Исследование, моделирование и оптимизация процессов электрохимического извлечения рения из многокомпонентных сплавов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.02, кандидат технических наук Яковлев, Максим Алексеевич

• Яковлев, Максим Алексеевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Яковлев, Максим Алексеевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

1.1. Переработка ренийсодержащих сплавов на основе вольфрама . 5 ч 1.2. Переработка ренийсодержащих сплавов на основе молибдена.

1.3. Переработка ренийсодержащих сплавов на никелевой основе

1.4. Анализ публикаций и патентов в области извлечения рения из твердых и жаропрочных сплавов.

1.5. Определение целей исследования

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ.

ГЛАВА 3. ИЗВЛЕЧЕНИЕ РЕНИЯ ИЗ ЖАРОПРОЧНОГО СПЛАВА

АНОДНЫМ РАСТВОРЕНИЕМ НА ПОСТОЯННОМ ТОКЕ

3.1. Азотнокислые электролиты.

3.2. Сернокислые электролиты

3.3 Щелочные электролиты

ГЛАВА 4. АНОДНОЕ РАСТВОРЕНИЕ ЖАРОПРОЧНОГО СПЛАВА

НА ПЕРЕМЕННОМ И РЕВЕРСИРУЕМОМ ТОКЕ

4.1. Растворение сплава на переменном синусоидальном токе.

4.2. Растворение сплава на реверсируемом токе.

ГЛАВА 5. ДЛИТЕЛЬНЫЕ СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ОПЫТЫ ПО АНОДНОМУ ¡V* РАСТВОРЕНИЮ СПЛАВА.

5.1. Переменный синусоидальный ток.

5.2. Постоянный ток.

5.3. Реверсируемый ток.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование, моделирование и оптимизация процессов электрохимического извлечения рения из многокомпонентных сплавов»

Актуальность темы

Одним из важнейших направлений использования рения в промышленности являются жаропрочные сплавы, применяемые в авиа- и космической технике. К ним можно отнести лопатки газовых турбин, части ракетных сопел и др. В настоящее время в мире накопилась огромная масса подобных изделий срок службы которых вышел.

Разработка технологий переработки жаропрочных сплавов с целью извлечения из них рения, тантала, ниобия, никеля, вольфрама, молибдена является актуальной задачей.

Цель работы

Разработка энергосберегающего и экологически приемлемого способа переработки металлических сплавов сложного состава с целью извлечения из них рения и других ценных металлов.

Методы исследования

• Электролитическое растворение сплавов в водных растворах различных кислот (серной и азотной).

• Электролиз с использованием постоянного, реверсируемого и переменного синусоидального тока.

• Математические методы планирования эксперимента.

• Математическое моделирование и оптимизация.

Наиболее существенные научные результаты работы

1. Исследованы процессы анодного растворения жаропрочного сплава в различных электролитах на постоянном, реверсируемом и переменном токе, в результате чего получены следующие математические модели:

• зависимость выхода сплава по току в азотной кислоте от плотности тока и концентрации кислоты при электролизе на постоянном токе;

• зависимость удельного расхода энергии при анодном растворении сплава от плотности тока и концентрации кислоты при электролизе на постоянном токе;

2. Исследованы процессы анодного растворения сплава с использованием нестационарных токов в результате чего получены следующие математические модели процессов:

• зависимость скорости растворения сплава и удельного расхода энергии от плотности тока и концентрации азотной кислоты при электролизе на переменном синусоидальном токе с частотой 50 Гц;

• зависимость выхода по току сплава и удельного расхода энергии от плотности тока и концентрации азотной кислоты при электролизе с использованием реверсируемого тока.

3. На основе полученных математических моделей найдены оптимальные параметры электролиза.

Практическая значимость

1. Установлено, что при анодном растворении сплава на основе никеля рений, никель, кобальт, алюминий и хром практически нацело переходят в раствор, вольфрам и молибден в виде вольфрамовой и молибденовой кислот, а также тантал и ниобий - в шлам. Вольфрам и молибден из шлама количественно выщелачиваются раствором едкого натра.

2. Предложена принципиальная технологическая схема извлечения рения и других металлов из сплава.

3. Материалы исследования рекомендуется для использования в промышленных условиях.

