|
Редкие металлы. Вопросы к колотку 1. 1. Понятие редкий элемент, место редкометальных технологий в металлургии и химической технологии. Редкие элементы
1. Понятие «редкий элемент», место редкометальных технологий в металлургии и химической технологии.
Редкие элементы – условное название группы химических элементов относительно новых в плане технического использования. Основная граница деления проходит по содержанию элемента в земной коре на уровне 0.1 %.
2. Классификация редких элементов.
РМ, обладающие общностью физических или химических свойств, выделены в особые группы:
• легких (Li, Rb, Cs, Be);
• тугоплавких (Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W, Re);
• платиноидов (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt);
• редкоземельных элементов (иттрий, лантан и 14 лантаноидов)
• радиоактивных (U, Th, Pu, Tc и т.д.);
• рассеянных (Rb, Ga, In, Tl, Ge, Hf, Se, Te, Re)
3. История развития производства редких металлов. Производство редких металлов до середины XX в.
Открытия редких элементов сопровождались наибольшим числом случаев открытия уже открытых элементов, разделения новых элементов еще на группы, открытия, наоборот, несуществующих элементов.
Производство РМ было основано в середине ХХ века с развитием технологий жидкостной экстракции и ионного обмена. Развитие технологий производства РМ в 50-х гг XX века было связано с развитием атомной отрасли.
4. Роль ядерной энергетики.
Единственный источник электроэнергии, способной к наращиванию своих мощностей.
Расход энергии удваивается примерно каждые 20 лет. Единица измерения - Q = 1018 Btu = 1,055 1021 Дж (эквивалентно 35,7 млрд. т. условного топлива или
25 млрд. т. нефти).
Энергетические запасы
1. Возобновляемые источники энергии:
• Гидроэнергетические (реки) 0,2 Q/год;
• Энергия естественного фотосинтеза 0,1 Q/год (тогда как общий поток солнечной энергии на Землю составляет 3000 Q/год);
• Энергия ветров, геотермальная, морских приливов и отливов.
2. Невозобновляемые источники энергии:
• Доступные (всего
90 Q);
• Каменный и бурый уголь 74 Q;
• Нефть 10 Q;
• Природный газ, конденсат 6 Q.
• Прочие виды топлива (сланцы, торф и др.) могут быть использованы позднее и дадут примерно ещё 250 Q.
3. Ресурсы ядерной энергии (только при использовании их в реакторах деления):
• Уран-235 при использовании в тепловых реакторах – 5 Q;
•Уран и плутоний при полном использовании в реакторах на быстрых нейтронах – до 700 Q;
• Торий (и уран-233) при использовании смешанных топливных циклов в быстрых реакторах – до 5600 Q.
5. Текущее состояние атомной промышленности в России и в мире.
Россия поставляет топливо на 76 энергетических реакторов в 14 стран мира, что составляет 17% мирового рынка ядерного топлива.
По данным МАГАТЭ, на 31 декабря 2016 г. атомные энергетические реакторы эксплуатировались в 30 странах мира. Всего в эксплуатации находилось 449 блока, общей мощностью 392,1 ГВт эл., что составляло примерно 16.3 % мирового производства электрической энергии. 54 ядерных реактора строится в настоящий момент. На первом месте по количеству работающих энергоблоков находятся США – 96 блока, первое место по доле атомной энергетики в производстве электроэнергии занимает Франция – 70.6%.
6. Применение урана, тория и плутония в ядерной энергетике.
В современной ядерной энергетике находят применение изотопы:
• урана U235, U233, U238;
• тория Th232;
• плутония Pu239, Pu241
Делящиеся изотопы: U235, U233, Pu239, Pu241
Пример расчёта энергии, выделяемой при реакции деления:
92U235 + 0n1 → 56Ba144 + 36Kr90 + 2 0n1
Атомные массы:
Уран – 235,0439 а.е.м., нейтрон – 1,0087 а.е.м., барий – 143,881 а.е.м., криптон– 89,947 а.е.м. ⇒ суммарная масса исходных реагирующих участников – 235,0439 + 1,0087 = 236,0526 а.е.м., продуктов – 143,881 + 89,947 + 2,0174 = 235,8454 а.е.м.
Так как 1 а.е.м. = 1,6605402∙10-27 кг, получаем изменение массы в ходе реакции: 236,0526 – 235,8454 = 0,2072 а.е.м. или 3,440639∙10-28 кг.
Из E = m∙c2 следует, что на каждый атом урана выделится 3,09∙10-11 Дж энергии.
1 г урана-235 содержит 25,626∙1020 атомов.
При полном делении 1 г урана по рассмотренной реакции должно выделиться 7,925∙1010 Дж (или 79,25 ГДж) энергии.
7. Конверсия природного тория-232 в делящийся уран-233.
90Th232 + 0n1 → 90Th233 (T½ = 23,3 мин) + γ → 91Pa233 (T½ = 27,4 сут.) + β → 92U233 + β
8. Конверсия природного урана-238 в плутоний-239.
