Производство циркония

В результате эксплуатации к настоящему времени их состояние можно охарактеризовать следующим образом:

 

Состояние  камер ЭДП-07/500.

 

• Кристаллизатор:

Применяются следующие размеры: ØØ 240; 185; 110; 90 мм. Основные детали, выходящие из строя, - медные гильзы, которые нам изготавливает ИПЛ г. Киев. Основная причина выхода из строя - нестабильная работа системы управления лучами пушек. Особенно это сказывается при работе на кристаллизаторах ØØ 90; 110 мм. Малейшее отклонение приводит к подплавлению гильзы. Весь резерв, заложенный в прошлые годы, на сегодня исчерпан. Наличие гильз: Ø 240 - 1 шт., Ø 185 - резерва нет, Ø 110 - резерва нет, Ø 90 - 1 шт.

• Промёмкость:

Промёмкость представляет собой водоохлаждаемую медную пластину размерами 400×600×50 мм, водоохлаждаемый борт и водоохлаждаемый носок для слива металла. Находится в эксплуатации с 1991 года. Неоднократно подвергалась ремонтам. При проведении последнего ремонта:

Микропечи устранены не полностью. Медь не поддается сборке. Деформированы дно и стенки, плотно не соединяются.

Ремонт показал, что медь находится в таком состоянии, что сварке не подвержена. Самой уязвимой частью является носок промъемкости, который во время плавки непосредственно контактирует с лучом и расплавленным металлом.

ЕМО - 250.

 

Тигель с электромагнитным перемешиванием: Изготавливался по индивидуальному заказу в ИПЛ г. Киев. Запасной тигель изготовлен и находится у изготовителя. Не поставлен из-за непроплаты. После 18 лет эксплуатации вышла из строя электромагнитная система перемешивания. Отремонтировать собственными силами невозможно.

Механизм вытяжки слитка, камера, механизм подачи слитка - проектные и изменений не претерпели. Находятся в рабочем состоянии и ремонтируются ремонтными службами цеха. Однако, длительность эксплуатации, сложный температурный режим, отложения конденсата плавки на трущихся деталях приближает физический износ этих механизмов.

 

Состояние  вакуумных систем.

 

• ЭДП-07/500. Неоднократно подвергались ремонту форвакуумные  насосы  АВЗ-180, насосы среднего вакуума ДНВ-1500, периодически проводилась механическая чистка: паромасляных насосов НВБМ-5, А250/2500, АВП-40-1. Из-за устойчивого нагара на внутренних стенках операция чистки не приводила к улучшению работы насосов. Поэтому названные насосы потеряли значительную часть своей производительности, что значительно увеличило время откачки установки и осложнило ведение плавки, особенно в начальной ее стадии. Для стабилизации вакуума в пушках и улучшения их работы  была дополнительно смонтирована линия индивидуальной откачки пушек. Она показала в период эксплуатации (10 лет) преимущество по сравнению с проектной (где линия откачки заведена в один из буферных насосов). Однако выход из строя вакуумной системы печи ЕМО-250 заставил демонтировать эту линию, а оборудование установить на печь ЕМО-250. На сегодня вакуумная  система печи ЭДП-07/500 работоспособна, но с пониженной производительностью по  быстроте откачки.
• ЕМО - 250. Вакуумная система работала в проектном варианте. Но в августе  2008 г  вышел из строя насос среднего вакуума RPW-3600. Был заменен отечественными насосами  2ДВН- 1500 и НВБМ-5. Производительность ДВН ниже, чем RPW. Предложенная система оказалась работоспособной и может  использоваться в дальнейшей работе.

 

Состояние  пушек:

• ЭДП-07/500. На установке  применяются аксиальные пушки ЭПА - 300 (2 шт.), установленные в 1985 г. Основными  расходными деталями пушки являются: катод ( материал W - Re), анод (Mo), экраны (Mo), стойки (Mo), малые изоляторы, проходной изолятор, лучевод (Мо). Пушки исчерпали физический ресурс, и дальнейшая их эксплуатация вызывает затруднения. Запасных части израсходованы. Поставщик (ИПЛ) перешел на другие модели пушек. Изоляторы поставлялись заводом «Изолятор» г. Белая Церковь, который в настоящее время остановлен и не работает.
• ЕМО-250. На сегодняшний день является гибридом проектной пушки и установленной - ЭПА-300 конструкции  МЭТИ (Россия). Замечания те же, что и  по ЭДП-07/500. Пушка подлежит замене.

