ИЗУЧЕНИЕ ТЕРМИЧЕСКОГО РАЗЛОЖЕНИЯ ОКСАЛАТОВ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

STUDY OXALATE THERMAL DECOMPOSITION OF RARE EARTH ELEMENTS

Alymbek Tatybekov

doctor of Technical Science, Professor, Technical Physics Department, Institute of Mining and Mining Technology named after U. Asanaliev,

Kyrgyzstan, Bishkek

Ulan Usengaziev

Student of group metallurgy of non-ferrous metals M 1-13, Institute of Mining and Mining Technology named after U. Asanaliev,

Kyrgyzstan, Bishkek

АННОТАЦИЯ

Из множества типов реакторов с электродуговыми плазматронами, применяемых для плазменной обработки дисперсных материалов, одним из наиболее эффективных является плазменный реактор с многоструйной камерой смешения.

ABSTRACT

Of the many types of reactors with electric arc plasmatron used for the plasma treatment of particulate materials, one of the most effective is a plasma reactor multi-jet mixing chamber.

Ключевые слова: Редкоземельные элементы; оксиды; оксалаты; плазма; плазменный реактор.

Keywords: Rare earth elements; oxides; oxalates; plasma; plasma reactor.

Редкоземельные элементы (РЗЭ) и их соединения находят применение в различных областях черной и цветной металлургии в качестве легирующих добавок [8, с. 46–154]. В химической промышленности для получения катализаторов многих процессов органического синтеза [4, с. 412–483], в электронной и электротехнической промышленности для производства керамики, геттеров, люминофоров [5, с. 212–220], получения специальных сортов стекла [4, с. 412–483], в ряде областей ядерной техники и технологии получения ядерного горючего и ракетного топлива [5, с. 212–220].

Многообразие областей использования соединений РЗЭ, в частности оксидов, обусловило проведение интенсивных исследований, направленных на поиск новых областей приложения, а также на разработку новых и совершенствование существующих технологических процессов их получения. Естественно, что каждая область использования РЗЭ представляет свои специфические требования к таким показателям как чистота, свойства кристаллической структуры, размер и форма частиц. При этом следует подчеркнуть все возрастающую потребность в оксидах и других соединениях РЗЭ в мелкодисперсном виде заданного гранулометрического состава и форм частиц.

В настоящее время оксиды РЗЭ получают прокалкой солей (оксалатов, карбонатов, нитратов или гидроокисей), образующихся в качестве промежуточных соединений в технологической схеме кислотного вскрытия рудных концентратов [3, с. 208].

Сложные процессы, сопровождающие собственно разложение безводных оксалатов РЗЭ, получившихся в ходе дегидратации, очень сложны и существенно зависят от атмосферы, в которой протекает разложение. Состав промежуточных продуктов, образующихся в процессе разложения, установлен в основном по убыли массы, соответствующей площадкам и перегибам на дериватограммах, лишь в некоторых случаях эти соединения выделены и идентифицированы. При детализации процесса собственно разложения оксалатов РЗЭ на воздухе были обнаружены следующие особенности.

Существующие методы производства оксидов на основе термического разложения оксалатов РЗЭ, Y и Sc имеют преимущества, обусловленные простотой работы муфельных печей или других аппаратов термического разложения. Аппараты с неподвижным слоем широко используют в промышленном производстве. Наряду с простотой аппаратурного оформления аппараты с неподвижным слоем имеют ряд существенных недостатков: отсутствие или ненадежность герметизации процесса (загрузка и выгрузка прокаленного продукта сопровождается опылением, потерями дорогостоящего продукта), длительность процесса (слой материала неподвижен), теплоотвод осуществляется в основном за счет излучения и теплопроводности материала, громоздкость, низкая производительность и высокая себестоимость продукции.

