процесса рафинирования определяется составом сплава, его температурой, рабочим давлением, интенсивностью перемешивания расплава, температурой в зоне конденсации, транспортировкой паровой фазы из зоны испарения в зону конденсации и обратного переноса пара от конденсатора в сторону расплава.

Общий анализ процессов массопереноса в рафинировочной системе проводился на основе решений кинетических уравнений для каждой взаимодействующей поверхности

„ Р1(Г) N шх т

о J

где - мольная масса испаряющегося компонента; Р "ж (Т) - парциальное давление пара; у, - коэффициент активности.

Для реального рафинировочного процесса решение кинетического уравнения (1) получено в виде

4,5.. к

с, я

где Су и С| - начальная и конечная концентрации испаряющегося компонента через время I; — К^ х х /Т^'- эффективная постоянная массообмена; Ке- коэффициент диффузии испаряющегося компонента к поверхности

Но.

С-(Т)

расплава; а* - проводимость паропровода; Р^' —ук х ,/2 -

Ро

характеристика испаряющегося компонента; р = У XI/3 -удельная производительность по рафинированию с единицы поверхности расплава.

Анализ величин, входящих в выражение (2), показал, что определяющей величиной для характеристики конструктивного исполнения электропечи является коэффициент а*, учитывающий сопротивление движению паров от поверхности испарения к поверхности конденсации. Коэффициент /^определяется

геометрией и свойствами рафинировочной системы и для каждого составляющего компонента расплава может быть индивидуальным из-за селективности испарения и зависимости концентрации каждого компонента от температурного поля в системе тигель - конденсатор.

Решение для такой системы было получено с использованием аналогии между переносом массы в свободномолекулярном режиме и переносом излучения. Для рафинировочной системы, схема которой приведена на рис. 2, кинетическое уравнение имеет вид

Ё!± л

01А

ы1

к(2п ц.хЛТУ

х—^г-х а. 12 У.Ы1 к

ГСД

<СьК

(3)

Анализ выражения (3) показал, что множитель

ое =а.

к А

Г/У

(СЛ

(4)

можно рассматривать как характеристику проводимости системы для случая, когда наблюдается испарение с поверхности расплава (индекс 1) и с поверхно-

сти конденсации (индекс 2) со скоростью испарения XV, при различных температурах Т) и Т2, концентрациях испаряющихся компонентов (С*)| и (С,)2-

Показано, что для такого конструктивного исполнения проводимость паропровода зависит от геометрии паропровода через множитель а, и от свойств испаряющихся материалов через скорости испарения V/, (Т) и его концентрации на поверхностях 1 и 2. При этом эффективная проводимость а,э зависит от Семени через концентрации и уменьшается к концу рафинирования за счет увеличения соотношения (СМС,)!, так как (Ск)2 всегда равна 1 (конденсатор), а (С„)| снижается от исходного в расплаве (1 - 80 %) до 0,1 и ниже. Изучено влияние этих процессов на конечный результат плавки и установлено, что если конструктивное исполнение и режимные параметры позволяют появиться обратному паровому потоку с конденсатора, то такая конструктивная схема не позволит осуществить промышленное получение не только сверхчистых металлов, но и обеспечить необходимый уровень производительности процесса рафинирования. При этом доказано, что наиболее рациональный выход - предусмотреть в разрабатываемой электротехнологии такие соотношения режимных параметров, чтобы гарантированно исключить возможность появления потоков паров с конденсатора. Это оказалось возможным при согласовании скорости конденсации, величины падающего на поверхность конденсации радиационного теплового потока от расплава и поступающего на конденсатор массопотока. При этом температура поверхности конденсации во всех режимах должна быть такой, чтобы обеспечить соотношение скоростей испарения \Ук(Тг) « На ос-

новании анализа зависимостей давления паров металлов от температуры установлено, что при отгонке легколетучих примесей (в основном - кальция) должно обеспечиваться Тг ^ 700" С, а в режиме получения скандия - Тг ^ 1000° С. При этих температурах можно принять У/^Тг)/ \*/к(Т1) ~ 0 и, следовательно, обеспечить оптимальность организации электротехнологического процесса по обратному потоку паров.

На основе анализа тепловых процессов на поверхности конденсации показано, что для всех периодов процесса температура этой поверхности зависит от линейного размера - толщины конденсатора и, следовательно, конструкции конденсатора и максимальной массы получаемого слитка, а производительность установки - от темпера гурных режимов и соотношения расстояний между конденсатором и поверхностью расплава Н и диаметром тигля Д, т. е. от Н/Д (при равенстве диаметров тигля и конденсатора).

