4.8.1.3. Оборудование для термических способов получения магния

Восстановление магния из магнезита и доломита может быть осуществлено восстановителями – углеродистыми и неуглеродистыми, в частности кремнием. В соответствии с этим первый способ получил название углетермического, а второй – силикотермического.

Углетермический способ получения магния заключается в восстановлении его оксида углеродом. Практическая реализация этого процесса состоит в нагреве шихты до высокой температуры и быстром охлаждении образующейся парогазовой смеси.

Из бункера брикеты исходного сырья поступают на вращающийся дисковый питатель, который подает их через вертикальную 150 мм трубу из коррозионностойкой стали в рабочее пространство восстановительной трехфазной дуговой печи (рис. 194). Печь имеет герметичный стальной кожух высотой и диаметром 4,9 м, а также плоское дно и коническую крышку из немагнитной стали. Внутри печь футерована угольными блоками и плитами.

Три графитированных электрода диаметром 500 мм, расположенные под углом 120° один к другому, проходят через уплотнительные устройства сквозь свод печи в рабочее пространство, где температура поддерживается в пределах 1950 – 2050 °С. Печь работает при напряжении 150 – 170 В и силе тока 35 кА.

Смесь паров магния и оксида углерода входят в канал конуса смешения и встречается с потоком охлаждающего газа. Из конуса смешения газы, содержащие магниевую пыль, поступают в холодильник, в котором из охлажденных и разбавленных продуктов реакции осаждается 20 % образовавшегося пылевидного магния. Холодильник внутри снабжен шнеком, не допускающим припекания магниевой пыли к его боковым стенкам. Соотношение объемов реакционных газов и охлаждающего газа подобрано из расчета получения в холодильнике температуры не выше 250 °С.

Рис. 194. Установка для углетермического способа получения магния: 1 – угольный цилиндр; 2 – угольные блоки; 3 – конус смешения; 4 – холодильник; 5 – шнек

Основная часть магниевой пыли уносится газами по трубопроводу в теплообменник, интенсивно охлаждаемый маслом, а затем – в мешочные фильтры. В теплообменнике температура газов снижается до 80 °С. Собираемая под мешочными фильтрами пыль содержит, %: ~ 50 Mg, ~20 C и ~30 MgO. Размер частиц пыли колеблется в пределах 0,1 – 0,6 мм.

После отделения магниевой пыли газ, обогащенный оксидом углерода, используют в качестве топлива для цементных печей. Пыль брикетируют и подают в реторты для сублимации из нее чистого магния.

Сублимационные реторты представляют собой вертикальные стальные цилиндры диаметром 1450 и высотой 6700 мм, снабженные герметичными крышками. В верхней части реторты находится конденсатор (стальной цилиндр высотой 2500 мм, считая от крышки реторты), на внутренних стенках которого отлагаются кристаллы сублимированного магния. Реторты устанавливают в шахтную электропечь, обогреваемую гирляндами нихромовых нагревателей. Внутренние пространства реторт присоединяют к вакуумной линии с остаточным давлением 27 – 30 Па.

Сублимацию магния ведут 48 ч при температуре, близкой к точке плавления магния. В конце операции реторты заполняют водородом, извлекают их из печи и устанавливают в охладительные колодцы, где охлаждают в течение 12 – 15 ч, после чего водород вытесняют из реторт азотом.

Далее реторты передают краном на разгрузочную площадку, где с них снимают крышки, извлекают из них цилиндрические конденсаторы, несущие на себе кольцо кристаллов магния. Для облегчения съема кристаллов цилиндр конденсатора собирают из отдельных сегментов. Средняя масса кристаллического магниевого кольца составляет 1000 кг.

Последней стадией процесса является переплавка кристаллов магния. Чистота металла, получаемого после переплавки, достигает 99,97 % Mg. Общий расход электроэнергии переменного тока ~ 21 кВтч/кг Mg.

Производство магния углетермическим способом характеризуется простотой и компактностью аппаратуры. Недостатком процесса является необходимость получения пирофорной магниевой пыли, которая легко взрывается. Поэтому магниевая пыль с момента ее получения и до окончания сублимации должна быть тщательно изолирована от соприкосновения с воздухом.

Один из возможных способов устранения этого недостатка – применение жидких охладителей (керосин, масла), а также расплавов металлов для поглощения паров магния, с последующей отгонкой магния из промежуточных сплавов.

Силикотермический способ получения магния основан на различной прочности оксидов при повышенных температурах.

Процесс восстановления оксида магния неуглеродистыми восстановителями протекает с большой полнотой и относительно несложен по своему аппаратурному оформлению. Недостатком его является сравнительно высокая стоимость восстановителей, для получения которых требуются большие затраты электроэнергии и которые в процессе восстановления магния целиком окисляются.

Исходным сырьем для производства магния силикотермическим способом обычно служат кальцинированный природный доломит и 75 %-ный ферросилиций. Материалы дозируют, смешивают (на 5 т доломита требуется 1 т ферросилиция). Одновременно в шихту вводят 5 % плавикового шпата.

Шихту брикетируют: брикеты размером 25 мм укладывают в бумажные пакеты по 20 – 25 кг и загружают в реторту.

Реторта представляет собой литой стакан из хромоникелевой стали длиной 2500 и диаметром 250 мм. В реторту вставлен железный цилиндр (конденсатор); загружаемую часть реторты отделяют от конденсатора радиационным экраном, представляющим собой два перфорированных стальных диска с несоосным расположением отверстий.

