способ изготовления литий-борного композита и реактор

Формула изобретения

1. Способ изготовления литий-борного композита, включающий загрузку в реактор лития, заполнение реактора инертным газом, нагрев и выдержку до полного плавления лития, нагрев до 350°С и загрузку бора с одновременным механическим и электромагнитным перемешиванием, нагрев до 400°С, выдержку и отключение механического перемешивания, нагрев до 450°С, выдержку и отключение электромагнитного перемешивания, и последующий многоступенчатый нагрев с выдержкой при каждой температуре и охлаждение с получением слитка.

2. Реактор для получения литий-борного композита, содержащий цилиндрический контейнер с механической мешалкой, отличающийся тем, что контейнер выполнен в виде эллиптического цилиндра с отношением большой оси к малой не менее 1,3, при этом реактор содержит охватывающие контейнер активаторы электромагнитного поля, установленные с возможностью перемещения относительно эллиптической поверхности цилиндра.

3. Реактор по п.2, отличающийся тем, что контейнер выполнен из немагнитного материала.

4. Реактор по п.2, отличающийся тем, что контейнер представляет сменный контейнер одноразового использования.

Описание изобретения к патенту

Группа изобретений относится к металлургии легких металлов, используемых, например, как анодный материал в источниках тока и других отраслях промышленности.

Известен способ получения сплава литий-бор по изобретению РФ № 1633830, МПК 6 С22С 1/02, С22С 24/00, oпубл. 27.09.1999 г. Способ включает синтез компонентов трехстадийным нагревом в инертной атмосфере с поддержанием на первой стадии температуры 450-530°С, на второй - 540-550°С и на третьей - 650-700°С, при этом в качестве бора используют порошок бора в аморфном состоянии и нагрев осуществляют в среде расплавленных галогенидов лития.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ получения сплава литий-бор, включающий механическое перемешивание компонентов в реакторе, многоступенчатый нагрев в инертной атмосфере и охлаждение в инертной атмосфере при 185-500°С с последующим удалением избытка лития действием пуансона (патент РФ № 1802537, МПК 6 С22С 1/02, С22С 24/00, oпубл. 27.09.1999 г. - прототип способа).

Недостатком прототипа является необходимость гомогенизации литий-борного композита при помощи фильтрации избытка лития под давлением, а также проблемы, связанные с извлечением готового продукта из толстостенного стакана, способного выдерживать высокие давления. Известный способ не технологичен, требует дорогостоящего оборудования для горячего прессования в защитной атмосфере и позволяет получать слитки литий борного композита весом не более 200 г.

Известны устройства для электромагнитного перемешивания электропроводного расплава (п. РФ № 2224966, МПК 7 F27D 23/04, B01F 13/08, oпубл. 27.02.2004 г.) и жидкого металла (п. РФ № 2130359, МПК 7 B22D 1/00, B22D 45/00, F27D 23/04, опубл. 20.05.1999 г.), создающих электромагнитное поле сложной траектории.

Существуют также устройства механического перемешивания, например, по патенту США № 5310412, С21С 7/00, 10.05.1994, включающие резервуар с вращающейся мешалкой, имеющей вал, конец которого взаимодействует с приводом вращения, а часть мешалки, погруженная в металл, выполнена из материала на основе углерода.

Наиболее близким к заявляемому устройству можно принять реактор плавления лития и литиево-алюминиевого сплава цилиндрической формы с механическими мешалками в системе установки для получения литиево-алюминиевого сплава по патенту РФ № 2261933, МПК 7 С22С 24/00, С22С 1/02, Н01М 4/40, oпубл. 10.04.2004 г. - прототип реактора.

Известные реакторы как электромагнитного, так и механического перемешивания, имеющие цилиндрические контейнеры, в отдельности выполняют свои функции в устройствах для осуществления способов получения сплавов с достижением технического результата, определяемого особенностями каждой конструкции.

Задача, положенная в основу группы изобретений, заключается в повышении эффективности способа получения литий-борного композита с использованием простого и технологичного реактора, повышении качества и более точного режима синтеза композита.

В способе и устройстве заложен единый изобретательский замысел, направленный на решение поставленной задачи, которое достигается следующим образом. Способ изготовления проводится в четыре этапа:

1 этап. Загрузка и расплавление лития под инертной атмосферой.

2 этап. Загрузка бора при одновременном механическом и электромагнитном перемешивании.

3 этап. Гомогенизация расплавленной смеси лития и бора электромагнитным перемешиванием.

4 этап. Синтез литий-борного композита при ступенчатом нагреве смеси лития и бора с выдержкой на каждой промежуточной температуре без воздействия электромагнитного поля.

