Очистка лития от металлических примесей Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 001.891.53

К.В. Ужегов1*, А.О. Меркушкин1, Э.П. Магомедбеков1, А.Д. Плюхов2, Д.М. Шкурыгин2, А. Л. Шимкевич2

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская площадь, дом 9

Национальный Исследовательский Центр «Курчатовский Институт», Москва, Россия 123182, Москва, пл. Академика Курчатова, дом 1 * e-mail: eldar@rctu.ru

ОЧИСТКА ЛИТИЯ ОТ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПРИМЕСЕЙ

Аннотация

Представлены результаты вихревой и магнитной очистки жидкого лития от технологических примесей в виде дисперсной фазы переходных металлов Cr, Fe, Ni. С помощью ИСП-МС метода измерено содержание технологических примесей в расплаве до и после его очистки. Методом электронной микроскопии определены вид и характерные размеры дисперсных частиц.

Ключевые слова: вихревая и магнитная сепарация, дисперсная фаза, ИСП-МС, электронная микроскопия

Литий - самый лёгкий из металлов, отличается от других легкоплавких металлов, большой удельной теплоёмкостью, теплопроводностью, конечно, температуропроводностью и достаточно высокой точкой кипения. Поэтому он имеет низкое давление паров и относительно низкую вязкость при рабочих температурах ядерной энергетической установки космического назначения с малым весом и габаритами [1]. Он имеет исключительно высокую теплоту парообразования.

Как показывает опыт [1], эффективность использования жидкого лития в качестве теплоносителя зависит от его химической чистоты. Технологические примеси, содержащиеся в литии в коллоидной форме, сильно влияют на коррозионную активность лития [2]. Поэтому нужно было разработать методы и средства физической очистки

Видно, что содержание контролируемых технологических примесей в пробах лития существенно превосходит их растворимость, т. е. они попали в жидкий литий вследствие технологической обработки брикетов литийсодержащего сырья.

Для очистки жидкого лития от дисперсной фазы применили два метода: 1) вихревой сепарации с придонной фиксацией холодной диффузионной ловушкой (ХДЛ, см. рис. 1) и 2) магнитной сепарации коллоидных частиц железа и переходных металлов ко дну камеры очистки с фиксацией ХДЛ (см. рис. 2), В первом методе организуется восходящий поток металла в градиентном поле температур у стенки камеры очистки и нисходящий - по центру камеры к ХДЛ. Второй метод дополняется постоянным магнитным полем (путем установки у дна камеры

жидкого лития от дисперсной фазы переходных металлов.

Брикеты литийсодержащего сырья подвергали поэтапному разложению. Жидкий металл, образующийся в процессе термического разложения, сливали в камеру очистки.

После каждого этапа термического разложения был произведен отбор проб и компонентный анализ методом ИСП-МС. Поскольку литий является реакционно-активным металлом по отношению к конструкционным сталям (типа ЭП-502), содержание их компонент (О", Fe, №) в растворенной и дисперсной форме в расплаве интересовало нас в первую очередь. Табл. 1 показывает среднее содержание этих примесей в каждой из последовательно введенных в камеру очистки порций лития.

е очистки

очистки постоянного магнита). Таким образом, организуется конвективный перенос дисперсной фазы к ХДЛ, температура которой лишь немногим выше температуры плавления металла, коллоидные частицы осаждаются в ее объеме и около ее входа. При добавлении к температурному перемешиванию магнитного дрейфа ферромагнитные частицы лучше осаждаются в окрестности ХДЛ.

Циклы очистки металла составляли 8 часов.

Следует отметить, что отсутствие значительного изменения примесного состава металлического лития после проведения очистки, за исключением Бе (см. табл. 2), подтверждает правильность выбора верхней границы температурного градиента при проведении процесса очистки металлического лития в камере очистки, который составил ~500оС.

Таблица 1. Среднее содержание переходных металлов в жидком литии в камер

Примесь Растворимость при 700 С, масс. % Введенная порция лития

1 2 3

Среднее содержание, масс. %

Fe <0,001 0,012 0,032 0,128

Ni 0,010 0,051 0,016 0,161

Cr <0,001 0,048 0,009 0,011

Рис. 1. Камера очистки металлического лития с нагревателями

Рис. 2. Камера очистки металлического лития с магнитами

Таблица 2. Результаты анализа проб лития после очистки, масс. %

Примесь 120 мм 112,4 мм 104,8 мм 97,2 мм 10 мм 2,4 мм -5,2 мм -12,8 мм -20,4 мм

Ре 0,004 0,012 0,050 0,044 0,005 0,001 0,008 0,023 0,281

№ 0,001 0,012 0,054 0,122 0,042 0,019 0,027 0,037 0,064

Сг 0,003 0,064 0,509 0,339 0,029 0,0004 0,058 0,148 0,480

Пробы металла отобраны на оси камеры очистки на разной высоте от входа в ХДЛ. Видно, что дисперсная фаза переходных металлов слабо фиксируется холодной диффузионной ловушкой и стремится концентрироваться вдоль оси тороидального вихря. Конкуренция этих двух центров притяжения носит динамический характер и результирующее перераспределения примесей между ними зависит от времени очистки и скорости циркуляции металла в вихре, которую можно увеличить, например, газ-лифтом с помощью барботажных трубок у стенки камеры.

