Исследование, моделирование и оптимизация процессов высокотемпературного разделения вольфрама и кобальта (цинковый способ) в промышленных условиях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.02, кандидат технических наук Поддубный, Сергей Владимирович

• Поддубный, Сергей Владимирович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Поддубный, Сергей Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

1.1. Плавка и спекание.

1.2. Окислительный обжиг.

1.3. Окислительно - восстановительные способы.

1.4. Гидрометаллургические способы.

1.5. Хлорирование.

1.6. Электрохимические способы.

1.7. Цинковый способ.

1.8. Методы порошковой металлургии.

1.9. Методы обогащения.

1.10. Анализ публикаций и патентов.

1.11. Определение целей исследования

ГЛАВА 2. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОЦЕССОВ ИСПАРЕНИЯ

ЦИНКА.

ГЛАВА 3. ПРОМЫШЛЕННЫЙ ПЛАНИРУЕМЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование, моделирование и оптимизация процессов высокотемпературного разделения вольфрама и кобальта (цинковый способ) в промышленных условиях»

Актуальность темы

Значительная часть вольфрама используется в промышленности для изготовления твердых сплавов типа ВК (WC-Co), содержащих 75-97 % карбида вольфрама и 3-25 % кобальта в качестве связующего.

Актуальность темы диссертационной работы, посвященной переработке отходов твердых сплавов (преимущественно типа ВК), с целью разделения карбида вольфрама и кобальта, обусловлена следующими обстоятельствами:

• Истощением месторождений вольфрамсодержащих руд в большинстве стран, особенно в Российской Федерации;

• Монополией отдельных стран (Китая и др.) на обладание богатыми месторождениями вольфрамовых руд и производством изделий из вольфрама.

Цель работы

Целями исследования были: моделирование и оптимизация процессов высокотемпературной экстракции кобальта расплавленным цинком и отгонки цинка в вакууме в промышленных условиях.

Методы исследования

• Математические методы планирования эксперимента.

• Математическое моделирование и оптимизация процессов.

• Разработка аппаратуры и реализация процессов разделения вольфрама и кобальта в промышленных условиях.

Наиболее существенные научные результаты работы

1. Исследованы процессы высокотемпературного разделения кобальта и карбида вольфрама путем экстракции кобальта расплавленным цинком и отгонки цинка в вакууме, в результате чего получены следующие математические модели:

• зависимости остаточного содержания цинка в продукте и степени отгонки его из сплава ВК-6: • от времени экстракции, времени отгонки цинка, температуры и давления в газовом пространстве;

• зависимости остаточного содержания цинка в продукте и степени отгонки цинка от времени экстракции, времени отгонки цинка, температуры и давления в газовом пространстве печи для сплавов в диапазоне ВК-6 -ВК-20.

• предложена математическая модель скорости испарения металлов как функции температуры и давления. Уравнение идентифицировано на примере испарения цинка;

• Рассмотрены изотермические сечения диаграммы состояния Co-Zn при температурах 600, 700 и 800 °С. Показан характер изменения упругости паров цинка при изменении состава сплава в процессе отгонки из него цинка.

2. На основе полученных математических моделей найдены условные оптимальные параметры процесса.

Практическая значимость

1. Внедрение полученных автором оптимальных параметров процесса в промышленном масштабе позволило снизить удельный расход энергии на 14,2 %, что соответствует снижению удельного расхода электроэнергии на 2102 кВт-ч/т.

2. Материалы исследования рекомендуется для использования в промышленном масштабе на родственных предприятиях цветной металлургии.

Положения, выносимые на защиту

1. Математическая модель разделения кобальта и карбида вольфрама методом высокотемпературной экстракции кобальта жидким цинком как функция времени экстракции, давления (вакуума) в реакторе (0,01 — 0,15 мм рт. ст.), температуры и времени отгонки цинка.

2. Зависимость содержания цинка в продукте регенерации твердого сплава от содержания кобальта в твердом сплаве, давления и времени экстракции кобальта расплавленным цинком.

