7 Пирометаллургия бериллия. Восстановление фторида бериллия. Рафинировочная плавка бериллия. Качество слитка бериллия.
BeF2 + Mg = Be + MgF2
Реакция восстановления протекает полностью при температуре 900°С. Однако при этом частицы бериллия равномерно распределены в водонерастворимом шлаке MgF2. Перегрев расплава до 1300°С не обеспечивает эффективного разделения металла и шлака из-за высокой вязкости MgF2. Для снижения вязкости (повышения жидкотекучести) и облегчения разделения металла и шлака добавляется флюс. В качестве флюса можно использовать CaCl2, BaF2, а также избыток BeF2. Использование BeF2 наиболее целесообразно, т.к. нет необходимости в применении дополнительных реагентов; не происходит загрязнение бериллия элементами из нового реагента; BeF2, являясь водорастворимым, облегчает отделение шлака от бериллия после охлаждения путём обработки водой. При использовании BeF2 в качестве флюса он регенерируется (после отмытия водой) и возвращается в процесс. По указанной причине в промышленной практике BeF2 вводится в избытке по сравнению со стехиометрией, т.е. Mg вводят 75% от стехиометрического соотношения. При такой загрузке при температуре 1300°С основная масса бериллия легко отделяется от шлака и образует «линзу» на поверхности расплава. После слива и охлаждения шлак обрабатывается водой. В результате весь непрореагировавший бериллий, содержащийся во флюсе (избыток BeF2), переходит в водный раствор и возвращается в технологию. В твёрдом шлаке MgF2 находится в виде игольчатых кристаллов, каждый из которых окружён оболочкой из BeF2, которая под действием горячей воды растворяется и высвобождает оставшиеся корольки бериллия из шлака.
При добавлении Mg>85% от стехиометрически необходимого делает практически невозможным разделение бериллия из шлака.
Процесс магнийтермического восстановления проводят в индукционной печи с графитовым тиглем. Загружаемая в печь восстановления шихта состоит из кусков BeF2 (лучше гранул), полученных после разложения ФБА и небольших кусков Mg в виде кубиков размером 20-25 мм. Использование гранулированной шихты (BeF2 и Mg) повышает технико-экономические показатели процесса. Восстановление является периодической операцией с продолжительностью цикла 3-4 часа.
Схема печи восстановления показана на рисунке 3.
1 – графитовый тигель;
2 – индуктор;
3 – графитовая изложница для слива металлического бериллия.
Мощность печи восстановления – 100 Вт. Состав шихты – 118 кг BeF2 и 43,5 кг Mg. Графитовый тигель имеет диаметр 610 мм. После разделения металла и шлака производится раздельный слив бериллия и шлака. Бериллий в изложницу 3, а шлак в тигель-приёмник. После охлаждения тигля-приёмника его содержимое в виде блока, содержащего шлак бериллия загружают в шаровую мельницу мокрого помола. Первоначальный слив бериллия в изложницу содержит 14 кг бериллия, что соответствует выходу в годное 62%. Остальной бериллий находится в шлаке в виде корольков бериллия. Скорость прокачки воды в барабанной мельнице такова, чтобы отделяющиеся кристаллики MgF2 выводились из мельницы. Выходящая из мельницы пульпа (раствор BeF2 и кристаллы MgF2) направляется в отстойник, где твёрдая фаза оседает, а осветлённый раствор отправляют снова в мельницу. Когда концентрация бериллия в выходящем из мельницы растворе достигает определённой величины, он направляется в реактор-накопитель для последующей перекачки в голову процесса. Кристаллы MgF2, также содержащие остатки бериллия, отмываются кислотой, после чего направляются на отвал или утилизацию. Корольки чернового бериллия остаются в мельнице, из которой периодически выгружаются. Общее извлечение на операции измельчения составляет 97%. Черновой бериллий в среднем 97% бериллия, более 1,5% Mg, 0,1% О2 и до 0,5% остальных примесей.
Рафинировочная плавка.
Проводится с целью очистки чернового металлического бериллия от Mg и остатков шлака. Наиболее эффективно Mg удаляется при переплавке бериллия в вакууме. В результате высокой упругости пара Mg при температуре плавления бериллия Mg испаряется и в вакууме 300-500 мм рт.ст. содержание Mg снижается до 0,05%, т.е. в 30 раз.
Плавку проводят в вакуумной индукционной печи мощностью 100 кВт. Куски чернового бериллия общей массой 25-30 кг загружают в тигель печи из BeO. Разогрев Be производится вихревыми токами, возбуждаемыми индуктором непосредственно в кусках Be, поэтому нет необходимости в графитовом тигле. После загрузки чернового Be печь закрывают, откачивают вакуумным насосом и нагревают до температуры 1300-1350°С. При подгрузке кусков чернового бериллия в печь запускается аргон. После полной загрузки создаётся разрежение для удаления Mg и дегазации расплава. Скорость откачки следует контролировать во избежание бурного выделения газов и выброса металла. При создании вакуума напряжение на индукторе не должно превышать 400 В, в противном случае возникает электродуговой разряд и потери работоспособности индуктора. Продолжительность цикла плавки составляет 5 часов. Далее производится слив в изложницу через фильтр для улавливания остатков шлака и охлаждение. Слиток полученного технического бериллия имеет массу 25-35 кг.