Изучено температурное поле Т (х, I) в конденсате на основании анализа решения уравнения теплопроводности

ат

— — а -—2~ • ¿1 ск ,

Граничное условие при х = Х4 принималось Т(0,1)=Т4=сопз1, на поверхности конденсации Т— Т2(3) и ' где Чо-плотность

теплового потока, подводимого к межфазной поверхности за счет излучения; О - удельная (объемная) теплота фазового превращения (конденсации); V - линейная скорость перемещения межфазной поверхности.

Для конца периода конденсации получено расчетное выражение для определения максимальной толщины конденсата из условия Тг « Т|.

Проведенные расчеты считались оценочными и ориентировочными, так как точность принятых значений а, X определялась их средними табличными значениями в справочной литературе. Это позволило сформулировать исходные технические требования к конструкции испарительного узла электропечи и конденсатору. Показано, что для полной гарантии существования на поверхности конденсации режима "холодного" конденсатора целесообразно использовать в виде усеченного конуса с высотой 5„ом.' Конструкция промышленного конденсатора для получения слитка максимальной массой 1000 грамм приведена на рис. 3.

В условиях, когда конденсатор достаточно холодный, сопротивление движению паров в системе определяется только значением а*. Для случая, когда поверхности испарения и конденсации представляют собой диски диаметром Д, расположенные на расстоянии Н, а„ равен

где х = Н/Д. На рис. 4. приведены значения проводимости паропровода при различных Н/Д.

Разработанная математическая модель тепломассопереноса в системе расплав - паропровод - конденсатор для периодического процесса последовательного рафинирования скандия от легколетучих и труднолетучих примесей

5 _МЪ-тл)

^ а(Тт-Т2)

(6)

ак = 1+х2-х(1+х2//2.

(7)

использовалась для отработки экспериментальных режимов при оптимизации рабочего электротехнологического процесса.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований промышленной электротехнологии получения скандия с чистотой слитков до 99,995%. В качестве исходного сырья использовался оксид скандия по ТУ 95.148-77 марки ОС-99,9 с входным контролем по 26 основным примесям,-'относящимся к трудноудапяемым в принятой технологии рафинирования. После получения фторида скандия осуществлялось его восстановление металлическим кальцием в вакуумной плазменной электропечи с введением части шихты в виде порошка через вакуумный столб разряда при мощности 30 - 35 кВт в диапазоне давлений 1-10 мм.рт.ст. В результате были получены слитки чернового скандия массой 260 - 270 грамм с содержанием примесей меньше 2% по массе (в основном включения шлака и металлического кальция). После каждого технологического передела осуществлялся контроль содержания примесей. Сформулированы дополнительные требования к исходному сырью - оксиду скандия. Показано, что следующая группа элементов - бериллий, алюминий, кремний, кобальт, медь, олово, диспрозий, гольмий, эрбий, практически допускаются по

содержанию в исходном сырье до величин, которые могут присутствовать в товарном чистом скандии.

Электротехнология рафинирования чернового металла включала дне операции: очистка от легколетучих примесей (первая операция) и очистка от трудноиспаря!рщихся примесей (вторая операция).

Предварительная отработка электротехнологии проводилась в электропечи сопротивления, оборудованной одним конденсатором. Это вызывало необходимость прерывания процесса после первой операции. Первая операция проводилась путем нагрева расплава массой 990 грамм в течение 78 минут до температуры 1800°С и выдержки при этой температуре в течение 17 минут. Получен слиток на конденсаторе массой 163,1 грамма. Остаток в тигле был подвергнут второй дистилляции путем нагрева в течение 65 минут до температуры 1900 °С и выдержки при этой температуре в течение 152 минут. В результате был получен слиток конденсата сверхчистого скандия массой 540 грамм. Выход основного металла в готовый продукт составил 54,5 % (по массе). Анализ результатов предварительных плавок показал пути увеличения выхода годного путем снижения выхода скандия в первый конденсат и в остаток в тигле при второй дистилляции.