92U238 + 0n1 → 92U239 (T½ = 23,5 мин) + γ → 93Np239 (T½ = 2,33 сут.) + β → 94Pu239 + β
9. Деление урана.
92U235 + 0n1 → ZAM + 92-ZB236-M-(2÷3) + (2÷3) 0n1 (Е > 1,4 МэВ) + (195÷200 МэВ)
из них примерно 168 МэВ - кинетическая энергия радионуклидов деления (РНД). 3,1∙1010 делений в секунду дают 1 ватт энергии.
Пример: 92U235 + 0n1 → 38Sr94 + 54Xe140 + 2 0n1
Затем следуют цепочки радиоактивных превращений:
38Sr94 → 39Y94 + β- → 40Zr94 + β-
54Xe140 → 55Cs140 + β- → 56Ba140 + β- → 57La140 + β- → 58Ce140 + β-
10. Классификация нейтронов по энергиям.
Тепловые нейтроны: Е = 0,0253 эВ
Медленные нейтроны: 0,0253 <Е <1 эВ
Нейтроны промежуточных энергий: 1
Быстрые нейтроны: E> 1000 эВ (в основном>1,4 МэВ).
11. Основы работы ядерных реакторов.
Цепная реакция может принять одну из трёх форм, в зависимости от среднего количества нейтронов, образующихся при каждом акте деления, которые эффективны для распространения цепной реакции (kэфф.)
1. Если kэфф. > 1, то скорость делений увеличивается спонтанно, пока не будет снижена вследствие потерь (принцип действия атомной бомбы). Из-за очень коротких промежутков между актами деления (менее 0,01 мкс) энергия выделяется в виде взрыва.
2. Если kэфф. < 1, то реакцию можно начать с помощью внешних нейтронов, но более или менее быстро реакция затухает.
3. Если kэфф. = 1, то реакция продолжается с постоянной скоростью (критичность, условие работы атомного реактора).
Для того чтобы цепная реакция развивалась нормально, необходимо учесть ряд условий: массу делящегося материала; геометрию активной зоны; энергетический спектр нейтронов; физическое расположение делящегося материала и замедлителя; присутствие поглотителей нейтронов.
12. Типы промышленных ядерных реакторов.
1. Реакторы типа ВВЭР (PWR) и BWR были разработаны на основе реакторов для ядерных подводных лодок;
2. Реакторы типа Magnox (AGR) и CANDU (использующие уран естественного изотопного состава);
3. Реактор РБМК был разработан на основе конструкции реакторов, использовавшихся для наработки плутония.
13. Классификация ядерных реакторов.
По назначению
1. Конверторы (для конверсии урана-238 в плутоний-239, для конверсии тория-232 в уран-233, смешанных циклов);
2. Энергетические (стационарные, мобильные, вторичные, т. е. служащие для производства неядерного топлива, например, водорода);
3. Двуцелевые (многоцелевые);
4. Исследовательские (генераторы потоков нейтронов).
По характеристикам нейтронов
1. На тепловых нейтронах (отдельно можно выделить реакторы, работающие на медленных (надтепловых) нейтронах с энергиями менее 1 эВ);
2. На нейтронах промежуточных энергий;
3. На быстрых нейтронах (в основном с энергиями нейтронов более 1,4 МэВ).
По способу теплосъёма и составу теплоносителя
1. С водяным теплоносителем - корпусные (ВВЭР 440; PWR; BWR), канальные (РБМК 1000, 1500);
2. С жидкометаллическим теплоносителем (в качестве теплоносителя используют натрий, свинец, натрий-свинцовый сплав; примерами таких реакторов являются БН-350, 600 и 800; БОР 10 и 60; БРЕСТ);
3. С циркулирующим топливом (например, с топливом в виде солевого или металлического расплава, с твёрдым шарообразным топливом);
4. С газовым теплоносителем (применение нашли такие газы как гелий, аргон, углекислый газ, диоксид азота);
5. С органическим теплоносителем.
По изотопному составу топлива
1. На естественном уране;
2. На уране, обогащенном по 235-ому изотопу;
3. На плутониевом топливе;
4. На уране-233;
5. На смешанных топливах.
По составу ядерного топлива
1. С металлическим топливом;
2. С оксидным топливом;
3. С карбидным топливом;
4. С нитридным топливом;
5. С композиционным (смешанным) топливом;
6. С топливом в виде водных растворов;
7. С топливом в виде солевых расплавов;
8. С газообразным топливом (смеси UF6 с другими фторидами);
9. На смешанных топливах.
По составу замедлителя
1. Графитовые.
2. Легководяные – на Н2О.
3. Тяжеловодяные – на HDO и D2O.
4. На литии-7.
5. На бериллии (в виде металла или оксида).
6. С органическим замедлителем (парафины и т. д.).
По результатам работы
1. Регенеративные (с коэффициентом воспроизводства менее 1).
2. Размножители (бридеры) – с коэффициентом воспроизводства > 1.
Коэффициент воспроизводства - отношение числа ядер образовавшегося топлива к числу ядер выгоревшего делящегося топлива.
14. Реакторы на быстрых нейтронах.
