CC BY
121
--------------------------------- © А.Д. Верхотуров, Т.Б. Ершова,
2005
УДК 620.22:549
А.Д. Верхотуров, Т.Б. Ершова
МИНЕРАЛОГИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ -НОВЫЙ РАЗДЕЛ НАУКИ О МАТЕРИАЛАХ
Современные проблемы материального производства, а это прежде всего истощение минеральных ресурсов и ухудшение экологической обстановки, остро поставили ряд насущных вопросов перед материаловедением. В связи с этим в настоящее время в материаловедении наметились ряд стратегических направлений в области создания и получения материалов
- комплексное использование минерального сырья, при этом отходы одного производства являются сырьем для другого производства;
- использование высоких, экологически чистых технологий для получения материалов из минерального сырья;
- приближение мест получения материалов к местам добычи сырья с созданием мини-заводов;
- разработка материалов с учетом их распространения в природе (прежде всего на основе кремния, алюминия, железа, магния, титана).
Выражением этих направлений стала известная схема замкнутого производства. Необходимость замкнутого производства (по аналогии с круговоротом веществ в природе, в едином естественнотехнологическом цикле) подчеркивается и в работах В.А. Резни-ченко [1]. Однако в такой схеме отходы различных производств "замкнуты" на землю (атмосферу, гидросферу, литосферу), хотя и провозглашается тезис о необходимости переработки отходов и вторичного сырья. В связи с этим более перспективной является незамкнутая (разомкнутая) схема, которая скорее может быть идеальной и должна служить примером устойчивого развития человеческого общества. В этом случае реализуется такой подход к использованию сырья - отходы одного производства должны служить сырьем для другого. При этом важнейшей задачей является сокращение (или замена) сложных, энергоемких экологически опасных
процессов пиро- и гидрометаллургии при обработке минерального сырья.
Минеральное сырье, как известно, является основой для получения минералов и сплавов, но и во многих случаях само является прекрасным материалом. Природа создала ряд уникальных материалов, изучение физико-химических свойств которых позволяет в производственных условиях создавать не только подобные материалы, но и материалы с более высоким уровнем свойств (например, с большей твердостью, чем алмаз), которые уже используются в инструментальной промышленности, электронике и других областях техники
Значительный научный и практический интерес в этом плане представляет материаловедение неорганических естественных материалов, в частности руд и минералов, как исходного сырья для химико-металлургического производства и как материалов, широко используемых в народном хозяйстве, научной основой которого должно стать минералогическое материаловедение как начальный раздел, изучающий принципы выбора материала из минерального сырья, а также принципы создания материалов непосредственно из минерального сырья с использованием концентрированных потоков энергии, создающих условия для восстановительных процессов и обеспечивающих технологический процесс с максимальным комплексным использованием сырья. Современный материаловед, а тем более «будущий» должен интересоваться всей технологической цепочкой переработки минерального сырья, начиная от руды и кончая «металлической конструкцией», ведь металлургия - раздел материаловедения [2].
Основы минералогического материаловедения зарождались в процессе развития минералогии, кристаллографии, кристаллохимии. Первые парадигмы, предложенные на основе работ великих русских ученых в этом направлении, связаны с получением и обработкой сырья, и, следовательно названы именами этих ученых.
Первая парадигма В.И. Вернадского, включающая необходимость циркуляции металлов и неметаллических полупродуктов, создание материалов с учетом не только свойств, но и распространенности элементов в природе (на основе 81, А1, Бе,Са, Ка, К, М§, Тх).
Вторая парадигма была предложена в 1932 г. А.Е. Ферсманом - полное использование ценных компонентов (комплексное
использование минерального сырья) и создание производств, которые подбираются к сырью.
Третья парадигма И.П. Бардина - отходы одних переделов минерального сырья должны быть сырьем для других.
Четвертая парадигма Э.В. Брицке - технология производства материалов сосуществует с окружающей средой, когда используется принцип комплексного использования сырья.