Рис. 1. Фотография рабочего пространства электропечи для получения сверхчистого скандия

3 qo

1 • ' ' • -- • - . • < -' * , -- " . д . -

х,о=ад

Рис. 2. Схема рафинировочной системы с ограничивающими поверхностями: 1-расплава; 2-конденсации; 3-паропровода; 4-охлаждаемого конденсатора; Хю-вмсота расплава; Х^-высота

паропровода; Хл-толщина слитка

Рис. 3. Эскиз промышленного конденсатора: (11=46 мм, (Ь=120 мм, 11^=62 мм, (1з=130 мм

а, 0,9

0,8

0,7 0,6 0,5

0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 1И> Рис. 4. Зависимость параметров паропровода от геометрических параметров системы

Сравнение средних скоростей испарения скандия в первой операции рафинирования =0,00356 кг/м2с) и во второй операции (= 0,00367

кг/м2с) показали, что они имеют один порядок по величине. Такое соотношение позволило сделать вывод о целесообразности снижения рабочей температуры в первой операции с одновременным снижением средней скорости испарения примесей и увеличением абсолютного времени отгонки примесей. Оказалось целесообразным сократить время вывода электропечи в рабочий режим с 37 минут до 21 минуты и в последующем обеспечить проведение процесса рафинирования при температурах 1650 - 1700 "С. Опытная плавка проводилась с массой слитка 947 грамм. Масса слитка на конденсаторе 79,4 грамма. Отгонка примесей проводилась в течение 50 минут. Средние скорости испарения

Н/Г" = 0,601 кг/м2с; 1УСа'- =0,000596 кг/м2с; = 0,000749 кг/м2с.

ср ср ср

Вторая операция рафинирования проводилась без охлаждения электропечи путем смены конденсатора над тиглем и изменением температуры с 1700 "С до 2000° С в течение 60 минут. Средняя скорость испарения скандия наблюдалась IV^ — 0,00522 кг/м2с.

ср

Фотография промышленного слитка скандия представлена на рис. 5. Его масса - 743,2 грамма. Суммарный выход годного продукта составил 0,784. В соответствии с сертификатом по анализу качества масса основного металла -скандия в слитке составила 99,994%.

В диссертации представлены рекомендуемые графики нагрева и введения мощности для первой и второй операций рафинирования, расчетные зависимости скоростей испарения примесей и скандия ог времени каждой операции при конкретных графиках нагрева.

Для перспективного развития рафинировочного оборудования в работе проведен комплекс исследований вакуумного плазмотрона с полым катодом, который позволил создать принципиально новую электротехнологическую установку, обеспечивающую нагрев тигля до температур 2000-3000 "С. Технологический тигель устанавливался коаксиально цилиндрическому полому катоду, с наружном стороны которого устанавливались рапнанионные экраны Анало-

Рис. 5. Фотография промышленного слитка сверхчистого скандия

гичные радиационные экраны установлены с нижнего торца системы нагрева. В работе показано, что между наружной поверхностью тигля и внутренней поверхностью полого катода может устойчиво существовать вакуумный дуговой разряд, характеристики которого представлены на рис. 6. и 7. Разработанная новая система нагрева позволяет обеспечивать нагрев тигля с загрузкой до требуемых рабочих температур и осуществлять рафинировочные процессы с температурами выше 2000 °С.

500 1000 1500 2000 2500 IА

Т.°С 3000

2000 1000 20

/

60

80

Р. кВт

Рис. 6. Вольт-амперная характеристика разряда

Рис. 7. Зависимость температуры анода-тигля от мощности разряда

Основные выводы по работе

1. Теоретически и экспериментально на действующей промышленной установке исследован характер процессов тепломассопереноса в системе рас-плав-конденсирующая поверхность для периодического режима и с использованием разработанного физико-математического аппарата определен диапазон режимно-конструктивных параметров^ обеспечивающих получение слитков металлов в режиме холодной конденсирующей поверхности.

2. Обнаружено и экспериментально подтверждено, что основными определяющими параметрами при оптимизации операций рафинирования как от легколетучих примесей, так и от труднолетучих примесей, является температура и длительность каждой операции рафинирования.

3. В процессе исследовании обнаружено и количественно оценена роль паропроводов в системе расплав-паропровод-конденсатор и на основании этих результатов сформулированы принципы оптимизации конструкции паропровода. Это позволило реализовать ведение промышленного электротехнологическою процесса в режиме максимальной проводимости при отгонке легколету-

чих примесей (кальций, трифторид кальция), так и при оптимальной проводимости в режимах отделения скандия от труднолетучих фракций расплава.

4. Разработаны технические требования и основные принципы реализации процессов восстановления скандия из фторида скандия в вакуумной плазменной электропечи; установлены оптимальные режимы электротехнологического передела скандия, позволяющие обеспечить за один переплав миним«Л1ь-ное содержание в черновом скандии примесей не более 2 % (кальций, фторид кальция). Предложены и реализованы в промышленных условиях конструктивные решения и область режимов, обеспечивающих оптимальные результаты по содержанию примесей в слитках чернового скандия.