Положения, выносимые на защиту

1. Математические модели процессов электрохимического растворения жаропрочных сплавов на переменном и постоянном токе.

2. Технология электролитического растворения сплавов.

Публикации

Основное содержание диссертации опубликовано в 5 статьях.

Структура и объем работы

Диссертация написана на 53 стр. компьютерной печати и состоит из: введения, 5 глав, основных выводов, библиографического списка из 50 наименований, патентного поиска с ретроспективой 20 лет, а также 4 рисунков и 9 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Металлургия черных, цветных и редких металлов», Яковлев, Максим Алексеевич

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Выполнено исследование по анодному растворению жаропрочного сплава на основе никеля типа ЖС6К (лопатки газовых турбин) в азотной, серной и соляной кислотах, а также в растворе гидроксида аммония, в результате которого предпочтение отдано азотной кислоте по следующим причинам:

• Показано, что удельный расход энергии при использовании азотнокислого электролита меньше, чем сернокислотного на 956 кВт ч/т, что связано со склонностью анодов к пассивации в сернокислых электролитах.

• Установлено, что скорость ионизации рения на аноде в азотнокислых электролитах больше скорости ионизации в сернокислотных электролитах (при одних и тех же условиях электролиза) в 2,8 раза.

• Установлено, что электролиз в солянокислых электролитах при определенных плотностях тока на аноде и концентрации соляной кислоты в электролите, может сопровождаться выделением свободного хлора, что ухудшает экологическую обстановку на предприятии.

• Экспериментально установлено, что расход энергии при анодном растворении жаропрочных сплавов в аммиачных электролитах на порядок больше, чем в кислотных.

2. Произведено сравнение показателей процесса анодного растворения жаропрочного сплава в азотнокислом электролите при использовании постоянного, переменного и реверсируемого тока, в результате чего установлено, что анодное растворение сплава на переменном токе промышленной частоты имеет следующие преимущества перед электролизом на постоянном и реверсируемом токе:

• Высокое извлечение рения и никеля в азотнокислый раствор (88,5 и 99,9 %, соответственно), вольфрама, молибдена, тантала и ниобия в шлам (99,2 % в среднем), из которого вольфрам и молибден легко извлекаются в щелочной раствор выщелачиванием гидроксидом натрия или аммония.

• Высокое содержание тантала и ниобия в шламе (до 81 %).

3. На основе полученных экспериментальных данных получены следующие математические модели:

• Зависимости выхода по току на аноде при электролизе в азотнокислых и сернокислых электролитах от плотности тока и концентрации кислоты в растворе.

• Зависимости удельного расхода энергии от плотности тока и концентрации кислоты в растворе.

4. На основе полученных математических моделей найдены оптимальные параметры процессов электролиза.

5. Предложена принципиальная технологическая схема переработки жаропрочного сплава электролизом.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Яковлев, Максим Алексеевич, 2005 год

1. Постникова C.B., Цориева Н.С. Исследование процессов получения и очистки рассеянных элементов // Научн. тр. Гиредмета, t.XXXVIII. М.: ОНТИ Гиредмета, 1972. С. 54 -62.

2. Бибикова В.И., Нисельсон Л. А., Василевская И.И., Васильева AT. //Научн. тр. Гиредмета, т.60. М.: Металлургия, 1974. С. 60 66.

3. Нисельсон Л.А., Василевская И.И., Николаев Р.К., Васильева А.Г.-В сб. "Металлургия рения". М.: Наука, 1970. С. 91-95.

4. Зеликман А.Н., Крейн O.E. Гидрометаллургические и хлорные процессы в производстве редких металлов // Научн. тр. МИСиС, т.75. М.: Металлургия, 1972. С. 99-105.

5. Зеликман А.Н., Крейн O.E., Шулешко Г.А. II Цветные металлы. 1972. №7. С. 63 65.

6. M.J. Ferrante, F.E. Black, A.D. Fúgate and F.A. Skirvin. II Report Investing. №7254,1969, U.S. Burean of Mines, Washington.