Таким образом, первые четыре парадигмы связаны, прежде всего, с комплексным использованием минерального сырья и необходимостью устойчивого развития человеческого общества. Концепция устойчивого развития цивилизации тесно связана с концепцией рационального использования мине-ральных ресурсов. В США, например, действует президентский совет по устойчивому развитию. Под устойчивым развитием надо подразумевать такую модель движения вперед, при которой достигается удовлетворение жизненных потребностей нынешнего поколения людей без лишения такой возможности будущих поколений. В его официальных документах обозначены три главных ориентира устойчивого развития: социальная справедливость, сохранность окружающей среды; экономическое развитие. Развитие человечества и сохранение окружающей среды, включая все виды природных ресурсов может быть решена не только и не столько все возрастающим извлечением сырья из недр, но и путем его воспроизводства.
Воспроизводство сырья включает в себя:
1. Отходы производства (рециркуляцию металлов).
2. Обработка бедного, трудноперерабатываемого мине-
рального сырья.
3. Получение искусственного сырья.
Пятая парадигма В.А. Резниченко - для возможности решения триединой задачи (перманентное обеспечение сырьем, материалами, сохранение окружающей среды) необходимо обеспечить замкнутое производство материалов. Схема такого производства представленная выше на рис. 1, была эмблемой на "неделе материалов" в Чикаго.
Однако, на наш взгляд общий цикл полного использования материалов должен иметь разомкнутый характер, т. е. отходы какого-либо производства должны служить сырьём для другого производства.
Шестая парадигма - для решения триединой задачи В.А. Рез-ниченко, необходимо создание минизаводов в местах добычи сырья с использованием высоких технологий.
Седьмая парадигма - при действии на минералы (минеральное сырье) концентрированных потоков энергии (в условиях лазерной, электронно-лучевой, электроискровой, алюмотермии, электрошла-ковой, плазменной обработки; экстремальных методов порошковой металлургии и др.) возможно разложение минералов, их восстановление и получение элементов, сплавов и соединений.
В связи с этим основные задачи минералогического материаловедения включают в себя:
1. Разработка банков данных по минеральному сырью (региональному) и известным материалам;
2. Исследование взаимосвязи "состав-структура-свойства" минерального сырья для возможности непосредственного использования на практике;
3. Исследование взаимосвязи "состав-структура-свойства-технология" для возможности получения материалов из минерального сырья в условиях применения высоких технологий.
Нами предлагается три основных подхода к созданию материалов непосредственно из минерального сырья:
1. .Метод подбора. Метод заключается в выборе минерального сырья непосредственно для практического использования на основе требований, предъявляемых практикой к материалу. Выбор осуществляется с использованием банка данных по минеральному сырью, а также на основании изучения взаимосвязи "состав-структура-свойства-технология" минерального сырья. Так, например, добываемые алмазы в связи с физико-химических свойств используются не только как драгоценные камни, но и в качестве режущих материалов.
2. Метод "копирования" - получение известных материалов из минерального сырья, имеющего сходный химический состав с материалом - "эталоном", полученным из элементов или их соединений. Обработке подвергается природный концентрат или концентраты) одного или нескольких рудных месторождений, который выбирается на основе оценки химического состава и структуры уже существующего материала и наличия аналоговых сочетаний в минеральном сырье. В этом случае, как правило, химический состав минерального сырья и получаемого материала (изделия) будет
отличаться от состава материала - «эталона». Задачей минералогического материаловедения является повышение физикохимических и эксплуатационных свойств полученного материала за счет сопутствующих элементов или соединений.
3. Создание новых материалов с применением методов экстраполяции, интерполяции, подобия, корреляции и других с учетом функциональных зависимостей между химическим составом, структурой и свойствами материала, полученного на основе анализа состава и свойств минерального сырья.
Принципиальная схема получения новых композиционных порошков и материалов из минерального сырья представлена на рис.5.