5. Разработаны принципы предварительной расчетной оценки рабочих температур первой и второй операций получения сверхчистого скандия и продолжительность ведения каждой операции в зависимости от массы получаемого слитка и количества примесей, имеющихся в черновом металле. Эти параметры являются определяющими в новой электротехнологии и зависят от конструктивного исполнения электротехнологического оборудования, массы загружаемого в тигель чернового металла и содержания легколетучих примесей.

6. Разработанная электротехнология позволила получить промышленные слитки металла чистотой до 99,995 % с одновременным увеличением извлечения скандия в товарный продукте 54,5 %до 78,4%.

7. На основании экспериментальных исследований нового типа электротехнологических установок - вакуумных плазменных электропечей с тиглем -анодом, помещенным в полый катод, получены вольт-амперные характеристики вакуумного дугового разряда в такой системе и температурный диапазон нагрева тигля в зависимости от вводимой мощности. Новое техническое предложение может быть выполнено на большие (до 1000 кВт) мощности и обеспечить проведение новых технологий получения чистых и сверхчистых металлов.

8. Разработаны методы инженерных расчетов кинетики и тепломассообмена в электротехнологических установках периодического действия, в которых осуществляется рафинирование металлов путем испарения примесей (первая операция) с последующим получением основного продукта также за счет испарения Н конденсации; разработан алгоритм проведения сопряженных процессов плавления, рафинирования от легколетучих примесей и рафинирования основного металла (скандия) от труднолетучих примесей.

Результаты, полученные в данной работе, подтверждены опытом реализации промышленной электротехнологии получения сверхчистого скандия во Всероссийском научно-исследовательском институте химической технологии (г. Москва) и научно-производственном предприятии "Эльта" (г. Новосибирск).

Основное содержание диссертации изложено в 10 печатных работах:

1. Чередниченко М. В. Кинетика молекулярно-диффузионных технологических процессов при пониженных давлениях// Автоматизированные электротехнологические установки: Межвуз. сб. науч. тр./ Новосиб. элеюротехн. ин-т.

-Новосибирск, 1991.-С. 55-58.

2. Еременко Г. П., Чередниченко М. В. Математическая модель кинетики молекулярных процессов электротехнологических установок// Автоматизированные электротехнологические установки: Межвуз. сб. науч. тр./ Новосиб. электротехн. ин-т,- Новосибирск, 1991.-С. 58-67.

3. Чередниченко В. С., Еременко Г. П., Чередниченко М. В. и др. Нагрев порошковых материалов в сильноточных вакуумных дугах// Сибирск. физ -гехн. журнал. - 1991. - Вып. 6.-С. 99-105.

4. Еременко Г. П., Юдин Б. И., Чередниченко М. В. О взаимодействии плазмы с внутренней поверхностью полого катода вакуумного плазмотрона'/ Автоматизированные электротехнологические установки: Межвуз. сб. науч. тр./Новосиб. электротехн. ин-т - Новосибирск, 1991.-С. 29-34.

5. Cherednichenko М. V., Galkin S. G., Pavlenko L. К. General Characteristics of the Vacuum Hollow Cathode Arc, Thermophysics and Aeromechanic, Vol. 1, №2, 1994, S. 183-186.

6. Павленко Jl. К., Галкин С. Г., Чередниченко М. В. Критерии устойчивости вакуумного дугового разряда с полым катодом// Электротехнологические процессы и установки: Сб. науч. тр.-Новосибирск: НГТУ, 1995, -С- 77-85.

7. Галкин С. Г., Чередниченко М. В., Павленко Л. К. Обобщенные характеристики вакуумных дуг с полыми катодами.// Теплофизика и аэромеханика. -1994.-№2,-С. 159 - 163.

8. Чередниченко М. В., Громов А. М. Тепломассоперенос в системе высокотемпературный тигель-конденсатор при получении сверхчистых металлов.// Проблемы комплексного развития регионов Казахстана. Электроэнергетика и теплоэнергетика,- Алматы: Казгос ИНТИ, 1996 - Ч.2.- С. 3-7.

9. Чередниченко М. В. Электротехнология получения чистого и сверхчистого скандия.// Проблемы комплексного развития регионов Казахстана. Электроэнергетика и теплоэнергетика.- Алматы: Казгос ИНТИ, 1996,- 4.2 - С. 810.

10. Энерго- и ресурсосберегающая технология переработки порошковых материалов. Галкин С. Г., Алиферов А. И., Чередниченко М. В. И др. // Под ред. В С. Чередниченко. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1997. - С. 86-92.