7. Product Licensing Index №79, 1970. P. 5.

8. Bojanowka A., PajakL, Lach. E. Pr. nauk Inst. Chem. nieorgan metalurg piewriast. 1973, №17. C. 377 393.

9. Пат. 52-93128 (Япония). Извлечение рения из рений-вольфрамовых сплавов I Кондзуми Хидэо, Ито Масаёси, Араки Тосихару. 1979.

10. Ramgvist L. Modern development in powder Metallurgy, v. 4, New-York -London, 1971.

11. И .Амосов B.M., Карелин Б.А., Кубышкин B.B. Электродные материалы на основе тугоплавких металлов. М.: Металлургия, 1976. С. 113 119.

12. YlAmosov V.M. // Nemzetközi konferencioja a szinesfemek gazdasgos felhasznalasarol. Budapest, 1974, oct. 14-18.

13. A. c. 303364 (СССР). Устройство для переработки отходов металлического вольфрама / Амосов В.М., Луцкий В.К., Бродский С.И. и др. 1971.

14. Балихин B.C., Резниченко В.А., Корыева СТ. и др. // Цветные металлы. 1972. №11. С. 65-67.

15. Metal Bulletin, 1968, № 5349. P. 23.16.Пат. 3407127 (США). 1968.

16. Айтекеева С.Н., Агапова Л.Я., Пономарева E.K, Абишева З.С. Электрохимическая переработка рений-, вольфрамсодержащих отходов и получение вольфрам-рениевых покрытий // Комплексное использование минерального сырья. 2000. №5 6. С. 27-30.

17. A.c. 1726545 (СССР). Способ переработки молибденовых или вольфрамовых сплавов / Белов С.Ф., Игумнов М.С., Левин A.M., Меньшиков О.Д., Гимелъфарб Ф.А., Черенков A.B. 1992.

18. Попов С. А., Малевский Н. П., Терещенко Л. М. Алмазно-абразивная обработка металлов и твердых сплавов. М.: Машиностроение, 1977. С. 263.

19. Пат. 2189402 (РФ). Способ переработки отходов твердых сплавов / Алкацев М.И, Гуриев В.Р. 2002.

20. Палант A.A., Левин A.M., Брюквин В.А. Электрохимическая переработка вольфрамсодержащих карбидных отходов твердых сплавов // Цветные металлы. 1999. № 8. С. 42 45.

21. Бибикова В. И., Мару нова К. В., Бардин В. А.- В сб. "Рений". М.: Наука, 1976. С. 9-15.

22. Поляков Б. И., Гуревич Е. А., Румянцев В. К., Цыганов Г. А., Калъков А., А. Поведение рения и его сплавов с молибденом при анодном растворении в щелочном электролите // Тр. IV Всесоюз. совещ. по проблеме рения. М., с. 114-116.

23. Поляков Б. И., Гуревич Е. А., Румянцев В. К., Цыганов Г. А. Анодное растворение вольфрама, молибдена и их сплавов в щелочном электролите // В сб.: Химия и химическая технология редких и цветных металлов. Ташкент, 1974. С. 8 11.

24. Дюсебеков Б., Иманходжаев С., Артыкбаев Т. Д., Хамудханова Ш.Х. Растворение молибдена и вольфрама в азотной кислоте // Тез. докл. IV

25. Гуриев P.A. Исследование и применение электролиза на переменном токе в металлургии тугоплавких металлов и твердых сплавов: Дис. канд. техн. наук. Орджоникидзе: Северо-Кавказский горно-металлургический институт. 1982. С. 169.

26. Палант A.A., Брюквин В. А. Электрохимическая переработка металлических отходов вольфрама и молибдена в аммиачных электролитах под действием переменного тока // Металлы. 2004. №2. С. 79 -82.

27. Дорошенко М.М., Еремин E.H., Жеребцов С.Н. Регенерация отходов жаропрочных сплавов методом электрошлакового переплава И Сборник научных трудов Омского государственного технологического университета. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2000. С. 164 169.

28. Пат. 2146720 (РФ). Способ переработки вторичных материалов / Мироевский Г.П., Ермаков И.Г., Козырев В.Ф., Голов АН., Волков Л.В., Одинцов В.А., Хомченко O.A. 2000.

29. Истрашкина М.В., Передереева З.А., Фомин С.С. Перспективные технологии извлечения рения из отходов никелевых сплавов // В сб. "Гиредмет 70 лет на службе в металлургии редких металлов и полупроводников". М.: ЦИНАО, 2001. С. 111 - 119.

