Усовершенствованный метод получения дисперсного диоксида циркония
Приведены описание термовакуумной установки, метод получения диоксида циркония из гидроксида, химический состав полученного ZrO₂; исследованы макро- и микроструктуры полученного материала....
Збережено в:
| Дата: | 2011 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2011
|
| Назва видання: | Вопросы атомной науки и техники |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/111305 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Усовершенствованный метод получения дисперсного диоксида циркония / В.А. Кутовой // Вопросы атомной науки и техники. — 2011. — № 2. — С. 159-162. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-111305 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1113052017-01-10T03:03:46Z Усовершенствованный метод получения дисперсного диоксида циркония Кутовой, В.А. Физика радиационных и ионно-плазменных технологий Приведены описание термовакуумной установки, метод получения диоксида циркония из гидроксида, химический состав полученного ZrO₂; исследованы макро- и микроструктуры полученного материала. Наведено опис термовакуумної установки, метод отримання діоксиду цирконію з гідроксиду, хімічний склад одержаного ZrO₂; досліджено макро- і мікроструктури отриманого матеріалу. This work presents a description of thermal vacuum installation, a method for producing zirconium dioxide from zirconium hydroxide, chemical composition of obtained ZrO₂. The macro and microstructure of obtained material were investigated. 2011 Article Усовершенствованный метод получения дисперсного диоксида циркония / В.А. Кутовой // Вопросы атомной науки и техники. — 2011. — № 2. — С. 159-162. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 1562-6016 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/111305 621.7/9;531.62 ru Вопросы атомной науки и техники Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Физика радиационных и ионно-плазменных технологий Физика радиационных и ионно-плазменных технологий |
| spellingShingle |
Физика радиационных и ионно-плазменных технологий Физика радиационных и ионно-плазменных технологий Кутовой, В.А. Усовершенствованный метод получения дисперсного диоксида циркония Вопросы атомной науки и техники |
| description |
Приведены описание термовакуумной установки, метод получения диоксида циркония из гидроксида, химический состав полученного ZrO₂; исследованы макро- и микроструктуры полученного материала. |
| format |
Article |
| author |
Кутовой, В.А. |
| author_facet |
Кутовой, В.А. |
| author_sort |
Кутовой, В.А. |
| title |
Усовершенствованный метод получения дисперсного диоксида циркония |
| title_short |
Усовершенствованный метод получения дисперсного диоксида циркония |
| title_full |
Усовершенствованный метод получения дисперсного диоксида циркония |
| title_fullStr |
Усовершенствованный метод получения дисперсного диоксида циркония |
| title_full_unstemmed |
Усовершенствованный метод получения дисперсного диоксида циркония |
| title_sort |
усовершенствованный метод получения дисперсного диоксида циркония |
| publisher |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| publishDate |
2011 |
| topic_facet |
Физика радиационных и ионно-плазменных технологий |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/111305 |
| citation_txt |
Усовершенствованный метод получения дисперсного диоксида циркония / В.А. Кутовой // Вопросы атомной науки и техники. — 2011. — № 2. — С. 159-162. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
| series |
Вопросы атомной науки и техники |
| work_keys_str_mv |
AT kutovojva usoveršenstvovannyjmetodpolučeniâdispersnogodioksidacirkoniâ |
| first_indexed |
2025-07-08T01:56:29Z |
| last_indexed |
2025-07-08T01:56:29Z |
| _version_ |
1837042017045053440 |
| fulltext |
ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2011. №2.
Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (97), с. 159-162. 159
УДК 621.7/9;531.62
УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЙ МЕТОД ПОЛУЧЕНИЯ ДИСПЕРСНОГО
ДИОКСИДА ЦИРКОНИЯ
В.А. Кутовой
Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт»,
Харьков Украина
E-mail: kutovoy@kipt.kharkov.ua
Приведены описание термовакуумной установки, метод получения диоксида циркония из гидроксида,
химический состав полученного ZrO2; исследованы макро- и микроструктуры полученного материала.
В настоящее время большое внимание уделяется
разработке новых энергосберегающих, высокопро-
изводительных технологий по производству диок-
сида циркония [1,2]. Он широко используется в ме-
таллургии для получения циркония, который при-
меняется как конструкционный материал в ядерных
реакторах. Диоксид циркония также является леги-
рующей добавкой в черной и цветной металлургии.
