于氩气气氛中,用金属镁还原四氯化锆制取海绵锆的金属锆生产方法,又称克劳尔法。还原产物经锆真空蒸馏分离除去其他组分后即可获得海绵锆。此法于1944年由美国矿务局(U.S.BureauofMine!)的克劳尔(w.J.Kroll)首先研究成功,1950年用于工业生产。中国于1957年首次用这种方法制得金属锆,1964年用它生产原子能级的锆厂投产。这种方法仍是世界各国现今生产海绵锆的重要方法,一般生产规模为年产海绵锆2000~3000t。
原理:四氯化锆镁还原是在多元系ZrCl4-Mg-zr-MgCl2-ZrCl3-ZrCl2中进行的,为多相反应,还原过程和镁热还原法生产海绵钛相似。其总反应式为:ZrCl4(g)+2Mg(1)→Zr(s)+2MgCl2(1)反应伴随着物料的熔融、挥发、传热、传质、浸润等的进行,海绵锆的生成可分为三个阶段。
在第一阶段中,四氯化锆与镁液反应,生成金属锆和MgCl2,使镁液的湿润性提高,镁液不断露出自由面而进行气(ZrCl4)一液(Mg)反应。生成的锆沉入反应器底部,随后生成的锆在其熔体表面聚集长大。由于镁液沿器壁上爬行,生成的锆都粘结在器壁表面上。
在第二阶段中,足量的镁使反应速度加快,反应区温度增高,此时主要在熔体表面进行气(ZrCl4)一液(Mg)和气(ZrCl4)一气(Mg)反应。随着镁液的消耗,镁液自由面消失,反应进入第三阶段。
到第三阶段时,生成的锆占据反应器的大部分容积,剩余的镁液通过海绵锆的毛细孔上移而与气态ZrCl4继续反应,MgCI。顺毛细孔流下,海绵锆成为金属镁和MgCl2的迁移载体。由于镁的减少和它在毛细孔中扩散速度的下降,反应速度变慢。当镁消耗65%~70%时还原反应结束。在反应后期,常会出现由于镁供应不足,ZrCl4被还原成活性大而易燃的低价氯化物(ZrCl2和ZrCl3)的情况,这些锆的低价氯化物俗称黑粉。
设备:还原炉是一个不锈钢板焊成的柱式圆筒,按ZrCl4加入方式可分为一次性加料和连续加料两种不同的炉型。一次性加料还原炉(图)由还原炉和用法兰与之相连的挥发炉组成。镁锭预先装好在还原炉内的反应坩埚内,坩埚上方的套筒中心为ZrCl4气体导管。装有ZrCl4的挥发炉放置在还原炉上。炉盖与真空系统、充氩系统相通。反应生成的MgCl2熔体从溢流管定期从炉内排出。还原结束时所剩的MgCl2可从排放管放尽。产物冷却后连同反应坩埚一并取出送真空蒸馏。这种还原炉的单炉生产能力为700~800kg海绵锆,作业周期48h,镁利用率68%~72%。连续加料还原炉按加入的ZrCI4是固体或气体分为两种炉型。加固体ZrCl4的还原炉的MgCl2排放装置位于罐身底部,罐盖与ZrCl4料仓相连,ZrCl4经螺旋加料机计量加入。加气体ZrCl4的还原炉分为可拆装的上下两部分,下部是反应坩埚,上部旁侧设MgCl2排放管,顶盖有多路管道,分别与真空系统、加料系统和氩气系统连接。反应过程中的压力用压力调节管调节。
工艺:一次性加料还原炉开始运转时,先将镁锭放入坩埚,再将挥发炉连同ZrCl4冷凝器移到还原炉上。两台炉子通过法兰密封对接,抽真空后充入氩气。准备工作完毕后,把还原炉升温到1023K熔化镁锭。然后把挥发炉加热至573~633K温度使ZrCl4逐渐挥发,气体从导管进入还原炉开始反应。反应温度一般为1053~1173K,炉压1.1~1.8×105Pa,反应速度与氩气和ZrCl4的分压比有关。ZrCl4挥发快,浓度高,反应加快;反之,反应变慢。正确地调节温度和压力就可使还原作业平稳进行。当ZrCl4耗尽时,炉压会急剧下降,表明反应已经终结。 |