Апробация работы

Положения диссертационной работы прошли апробацию на научно-технических конференциях и научных семинарах СКГМИ (ГТУ), расширенном заседании кафедры металлургии цветных металлов СКГМИ (ГТУ), а также в 3 статьях, опубликованных в научных изданиях.

Публикации

Основное содержание диссертации опубликовано в 3 статьях.

Структура и объем работы

Диссертация написана на 64стр. компьютерной печати и состоит из: введения, 3 глав, основных выводов, библиографического списка из 93 наименований, патентного поиска с ретроспективой 20 лет, а также 9 рисунков и 4 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Металлургия черных, цветных и редких металлов», Поддубный, Сергей Владимирович

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Выполнена научно-квалификационная работа, в которой содержатся технологические решения задачи по оптимальному разделению отработанных изделий из твердых сплавов на карбид вольфрама и кобальт цинковым способом с использованием метода планирования промышленных экспериментов.

2. В результате реализации двух серий 3-х и 4-х факторных экспериментов получены следующие научные и практические результаты:

• Математическая модель, связывающая остаточное содержание цинка в продукте и степень его отгонки со временем экстракции кобальта расплавленным цинком, временем его возгонки, температурой и величиной вакуума на примере сплава марки ВК-6. В условиях проведенных опытов установлено, что независимые переменные по убыванию силы влияния ранжируются в следующий ряд: величина вакуума, время экстракции кобальта, время отгонки цинка, температура.

• Математическая модель, связывающая остаточное содержание цинка в продукте с содержанием кобальта в твердом сплаве (Со = 6-20 %), со временем экстракции кобальта расплавленным цинком и величиной вакуума. Независимые переменные по убыванию силы влияния на содержание цинка в продукте ранжируются следующим образом: содержание кобальта в исходном сплаве), величина вакуума), время экстракции кобальта.

• Математическая модель скорости испарения цинка как функции температуры и величины вакуума. На основе модели найдена экспериментальная энергия активации процесса возгонки цинка равная 120,9 кДж/моль.

• Рассмотрены изотермические сечения диаграммы состояния Со - Zn при температурах 600, 700 и 800 °С. Показан характер изменения упругости паров цинка при изменении состава сплава в процессе отгонки из него цинка.

• Установлены оптимальные параметры процесса, позволяющие получить минимальное содержание цинка в продукте при минимальном расходе энергии, что позволило снизить удельный расход энергии в процессе на 2102 кВт-ч/т твердого сплава.

4. Материалы диссертационной работы рекомендуется использовать как в промышленности, так и в учебном процессе при подготовке инженеров-металлургов.

Положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Поддубный С.В. . Обзор способов переработки отходов твердосплавного производства // Труды молодых ученых Владикавказский научный центр РАН. 2003. № 4. С.37 - 44.

2. Поддубный С.В., Алкацев М.И., Мешков Е.И. Некоторые закономерности процессов испарения металлов в вакууме на примере цинка // Труды молодых ученых. Владикавказский научный центр РАН. 2004. № 1. С. 11 -16.

3. Поддубный С.В., Алкацев М.И. Некоторые закономерности регенерации твердых сплавов WC — Со методом промышленного планируемого эксперимента // Труды молодых ученых. Владикавказский научный центр РАН. 2004. № 2. С.19-24.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Поддубный, Сергей Владимирович, 2005 год

1. Мацубара К. II Ind. Rare Metals. 1982. № 77. P. 108.

2. Kieffer B.F. II Tungsten. 1982 / Proc.Znt. Tungsten Symp. San Francisco. 1982. London. 1982. P. 102.

3. Зеликман A.H., Никитина JI.C. Вольфрам. M.: Металлургия, 1978, с. 50.

4. Никитина JI.C. Переработка отходов тугоплавких металлов (вольфрама, молибдена, рения): М., 1977. (Обзорная информация. Серия: Производство редких металлов / М-во цв.металлургии СССР, ЦНИИ цветмет экономики и информ.)

5. Файрбротер Ф. Химия ниобия и тантала, М.: Химия, 1972. 135 с.

6. Борбат В.Ф., Лещ И.Ю. Новые процессы в металлургии никеля и кобальта. М.: Металлургия, 1976. 191 с.