Преимуществом реактора на быстрых нейтронах является возможность вовлечения в энергетику U238 – основного изотопа в природном уране.
Реактор на быстрых нейтронах позволяет нарабатывать плутоний-239 – ценное топливо для тех же ядерных реакторах.
На 100 разделившихся ядер U235 или Pu239 образуется 120−140 новых ядер плутония-239.
Поскольку вероятность деления ядер быстрыми нейтронами меньше, чем тепловыми, топливо должно быть обогащенным в большей степени, чем для тепловых реакторов. Кроме того, отводить тепло с помощью воды здесь нельзя (вода- замедлитель), так что приходится использовать другие теплоносители: обычно это жидкие металлы и сплавы.
Для извлечения плутония необходима переработка облученного ядерного топлива (ОЯТ).
Процессы получения энергии деления и производства плутония в этих реакторах пространственно разделены – новые делящиеся изотопы образуются в боковой и торцевых зонах воспроизводства, или бланкетах.
Сложности
1. Более сложная конструкция реакторов;
2. Термические и радиационные нагрузки гораздо выше, чем в тепловых реакторах;
3. Использование натрия (химически активного и пожароопасного металла, бурно реагирующего на соприкосновение с воздухом и водой);
4. Более сложные процесс перегрузки ТВС (тепловыделяющая сборка);
5. Необходимость создания и внедрения технологий переработки маловыдерженного ОЯТ (облученное ядерное топливо).
15. Конструкционные материалы ядерных реакторов.
Это контейнеры для установок облучения, оболочки ТВЭЛов, трубопроводы систем охлаждения
1. Минимальное сечение захвата
2. Механическая надежность
3. Высокая теплопроводность
4. Коррозионная стойкость по отношению к топливу, теплоносителю и продуктам деления
5. Механическая надежность обеспечивается прочностью и пластичностью материала, сопротивлением ползучести, виброустойчивостью, стабильностью размеров при циклических режимах работы
6. Небольшая плотность
7. Слабое взаимодействие с U, Pu, UO2
6. Высокая температура плавления, прочность
8. Высокая устойчивость в расплавах натрия
Алюминий, бериллий магний, нержавеющая сталь, цирконий, литий, РЗЭ, гафний, молибден.
16. Использование сплавов на основе циркония в атомной энергетике.
1. Низкое сечение захвата
2. Высокая температура плавления
3. Высокая прочность и пластичность
4. Хорошая обрабатываемость
5. Высокая коррозионная стойкость
6. Сохраняет механические свойства при облучении
7. Относительно низкая теплопроводность
8. Высокая стоимость
Коррозионные свойства циркония
Несмотря на высокую реакционную способность, цирконий исключительно коррозионностойкий металл, благодаря образованию на его поверхности тонкой пленки очень стойкого оксида циркония, надежно предохраняющего его от окисления и разрушения.
Цирконий практически не разрушается в холодных и горячих (до 100 0С) минеральных кислотах, щелочах, аммиаке и др.
Механические свойства циркония
Чистый иодидно-рафинированный цирконий обладает высокой пластичностью и малой прочностью
Цирконий способен к быстрому упрочнению под влиянием малых пластических деформаций и малых количеств примесей
Примеси, особенно внедрения, резко ухудшают пластичность циркония
Легирование циркония
1. Легирующий элемент должен иметь низкое сечение захвата тепловых нейтронов
2. Легирующий элемент должен обеспечивать коррозионную стойкость деталей активной зоны на весь срок эксплуатации
3. Легирующий элемент должен обеспечивать механическую надежность при всех возможных режимах работы реактора
4. Легирующий элемент не должен образовывать долгоживущих радионуклидов
Легирующий элемент – ниобий
Наличие малых количеств таких примесей, как азот, углерод, алюминий и кремний, увеличивает скорость коррозии циркония)
Цирконий реагирует с перегретой водой и водяным паром (> 300 0C) )
Для работы в качестве ТВЭЛьных трубок (срок эксплуатации – 3 года) и канальных труб (срок эксплуатации – 30 лет) необходимо введение легирующих элементов.
17. Применение лития, бериллия, редкоземельных элементов (РЗЭ), гафния и молибдена в атомной промышленности.
Литий
Жидкий Li7 используют как теплоноситель для ЯР
• 7LiOH·H2O применяют в качестве подщелачивающей добавки в теплоноситель I контура реакторов PWR
• Использование лития в ядерных реакторах основано на отличии изотопов в поперечном сечении захвата тепловых нейтронов: для Li6 - 910 барн, для Li7 - 0.033 барн
• Внутри контейнера из урана-238, покрытого слоями нейтронных поглотителей и отражателей, находится термоядерное горючее - дейтерид лития-6 и стержень из Pu-239, играющий роль запала термоядерной реакции.
Дейтерид лития-6 6LiD (или 6Li2H) используется как термоядерное топливо. Термоядерная бомба состоит из двух ступеней: триггера и контейнера с термоядерным горючим.
Триггер - плутониевый ядерный заряд, обеспечивающий условия для разжигания термоядерной реакции: высокую температуру и давление.