В 2008 г. на установке ЕМО-250 была успешно отработана и испытана пушка ВТР-250 с поддувкой водорода. Принципиально новая конструкция пушки отличается: простотой конструкции; стабильной работой при малом вакууме (отсутствует система откачки пушки; вакуума в камере (10-3 мм) достаточно для работы пушки); простотой электрической схемы. Желательно установить такие пушки на обеих печах.

Состояние  источников:

Источник  высокого напряжения 32 кV печи  ЭДП-07/500 работоспособен, однако  высоковольтные кабеля из-за физического старения и снижения сопротивления  изоляции подлежат замене. ЕМО-250

Состояние  управления лучом:

Система управления лучом на пушках ЭПА-300 печи ЭДП-07/500 работоспособна, но сильно устарела по конструкции и техническим параметрам. Замена пушек печи ЭДП-07/500 предполагает и замену системы управления лучом. ЕМО-250.

За  последнее время приобретено:

1. Кристаллизаторы: Ø 110 -2 шт. (05.2007 г.), Ø 90 - 2 шт.(05.2007 г.).
2. Электронно-лучевая пушка ЭПА-300 – 1 шт. (02.2005 г.).
3. Тигель для печи ЕМО-250 – 1 шт. (07.2008 г.).

В настоящее время численность персонала, обслуживающего печи электронно-лучевого переплава составляет 15 человек 20 % персонала пришла в течении последнего полугода и не имеют достаточной квалификации и опыта работы на аналогичном оборудовании. Более трети персонала имеют возраст свыше  56 лет (средний их возраст - 58,5 лет).

 

Заключение по состоянию печей ЭДП-07/500 и ЕМО-250.

 

Для  дальнейшей  работы  на  печах  ЭДП-07/500  и  ЕМО-250  в  этом  году  необходимо:

1. Изготовить: гильзы кристаллизатора для ЭДП Ø 180 мм – 2 шт., Ø 110 -2 шт., Ø 90 мм – 2 шт., промъёмкость – 1 шт., комплект съемных носков для промъёмкости - 2 шт. индуктор  перемешивания для  ЕМО

2. Проплатить за изготовление резервного тигля для ЕМО -1 шт.

3. Приобрести  запчасти  к  пушкам для ЭДП и ЕМО

4. Провести испытания пушки ВТР-250 на печи ЭДП с целью дальнейшей  замены установленных в настоящее  время.

Для увеличения производительности и стабилизации работы установок в перспективе необходимо:

1. Реконструировать или  заменить источник высокого напряжения ЭДП.

2.Реконструировать вакуумные  системы ЭДП и ЕМО. Приобрести электронные  пушки ВТР-250 - 4 шт., с системой управления и автономным источником водорода.

3.Реконструировать систему охлаждения ЭДП  и  ЕМО. Реконструировать систему КИПиА ЭДП и ЕМО. Приобрести  точеискатель.

4.Реконструировать  систему  загрузки  печей  для  возможности  переплава  сыпучих  и  мелко кусковых  материалов (титановая  губка, порошки  тугоплавких  металлов  и  т. д.).

5.Выполнить капитальный ремонт токарных станков – 2 шт. Приобрести  механическую пилу – 1 шт.

Преимущество электронно-лучевой плавки (ЭЛП) перед другими методами специальной металлургии заключается в более эффективном рафинировании металлов и сплавов от металлических примесей, газов и неметаллических включений. Это объясняется не только проведением процесса при значительно меньшем давлении остаточных газов в плавильной камере, что характерно для других способов вакуумной металлургии, но  и особенностями электронно-лучевого нагрева, а так же возможностью выдержки расплава при высокой температуре при необходимом времени для рафинировании.

В настоящее время электронно-лучевые технологии  наряду с ЭЛП включают целый ряд специфических направлений, таких как:

-испарение материалов;

-сварка;

-размерная обработка (получение  отверстий, перфорация, фрезерование и др.);

-зонная очистка;

-локальное плавление и закалка;

-термообработка;

-химические электронно-лучевые  процессы (вулканизация, полимеризация, стерилизация и др.).

Отличительными чертами ЭЛП являются сравнительно невысокие значения плотности мощности в зоне непосредственного воздействия луча и повышенные значения суммарной мощности нагрева.

В нашей стране развитие электронно-лучевой плавки связано с работами академиков Б.Е. Патона и Б.А. Мовчана, под руководством которых начале 60-х годов ХХ ст. в (Институте электросварки им. Е.О. Патона АН УССР (ныне НАН Украины) были созданы основы технологических процессов и разработано первое отечественное электронно-лучевое плавильное оборудование [6, 7]. Несколько позже к исследованиям по различным вопросам ЭЛП подключились другие научно-исследовательские и промышленные предприятия бывшего СССР, так что уже в середине 60-х годов ЭЛП можно было считать сложившемся новым методом отечественной специальной электрометаллургии, с развитием которого связывали дальнейшие успехи не только в вопросах плавки и рафинирования тугоплавких и химических активных металлов.