Он не заменим при получении высокоогнеупорных
изделий, жаростойких эмалей, тугоплавких стекол,
различных видов керамики, режущего инструмента,
абразивных материалов и искусственных драгоцен-
ных камней. Широкое применение диоксида цирко-
ния приводит к многочисленным исследованиям по
разработке и усовершенствованию технологии его
производства из природного сырья. Создание таких
технологий направлено на использование автомати-
ческих процессов регулирования основных пара-
метров производства (температуры, давления, не-
прерывности процесса, контроля дисперсности по-
рошков и т. д.). Особое внимание уделяется отсутст-
вию загрязнения диоксида циркония примесями и
нарушению фазового состава, главным образом, в
результате восстановительных реакций (потери ки-
слорода). При промышленном производстве диок-
сида циркония большое внимание необходимо уде-
лять его химической чистоте. Содержание примесей
в диоксиде циркония от 1,5 до 2,5% приводит к то-
му, что изделия, изготовленные из такого материала,
склонны к распаду при длительных температурах
воздействия [3]. Существующий технологический
процесс производства диоксида циркония включает
в себе множество этапов, в том числе сушку, прока-
ливание, измельчение (рис. 1) [4].
Первый этап − сушка гидроксида циркония про-
ходит в трубчатой печи ВНД-6М при следующих
режимах:
- температура I зоны нагревания - 673…723 К;
- температура 2 зоны нагревания - 723…823 К;
- время пребывания продукта в печи - 3 ч;
- затраты воздуха - 1…1,5 м3/ч;
- температура воздуха - 396…447 К.
Второй этап – прожаривание проходит при тем-
пературе 873…1073 К за 1,5…3 ч.
Третий этап – измельчение диоксида циркония с
просеиванием по фракциям.
Энергетические затраты на вышеперечисленные
этапы получения диоксида циркония из гидроксида
циркония составляют около 1,2 кВт/кг. Приведен-
ная технология имеет множество недостатков:
1) теплопередача от газа к твердому телу требует
большого количества нагретого газа или пара;
2) стоимость трубчатых печей и их эксплуатаци-
онные расходы чрезмерно высокие;
3) технологическое оборудование занимает
большие производственные площади.
Рис. 1
Развитие рыночных отношений, резкое обостре-
ние конкурентной борьбы приводят к возрастанию
требований к качеству и себестоимости выпускае-
мой продукции. Это обстоятельство сделало необ-
ходимым провести реконструкцию производства
получения диоксида циркония.
Целью настоящей работы является разработка
беспрерывного термовакуумного, энергосберегаю-
щего метода получения диоксида циркония путем
обезвоживания гидроксида циркония и одновре-
менного его измельчения. Это можно осуществить
путем мгновенного нагревания гидроксида цирко-
ния до высокой температуры и резкого перепада
давления в окружающем пространстве, так как ин-
тенсивность парообразования зависит от количества
подведенного тепла за единицу времени и давления
в окружающей среде. Поэтому предлагаемый метод
основан на принципе объединения процесса вакуу-
мирования и теплового нагрева, что позволяет соз-
дать непрерывный, энергосберегающий, высокоэф-
фективный технологический процесс восстановле-
ния диоксида циркония из гидроксида циркония,
при этом три этапа (сушка, прожаривание, измель-
чение с просеиванием по фракциям) объединяются
в один (рис. 2).
160
Рис. 2
На предлагаемой термовакуумной установке
(рис. 3) разработан энергосберегающий метод полу-
чения диоксида циркония из гидроксида циркония с
начальной влажностью 85…90 %.
Рис. 3. Схема вакуумной установки для получения
диоксида циркония
Вакуумная установка [5] состоит из вакуумного
насоса 1, системы управления 2, бункера-питателя 3,
в котором находится гидроксид циркония, трубчато-
го нагревательного элемента 9, изготовленного из
трубы в виде змеевика. Установка оснащена прием-
ником высушенного сырья (бункер-накопитель) 12,
вакуумными трубопроводами 20 и клапанами 17,
системой загрузки 4 и выгрузки 13, измерителями
давления 15, 16 и температуры 19, регулятором вса-
сывающего воздуха 11. Такая конструкция установ-
ки обеспечивает высокопроизводительную, беспре-
рывную технологию получения диоксида циркония
из гидроксида.
Двигаясь внутри нагревательного элемента, гра-
нулы гидроксида циркония (рис. 4) соприкасаются с
нагретыми стенками нагревателя, аккумулируют
тепло и при этом быстро нагреваются до высокой
температуры.
Процесс тепло- и массообмена гидроксида цир-
кония по длине нагревателя разный. В начальный
момент технологического процесса скорость движе-
ния гранул гидроксида циркония в направлении
турбулентного потока воздуха мала, а температура
их тела Т1 ниже температуры испарения влаги Т2
(Т1<Т2), поэтому начальный процесс сушки проис-
ходит за счет внутренней энергии гранулы, в ре-
зультате чего затраты тепла на испарение влаги с
поверхности приводят к понижению ее температу-
ры, что влечет за собой образование на поверхности
гранулы высохшего слоя с трещинами (рис. 5), ко-
торый затрудняет отвод влаги из ее внутренних сло-
ев.