Бериллий
Замедлитель и отражатель нейтронов, основа нейтронных источников пуска атомных реакторов:
9Be + 4He12C + 1n (источник α-частицы 239Pu)
9Be +8Be+ 1n (источник γ-излучение 226Ra)
РЗЭ
Оксиды самария, европия и гадолиния используют в красках, защищающих от радиации (максимальное сечение захвата)
Оксиды эрбия и гадолиния используют в качестве выгорающего поглотителя нейтронов в ТВЭЛах
Титанат диспрозия, Dy2O3·TiO2 (наряду с карбидом бора) является основным материалом для органов управления ЯЭУ
Гафний
Металлический гафний может использоваться в качестве поглотительного элемента (ПЭЛ) ЯР (регулирующие стержни).
Молибден - технеций
• Доминирующим радионуклидом для целей ядерной медицины является 99mTc (T½- 6 часов), являющийся продуктом распада Mo-99.
• Широкое применение 99mTc обусловлено совокупностью ядерно-физических и химических свойств - малый период полураспада, отсутствие корпускулярного излучения, оптимальная для сканирования энергия фотонного излучения
18. Изотопы редких элементов.
Цезий-137 и рубидий-86 используются в γ-дефектоскопии, измерительной технике и для радиационной стерилизации.
19. Применение редких металлов в электронике.
Основой современной полупроводниковой промышленности наряду с кремнием составляют рассеянные редкие элементы (Ga, In, Ge). Редкоземельные металлы (Nd, Y, Er, Ho, Yb, Tm, Sc) и типичные рассеянные элементы (Ga, In, As) являются основной рабочей средой соответственно твердотельных и полупроводниковых лазеров.
• Арсенид галлия является вторым по значению после кремния полупроводниковым материалом
• Германий используется в твердотельной электронике
• Индий и галлий служат акцепторной добавкой при изготовлении кремниевых и германиевых полупроводников
Развитие электроники также связано с нарастающим потреблением тугоплавких РМ:
• Ta – незаменим в производстве конденсаторов,
• Nb используется в производстве сверхпроводников,
• W – лучший материал для нитей и спиралей в лампах накаливания.
Соединения лития широко применяют для производства химических источников тока и аккумуляторов.
Различные соединения на основе галлия (индия, селена) являются основой светодиодной промышленности.
Люминофоры на основе европия, тербия и иттрия используются в экранах ЭЛТ, ЖК и плазменных мониторов, телефонов и мобильных устройств. В свою очередь, люминофоры испускают видимый свет различного спектра. Люминофоры – твёрдые и жидкие вещества, способные люминесцировать под действием различного рода воздействий. Существует более 100 люминофоров, содержащих РЗЭ
Компактные энергосберегающие лампы позволяют использовать небольшое количество электричества, котороетратится на активацию фосфоров, содержащих РЗМ (Y, Tb, Eu, Dy).
20. Применение редких металлов в металлургии.
Ферросплавы
Ферросплавы (феррованадий, феррониобий, ферроцирконий, ферромолибден, ферровольфрам) применяются для легирования сталей. Для получения ферросплавов используют оксиды РМ технической степени чистоты. Сплавы Fe-РЗМ используют как раскислители при выплавке сталей и сплавов. Наибольший объем потребления РМ связан с производством сплавов.
1. Сплавы с РМ широко используются в авиа и ракетостроении.
2. Более половины производимого бериллия идет на производство сплавов для авиа и ракетостроения.
3. Введение скандия в алюминиевые сплавы придает им повышенную прочность
4. Никель-кобальтовые сплавы, легированные тугоплавкими РМ (V, Nb, W, Mo, Zr, Hf, Re) обладают уникальной жаропрочностью, жаростойкостью, коррозионной устойчивостью при температурах до 1400 0С (cуперсплавы).
5. Сплавы молибдена с тугоплавкими металлами (Re, Zr, Ti) имеют высокую твердость и пластичность при температурах 2000–3000 0С, что позволяет использовать их в ракетно-космической технике.
6. Высокопрочные низколегированные стали, легированные ванадием, ниобием, цирконием, молибденом и РЗМ, используют как легкий конструкционный материал в автомобилестроении.
7. Добавки РЗМ к различным сплавам алюминия и магния увеличивают их прочность, в том числе при высоких температурах.
8. Благодаря высокой плотности вольфрам является основой тяжёлых сплавов, которые используются для противовесов, бронебойных сердечников подкалиберных и стреловидных оперенных снарядов артиллерийских орудий, сердечников бронебойных пуль.
9. Повышение свойств броневых и орудийных сталей связано с легированием их редкими элементами – молибденом, ванадием, цирконием. Индивидуальные тугоплавкие редкие металлы и сплавы на их основе применяют как конструкционный материал в химическом машиностроении.
10. Вольфрам и молибден применяются в высокотемпературных вакуумных печах сопротивления в качестве нагревательных элементов. Электроды на основе вольфрама используют в аппаратах для аргонно-дуговой сварки металлов, сталей и сплавов.
11. Катоды на основе гафния применяют для высокотемпературных резки металлов.
