钙热还原法年产30吨稀土金属钇的工艺设计.docx
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1、钙热还原法年产30吨稀土金属钇的工艺设计摘 要工艺设计主要介绍钙热还原法年产30吨稀土金属钇的工艺,主要包括在陶瓷材料中的应用、在钢铁材料中的应用、生物医学的应用、冶金领域的应用、农业领域的应用。生产金属钇相关的物料计算、工艺设计的详细步骤、设备的选择、每台设备的人员安排以及产生的还原渣的回收处理。关键词:金属钇 三废处理 钙热还原 目 录第一章 金属钇的应用11.1在陶瓷材料中的应用11.2在钢铁材料中的应用11.3钇在生物医学的应用21.4冶金工业方面的应用21.5农业中的应用3第二章 原材料的选择及物料计算42.1 产品及原料的要求42.2 物料计算5第三章 钙热还原生产稀土金属的工艺设
2、计73.1基本原理73.2钙热还原金属钇的工艺设计主要步骤8第四章 三废处理124.1产生的废渣124.2还原渣中CaF2渣的回收124.3废水处理134.4废气处理14总结15参 考 文 献15附件一17附件二18致 谢19第一章 金属钇的应用1.1在陶瓷材料中的应用在陶瓷的生产加工中添加钇元素其具有良好的影响,其稀土氧化物还可以制造应用于军工等领域的耐高温透明陶瓷和应用于冶金工艺的耐高温坩埚。其主要用于军工业,金属基金属陶瓷是在金属基体中加入氧化物细粉制得,又称弥散增强材料。主要有烧结铝(铝-氧化铝)、烧结铍(铍-氧化铍)、TD镍(镍-氧化钍)等。烧结铝中的氧化铝含量约515,与合金铝比,
3、其高温强度高、密度小、易加工、耐腐蚀、导热性好。常用于制造飞机和导弹的结构件、发动机活塞、化工机械零件等。金属陶瓷兼有金属和陶瓷的优点,它密度小、硬度高、耐磨、导热性好,不会因为骤冷或骤热而脆裂。另外,在金属表面涂一层气密性好、熔点高、传热性能很差的陶瓷涂层,也能防止金属或合金在高温下氧化或腐蚀属陶瓷广泛地应用于火箭、导弹、超音速飞机的外壳、燃烧室的火焰喷口等地方。1.2在钢铁材料中的应用钇能改善不锈钢在气体氛围中的高温性能和抗氧化性能。另外,钇能增强铝膜的强度,并有助于与金属表面紧密结合。钇加入某些特殊应用而研制的超合金中,要求高温(通常超过817)耐久性,以及高抗张强度和抗氧化性。通常,超
4、合金中钇的加入量很少(0.31.3)。另外,在铂合金中加入钇,可以阻止晶粒长大,改善时效稳定性和蠕变强度。不锈钢是铁基合金,通常含有钇,通称FeCr合金钢。FeCr合金钢最初是由美国通用电气公司和英国原子能机构研制出来的,通常含钇0.54、铬1522、铝45。钇可以提高不锈钢的抗氧化性和塑性。(1)在高温下的钢铁液中,Y与S,O2,P,C,N作用而生成YS,Y203,YP,YC和YN等化合物,提高了钢铁的使用性能。(2)在钢铁液中,Y与夹杂物如AI203、mns相互反应而生成Y203、YS,而A12O3,Mns变为Mn,AI,使钢铁的综合性能提高。(3)有时,Y也可与钢铁进行合金化而生成新的化
5、合物。有利钢铁的综合性能的提高。(4)在铸铁中,加入Y1.0%后,可提高共晶温度度及固溶度,以改善工艺性。(5)在18-8型不锈钢中,加入Y 0.015-0.07%明显提高耐针孔腐蚀性,有利于应用环境的要求。(6)在耐热钢中加Y,可显著降低钢在不同温度下的氧化速率。减少氧化增量,提高使用寿命。(7)45号钢在960下的盐熔渗硼时,加入以Y为主的稀土化合物后,可提高硼的渗速和渗量,Y也渗入表层中使表面性能大为改善,也提高钢表面的耐蚀性。使渗层厚度提高22%-25%,使用效果更好,经济价值更高。(8)在石油无缝钢管的生产中加入Y后,可降低粹火裂纹和锻造裂纹,简化了热处理工艺。(9)有些高合金不锈钢