30. Травкин В. Ф., Кубасов В.Л., Нехорошее Н.Е. //Цв. металлургия. 1998. №4. С. 32-36.

31. Травкин В.Ф., Якшин В.В., Глубокое Ю.М., Астахова О.Н. Экстракционный процесс извлечения рения гексабутилтриамидом фосфорной кислоты // Цветная металлургия. 1999. №8 9. С. 27 - 29.

32. Пат. 2101371 (РФ). Способ извлечения рения и молибдена жидкостной экстракцией вторичными аминами / Палант A.A., Петрова В.А., Яценко H.A., Тагиров Р.К. 1996.

33. Холмогоров А.Г., Юркевич Т.Н., Кириллова В.П. Исследование ионообменного извлечения рения и молибдена из азотнокислых растворов // Комплексное использование минерального сырья. 1981. №3. С. 51 55

34. Балмасов Г.Ф., Блохин A.A., Копырин A.A. Исследование сорбции рения низкоосновными анионитами из нитратно-сульфатных растворов // Цветная металлургия. 1994. №11. С. 44 47.

35. Пат. 2227170 (РФ). Способ извлечения рения / ГУЛ "Всероссийский научно-исследовательский институт химической технологии". 2002

36. Пат. 3894866 (США). Способ извлечения рения из разбавленных растворов. 1975.

37. Справочник по редким металлам. Под ред. В.Е. Плющева. М.: Мир, 1965. С. 619.

38. Новик Ф.С., Арсов Я.Б. Оптимизация процессов технологии металлов методами планирования экспериментов. М.: Машиностроение; София: Техника, 1980. 304. е.

39. Гуриев В.Р., Алкацев М.И., Гуриев P.A. Электрохимическое растворение сплавов на основе вольфрама под действием переменного тока // Сборник научных трудов аспирантов. Владикавказ: СКГТУ. 1999. С.50.

40. Яковлев М.А., Алкацев М.И. Извлечение рения из жаропрочного сплава анодным растворением на переменном токе 50 Гц в азотнокислом электролите // Труды молодых ученых. Владикавказский научный центр РАН. 2005. № 3.

41. Яковлев М.А., Алкацев М.И, Линьков В.А. Извлечение рения из жаропрочного сплава анодным растворением на постоянном токе // Труды молодых ученых. Владикавказский научный центр РАН. 2004. № 4. С. 27.

42. Паравян Н. Из нихрома чистый никель // Химия и жизнь. 1996. № 2 (пилотный). С.86.

43. Ниобий и тантал / А.Н.Зеликман, Б.Г.Коршунов, А.В.Елютин, М.М.Захаров. М.: Металлургия, 1990. 296 с.

44. Алкацев М.И. Теоретические основы процессов цементации. Владикавказ: Терек, 1994. 70 с.51 .Зеликман А.Н., Коршунов Б.В. Металлургия редких металлов. М.: Металлургия, 1991.432 с.

45. Положения диссертации опубликованы в следующих работах:

46. Яковлев М.А. Обзор способов переработки отходов ренийсодержащих сплавов // Труды молодых ученых. Владикавказский научный центр РАН. 2004. № 1. С. 23-29.

47. Яковлев М.А., Алкацев М.И., Линьков В.А Извлечение рения из жаропрочного сплава анодным растворением на постоянном токе // Труды молодых ученых. Владикавказский научный центр РАН. 2004. № 4. С. 2731.

48. Яковлев М.А. Извлечение рения из жаропрочного сплава анодным растворением в серной кислоте // Труды молодых ученых. Владикавказский научный центр РАН. 2005. № 1. С. 50-52.

49. Яковлев М.А., Алкацев М.И. Извлечение рения из жаропрочного сплава анодным растворением на переменном токе 50 Гц в азотнокислом электролите // Труды молодых ученых. Владикавказский научный центр РАН. 2005. № 2.

50. Яковлев М.А. Извлечение рения из жаропрочного сплава анодным растворением с использованием реверсируемого тока // Труды молодых ученых. Владикавказский научный центр РАН. 2005. № 3.