Перечисленные сплавы в закаленном состоянии обладают хорошей пластичностью и технологичностью, а в термообработанном (состаренном) состоянии - также высокими механическими свойствами.
Твёрдые сплавы – твёрдые и износостойкие металлические материалы, способные сохранять эти свойства при 900-1150 °C. Их изготовляют из высокотвёрдых и тугоплавких материалов на основе карбидов (нитридов) вольфрама и тантала, связанных кобальтовой металлической связкой. Твёрдые сплавы применяются, например, в обработке резанием конструкционных материалов, волочение, штамповка, прокатка, рудообрабатывающее оборудование.
21. Редкометальные катализаторы.
• В автомобильном катализаторе происходит одновременное превращение CO, CHx и NOx в углекислый газ (СО2), воду (Н2О) и азот (N2), в связи с этим он называется трехмаршрутным. Трехмаршрутный катализатор – керамический блок ячеистой структуры, на внутреннюю поверхность которого нанесено покрытие, включающее платиновые металлы (Pt, Pd, Rh), основой которого является смесь Al2O3 и оксида церия-циркония.
• Катализаторы на базе V2O5 используются при производстве серной кислоты и ряда органических соединений.
• Катализаторы на основе сульфида рения замещают платиновые катализаторы в процессах гидрирования, алкилирования, изомеризации и т.п.
• Катализаторы на основе диоксида германия применяют в качестве катализатора полимеризации в производстве полиэфирных материалов.
• Платиново-рениевые биметаллические катализаторы (металл, нанесенный на различные носители – оксиды алюминия, кремния и др. с добавками) используют для получения высокооктановых сортов бензина из низкосортных методом риформинга – каталитической ароматизации (повышения содержания ароматических углеводородов)
• Добавки оксидов редких земель (до 4 мас. %) позволяют повысить выход высокооктановых бензинов и увеличить время работы катализаторов в процессе каталитического крекинга – получения компонента высокооктанового бензина и непредельных углеводородов путем разложения полученной при перегонке нефти парафиновой фракции.
22. Использовании редких металлов в качестве компонентов керамических изделий и специальных видов стекла.
Цирконий - получение керамик, упрочнение поверхностей лопаток турбин, создание конструкционных материалов
Более 85 % производимого циркониевого сырья используется в минеральной форме в виде циркона или бадделита:
• литейное производство (противопригарные смеси)
• производство огнеупоров – 15 %
• производство эмалей и глазурей – 49 %
• производство абразивов – 19 %
От 10 до 15 % концентратов перерабатывается с целью получения оксида циркония (7-10 %), стабилизированного Y2O3 – высокотемпературная конструкционная керамика, обладает ионной проводимостью при температуре 300°С. Характеризуется высокой радиационной стойкостью, повышенной прочностью, износостойкостью
РМ – ионные красители стекла – в стекло вводят катионы переходных и редкоземельных элементов (3d- и 4f-элементы), которые имеют неспаренные электроны или незаполненные орбитали (V3+,4+; Ce3+,4+; Nd3+, Pr3+,Se и т.д.).
Для устранения естественной окраски стекол, связанной с присутствием ионов Fe3+ проводят их обесцвечивание – вводят строго контролируемые количества добавок красителей (соединения кобальта, никеля, РЗМ), которые окрашивают стекло в цвет, дополняющий спектр поглощения железа до нейтрального.
Тяжелые баритовые флинты ТБФ
Cтекла системы ZnO–B2O3–La2O3 («кроны») отличаются высокой химической устойчивостью, имеют высокие модули упругости и твердость.
Стекло Линдемана – рентгеноструктурные исследования (содержит кроме B2O3 также Li2O, BeO, Al2O3 и другие добавки), прозрачное для рентгеновских лучей.
Фторидные стекла – это класс неоксидных оптических стекол, образованных фторидами щелочных металлов и бериллия (фторбериллатные стекла) и соединениями на основе фторидов тяжелых металлов (ZrF4, HfF4), служат исходным материалом для производства световодов.
Прозрачная нанокерамика – материалы, получаемые на базе нанопорошковых керамических материалов. Нанопорошки изготавливают из оксидов Al2O3 (лукалокс), Y2O3 (иттралокс) и их производных Y3Al5O12 и YAlO3, а также на базе оксидов MgO, BeO и Lu2O3.На базе нанопорошковой технологии получают прозрачные керамические материалы, например, для изготовления линз, сцинтилляторов, матриц квантовых генераторов и др.
26. Общая характеристика сырья для получения редких элементов.
Минералы РМ, минералы других элементов, вторичные источники сырья (отходы производства РМ – стружка, брак; металлический лом; переработка ОЯТ), ионные руды
27. Минералы редких элементов I группы периодической системы элементов (ПСЭ).
Сподумен LiAl[Si2O6] ;
Лепидолит KLi2Al[Si4O10](F,OH)2 ;
Поллуцит (Cs,Na)[AlSi2O6].nH2O;
28. Минералы бериллия.
Берилл 3BeO.Al2O3.6SiO2
29. Минералы редкоземельных элементов.