6、中加入Y ,0.02-0.05%后可明显改善材料的热塑性,提高加工性能。1.3钇在生物医学的应用稀土化合物作为药物使用的临床实验和有关研究也是当今一个极为重要的研究领域。由于稀土钇具有独特的光磁特性,常作为磁共振探针和荧光探针用于医学的临床诊断试验。近年来人们开始将稀土钇引入中草药,利用中草药本身的疗效,加上钇化合物的一些独特性质(如抑癌作用),可望提高中草药的抗癌药效,扩大其适宜性。稀土钇的吸收,改善了药用植物的营养条件,丰富了中草药中的微量元素的含量,从而提高了中草药的疗效。稀土钇的化学性质和强络合能力决定了在一定条件下可能成为有机体内有害自由基的清除剂,其易于与大分子生物体相络合及配位的
7、多样性、特别是离子半径变化的连续性使其有可能成为各种生物活性金属的调节剂。1.4冶金工业方面的应用稀土钇在铸铁中作为石墨球化剂、形核剂和对有害元素的控制剂,可提高铸件质量,改善其机械性能,主要用于钢锭模、轧锟、铸管和异型件等的生产中。有色合金方面,添加钇对以有色金属为基的各种合金都有良好的作用,可改善合金的物理和机械性能,且应用最多的是铝、镁、铜三个系列。1.5农业中的应用稀土钇作为植物的生长、生理调节剂,在-定条件下对农作物具有增加产量、改善品质和提高抗逆性三大特征;同时稀土钇属低毒物质,对人畜无害,对环境无污染。大量研究证明稀土钇对农作物的作用主要体现为:(1)提高种子的发芽率(2)促进作
8、物的根系发育(3)促进叶绿素的增加(4)提高酶的活性(5)提高植物的抗逆性此外,稀土钇与其他稀土元素相配可制成稀土微肥,促进农作物生长,干物质增多,达到增产和改善品质的效果19第二章 原材料的选择及物料计算2.1 产品及原料的要求钇(Y)为灰黑色金属,有延展性,与热水能起反应,易溶于稀酸。金属钇主要用作合金添加剂,以提高镁基.铁基、镍基铜基等材料的综合性能。此外,在原子能工业中,金属钇用作功能材料。金属钇产品为锭状,表面清洁,无肉眼可见夹杂物和氧化物粉末,断面呈银灰色,化学成分见表1所示:表1 金属钇质量标准(GB/T13359-92)(%)产品牌号化学成分RE不小于Y/RE不小于含杂质量 不
9、大于稀土杂质非稀土杂质SiFeCaOTaCNiMgY-049999.990.010.010.010.010.30.20.020.050.01Y-298.599.90.10.050.050.050.40.40.030.10.05Y-498991.00.050.10.150.50.50.050.30.1Y-049999.990.01TiCuAlNSF0.050.010.010.050.010.05原材料采用无水氟化钇,理论氧化含量为39.0%,呈纯白色,要求w(F)38.4%,w(O)0.05%0.1%,w(C)0.01%,w(Si)0.01%,w(Fe)0.01%,w(Ni)0.01%0.15%
10、。若以氧化钇为原材料,则要求灼烧完全,颜色为纯白色,其化学成分见表2所示:表2 氧化钇的质量要求(GB/T35032006) 产 品 牌 号171050171045171040171030A171030B171030C171020化学成分(质量分数)/%REO()99.099.099.099.099.099.098.5Y2O3/REO()99.99999.99599.9999.999.999.999.0杂质含量()稀土杂质(REO)0.00020.00050.00100.02含量0.1含量1.00.00020.00050.00050.00050.00010.00050.00100.00050.