Поскольку анализ металлического лития дает содержание примесей выше их растворимости в расплаве, т.е. в нем находится дисперсная фаза переходных металлов, проведен структурный анализ лития на идентификацию ферромагнитных частиц.

Методика анализа: Обрезки металлического лития растворили в дистиллированной воде. Крупные частицы отделили пинцетом, раствор, содержащий мелкую взвесь, отфильтровали через бумажный фильтр «синяя лента». Частицы на фильтре промыли дистиллированной водой и высушили.

Размер крупных частиц достигает 1 мм (рис. 3). Электронно-микроскопическое исследование

показало, что они состоят из частиц округлой формы

размером 10-30 мкм, соединённых межу собой перешейками, либо плотно спрессованными. Частицы, задержанные бумажным фильтром, имеют размер от 0.5 до 5 мкм (рис. 4).

Элементный анализ показал, что крупные частицы состоят преимущественно из железа (среднее содержание 80-90%), содержат также никель и хром. В некоторых частицах наблюдалось повышенное содержание никеля (до 25%). Мелкие частицы содержат значительно большее количество никеля (до 85%), в то время как содержание железа не превышает в большинстве случаев 1.5%.

Результаты ИСП-МС анализа показывают значительное содержание макрочастиц

ферромагнетиков. Для удаления указанных дисперсных частиц из расплава лития предложено использование магнитов на дне камеры очистки (см. рис. 2) для концентрирования указанных частиц на дне камеры очистки и их вывода из основного объема металла. Для анализа влияния магнитов на процесс очистки металла отбор проб произведен по высоте металла на расстоянии от оси камеры очистки, равном половине ее радиуса Результаты анализа проб металла после этой очистки в течение 8 часов приведены в табл. 3.

Рис. 3. Электронная фотография крупных частиц

Рис. 4. Электронная фотография мелких частиц

Элемент 104 мм 92 мм 64 мм 36 мм 10 мм 5 мм

Cr 3,93E-04 <7E-05 <7E-05 0,012 0,762 <7E-05

Fe 1,87E-03 3,56E-04 <5E-04 1,67E-03 0,075 2,03E-03

Ni 1,04E-03 6,16E-04 7,20E-04 0,127 0,109 1,48E-03

Из табл. 3 видно повышенное содержание Fe на подтверждена. Необходимо определить способ уровне дна камеры очистки. Таким образом, совместного использования усиления процесса работоспособность предложенного метода очистки конвекции путем установки дополнительного металла от ферромагнитных примесей путем нагревателя и магнитов на дно камеры очистки. установки магнитов на дно камеры очистки

Ужегов Кирилл Владимирович, аспирант кафедры ХВЭ и РЭ РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва

Меркушкин Алексей Олегович, к.х.н., с.н.с. кафедры ХВЭ и РЭ РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва

Магомедбеков Эльдар Парпачевич, к.х.н., доцент, зав. кафедрой ХВЭ и РЭ РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва

Плюхов Анатолий Дмитриевич, к.т.н., начальник лаборатории НИЦ «КИ», Россия, Москва Шкурыгин Дмитрий Михайлович, зам. начальника лаборатории НИЦ «КИ», Россия, Москва Шимкевич Александр Львович, д.ф.-м.н., директор отделения НИЦ «КИ», Россия, Москва

Литература

1. Субботин В.И., Арнольдов М.Н., Ивановский М.Н., Мосин А.А., Тарбов А. А. Литий М.: ИздАТ. 1999. С..263

2. Субботин В.И., Арнольдов М.Н., Ивановский М.Н. Физико-химические основы применения жидкометаллических носителей . М.: Атомиздат. 1970. С. 296

Uzhegov Kirill Vladimirovich1 *, Merkushkin Aleksey Olegovich1, Magomedbekov Eldar Parpachevich1, Pljuhov Anatolij Dmitrievich2, Shkurygin Dmitrij Mihajlovich2, Shimkevich Aleksandr L'vovich2

1D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia

2

National Research Center "Kurchatov Institute", Moscow, Russia. * e-mail: eldar@rctu.ru

CLEANING OF LITHIUM FROM METAL IMPURITIES

Abstract

It shows the results of the vortex and magnetic cleaning liquid lithium from process impurities in the form of a disperse phase transition metals. Using the ICP-MC method to measure the content of impurities in the melt process before and after its purification. By electron microscopy to determine the type and characteristic dimensions of the dispersed particles.

Key words: vortex and magnetic separation, the dispersed phase, ICP-MS, electron microscopy