Лопарит (Ln,Na,Ca)2(Ti,Nb)2O6, монацит (Ln,Th)PO4, бастнезит Ln(CO3)F, иттросинхизит Ln(CO3)F∙CaCO3;
30. Минералы тория.
Монацит (Ln,Th)PO4;
31. Минералы урана.
уранинит U3O8, гуммит UO3∙xH2O, настуран UO2+х
32. Минералы циркония.
Циркон ZrSiO4, бадделеит ZrO2
33. Минералы элементов VB подгруппы ПСЭ.
Колумбит-танталит (Fe,Mn)[(Nb,TaO3)2]
34. Минералы молибдена и вольфрама.
Молибденит MoS2, шеелит CaWO4, вольфрамит (Fe, Mn)WO4
35. Комплексные руды и минералы.
Карналлит (Li, Rb, Cs) – KCl∙MgCl2∙6H2O, апатит (РЗЭ) Сa5(PO4)3F, бокситы Ga глинозем+примесь минеральных компонентов SiO2, TiO2), титаномагнетит (V) Fe3O4∙TiO2, cфалерит (In, Cu, Cd, Pb) – ZnS, медные концентраты Tl, Se, Te (халькопирит CuFeS2, халькозин Cu2S, пирит FeS2, галенит PbS, сфалерит ZnS, пустая порода), растворы после СПВ урана (Sc, Ln), германийсодержащие бурые угли
36. Вторичные источники редких элементов.
Все РМ – отходы производства (брак, стружка, обрезь и др.); U, Pu – переработка ОЯТ; Та – отработанные конденсаторы; Nb – сверхпроводники; Mo, W – металлический лом (стали, сплавы) и сплавы химической отрасли; Re – отработанные катализаторы.
Ионные руды - уникальный тип руд, встречающийся только в Китае и образовавшийся в результате уникальных геоклиматических условий. Ионы РЗЭ переходят в водную фазу и мигрируют вниз, каолиновые глинистые почвы сорбировали ионы Ln = получение естественного концентрата РЗЭ Ln2O3. Ионные руды разрабатываются открытыми методами, полученный концентрат обрабатывается 1 М HNO3, в результате чего получают раствор, пригодный для экстракции
37. Классификация вторичного сырья. ????
38. Извлечение редких элементов как побочный процесс переработки руд других минералов.
Карналлит KCl∙MgCl2∙6H2O = Li, Rb, Cs; апатит Сa5(PO4)3F = РЗЭ; бокситы = Ga; титаномагнетит Fe3O4∙TiO2 = V; сфалерит ZnS = In, Cu, Cd, Pb; медные концентраты = Tl, Se, Te; растворы после СПВ урана = Sc, Ln;
39. Сырьевые источники рубидия.
Карналлит KCl∙MgCl2∙6H2O
40. Сырьевые источники галлия.
Бокситы
41. Сырьевые источники индия.
Сфалерит ZnS
42. Сырьевые источники таллия.
Медные концентраты: халькопирит CuFeS2, халькозин Cu2S, пирит FeS2, галенит PbS, сфалерит ZnS, пустая порода – кварц, известняк, гематит.
43. Сырьевые источники германия.
Германийсодержащие бурые угли
44. Сырьевые источники селена и теллура.
Медные концентраты
45. Сырьевые источники рения. ????
Молибденит MoS2
46. Принципы построения аппаратурно-технологических схем по получению редкометальной продукции. ????
Нужно учитывать особенности производства РМ:
• Высокая стоимость РМ и комплексный характер сырья;
• Относительно малый масштаб производства редких металлов;
• Высокие требования к чистоте;
• Отсутствие устоявшейся технологии;
• Сравнительно быстрое изменение требований со стороны потребителей к качеству и количеству продукции;
Основные вопросы проектирования:
1. Размещение предприятия;
2. Производственная технологическая схема и ее аппаратурное оформление;
3. Состав вспомогательного и обслуживающего хозяйства предприятия;
4. Затраты средств и материальных ресурсов в ходе строительства и эксплуатации предприятия;
5. Источники сырья, материалов и энергетических ресурсов для обеспечения работы предприятия;
6. Транспортные связи предприятия;
7. Обеспечение предприятия кадрами.
Требования к проектированию:
1. Количество и качество выпускаемой продукции;
2. Наименьшие капитальные затраты в ходе строительства и высокая фондоотдача в ходе его последующей эксплуатации;
3. Наиболее низкая себестоимость готовой продукции;
4. Высокая производительность труда;
5. Обеспечение для трудящихся предприятия удовлетворительных условий труда;
6. Исключение загрязнения окружающей территории, водоемов и воздушного бассейна отвалами, стоками, газовыми или пылевыми выбросами.
