CC BY
69
DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018.9.1.269-271 УДК 669.054.8 : 669.245 : 66.087.7
ВЫДЕЛЕНИЕ ТУГОПЛАВКИХ РЕДКИХ МЕТАЛЛОВ ИЗ ОТХОДОВ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ
Е. М. Жилина, С. А. Красиков, С. Н. Агафонов, С. В. Жидовинова, А. С. Русских, Т. В. Осинкина
ФГБУН Институт металлургии УрО РАН, г. Екатеринбург, Россия
Аннотация
Выполнена апробация получения порошка редких металлов путем электрохимического растворения отходов жаропрочных никелевых сплавов в сернокислых растворах. Выявлено влияние на интенсивность процесса концентрации серной кислоты и плотности тока. Обнаружено, что при осуществлении анодного растворения в раствор электролита переходили преимущественно Re, Co, Cr, а в шлам — W, Ta, Nb. В шлам и раствор в существенных количествах и приблизительно равном соотношении переходили Ni, Co, Mo и Al. Результаты рентгенофазового анализа показали, что в шламе никель присутствовал в виде твердого раствора. Вольфрам и тантал окислялись до низших степеней окисления. Ключевые слова:
анодное растворение, электролиз, жаропрочные сплавы, редкие металлы, шлам. SELECTION OF REFRACTORY RARE METALS FROM WASTE OF HEAT-RESISTANT NICKEL ALLOYS
E. M. Zhilina, S. A. Krasikov, S. N. Agafonov, S. V. Zhidovinova, A. S. Russkih, T. V. Osinkina
Institute of Metallurgy of the Ural Branch of the RAS, Yekaterinburg, Russia
Abstract
Approbation of rare metals powder obtaining technology by electrochemical dissolution of heat-resistant nickel alloys waste in sulfuric solutions has been performed. The influence of the sulfuric acid concentration and the current density on the intensity of the process was revealed. It was found that in the course of anodic dissolution, Re, Co, Cr mostly transitioned to the electrolyte solution, and W, Ta, Nb to the slurry. Ni, Co, Mo, and Al transitioned in significant amounts and approximately the same proportion to the slurry and to the solution. X-ray diffraction analysis showed that nickel was present in the slurry as a solid solution. Tungsten and tantalum were oxidized to the lowest degrees of oxidation. Keywords:
anodic dissolution, electrolysis, heat-resistant alloys, rare metals, slurry.
Редкие металлы в большой степени определяют развитие таких важных областей, как электровакуумная техника, полупроводниковая электроника, атомная энергетика, авиа- и ракетостроение, а также производство специальных сталей, твердых, жаропрочных и антикоррозионных сплавов. К числу особенно востребованных можно отнести редкие тугоплавкие переходные металлы, которые образуют сплавы с формированием интерметаллических соединений и твердых растворов, характеризующихся высоким межмолекулярным сцеплением атомов в кристаллах. Высокие темпы развития перечисленных отраслей техники определяют непрерывно возрастающий спрос на редкие металлы, что предусматривает дальнейшее расширение их выпуска. Решение данной проблемы может быть реализовано путем максимального использования вторичного сырья редких тугоплавких металлов, что в значительной мере позволило бы снизить их дефицит на российском рынке. Из наиболее значимых видов вторичного сырья редких тугоплавких металлов следует отметить различные виды металлических отходов, содержащих, например, W, Nb,Ta, Re. Одним из перспективных направлений в технологии переработки таких отходов являются процессы, основанные на электрохимических подходах, позволяющих осуществлять их регенерацию с получением товарной продукции [1]. Сравнительно невысокая производительность подобных способов в данном случае не имеет принципиального значения из-за относительно небольшого объема отходов.
При переработке отходов многокомпонентных металлических сплавов, отличающихся высокой прочностью, известны разработки, связанные с растворением этих материалов методом электролиза в растворах кислот и позволяющие селективно переводить ценные редкие и цветные металлы в разные продукты. При удачном подборе электролита, температуры, условий перемешивания и электрических параметров электрохимический способ позволяет переводить металлы в раствор и шлам с перспективой дальнейшей переработки этих продуктов [1-4].