Рис. 4. Гидроксид циркония
Рис. 5. Гидроксид циркония.
Начальная стадия сушки (×100)
Суммарный поток тепла, которое получает гра-
нула за время от 0 до ,τ зависит от площади и объ-
ема гранулы, потока тепла, удельной теплоемкости,
коэффициента теплопередачи, плотности среды,
температуры нагревания [6]:
Q = ∫
τ
τ
0
Aqd = )]exp(1)[( 0
v
c Rc
TTVc
ρ
ατρ −−− , (1)
где А – площадь гранулы, м2; q – мгновенный поток
тепла, Вт; τ – время, с; с – удельная теплоемкость
гранулы,
Ккг
Дж
⋅
; ρ – плотность среды,
3м
кг ; V – объ-
ем гранулы, м3; Тс – температура нагревания грану-
лы, К; Т0 – начальная температура гранулы, К;
α – коэффициент теплопередачи,
Км
Вт
2
; Rv – отно-
сительный объем гранулы, равный отношению объ-
ема гранулы V к ее поверхности S.
Скорость нагревания гранулы прямо пропорцио-
нальна разности температуры гранулы и температу-
ры среды и зависит от коэффициента теплопередачи
[7]:
161
-
τd
dT
= α (T2
– Т1), (2)
где
τd
dT − скорость нагревания гранулы,
с
К ; Т1 −
температура гранулы, К; Т2 − температура среды, К.
Получив мощный приток тепла за короткое вре-
мя, температура гранулы становится выше темпера-
туры испарения влаги (Т1>Т2). Начинается процесс
интенсивного паровыделения внутри гранулы. В
результате интенсивного парообразования давление
внутри гранулы становится значительно выше, чем
на поверхности. Удаление влаги из высушиваемой
гранулы гидроксида циркония зависит от большого
числа факторов: температуры гранулы и окружаю-
щей среды, скорости и характера ее движения, раз-
меров и конфигурации, состояния поверхности, дав-
ления внутри тела и окружающей среды. Как из-
вестно, линейная скорость потока жидкости ν в
пористом теле прямо пропорциональна разности
давлений на поверхности материала и внутри него,
квадрату объема пор V2
пор и обратно пропорцио-
нальна динамической вязкости жидкости, квадрату
полной поверхности и квадрату объема тела [6]:
lkS
pV ïîð
η
ν 2
2Δ
= , (3)
где ν − линейная скорость потока жидкости, м/с;
рΔ − разница давлений на поверхности и внутри
гранулы, Па; k – постоянная величина, которая рав-
на приблизительно 5; S – полная поверхность частиц
в единице объема пористой гранулы, м2;
η − динамическая вязкость, Па·с; l − линейный раз-
мер гранулы, м; Vпор − объем пор, м3.
Разделим обе части данного уравнения на время
τ , с.
Уравнение (3) примет вид:
lkS
pV ïîð
ηττ
ν
2
2Δ
= , (4)
где
τ
ν
− ускорение потока жидкости из высушивае-
мой гранулы, м/с2; −
Δ
τ
p скорость изменения разно-
сти давления на поверхности и внутри гранулы,
Па/с.
Для того чтобы ускорить процесс удаления влаги
из высушиваемого материала, необходимо увели-
чить скорость изменения давления на поверхности и
внутри материала. В данном случае это можно осу-
ществить путем мгновенного нагревания гранулы до
высокой температуры и резкого изменения давления
окружающей среды, так как интенсивность парооб-
разования зависит от количества подведенного теп-
ла за единицу времени и давления окружающей сре-
ды. При резком понижении давления окружающей
среды и интенсивном нагревании влага внутри вы-
сушиваемой гранулы вскипает, возникает мгновен-
ный градиент давления, и она распадается на мелкие
частицы, что способствует увеличению отвода жид-
кости из высушиваемой гранулы. В зависимости от
физико-технических характеристик высушиваемой
гранулы гидроксида циркония и режимных пара-
метров термовакуумного процесса происходит из-
менение ее физических, химических и механических
свойств. Воздух, который поступил в полость нагре-
вательного элемента вместе с высушиваемыми гра-
нулами гидроксида циркония, также быстро нагре-
вается, циркулирует между их нагретыми поверхно-
стями и отбирает от них влагу до полной релаксации
градиента давления внутри гранулы. При дальней-
шем продвижении гранулы гидроксида циркония в
полости нагревательного элемента она еще больше
измельчается в результате трения о стенки нагрева-
тельного элемента и от соприкосновения частиц
диоксида циркония между собой (рис. 6), превраща-
ясь в мелкодисперсный порошок диоксида циркония
по реакции:
Zr(OH)4 = ZrО2 + 2H2O. (5)
Рис. 6. Порошок диоксида циркония
Рис. 7. Диоксид циркония
За время нахождения в нагревателе гидроксид
цирконии превращается в диоксид с влажностью
менее 0,5 %, измельчается до фракции от 0,4 до
20 мкм, конгломераты в полученном порошке от-
сутствуют (рис. 7).