Особенности проектирования производства РМ:
• Высокая стоимость оригинального технологического оборудования (особенно завершающих), что ↑ требования к правильности решений технологической части проектирования;
• Высокая стоимость сырья и полуфабрикатов, что обуславливает необходимость ↓ потерь;
• ↑ или изменение требований к качеству выпускаемой продукции ⇒ в ходе проектирования, строительства и эксплуатации необходимо вносить изменения в первоначальные проектные решения – возможность усовершенствования аппаратурно-технологических схем при минимуме затрат;
• ↑потребностей ⇒ проектные решения с наименьшими затратами наращивать мощности предприятий;
• Погоня за обеспечением гибкости может ↑ стоимость строительства и эксплуатации производства, затраты на выпуск единицы продукции;
• Из-за быстрого развития технологии одновременно с проектированием производства приходится разрабатывать большое количество конструкций основного технологического оборудования;
• Малые масштабы производства РМ зачастую не позволяют использовать оборудование, применяемое для аналогичных процессов в ЦМ и ХП;
• Защита персонала от воздействия вредных веществ;
• Обезвреживание всех выбросов предприятия ⇒ защита населения и растительности;
• Специальная защита оборудования, сооружений и строительных конструкций от разрушения под действием агрессивной атмосферы и жидкостей;
• Условия, предотвращающих загрязнение перерабатываемых продуктов;
• Комфортные условия для выполнения персоналом ответственных операций по обслуживанию технологического процесса;
• Строгие условия эскплуатации оборудования (температура, влажность, загрязненность и запыленность воздуха).
47. Основные технологические операции. Обогащение руд. Переработка концентратов. Получение чистых соединений. Получение металлических редких элементов и лигатур на их основе. Рафинирование редких металлов. ????
• Обогащение руд с получением рудного конц-та, состоящего из минерала ценного компонента;
• Вскрытие сырья и выделение первичного химического концентрата извлекаемого элемента (элементов);
• Получение чистого соед. РМ, включая его очистку (аффинаж);
• Получение Рм и полуфабрикатов на его основе (лигатуры и сплавы);
• Рафинирование РМ, включая получение металла в компактном виде.
48. Выбор и составление сводной схемы производства. ????
При выборе технологической схемы передела необходимо учитывать:
• Степень извлечения основного компонента;
• Возможность комплексной переработки концентрата;
• Безотходность (минимум отходов);
• Экологичность;
• Использование недефицитных реагентов;
• Энергоемкость;
• Простоту аппаратурного оформления;
• Численность обслуживающего персонала(экономика!).
Технологические исходные данные для проектирования, включая:
1. Требования к качеству продукции;
2. Характеристика исходного сырья;
3. Технологическая схема процесса;
4. Материальный баланс процесса производства;
5. Тепловой баланс производства и отдельных стадий;
6. Нормы расхода основных и вспомогательных материалов и энергетических ресурсов;
7. Характеристики основного оборудования;
Задачи, решаемые при разработке аппаратурно-технологической схемы:
1. Определение набора технологических процессов, необходимых для получения товарного продукта требуемого качества из заданного сырья;
2. Определение комплекса мер по утилизации и обезвреживанию всех видов отходов производства;
3. Разработку принципов аппаратурного оформления всех технологических операций;
4. Организацию транспорта всех перерабатываемых и производимых в технологии материалов;
5. Вопросы контроля и управления процессами.
49. Рациональное использование отходов.
• Максимальный возврат отходов в производство;
• Все отходы содержат ценные компоненты ⇒ возвращение отходов в оборот ⇒ ↓ их потерь и ↓ расхода сырья;
• Отходы всегда содержат и вредные для окр. среды вещества ⇒ их утилизация;
• Для ↓ объема сбросных растворов применяют упаривание и сорбционные технологии (очищенная вода обратно в производство);
• Наиболее эффективное использование сбросных растворов – это приготовление на их основе растворов и пульп из сырья, а также растворов, вводимых в процесс производства;
• В процессе циркуляции оборотов идет накопление примесей ⇒ на линии циркуляции нужно продумать операции очистки или деления потока.
50. Охрана труда, опасности и вредности в редкометальной промышленности.
Охрана труда:
1. Изменение аппаратурно-технологических схем и их аппаратурного оформления – конструкции с повышенной надежностью и безопасностью (предохранительные клапаны, конструкционные материалы), схемы, исключающие контакт взаимоопасных продуктов, система контроля и управления, исключающая возникновение опасной ситуации;
2. Локализация и изоляция источников вредности и опасности – разделение помещений капитальными стенами, использование лёгкосъёмных крыш, ограждения вокруг емкостей с опасными жидкостями, взрывоопасные аппараты на открытых площадках, принцип вытяжного шкафа с интенсивным выделением вредных веществ, вентиляция → свежий воздух;
3. Изменение планировки предприятия в целом – цеха с выделениями у подветренной стороны, санитарно-защитная зона, противопожарные нормы, естественное проветривание и освещение, транспортные потоки (↓ протяженности от проходной до рабочих мест и ↓ пересечений пешеходных дорожек и транспортных дорог);
4. Размещение оборудования, архитектурно-строительные и санитарно-технические решения – гигиенические условия, безопасная работа, защита персонала и спасение людей при неблагоприятной ситуации;
5. Организация производства и труда – рабочие места, подбор и обучение персонала, режим труда и отдыха, правила ведения работ, уход за оборудованием;
6. Индивидуальная защита и внедрение взаимострахующих мер по охране труда – спец. одежда + защита органов дыхания, зрения, конечностей, слуха; режим питания, гигиена, герметизация установок и удаление вредных примесей газоотсосом, аварийная вентиляция;
7. Механизация и автоматизация производственных процессов, внедрение дистанционного контроля;
8. Использование специальных систем и оборудования, необходимых для локализации и ликвидации аварийной ситуации (специальное противопожарное оборудование, системы пожарного водоснабжения и пожаротушения, др.);
9. Разработка инструкций по технике безопасности для последующей эксплуатации проектируемого производства.