Целью данного исследования является получение порошка редких металлов путем электрохимического растворения отходов жаропрочных никелевых сплавов и подбор оптимальных технологических параметров. Поставленная цель достигалась решением следующих задач: изучение процесса электрохимического окисления металлических отходов редких тугоплавких металлов в кислых электролитах; электрохимическое получение концентрированных растворов рениевой кислоты и порошкообразного шлама, содержащего вольфрам, ниобий, тантал и молибден.
Были апробированы варианты анодного растворения в растворах серной кислоты отходов жаропрочного сплава на никелевой основе, используемого для изготовления лопаток газотурбинных двигателей с содержанием, мас. %: 5,0 &, 9,3 1,1 Mo, 8,5 W, 6,0 М, 4,0 Ta, 1,6 Nb, 4,0 Re, 57,4 Ni.
Эксперименты проводили по следующей методике. Электролизер состоял из стеклянной электролитической ванны и электродов. В качестве электролита был выбран раствор серной кислоты. Объем раствора в эксперименте составлял 500 мл. В качестве расходуемого анода использовали сплавы вышеуказанного состава с площадью около 10 см2. Используемую для растворения лопатку крепили в медной пластине. При использовании источника питания Б5-70 через электролит пропускали постоянный электрический ток величиной
А
от 0,5 до 5 А. Плотность тока равнялась около 0,49 —-. Катодом служила пластина из нержавеющей стали массой 19,55 г. Расстояние между катодом и анодом составило 1 см. Напряжение равнялось 30 В. Для интенсификации диффузионных процессов использовалась магнитная мешалка «ЭКРОС ES-6120» с возможностью равномерного подогрева раствора. Функции нагрева и перемешивания можно было использовать как одновременно, так и по отдельности. Скорость перемешивания при комнатной температуре составляла 50 об/мин. Масса анодов и объем раствора электролита фиксировали до и после опыта.
По результатам анодного растворения образцов под плотностью тока 0,2-0,5 А/см2 в течение около 2 ч установлено, что при проведении процесса в растворах серной кислоты с концентрацией H2SO4 49-196 г/л в раствор электролита переходили преимущественно Re, &, а в шлам — W, Ta, № (табл. 1). Никель, кобальт, молибден и алюминий в существенных количествах переходили как в шлам, так и в раствор. Шлам был в виде дисперсного материала крупностью 50-200 мкм (табл. 2), что удобно для его последующей переработки на выделение и разделение металлов по известным технологиям. По результатам рентгенофазового анализа (рис.) было выявлено, что наибольшая интенсивность пиков дифрактограмм соответствовала твердому раствору вольфрама в никеле. Также были обнаружены молибден и оксидная фаза тантала.
Таблица 1
Распределение элементов по продуктам после электролиза сплава в растворе H2SO4, %
Материал № Ой Re W Ta № & М Mo Fe
H2SО4 55,28 72,2 90,1 4,18 0,54 1 92,24 44,3 44,1 22,8
Шлам 51,12 32,8 9,41 89,91 62,21 62,62 18,5 43,64 68,94 9,07
Таблица 2
Гранулометрический состав порошка шлама
Сито < 50 мкм 50-65 мкм 65-100 мкм 100-160 мкм 160-200 мкм > 200 мкм
Масса, г 0,03 0,01 0,01 0,01 0,01 0,03
1.0 0.8 8.6
0.4
Результаты рентгенофазового анализа образца шлама: 1 — Nio,92W 0,08; 2 — Mo; 3 — TaO
Осуществление процесса электролиза в растворе серной кислоты позволяет при последующей переработке электролита выделять рений в полупродукт в виде перрената аммония, пригодного для изготовления рениевых катализаторов [5].
Выполненное исследование может служить научной основой для разработки перспективных технологий переработки металлических отходов жаропрочных сплавов, позволяющих извлекать и разделять ценные редкие и цветные металлы.
Работа выполнена при финансовой поддержке УрО РАН по проекту № 18-5-3-37 комплексной программы УрО РАН.