Применение плазмы особенно перспективно в тех случаях, когда скорость реакции резко возрастает с повышением температуры. Плазма позволяет использовать малоценное и неоднородное по составу сырье. Плазма используется не только как источник чрезвычайно концентрированной тепловой энергии или ионов, участвующих в ионно-молекулярных реакциях, но и как источник светового излучения для фотохимических реакций. При термообработке дисперсных материалов в плазме особое значение имеет теплопроводность газов. Так, например, в плазме гелия, теплопроводность которого примерно в 8 раз меньше чем у аргона, можно расплавить гораздо более тугоплавкие вещества. Однако, выбор плазмообразующего газа определяется технологией процесса и его стоимостью.

В общем случае плазмохимический агрегат состоит из генератора низкотемпературной плазмы (плазматрона), плазмохимического реактора и закалочного устройства. Технологическая схема любого плазмохимического процесса кроме плазмохимического агрегата должна включать устройства для подачи обрабатываемого материала, разделения, вывода и сбора целевого продукта. Выбор генератора низкотемпературной плазмы для проведения, данного плазмохимического процесса определяется термодинамическими и кинетическими особенностями последнего [7, с. 121–126]. В настоящее время существует различные генераторы низкотемпературной плазмы, которые при использовании в технологическом процессе, должны отвечать следующим требованиям:

• температура плазмы на выходе из генератора должна быть порядка нескольких тысяч градусов (от 2500⁰К до 20000⁰К);
• плазменный поток должен быть достаточно чистым, т. е. свободным от загрязнения веществами, которые на входят в состав рабочего тела;
• параметры низкотемпературной плазмы должны обеспечивать оптимальные условия процесса и быть управляемыми;
• генерация плазмы должна обеспечиваться в течение длительного промежутка времени (от нескольких минут до сотен часов);
• коэффициент полезного действия процесса преобразования первичной энергии в энергию плазмы должен быть достаточно высок.

Для организации промышленных технологических плазмохимических процессов наиболее перспективными в настоящее время считаются электродуговые, высокочастотные (ВЧ) и сверхвысокочастотные (СВЧ) генераторы низкотемпературной плазмы – плазматроны, поскольку именно они удовлетворяют перечисленным выше требованиям.

К настоящему времени разработано большое число конструкций электродуговых нагревателей газа [6, с. 146–152]. Наиболее простой вариант нагревателя газа представляет собой дуговой электрический разряд, горящий между двумя электродами, обдуваемый и стабилизируемый плазмообразующим газом в осевом или перпендикулярном направлении. В этом случае за разрядом образуется плазменная струя с высокой температурой. Для получения газовых потоков с высокой среднемассовой температурой необходима организация подвода газа в плазматрон таким образом, чтобы основная часть его взаимодействовала с дуговым разрядом.

Для получения чистых и сверхчистых веществ и материалов применяют так называемые безэлектродные плазматроны. К последним относятся высокочастотные (ВЧ) и сверхвысокочастотные (СВЧ) генераторы низкотемпературной плазмы. Условно к первым относят разряды, которые горят на частотах от нескольких сотен килогерц до десятков мегагерц, а ко вторым – зажигаемые на больших частотах – вплоть до миллиметрового диапазона волн (сотни гигагерц).

Из множества типов реакторов с электродуговыми плазматронами, применяемых для плазменной обработки дисперсных материалов, одним из наиболее эффективных является плазменный реактор с многоструйный камерой смешения. Он характеризуется достаточно равномерным профилем температуры и скорости в начальном сечении канала, что обеспечивает идентичные условия обработки материала по всему сечению канала реактора и, таким образом, улучшает степень превращения исходного материала в конечный продукт. Повышение равномерности обработки, а вместе с этим и качества продукта весьма важно для технологических процессов получения оксидов РЗЭ из их оксалатов. В этой связи нами в работе был применен плазменный реактор с многоструйной камерой смешения.