В процессе получения диоксида циркония на
данной установке замечено отсутствие загрязнения
образцов примесями и нарушение фазового состава,
главным образом, за счет восстановительных реак-
ций (потери кислорода) [3]. Количество электро-
162
энергии, израсходованной для производства диок-
сида циркония влажностью менее 1 % по предла-
гаемой технологии, составляет 0,4 кВт/кг, что в три
раза меньше существующей технологии. Продолжи-
тельность процесса получения диоксида циркония
из гидроксида циркония измеряется секундами. В
конечном результате получен порошок диоксида
циркония высокой чистоты (таблица).
Элементы ZrO2 Fe Al Ca Cu Sn Si Cr Mn Ti Mg Pb
% <99,4 >0,1 >0,1 >0,1 0,012 0,0073 >0,1 0,038 0,016 >0,1 0,0015 0,026
Данные экспериментальных исследований по-
зволили определить оптимальный технологический
процесс получения диоксида циркония из гидро-
ксида циркония. Полученные результаты являются
следствием новых конструктивных разработок с
использованием комплекса физических, механиче-
ских и электронно-микроскопических методов ис-
следования. При термовакуумном методе получен
мелкодисперсный диоксид циркония без конгломе-
ратов, сокращено время технологического процесса,
уменьшилась занимаемая производственная пло-
щадь, снижено энергопотребление. Удешевление и
усовершенствование предлагаемого метода произ-
водства диоксида циркония позволяет предполагать,
что в ближайшем будущем его соединения и сплавы
найдут более широкое применение в разных облас-
тях техники. Надеемся, что предложенный метод
будет успешно использоваться в технологической
цепочке по производству циркония.
ВЫВОДЫ
Термовакуумный метод получения диоксида
циркония из гидроксида циркония позволяет:
1 - снизить температуру сушки в 2 раза;
2 - уменьшить энергопотребление в 3 раза;
3 - сократить технологический процесс по вре-
мени в 7 раз;
4 - сократить производственную площадь в 5 раз;
5 – получить мелкодисперсный порошок диокси-
да циркония.
ЛИТЕРАТУРА
1. А.В. Никулина. Состояние разработки цирконие-
вых сплавов в мире // V Научно-практическая
конференция материаловедческих обществ Рос-
сии «Цирконий: металлургия, свойства, приме-
нение». Москва, Ершово, 24-28 ноября 2008 г.,
с. 14.
2. В.А. Котрехов, А.К. Шиков. Реконструкция цир-
кониевого производства ОАО ЧМЗ // V Научно-
практическая конференция материаловедческих
обществ России «Цирконий: металлургия, свой-
ства, применение». Москва, Ершово, 24-28 нояб-
ря 2008 г., с. 5.
3. А.Г. Караулов, А.А. Гребенюк, Н.В. Гулько и др.
Влияние длительных изотермических выдержек
на изменение свойств огнеупоров из двуокиси
циркония // Огнеупоры. 1968, №9, с.45-51.
4. Н.Н. Пилипенко. Получение циркония ядерной
чистоты // ВАНТ. Серия «Физика радиационных
повреждений и радиационное материаловеде-
ние». 2008, №2, с. 66-72.
5. Патент №81138, Україна. Пристрій для термо-
вакуумного сушіння / В.О. Кутовий. Бюлетень
№20, від 10.12.07.
6. А.В. Лыков. Тепломассообмен: Справочник. М.:
«Энергия», 1972, с. 338-343.
7. А.И. Вейник. Техническая термодинамика и осно-
вы теплопередачи. М., 1956, с. 250-269.
Статья поступила в редакцию 02.11.2010 г.
УДОСКОНАЛЕННЯ МЕТОДУ ОДЕРЖАННЯ ДИСПЕРСНОГО ДІОКСИДУ ЦИРКОНІЮ
В.О. Кутовий
Наведено опис термовакуумної установки, метод отримання діоксиду цирконію з гідроксиду, хімічний
склад одержаного ZrO2; досліджено макро- і мікроструктури отриманого матеріалу.
ADVANCED METHOD FOR PRODUCTION OF DISPERSED ZIRCONIUM DIOXIDE
V.A. Kutovoy
This work presents a description of thermal vacuum installation, a method for producing zirconium dioxide from
zirconium hydroxide, chemical composition of obtained ZrO2. The macro and microstructure of obtained material
were investigated.
|