CC BY
18
Металлургия и материаловедение
DOI: 10.47581/2021/SMTT/34.1.001
ПОЛУЧЕНИЕ ПОРОШКОВОГО МАТЕРИАЛА ИЗ СВИНЦОВО-СУРЬМЯНИСТОЙ ПЛАСТИНЫ КИСЛОТНОГО АККУМУЛЯТОРА Агеева Екатерина Владимировна, к.т.н., доцент (e-mail: ageevа-ev@yandex.ru) Королев Михаил Сергеевич, аспирант (e-mail: korolev37-31-72@mail.ru) Юго-Западный государственный университет, г.Курск, Россия
В данной статье опытным путем доказывается возможность получения порошков из пластин кислотных малосурьмянистых аккумуляторов по средству разрушения исходного материала методом электроэрозионного диспергирования металлов и сплавов.
Ключевые слова: малосурьмянистые аккумуляторы, сплав, свинцово-сурьмянистый сплав, получение порошка, метод электроэрозионного диспергирования.
Введение
На сегодняшний день использование свинцово-сурьмянистых и свинцо-во-кальциевых сплавов в аккумуляторных батареях современных автомобилей является наиболее распространённым вариантом исполнения токо-отводов кислотных аккумуляторов. Характерной особенностью производства свинцово-кислотных батарей является применение в качестве основного сырья, используемого для изготовления деталей, дорогих и дефицитных цветных металлов — свинца, сурьмы и их сплавов.
При всех положительных эксплуатационных свойствах свинец по концентрации в воздухе относится к 1-му классу опасности. Неблагоприятная экологическая ситуация, сложившаяся в РФ, особенно в густонаселенных регионах и крупных городах, заставляет обратить особое внимание на проблему утилизации миллионов единиц, ежегодно выходящих из строя свинцовых аккумуляторных батарей. Обоснованную тревогу у специалистов вызывает не только бесконтрольный оборот свинцовых аккумуляторных батарей, но и использование устаревших способов их переработки, сопровождающихся образованием вредных выбросов - сернистого газа, возгонов свинца, токсичных шлаков.
С учетом ухудшающейся экологической ситуации, сложившегося в РФ дефицита первичного свинца из-за того, что крупнейшие в СССР свинцово плавильные заводы остались в Казахстане и на Украине и имеющегося зарубежного положительного опыта, представляется своевременным начать систематическую работу по внедрению экологически безопасных технологий их переработки.
С другой стороны, отечественные потребители свинца - заводы аккумуляторной, кабельной, химической промышленности, уже сейчас испытывают дефицит свинца, особенно рафинированного и его сплавов, оцениваемый теми же 50-60 тыс. тонн. Сырьевая проблема уже привела к резко возросшему импорту свинцовых аккумуляторных батарей.
В связи с этим в последние годы наблюдается быстрый рост научного и промышленного интереса к методам переработки свинцовых сплавов, результатом которых должно стать получение материалов с ультрамелкозернистым строением и наноструктурным строением, обеспечивающим существенное увеличение их физико-химических и механических свойств. Одной из проблем, возникающих при создании твердых пористых сплавов, является получение ультрамелкодисперсных и наноструктурных порошков исходных компонентов. Известные способы получения порошков ультра-нанометрового диапазона сложны и дорогостоящи и дают довольно широкий диапазон распределения частиц по размерам. Определенную перспективу в этом плане могут дать относительно простые и экономичные методы диспергирования (электроэрозионное и механическое), где в качестве исходных материалов используются компактные образцы, в том числе отходы свинцово-сурьмянистых сплавов.
Для того чтобы определить потенциал метода электроэрозионного диспергирования, как перспективного способа переработки аккумуляторного лома, использовались пластины кислотного аккумулятора. Эти пластины были изготовлены на Курском аккумуляторном заводе Исток +, методом отливки из рафинированного сплава ССу-3 (Рис.1).