В способе изготовления литий-борного композита, включающем механическое перемешивание компонентов в виде расплавленного металлического лития и порошка бора в реакторе для получения литий-борного композита и многоступенчатый нагрев в инертной атмосфере, наряду с механическим перемешиванием дополнительно осуществляют электромагнитное перемешивание компонентов. Одновременные механическое и электромагнитное перемешивания проводят при температуре нагрева 300-400°С, а последующее электромагнитное перемешивание - при температуре 450°С. В реакторе для получения литий-борного композита для осуществления способа, содержащем контейнер с перемешивающим устройством, сам контейнер имеет форму эллиптического цилиндра, который установлен между активаторами электромагнитного поля, которые имеют возможность перемещения относительно эллиптической поверхности контейнера реактора для получения литий-борного композита. Контейнер реактора для получения литий-борного композита выполнен из немагнитного материала, сменным одноразового применения.

Однородность литий-борного композита обеспечивается гомогенизацией смеси расплавленного металлического лития и порошка бора в температурном интервале 350-450°С. Гомогеннность смеси достигается одновременным применением механического и электромагнитного перемешивания за счет исключения застойных зон по объему контейнера. Для достижения максимальной эффективности электромагнитного перемешивания контейнер реактора для получения литий-борного композита выполнен из немагнитногоматериала, в форме эллиптического цилиндра с отношением большой оси к малой оси не менее чем 1,3. Эллиптическая форма реактора для получения литий-борного композита обеспечивает более точный температурный режим синтеза композита за счет уменьшения пути отвода тепла из объема слитка композита, которое выделяется вследствие экзотермической реакции взаимодействия исходных компонентов. Обеспечивает также равномерное электромагнитное перемешивание при меньшей потребляемой мощности, т.к. позволяет уменьшить расстояние между активаторами магнитного поля. Выполнение контейнера реактора для получения литий-борного композита сменным одноразового использования облегчает процесс извлечения готового продукта.

Группа изобретений - способ изготовления литий-борного композита и реактор для получения литий-борного композита для его осуществления поясняется чертежами примера выполнения реактора для получения литий-борного композита: фиг.1 - схематический чертеж реактора для получения литий-борного композита в разрезе, фиг.2 - поперечное сечение реактора для получения литий-борного композита А-А на фиг.1, фиг.3 - схема расположения контейнера реактора для получения литий-борного композита между активаторами магнитного поля с направлениями возможного перемещения последних.

Реактор для получения литий-борного композита состоит из сменного контейнера 1 одноразового применения, выполненного из двух соединенных сварными швами 2 половин, которые образуют эллиптический цилиндр, и плотно подогнанной к нему крышки 3, выполненных из немагнитного материала. К крышке 3 приварен штуцер 4 для подачи инертного газа и штуцер 5 для выхода инертного газа. На крышке 3 имеется загрузочная трубка 6 герметичной емкости с бором, проходящая через уплотняющий сальник, а также патрубок 7, в котором помещается резиновый сальник и шариковые подшипники, центрирующие стержень механической мешалки 8. Активаторы электромагнитного поля 9 установлены с возможностью перемещения относительно эллиптической поверхности контейнера 1 реактора для получения литий-борного композита.

Способ изготовления литий-борного композита на примере конструкции реактора для получения литий-борного композита осуществляется следующим образом.

В контейнер 1 реактора для получения литий-борного композита загружают металлический литий 10, герметично закрывают крышкой 3 и через штуцер 4 заполняют реактор для получения литий-борного композита инертным газом. Затем реактор для получения литий-борного композита помещают в печь шахтного типа, где его нагревают до 250°С и выдерживают при этой температуре до полного плавления всего объема лития. Температуру реактора для получения литий-борного композита повышают до 350°С, включают механическую и электромагнитную мешалки и производят загрузку порошка бора через трубку 6 в расплавленный металлический литий. При этом исходные компоненты лития и бора берутся в соотношении, задаваемом составом конечного продукта без учета избыточного лития, т.е. навески исходных компонентов рассчитывают на требуемый состав. Воздействие электромагнитного поля регулируют путем перемещения активаторов магнитного поля 9 относительно эллиптического контейнера реактора для получения литий-борного композита 1, изменяя тем самым расстояние между ними и направлением воздействия магнитного поля. По окончанию загрузки бора реактор для получения литий-борного композита нагревают до 400°С и выдерживают при данной температуре 30 минут, по истечении которых отключают и извлекают механическую мешалку 8. Далее нагревают реактор для получения литий-борного композита до 450°С, выдерживают при данной температуре еще 30 минут и отключают электромагнитное перемешивание. Затем реактор для получения литий-борного композита постадийно нагревают до 500°С и до 650°С и выдерживают при каждой температуре по 30 минут. Далее реактор для получения литий-борного композита охлаждают до 100°С, помещают в бокс с инертной атмосферой, снимают крышку, срезают с контейнера сварные швы 2 и отделяют его стенки от слитка. Таким образом, получают сплав весом до 1000 г, равномерный по составу по всей высоте слитка при увеличении производительности и экономии энергоресурсов.