Возрождение интереса к ЭЛП приходится на начало 80-х годов, когда в США приступили к созданию электронно-лучевых печей нового поколения большой мощности, в том числе с промежуточной емкостью. К 1995- му году общая установленная мощность электронно-лучевых плавильных печей в этой стране достигла 14 МВт, а в последующие годы (до 2002 года включительно) эта цифра была удвоена введением в строй семи новых печей для ЭЛП. В настоящее время общая установленная мощность электронно-лучевых печей в США превышает 30 МВт, что делает эту страну лидером в области использования электронно-лучевой плавки в мире[16].По данным, электронно-лучевые печи используются в США для плавки различных материалов, которые можно разделить на следующие группы:

1. титан и титановые сплавы, включая отходы;
2. тантал, ниобий, молибден, вольфрам, в том числе для сверхпроводников, и их сплавы;
3. цирконий, гафний, ванадий, и их сплавы;
4. уран, кремний;
5. металлы платиновой группы, особенно платина и иридий;
6. чистые суперсплавы;
7. некоторые керамики.

Подчеркнем, что при плавки титановых сплавов, особенно их отходов, применяются печи большой мощности, причем в этом случае технологический процесс реализуется с обязательным использованием промежуточной емкости.

Возрождение интереса к электронно-лучевой плавке в нашей стране также сопровождалось созданием ряд печей с повышенной мощностью электронно-лучевого нагрева и с промежуточной емкостью. Первоначально эти работы проводились преимущественно в ИЭС им. Патона, но затем появились частные компании, которые вложили средства в создание новых печей, в том числе были запущены в производство две печи с установленной мощностью электронно-лучевого нагрева по 2,5 МВт. В целом в настоящее время общая установленная мощность электронно-лучевых печей в Украине составляет около 10 МВт, что вероятно, является третьим показателе в мире (после США и Российской федерации). При этом, как и в США, эти печи используются преимущественно для плавки титана, но, в отличие от американской практики, в нашей стране значительно большое внимание уделяется технологии получения титановых слитков и других тугоплавких металлов.

Принципиальной особенностью указанных разработок является переход на использование электронно-лучевых пушек высоковольтного тлеющего разряда (ВТР), которые не требуют оснащения вакуумными насосами и устойчиво работают при интенсивном газовыделении, что важно при плавке губки.

 

 

 

5.РАСЧЕТ ПО МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОМУ  ПЕРЕДЕЛУ ЦИРКОНИЯ

 

5.1 Материальный баланс  по основным процессам металлургического передела Zr(мет)

Баланс циркония по процессам металлургического передела выполнен на 1000 кг (1 т) металлического Zr и представлен  таблицей 5.1.

 

Т а б л и ц а 5.1 – Баланс циркония по основным процессам металлургического передела

Поступает		Выдается		% выхода
Наименование продукта	Количество циркония, кг	Наименование продукта	Количество циркония, кг
Кальциетермическое восстановление: Сублимированный ТФЦ	1372,7	1.Черновой слиток с  гарнисажем 2.Шлак 3.Пыль на пылеочистку	1352,1     15,1 5,5	98,50     1,10 0,40   100,00
Отрезание гарнисажа: Черновой слиток с гарнисажем	1352,1	1.Черновой слиток 2.Гарнисаж 3.Стружка	1126,3   205,5 20,3	83,30   15,20 1,50   100,00
Травление чернового  слитка Черновой слиток	1126,3	1.Черновой слиток после травления 2.Травильный    раствор	1109,4     16,9	98,50     1,50   100,00
Электронно-лучевой переплав Черновой слиток после травления.	1109,4	1.Слиток ЭЛП 2.Конденсат	1066,1 43,3	96,10 3,90   100,00
Мехобработка Слиток ЭЛП	1066,1	1.Слиток ГП. 2.Стружка 3.Неучтенные потери	1000.0 64,0 2,1	93,80 6,00 0,20

Пример расчета  по кальциетермическому восстановлению:

ZrF4 + 2Ca → 2CaF2 + Zr

Расчёт по уравнению реакции (1):

M (ZrF4) = 167 г/моль                                  M (Ca) = 40 г/моль  

M (CaF2) = 78 г/моль                                   M (Zr) = 91 г/моль

, кг/ч ZrF4 – 1352,1 кг/ч Zr.

167 г/моль  ZrF4 – 91 г Zr.