Рисунок 1 - Свинцово-сурьмянистая пластина кислотного аккумулятора Элементный состав сплава пластины представлен в таблице 1.
Таблица 1 - Элементный состав сплава
Наименование химического элемента Процентное содержание в сплаве, %
РЬ 98,17
БЬ 1,38
Би 0,252
Сё 0,111
Бе 0,063
Получение порошковых материалов методом электроэрозионного диспергирования производится в 4 этапа по следующей схеме (Рис. 2).
1 Этап
Подготовка к
впрдтхо I!"
Подготовка отходов (мойка, сушка, измельчение, взвешивание) и за-
Т
Монтаж
электро-
2 Этап
Процесс ЭЭД
Запуск ЭЭпрДо цесса ЭЭД
:::;х:::
Контроль екотсрниочвен- ых электрических пока-
Выкл ю-
Заполнение реактора дистиллированной водой
________________________________I
33 Этап
Выгрузка порошка
гу:::::
Выгрузка
остатков ооттххооддоовв
свинцово-сурьмянистых спла-
I.____________1
„...1......
Слив дистиллированной
/....С.
Центри-фугирова-
4 Этап
Сушка и взвеши-
.СХ...
порСошушкака
порош ка на электри-с^с
Взвешивание,
Упаковка
ческой
Рисунок 2 - Получение порошковых материалов методом электроэрозионного диспергирования
Первый этап исследования — это подготовка материалов к электроэрозионному диспергированию (Рис.3). На данном этапе производилось изготовление электродов, измельчение и скручивание отходов для более стабильной работы установки генератора электрических импульсов, взвешивание содержимого, и загрузка в реактор. В данном исследовании рабочей средой была выбрана дистиллированная вода.
Рисунок 3 - 1 Этап исследования - подготовка к процессу: а) исходный материал; Ь) нарезка пластин; с) скручивание отходов; ё) взвешивание отходов без учета электродов; е) взвешивание отходов с учетом электродов; 1) загрузка отходов в реактор; g) монтаж электродов; Ю) заполнение реактора дистиллированной водой
Второй этап исследования подразумевает собой процесс электроэрозионного диспергирования на экспериментальной установке (Рис.4).
Процесс ЭЭД представляет собой разрушение токопроводящего материала в результате локального воздействия кратковременных электрических разрядов между электродами. В зоне разряда под действием высоких температур происходит нагрев, расплавление и частичное испарение материала. Для получения высокой температуры в ограниченной области малого объема необходима большая концентрация энергии. Достижение этой цели осуществляется использованием импульсного напряжения.
Основными регулируемыми параметрами экспериментальной установки ЭЭД, непосредственно влияющими на процесс порошкообразования, являются:
- напряжение на электродах - и),
- частота следования импульсов - г),
- емкость рабочего накопителя - С),
Для выполнения данного исследования использовалась следующая конфигурация экспериментальной установки (таблица 2).
Рисунок 4. Экспериментальная установка для электроэрозионного
диспергирования
Таблица 2 - Конфигурация экспериментальной установки
С, мФа г, Гц ^ В mн, г ^ мин W,кВт/ч Среда П, г/ч
45 25 200 374,7 600 1,3 Дист. вода 9,695
На фотографии (Рис. 5) представлен процесс ЭЭД в реакторе, роль которого выполняет эксикатор. В эксикаторе заметно, что в ходе ЭЭД в дистиллированной воде образуется суспензия порошкового материала, состоящая из свинцово-сурьмянистого порошка. На фотографии красным выделена область, на которой в данный момент происходит процесс электрической эрозии исходного материала.
Рисунок 5 - 2 Этап исследования - процесс электроэрозионного диспергирования
На фотографии ниже (Рис. 6) можно увидеть, как как проявляется эрозия на электроде.