Литература
1. Палант А. А., Павловский В. А. Физико-химические и технологические основы электрохимической переработки отходов металлического вольфрама // Технология металлов. 2003. № 11. С. 3-7.
2. Касиков А. Г., Петрова А. М. Рециклинг рения из отходов жаропрочных и специальных сплавов // Технология металлов. 2010. № 2. С. 2-12.
3. Палант А. А., Брюквин В. А., Грачева О. М. Электрохимическая переработка отходов сплавов вольфрам — рений под действием переменного тока промышленной частоты // Электрометаллургия. 2005. № 5. С. 31-34.
4. Комплексная электрохимическая переработка металлических отходов ренийсодержащего жаропрочного никелевого сплава в сернокислых электролитах / А. А. Палант и др. // Электрометаллургия. 2010. № 7. С. 29-33.
5. Переработка отходов жаропрочных сплавов с получением полупродукта для изготовления рениевых катализаторов / С. А. Красиков // Материалы 2-й Российской конференции с международным участием «Новые подходы в химической технологии минерального сырья. Применение экстракции и сорбции» (Санкт-Петербург, 3-6 июня 2013 г.). Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 2013. Ч. 2. С. 142-143.
Сведения об авторах Жилина Екатерина Михайловна
кандидат химических наук, ФГБУН Институт металлургии УрО РАН, г. Екатеринбург, Россия ezhilina@bk.ru
Красиков Сергей Анатольевич
доктор технических наук, ФГБУН Институт металлургии УрО РАН, г. Екатеринбург, Россия sankr@mail.ru
Агафонов Сергей Николаевич
кандидат технических наук, ФГБУН Институт металлургии УрО РАН, г. Екатеринбург, Россия
agafonovs@yandex.ru
Жидовинова Светлана Васильевна
кандидат химических наук, ФГБУН Институт металлургии УрО РАН, г. Екатеринбург, Россия Русских Андрей Сергеевич
ФГБУН Институт металлургии УрО РАН, г. Екатеринбург, Россия
russkih_a_s@mail.ru
Осинкина Татьяна Владимировна
ФГБУН Институт металлургии УрО РАН, г. Екатеринбург, Россия cool-ezhk@yandex.ru
Zhilina Ekaterina Mikhailovna
PhD (Chemistry), Institute of Metallurgy of the Ural Branch of the RAS, Yekaterinburg, Russia ezhilina@bk.ru
Krasikov Sergey Anatolievich
Dr. Sc. (Engineering), Institute of Metallurgy of the Ural Branch of the RAS, Yekaterinburg, Russia Russia, sankr@mail.ru
Agafonov Sergey Nikolaevich
PhD (Engineering), Institute of Metallurgy of the Ural Branch of the RAS, Yekaterinburg, Russia agafonovs@yandex.ru
Zhidovinova Svetlana Vasilievna
PhD (Chemistry), Institute of Metallurgy of the Ural Branch of the RAS, Yekaterinburg, Russia Russkih Andrey Sergeevich
Institute of Metallurgy of the Ural Branch of the RAS, Yekaterinburg, Russia russkih_a_s@mail.ru
Osinkina Tatiana Vladimirovna
Institute of Metallurgy of the Ural Branch of the RAS, Yekaterinburg, Russia cool-ezhk@yandex.ru
DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018.9.1.271 -275 УДК 661.888.2 : 66.061
ИЗВЛЕЧЕНИЕ НИОБИЯ ПРИ ГИДРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКЕ НИОБИЙ-ТИТАНОВЫХ КОНЦЕНТРАТОВ ИЗ ФТОРИДНЫХ СИСТЕМ С ПОЛУЧЕНИЕМ ОКСИДА
С. В. Жуков, С. В. Шестаков, А. В. Смирнов, А. В. Нечаев
ООО «НПК "Русредмет"», г. Санкт-Петербург, Россия Аннотация
Рассматриваются процессы выщелачивания ниобий-титановых концентратов раствором фтористоводородной кислоты, а также экстракционное извлечение ниобия из фторидных систем с применением октанола-1 в качестве экстрагента. Установлены зависимости извлечения ниобия, титана, железа и фосфора от соотношения Ж : Т при выщелачивании ниобий-титанового