Опасности и вредности:
1. Контакт двух веществ, реакция между которыми протекает самопроизвольно с ↑ скорости, включая горение пирофорных металлов и процессы восстановительной плавки;
2. Утечка токсичных, горючих, взрывоопасных, коррозионноактивных газов и паров;
3. Коррозионное разрушение оборудования;
4. Токсичность ряда редких металлов и их соединений;
5. Ионизационное излучение;
6. Переполнение емкостей с токсичными и агрессивными жидкостями;
7. Контакт персонала с нагретым оборудованием и материалами;
8. Повышение давления в аппаратуре и коммуникациях выше номинального;
9. Поражения электрическим током;
10. Контакт с движущимися частями технологического и транспортного оборудования, а также обрабатываемых материалов.
51. Контроль и управление производственным процессом.
• Главное требование к системам КИПиА – необходимо не только полно и точно информировать о ходе процесса, но и позволять эффективно влиять на него;
• При разработке схемы аналитического контроля необходимо, чтобы схемы и точки отбора проб обеспечили соответствие результатов анализа данным о реальном поведении системы/процесса;
• Качество продукции (чистота) – основной критерий технологического процесса, ↑ качества позволяет ↑ области применения редкометальной продукции.
52. Экологические аспекты производства редких металлов и их соединений.
• Экологическое обоснование инвестируемых проектов;
• Экологическая экспертиза технологий производства РМ − оценка малоотходности производства в сравнении с выработанными нормативами или имеющимися лучшими образцами;
• Степень экономичности и экологической опасности способа производства и технологических переделов, выхода технологии в окружающую среду и др.
Методы экологической экспертизы: ??
1. Метод материальных балансов и технологических расчетов – источники выбросов и сбросов, качественный состав и агрегатное состояние загрязнителей;
2. Метод регистрации экологических последствий технологий производства – анализ связей промышленной технологии с окружающей средой
3. Метод технологической альтернативы – анализ и оценка технологии по отношению к существующим технологическим аналогам производств с заданной экологичностью;
4. Метод прогнозирования технологического риска – системный анализ и прогнозирование возможных аварийных ситуаций и оценка технологического риска и аварийности при нормальной эксплуатации.
Этапы экологической экспертизы ???
1. Формирование целей и задач экспертизы;
2. Оценка источников и направления негативного воздействия продукции на окр. среду и потребление природных ресурсов;
3. Определение соответствия экологических характеристик проектируемой продукции, технологии, техники, действующим нормам и правилам;
4. Оценка полноты и эффективности мероприятий по предупреждению возможных аварийных ситуаций и ликвидации их возможных последствий;
5. Оценка полноты, достоверности и научной обоснованности прогнозов возможного влияния новой продукции, техники и технологии на состояние окр. среды и использование природных ресурсов;
6. Оценка выбора средств и методов контроля воздействия продукции на состояние окр.среды и использование природных ресурсов;
7. Экологическая оценка способа утилизации или ликвидации новой продукции после отработки ресурса.
Итог экологической экспертизы ???
• Заключение ведомственной комиссией с рекомендациями об экологической целесообразности разработки внедрения данной продукции, либо необходимости ее замены или дальнейшее совершенствование технологии производства;
• Заключение экспертной – государственный документ государственной экологической экспертизы (ГЭЭ) со сроком действия решений;
• Положительное заключение ГЭЭ – условие финансирования и реализации объекта ГЭЭ;
• Отрицательное заключения ГЭЭ – материалы на повторную ГЭЭ при условии их переработки с учетом замечаний, изложенных в данном отрицательном заключении;
• Заключения ГЭЭ могут быть оспорены в судебном порядке
53. Оптимизация технологий редкометальной промышленности.
• Создание полноценной инфраструктуры редкометальной промышленности, включая пилотные, опытно-промышленные, промышленные предприятия, инжиниринговые компании и центры отработки технологий применения инновационных продуктов и технологий;
• Обеспечение локализации в РФ инновационных производств по выпуску стратегической редкометальной продукции, востребованной в оборонно-промышленном комплексе и атомной отрасли;
• Формирование эффективной системы поддержки спроса на редкометальную продукцию в инновационных отраслях промышленности;
• Обновление и развитие минерально-сырьевой базы производства РЭ;
• Создание новых рабочих мест в редкометальной отрасли и подготовка высококвалифицированных кадров;
• Рост производительности труда за счет использования передовых технологий и современного оборудования. |
|
|
Скачать 57.18 Kb.