а) Ь)
Рисунок 6 - Эрозия электрода в процессе ЭЭД: а) электрод до ЭЭД: б) электрод после ЭЭД
На третьем этапе исследования осуществляется выгрузка оставшихся отходов, их можно повторно использовать до 100% степени переработки в порошок. Рабочая жидкость с частицами порошка, осевшими на дне эксикатора, переливается в посуду с большим диаметром дна, где происходит отстой суспензии для снятия осадка в виде порошка. Дистиллированная вода, снятая с осадка, может повторно использоваться в экспериментах с свинцово-сурьмянистыми сплавами (Рис. 7).
а) Ь) с)
Рисунок 7 - 3 Этап исследования - выгрузка: а) выгрузка не переработанных отходов из реактора; Ь) отстой суспензии; с) удаление дистиллированной воды
ё) е)
Рисунок 8 - 4 Этап исследования - сушка и взвешивание: а) выпаривание раствора с порошком; Ь) прокаливание сухой смеси; с) сухая смесь; ё) толчение смеси; е) получение порошка; 1) взвешивание
В ходе данного этапа посредством лабораторной электрической плитки и термостойкой фарфоровой посуды производилось высушивание и прокалка выпавшей в осадок смеси дистиллированной воды и мелкодисперсного порошка. Полученная сухая смесь, по средству толчения пестиком в ступе, преобразована в мелкодисперсный порошок. На лабораторных электрических весах произведено взвешивание получившегося порошка.
Четвертым этапом исследования является сушка, толчение и взвешивание готового порошка (Рис 8).
Основные результаты
В данном исследования был апробирован способ получения порошка из свинцово-сурьмянистых пластин кислотного аккумулятора методом электроэрозионного диспергирования. В ходе исследования было выявлено, что пластины аккумулятора, изготавливаемого на курском аккумуляторном заводе «Исток +» изготавливают из свинцово сурьмянистого сплава.
Практическим результатом исследования стало получение на экспериментальной установке 97 грамм свинцово-сурьмянистого порошка, при установленной производительности 9,7 г/ч.
Было выявлено, что метод электроэрозионного диспергирования пригоден для переработки аккумуляторного лома. Однако в дальнейших исследованиях необходимо изготовление методом sps - синтеза спечённого образца, и проведение глубокого исследования полученного сплава, его свойств, структуры, и состава.
Так же в ходе данной работы возникли предпосылки для решения следующих задач:
Проверить возможность увеличения производительности процесса за счет изменения показателей экспериментальной установки- U, C, г, Р.Ж.. Заключение
Полученные результаты могут быть использованы для дальнейшего изучения полученного материала, изучения его свойств, структуры и состава
Список литературы
1. Агеева Е. В., Королев М. С., Воробьев Ю. С. Исследование элементного состава свинцово-сурьмянистых сплавов методом рентгенофлуоресцентного анализа // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2020. Т. 10, № 4. С. 8-21
2. Исследование и принципы работы устройств сохранения энергии на примере свинцово-кислотного аккумулятора и ионистора / Э.И. Крепышева // Будущее науки. -2019.- С. 200-203.
3. Пат. 2686667 Российская Федерация, С1, Препятствующие сульфатированию приклеиваемые плиты для свинцово-кислотных аккумуляторов / Хуускен Р.; заявитель и патентообладатель ОСВ ИНТЕЛЛЕКЧУАЛ КАПИТАЛ, ЭлЭлСи (US). - № 2017101144; заявл. 17.06.2015; опубл. 30.04.2019.
4. Feasibility to Profitability with Copper ISASMELT™ / G. Alvear, P. Arthur and P. Partington // Proceedings of Copper 2010, Hamburg, Germany. - 2010 Vol. 1, - P. 21-24.
5. Пат. 179473 Российская Федерация, U1, Свинцово-кислотный аккумулятор с индикатором степени заряженности / Шуткова О.А., Осипов А.Ю.; заявитель и патентообладатель ООО «Аккумулятор инноваций». - № 2017133339; заявл. 25.09.2017; опубл. 16.05.2018.