Принципиальная схема экспериментальной плазменной установки приведена на рис. 1. Система энергообеспечения установки включает в себя систему энергоснабжения и поджига плазматронов, системы газо- и водоснабжения, а также систему контрольно-измерительных приборов и

управления параметрами работы установки. Использован вариант работы трех плазматронов трех автономных источников электропитания. Реактор работает следующим образом. Предварительно высушенное и просеянноеисходное сырье в виде порошка загружают в дозатор 15 и после смешения с транспортирующим газом в виде газовзвеси направляют в устройство ввода 7. Устройство ввода 7 установлено на крыше 3 и располагается коаксиально внутри смесительной камеры 2. Крышку 3 электрически изолируют от корпуса 1 во избежание электрического пробоя между анодами плазматронов 5 и устройством ввода 7. Газовзвесь исходного сырья из устройства ввода 7 в виде закрученного потока подают в смесительную камеру 2, куда истекают плазменные струи из коллектора 13. При указанном конструктивном расположении отдельных узлов закрученный поток газовзвеси исходного сырья равномерно перемешивается с плазменным потоком, сформированным в смесительной камере, и со стабилизирующим газом.

Образующийся двухфазный высокотемпературный поток движется вниз по корпусу 1, где происходит процесс нагрева частиц исходного сырья до заранее заданной температуры, его плавления, испарения и физико-химического превращения. Продукты термообработки поступают далее в закалочную камеру 6, где осуществляют их закалку газом с целью предотвращения протекания обратных реакций и коагулирования частиц целевого продукта. Здесь же осуществляют выделение и сбор частиц оплавленного и не прореагировавшего сырья из потока газовзвеси целевого продукта, а указанную газовзвесь направляют в фильтр 16, где целевой продукт улавливается и затем периодически выводится [1, с. 10; 2, с. 7].

Таким образом, рассматривался изучения термического разложения оксалатов редкоземельных элементов для получения оксидов РЗЭ в котором преимущества плазменных процессов по сравнению традиционным методом.

Рисунок 1. Схема плазмохимической установки для получения оксидов РЗЭ из их оксалатов: 1 – корпус реактора; 2 – камера смешения; 3 – крышка; 4 – бункер; 5 – плазматроны; 6 – закалочная камера; 7 – устройство ввода сырья; 8 – изолятор; 9 – коллектор; 10 – патрубок; 11 – выходной патрубок; 12 – козырек; 13 – коллектор; 14 – патрубок; 15 – дозатор и 16 – фильтр

Список литературы:

1. А.С. № 1031091(СССР) Способ получения мелкодисперсных оксидов редкоземельных элементов / В.В. Бысюк, А.Л. Моссэ, О.И. Ясько и др. – Заявл. 23.06.80, № 2943663, (ДСП).
2. А.С. № 913635(СССР) Плазмохимический реактор / В.В. Бысюк, А.Л. Моссэ, A. Татыбеков и др. – Заявл. 23.06.80, № 2944628.
3. Давыдов В.И., Гамрекели М.И., Добрыгин П.Г. Термические процессы и аппараты для получения оксидов редких и радиоактивных металлов. – М.: Атомиздат, 1977.
4. Мандл Р.М., Мандл Г.Г Применение редкоземельных элементов // Успехи химии и технологии редкоземельных элементов / под ред. Л. Айринга. – М.: Металлургия, 1970.
5. Минтерн Р.А. Новые области применения редкоземельных металлов // Новые исследования редкоземельных металлов / Сб. переводов под ред. Е.М. Савицкого. – М.: Мир, 1964. – С. 212–220.
6. Татыбеков А. К оптимизации плазмохимической переработки оксалатов // Труды Международной конференции. Развитие информационных и коммуникационных технологии КР. Состояние и перспективы. – Бишкек, 2004. – С. 146–152.
7. Татыбеков А.Т., Бугубаева М.А. Математическое моделирование термических процессов оксалатов редкоземельных элементов (РЗЭ) // Известия КГТУ. – 2011. – № 24. – С. 121–126.
8. Химия и технология редких и рассеянных элементов / под ред. К.А. Большакова. – М.: Высшая школа, 1976. – Ч. II.