7. Николова М.,Киров А.,Цонева Л. II «Рудодобив и металлургия». 1970, №6. С. 50.

8. Пат. 66833 (СРР) Способ и печь для извлечения вольфрама из отходов твердых сплавов / Segaranu Tubor, Olaru Margeta. 1979.

9. Палант A.A., Резниченко В.А., Петрова В.А, Степанов А.В. Переработка вольфрамовых отходов тведосплавной промышленности с извлечением тантала // Цв.мет. 1989. № 7. С. 99.

10. Пат. 207932 (ГДР). Способ извлечения кобальта тантала и ниобия из лома твердых сплавов / Baier Gerd, Bernhardt Heinz, Daui Hauns. 1984.

11. Пат. 159882 (ГДР). Способ регенерации кобальта, тантала и ниобия из лома и отходов твердых сплавов / Baier Gerd, Bernhardt Heinz, Dain Hauns, Kiessling Hans-Klaus, Tomalik Werner, Zimmersnn Alex. 1983.

12. Данев Г. Вторичные цветные металлы. М.: Цветметинформация, 1971. С. 69-74.

13. Пат. 4320094 (США). Извлечение тугоплавких металлов из отходов жаропрочных сплавов / Menanshi Gamell, Rappas Alkis S., Douglas Donald A. 1982.

14. Смителле КДж. Вольфрам. M.: Металлургиздат, 1958, с. 43.

15. Абаилин Г.И., Погосян Г.М. Технология получения вольфрама и молибдена. Москва : Металлургиздат, 1960. 259 с.

16. Основы металлургии. Том IV. Редкие металлы. Москва: Извлечение тугоплавких металлов из лома твердых сплавов: Металлургия, 1967. 650 с.

17. Пат. 3887680 (США). Macinnis M.B.,Vanderpool Clarence D.,Boyer C.W. 1957.

18. Пат. 4432950 (США). Извлечение тугоплавких металлом из лома твердых сплавов / Vanderpool Clarence D., Scheithauer Richard A., Warmington Richard G. 1984.

19. Пат. 89440 (CPP). Способ получения триоксида вольфрама из отходов, содержащих вольфрам / Mihaescu Joan, Stefan Virgil, Tudoran Pet-rica, Voicu Alexandru, Dumitressscu. 1986.

20. Пат. 90014 (СРР). Способ переработки отходов твердых сплавов / Mircea Stannciulescu, Florian Aurelian. 1986.

21. Пат. 778285 (СССР). Способ регенерации карондсодержащих отходов твердых сплавов / Дейнека С.С., Доронькин Е.Д., Тараканов Е.М., Тру сова В. Г., Хазан А.З. 1991.

22. Пат. 31138 (НБР). Способ переработки твердосплавных отходов / Атансов Иван Методиев, Арамов Николай Стефонов. 1980.

23. Heshmathour В., Мс Donald R.E. Извлечение вольфрама и молибдена из лома и отходов сплавов W-Re, Mo-Re и других сплавов.// J. Less Cotton Metals. 1982. №1.

24. Пат. 1717283 (СССР). Способ регенерации кусковых отходов вольфрам кобальтовых твердых сплавов / Борд Н.Ю., Дорошкевич Е.А., Шевно А.Н., Хоняк Е.В. 1990.

25. Пат. 43785 (НРБ). Способ переработки отходов твердых сплавов / Милушев М.С., ХаджиевХ.И., Тодоров Р.П., Денев С.И. 1987.

26. Пат. 2025519 (RU). Способ переработки твердосплавного материала / Николаев А.И., Майоров В.Г., Николаев В.П., Копков В. 1992.

27. Redden L.D., Groves R.D. , Seidel D.C. Гидрометаллургическое извлечение дефицитных металлов из пылевидных отходов твердосплавного производства: лабораторные исследования // Rept Invest. Bur. Mines US Dep. Inter. 1998. CI.