6. The ISA-YMG Lead Smelting Process / B. Errington, P. Arthur, J. Wang and Y. Dong // Proceedings of the International Symposium on Lead and Zinc Processing, Kyoto, Japan. -2005 - P. 581-599.
7. The Precious Art of Metals Recycling / F. Vanbellen and M. Chintinne // Advanced Processing of Metals and Materials, F. Kongoli and R.G. Reddy, Eds., TMS, Warrendale, Pennsylvania. - 2006, - Vol. 1, - P. 43-52.
8. Изучение свойств свинцово-сурьмянистых сплавов / Королев М.С., Агеева Е.В. // Современные автомобильные материалы и технологии Юго-Зап. гос. ун-т. -2020. -С.188-194
9. In situ electrochemical scan to study the behavior of the asymmetric (single-side) pasted positive plate as used in automotive lead-acid batteries / G. Yonglang // J. Appl. Electrochem. - 2006. - 36, № 3. - С. 363 - 368.
10. Переработка использованных аккумуляторов - основа рециклинга свинца / Пого-сян А.А., Бессер А Д. Сорокина B.C. // М.: ФГУП «ЦНИИАТОМИНФОРМ», -2005. - С. 256.
11. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии / Колосовский В.В., Силенко В.Н. // СПбГАУ. - 2004. - С.104.
12. Пат. 2634591 Российская Федерация, С2, Способ изготовления аккумулятора свинцово-кислотной системы с поверхностными электродами / Шлыков В. А., Емелья-
нов С.Г.; заявитель и патентообладатель Юго-Западный государственный университет. - № 2015152563; заявл. 09.12.2015; опубл. 01.11.2017.
13. Агеева Е.В., Новиков Е.П., Королев М.С. Исследования на устойчивость к воздействию температуры головки блока цилиндров, восстановленной газодинамическим напылением электроэрозионных порошков // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2018. Т. 8, № 4 (29). С. 15-22.
14. Переработка свинцово-кислотных аккумуляторов в малеиновом электролите / Султанова М.В., Сердюк А.И., Зырянов С.П. // Вестник Донбасской национальной академии строительства и архитектуры. - 2018. - № 5 (133). - С. 84-89.
15. Особенности моделирования свинцово-кислотного аккумулятора / Фоменко Н.С., Григорьев А.С., Динисолов А.С. // Электрохимическая энергетика. - 2019.- Т. 19. № 2.- С. 81-89.
16. Перспективы переработки утильных свинцово - кислотных аккумуляторов / Ялалова М.М., Сердюк А.И. // Вестник Донецкого национального университета. серия Г: Технические науки.- 2019.- № 2.- С. 72-82.
17. Изучение свойств свинцово-сурьмянистых сплавов / Королев М.С. Агеева Е.В., // Современные автомобильные материалы и технологии (САМИТ - 2020) сборник статей XII Международнойнаучно-технической конференции, посвященной 25-летию кафедры технологии материалов и транспорта. Издательство: Юго-Западный государственный университет (Курск). - 2020. - С. 188-193.
18. The phase composition of products from electro-erosive cobaltochrome powders, obtained by additive technologies / Ageev E.V., Altukhov A.Y., Korolyov M.S. // Solid State Phenomena.- 2020. Т. 299 SSP. С. - 611-616.
Ageeva Ekaterina Vladimirovna, PhD, Associate Professor
((e-mail: ageev-ev@yandex.ru) Mikhail
Korolev S., PhD student
(e-mail: korolev37-31-72@mail.ru)
South-Western State University, Kursk, Russia
THE PREPARATION OF POWDER MATERIAL FROM A LEAD-ANTIMONY PLATES-ACID BATTERY
In this article, the possibility of obtaining powders from plates of acidic low-antimony accumulators by means of destruction of the source material by the method of electroerosive dispersion of metals and alloys is experimentally proved.
Keywords: low-antimony batteries, alloy, lead-antimony alloy, powder preparation, method of electroerosive dispersion.