11、0010.00010.00050.00100.00050.0010.00010.00050.00100.0.0010.00010.00030.00100.00010.00050.00100.010.00010.00050.00100.0010.00010.00050.00100.00010.00050.00100.000050.00050.0010续表2产 品 牌 号171050171045171040171030A171030B171030C171020化学成分(质量分数)/%杂质含量()稀土杂质(REO)0.000050.00030.00050.000050.00050.00100.000
12、050.00050.0010非稀土杂质0.00030.00050.00070.00050.0010.0020.0050.00070.00100.00100.0020.0050.00050.00060.00060.00020.00050.0010.00050.00050.00100.00020.00050.0010.00050.00050.00100.00050.00050.0010.00200.0030.00500.0050.0010.010.020.020.030.030.030.05灼减()1.01.01.01.01.01.01.52.2 物料计算根据钙热还原稀土金属钇的化学反应方程式计算
13、原材料的用量和生成物氟化钇的用量。钙热金属钇的反应为:2YF3+3Ca = 2Y+3CaF2已经明确了本工艺设计最终每年要生产30吨稀土金属钇,一台机器一年要生产360天。设:生产30吨稀土金属钇22金属钙的用量为X吨,氟化钇的用量为Y吨,氟化钙的产量为Z吨。反应物的用量与氟化钙的产量可由下式计算得到:2YF3+3Ca = 2Y+3CaF22 3 2 3Y /146 X/40 30t/89 Z/78即 (2146)/Y(340)/X(289)/30(378)/Z还原剂金属钙其相对原子质量为40,纯度为99.9%,稀土总量为99%又金属还原剂应过量20%还原25吨金属钇需要的金属钙为:X3403
14、01.2/(2890.990.9) 27.24吨原料氟化钇的平均相对原子质量为146,纯度为99.99%,稀土总量为99%生产钇消耗的氟化钇为:Y214630/(2890.990.9) 55.23吨钙热生成的氟化钙Z37830/(289) 9.72吨又本工艺设计一台机器每年运作360天每天生产金属钇:30000/36083.33kg每天消耗金属钙:9720/36075.67kg每天消耗氟化钇:55230/360153.42kg,每天生成氟化钙:9720/360110.33kg每还原1kg金属钇时消耗金属钙0.908kg,消耗氟化钇1.841kg,消耗氟化钙1.324kg第三章 钙热还原生产稀土
15、金属的工艺设计3.1基本原理稀土金属钇的制备原理主要是生产金属钇采用金属热还原法,在真空条件下以氟化钇和氟化镁混合物为原料,以金属钙作还原剂,制取钇-镁合金,然后通过蒸馏除镁获得纯金属钇。另一种方法是电解法,由于金属钇的熔点高,要求的电解温度也高,因此需要耐高温抗腐蚀的槽衬材料,使电解设备复杂,同时金属回收率低,因此,合适的方法是首先生产一种熔点较低的含钇的母合金,然后通过真空蒸馏获得纯金属钇。氧化钇,化学式Y2O3,白色略带黄色粉末,偏碱性,不溶于碱和水,溶于酸,在高温氧化和还原性气氛中的化学性质都非常地稳定。图1为氧化钇分子结构图:图1 氧化钇分子结构图真空钙热还原制备稀土金属的原料一般为
16、稀土卤化物,目前比较常用的是稀土氟化物,制备金属的化学反应通式如下:2REF3+3Ca= 3CaF2+2RE式中:REF3-被还原稀土金属的氟合物;RE-稀土金属;Ca-还原剂金属钙;CaF2-还原产物氟化钙在一定温度下,上述反应能否进行以及进行的程度,取决于参与该反应的反应物(包括还原剂)和产物的物理化学性质以及过程所处的环境,比如物质的熔点、沸点、蒸气压、标准生成自由焓和标准生成自由能等。还原剂:金属钙要求杂质含量和含氧量低,-般使用蒸馏钙在整个钙加工、存放及还原的操作过程中均需防止氧化。氧还原的原材料:稀土氯化物或氟化物。含氧量低于0.1%。否则会影响金属与渣的分离,从而降低回收率和缩短
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