Актуальной проблемой в настоящее время является разработка путей комплексного использования минерального сырья с применением современных технологий, вызванная, прежде всего резким уменьшением природных ресурсов и резким увеличением численности населения Земли.
Решение проблемы комплексной переработки минерального сырья с использованием новых принципов должно включать:
1. Интенсификацию восстановительных процессов в системе (электронные, фотонные потоки, облучение, ультразвук, ионизация, электрическое, магнитное поле и т.д.), поиски новых технологических схем восстановительных процессов на основе изучения механизмов этих воздействий.
2. Исследования термодинамики, кинетики и механизма высокотемпературных процессов восстановления и диссоциации окислов металлов в сложных системах, разработка технологии комплексного использования полиметаллического сырья и построение новых технологических схем получения металлов и сплавов.
3. Исследования кинетики и механизма восстановления рудных материалов и других оксидных систем при повышенных температурах и высоких давлениях для использования этих параметров в качестве интенсификаторов в существующих и новых технологических процессах.
4. Исследования газодинамики, тепло- и массопереноса в условиях осуществления восстановительных процессов, разработка их математических моделей, как основы научного прогнозирования возможных эффектов для интенсификации и автоматического регулирования производственных восстановительных процессов.
Перспективные технологические процессы применительно к минеральному сырью должны быть предметом изучения минералогического материаловедения.
Основное научное направление Института материаловедения ХНЦ ДВО РАН - это разработка принципов создания и технологий получения новых инструментальных, конструкционных и наплавочных материалов из минерального сырья Дальневосточного региона и вторичных отходов на основе принципов минералогического материаловедения с использованием высококонцентрированных потоков энергии и методов порошковой металлургии. В практике Института материаловедения ХНЦ ДВО РАН используются электрофизические методы, плазменный, алюминотермии, СВС-методы, порошковые, электрошлаковый методы.
Такой подход особенно актуален для Дальневосточного региона, обладающего большими запасами минерального сырья и практически не имеющего производств для его глубокой переработки. Кроме того в настоящее время наблюдается тенденция к усложнению химического состава материалов, в большинстве случаев представляющих различные классы химических соединений: оксиды, бескислородные тугоплавкие соединения и т.д., поэтому использование непосредственно минерального сырья, многокомпонентного по составу и содержащего соединения, соответствующие вводимым в материал добавкам, отвечает требованиям получения материалов с высоким уровнем физикохимических свойств, комплексного и рационального использования минерального сырья.
Эти исследования отличает ориентация на эффективное применение разработанных материалов, внедрение их на промышленных предприятиях края. Базовым предприятием института является динамично развивающееся высокотехнологичное предприятие Дальнего Востока «Дальневосточная технология» (ген. директор, к.т.н. В.С. Фадеев).
В ИМ ХНЦ ДВО РАН получены положительные результаты по непосредственному использованию минерального сырья и отходов производства при создании инструментальных, конструкционных, электродных, абразивных, наплавочных и других типов материалов, обладающих высоким уровнем эксплуатационных свойств и относительно низкой себестоимостью:
1. Изучены минералогические, физико-химические и технологические свойства вольфрамового, медного, датолитового, бадде-леитового и циркониевого концентратов месторождений Дальнего Востока с целью определения возможностей их использования в технологиях порошковой металлургии и металлотермии.
2. Разработан банк данных по минеральному сырья Дальнего Востока, содержащий сведения как по минералогическим и физико-химическим свойствам, так и по ГОКам, производящим поставку продукции (концентратов).
3. Методом алюмотермии из вольфрамсодержащего концентрата (шеелита) и датолитового концентрата получены электроды, содержащие '2В5, WB, А1203, '-Бе, '-№, '-Со, '-Мо-Со, '-№-Мо, '-№-2г, '-Сг. Разработанный процесс алюмотермии экологически чист и не требует дополнительных затрат электроэнергии. Более того, возможна утилизация алюминиевого лома. Шлак используется для изготовления абразивных порошков и паст. Себестоимость продукции в 6-15 раз ниже, чем получаемая по традиционным технологиям. Институт получил патенты на указанную технологию.