После цилиндрического конденсатора устанавливают дисковый конденсатор для щелочных металлов; эта часть реторты охлаждается водой. Реторта снабжена крышкой, которая плотно прижимается к ее торцу атмосферным давлением.

Реторты устанавливают в отражательную печь (20 шт. в ряд) (рис. 195), отапливаемую жидким или газообразным углеводородным топливом.

Рис. 195. Ретортная печь для получения магния силикотермическим способом: 1 – реторта; 2 – патрубок для подсоединения к вакуумному насосу; 3 – крышка реторты

Общая продолжительность цикла восстановления 10 ч. В каждую реторту, очищенную от остатков (смеси двухкальциевого силиката с железом) предыдущего цикла, загружают по пять пакетов с брикетами. Через 10 мин, в течение которых сгорают бумажные пакеты, реторты закрывают и вакуумируют. Остаточное давление для получения плотного осадка кристаллов магния должно быть не выше 13 Па, средняя температура ~ 1165 °С. Среднее время поддержания вакуума в реторте 9,5 ч.

По окончании цикла восстановления вакуум-насосы выключают, крышки реторт открывают, вынимают конденсатор для щелочных металлов, затем конденсатор с кристаллами магния и, наконец, извлекают остатки (их выгребают вручную или механически).

Кристаллический магний, извлеченный из конденсаторов в виде цилиндров, так называемых "муфт" или "корон", переплавляют, разливают в чушки или передают на изготовление сплавов.

Важнейшим недостатком рассмотренной технологии силикотермического восстановления магния является малый срок службы реторт из хромоникелевой стали: на них образуются вмятины примерно через 100 сут после начала работы. Чтобы удлинить срок службы реторт, их выправляют в печи при высокой температуре сжатым воздухом, который нагнетают в реторты. Если это проделывать систематически, то можно удлинить общий срок службы реторт до 250 сут, после чего они становятся непригодными.

Высокая стоимость хромоникелевых реторт вызвала необходимость изыскания новой аппаратуры для осуществления силикотермического способа, например, было опробовано восстановление в более крупных электрических печах с внутренним обогревом. Вследствие этого стенки печи остаются холодными и не деформируются, что позволяет отказаться от применения хромоникелевой стали.

В известной мере эти проблемы решаются с применением вращающейся печи для силикотермического восстановления магния, снабженной графитовым нагревателем, расположенным по продольной оси печи (рис. 196).

Рис. 196. Вращающаяся печь для силикотермического способа получения магния: 1 – кожух; 2 – токосъемные кольца; 3 – графитовая втулка; 4 – футеровка; 5 – загрузочный патрубок; 6 – откидной конденсатор; 7 – графитовый нагреватель; 8 – опоры; 9 – приводная шестерня

Графитовый нагреватель позволяет повысить температуру в печи до 1400 °С, отчего увеличивается скорость реакции восстановления. Перемешивание брикетов при медленном вращении печи способствует лучшему прогреванию шихты. Однако для того, чтобы брикеты не разрушались от ударов и истирания при вращении печи, они должны быть упрочены предварительной закалкой в атмосфере водорода.

Основой печи служит горизонтальный стальной барабан, снабженный внутри тепловой изоляцией из магнезита, шамота и легковесного огнеупорного кирпича. Печь опирается на вращающиеся опорные ролики. По горизонтальной оси печи установлен трубчатый графитовый нагреватель, концы которого закреплены в графитовых же втулках. К одному из них ток через скользящий контакт подведен ниппелем, охлаждаемым водой. Второй конец нагревателя замкнут на корпус печи. Брикеты загружают через люк, расположенный в средней части корпуса. Пары восстановленного магния проходят в откидной конденсатор через каналы в правой графитовой втулке.

При загрузке брикетов и выгрузке остатков печь заполняют водородом или аргоном, чтобы предохранить графитовый нагреватель от окисления.

Температура в конденсаторе поддерживается на уровне 450 – 500 °С.

Печь вращается с частотой 2 мин^-1. Удельный расход электроэнергии в полупромышленной печи такой конструкции составляет около 15 кВтч/кг Mg, не считая расхода электроэнергии на получение восстановителя (ферросилиция).

Есть основания полагать, что увеличение размеров печи улучшит ее показатели: на операции загрузки и выгрузки будет расходоваться не более 5 % времени, а удельный расход электроэнергии снизится до 10 – 12 кВтч/кг Mg.

За тридцать лет технической разработки (30-е – 60-е годы 20 столетия) силикотермический способ получения магния прошел путь от малопроизводительных периодически работающих реторт с внешним нагревом до непрерывно действующих электротермических установок. Возможность применение распространенного и дешевого магниевого сырья (магнезит, доломит), резкое сокращение процесса от руды до получения металла, безвредность и отсутствие необходимости в постоянном токе делают силикотермический способ производства магния в его современном решении перспективным, причем, вероятно, в первую очередь для тех стран, которые не располагают источниками хлормагниевого сырья.

Правда, суммарный расход электроэнергии на 1 кг силикотермического магния (ввиду большого расхода ее на производство ферросилиция) не ниже, а скорее даже несколько выше, чем расход электроэнергии на 1 кг электролитического магния, т.е. составляет примерно 20 кВтч электроэнергии переменного тока на 1 кг товарного магния.

Это, а также надежность и масштабность электролитического способа производства магния, не позволяют пока силикотермическому способу конкурировать с электролитическим.