4. Созданы электродные материалы для электроискрового легирования на основе карбида вольфрама с самофлюсующими-ся добавками датолитового концентрата (2-4% мас.), позволяющие значительно улучшить условия формирования легированного слоя. Разработаны и созданы высокоэффективные установки для электроискрового легирования в ручном и механизированном исполнении для формоизменения и упрочнения поверхности материалов и изделий.
5. Разработана технология получения электрод-инструмента на основе вольфрам-медного псевдосплава. Полученные электроды по эксплуатационным свойствам превосходят ныне широко используемые за рубежом электроды на основе сплава «Эль-конайт», а их стоимость ниже в 2-3 раза.
6. Показана возможность непосредственного использования концентратов минерального сырья и шлихов в качестве легирующих материалов. Разработана специальная установка для ЭИЛ порошковыми материалами («Разряд 3М»).
7. Разработаны электроды общего назначения, где в качестве шихты для обмазок использовались концентраты, имеющие в своем составе титан, цирконий, вольфрам, для сварки углеродистых и
низколегированных сталей , дающие повышенное качество наплавленного металла по сравнению со стандартными электродами УОНИ-13-45. Методом электрошлакового переплава под флюсом, содержащим вольфрамовый концентрат, получены легированные стали типа быстрорез. Эта работа проводилась совместно с ДВГУПС.
8. Углетермическим восстановлением датолитового концентрата получены абразивные порошки с размером частиц 0,1-0,5 мкм, включающие 8Ю (41,1 %), СаВ6 (11,1 %), В4С (93,5 % и не уступающие алмазной пасте.
9. Получены порошковые материалы различного назначения, содержащие карбиды и бориды вольфрама и карбид кремния углетермическим восстановлением шеелитового концентрата.
10. На основе изучения изоморфизма природных соединений вольфрама разработан метод ликвационной плавки вольфрамовых концентратов с получением вольфрамата натрия, карбидизация которого приводит к получению чистого карбида вольфрама. Эти технологии обеспечивают экологическую чистоту; себестоимость конечного продукта значительно ниже, чем при применении ныне существующих технологий, что подтверждено испытаниями на опытном участке Лермонтовского ГОКа (Приморский край) и Джидинском молибденовом комбинате (Читинская область).
11. Создана жаростойкая керамика на основе диоксида циркония из бадделеитового концентрата с добавкой брусита, предназначенная для использования в качестве огнеупорного материала, что обусловлено его низкой теплопроводностью, высокой стекло-, шлако- и металлоустойчивостью, стабильностью в окислительной и восстановительной атмосфере. Полученные их жаростойкой керамики тигли для плавки металла используются в стоматологии при температуре 1300-1500 °С.
12. Из стружковых металлоотходов (отходы титановых сплавов) и минерального сырья Дальневосточного региона (датолито-вый и бадделеитовый концентраты) получены порошки на основе боридов титана и циркония. для получения конструкционной керамики и нанесения защитных износостойких покрытий методом плазменного напыления и лазерной наплавки.
13. Исследовано влияние энергии электрических импульсов на гранулометрический, фазовый и химический состав порошка при электроэрозионном диспергировании образцов твердого сплава
ВК8. Эти работы ведутся работы совместно с ЗАО «Дальневосточная технология» по получению износостойких материалов различного назначения из компактных отходов твердых сплавов.
-------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Резниченко В.А., Липихина М.С., Морозов А.А. Комплексное использование руд и концентратов. - М.: Наука, 1989. 172с.
2. Савицкий Е.М., Бурханов Г.С., Поварова К.Б. и др. Тугоплавкие металлы и сплавы. - М.: Металлургия, 1986. 352 с.
— Коротко об авторах -------------------------------------
Верхотуров А.Д. - доктор технических наук, профессор, директор, Ершова Т.Б.,
Институт материаловедения ХНЦ ДВО РАН, г. Хабаровск.