28. Пат. 76295 (CPP). Способ извлечения металлов из отходов твердых сплавов / Suteu Teodor, Constantinescu Joan, Marin Victor, Constan-tinescu Victor, Liviu Radu, Oproiu Letitia, Topan Daniel, Stan Elena, Mai-can Ghcorghe, Udoiu Ilie, Dalalan. 1979.

29. Заявка 63-7342. Переработка скрапа, содержащего редкоземельные металлы и кобальт / Такахаси Нобуо, Сэгаеа Куниаки, Тэраниси Кейё. 1986.

30. Пат. 4718996 (США). Способ извлечения вольфрама, скандия, железа и марганца из вольфрамсодержащих материалов / Vanderpool Clarence D., Macinnis Martin В., Ladd Judith A. 1986.

31. A.c. 1047980 (СССР). Способ переработки отходов твердых сплавов / Санников Ю.И., Грецкин JI.C., Калугина В.В., Фельдман В.Г., Воронин А. 1982.

32. ЗЪ.Зеликман А.Н. Кешев А.Х., Ленова JI.M. Выделение сульфидного кобальтового концентрата из сернокислых растворов, получаемых при переработке пылей от заточки твердых сплавов // Цветные металлы. 1992. № 6. С. 46.

33. А.с. 1399937 (СССР). Способ переработки отходов твердых сплавов / Байтенев Н.А. Мурзаева Г.В., Турганбаева М.Р., Тарасенко В.З., Калъ-ков А.А., Граков В.Е., Васильев Ю.А. 1987.

34. Николаев А.И., Масторов В.Г., Николаев В.П., Копков В.К. Получение соединений кобальта и вольфрама из отходов твердосплавного материала //ЖПХ. 1997. № 4. С. 544.

35. Пат. 118104 (ПНР). Способ регенерации металлического вольфрама, особенно из отходов сплавов, с одновременным получением полезных его соединений и соединений сопутствующих металлов / Wolski Taddeusz, Kiszczak. 1978.

36. Заявка 59-67326 (JP). Способ переработки лома и отходов сплавов, содержащих редкоземельные металлы / Мацуямо Ффумио, Мвэдо Ивао. 1982.

37. Пат. 86886 (СРР). Способ извлечения вольфрама, меди и никеля из отходов спеченных электрических контактов / Constantinescu Joan, Oproiu Letitia. 1983.

38. Холмуратова Х.И., Клеандрое В. Т., Исмсшлов Н.П. Исследование растворимости вольфрам и кобальтсодержащих отходов в перекиси водорода // Докл. А.Н.Уз.ССР. 1984. № 5. С. 38.

39. А.С. 52 834 СССР. /ЧижиковД.М., Тру сова В.Г., Хазан А.З. 1976.

40. Ramgvist L. Modern Development in powder Metallurgy, V. 4,New -York-London, 1971.

41. A.C. № 528341 (СССР), опубл. в Б.И. 1976, № 34, с. 68.

42. А.С. № 524840 (СССР). 1976.

43. А.С. № 179930 (СССР). 1966.

44. Балихин B.C., Резниченко В.А., Корнеева С.Т. и. др. // Цветные металлы. 1972. №11. С. 65.

45. Vadasdi К., Miketa G. Прямое получение паравольфрамата аммония (ПВА) из цветных карбидных отходов // Proc. 1-st Int. Conf. Hydro-met., Beijing, 1988: ICHVT88. Beijing, Oxford etc., 1989. C. 426.

46. A.c. 1804129 (СССР). Способ извлечения вольфрама из пылевидных отходов от заточки твердостплавного инструмента / Дорофеев И.А., Булыжев Е.М., Тарасов И.Н., Писъменко В.Т., Велъмисов П.В., Богданов В.В., Михайлов НД. 1990.

47. Пат. №55-34855 (JP). Способ разложения сверхтвердого сплава. 1976.

48. Mad.havi Latha Т., Venkatachalam S. Электрическое извлечение вольфрама и кобальта из скрапа карбида вольфрама // Hydrometal-lurgy. 1989. №3. С. 353.

49. Paul R.L., Те Riele W.A.M., Nicol M.J. Новый способ переработки лома твердых сплавов // Int. J. Miner. Process. 1985. № 1-2. P. 41.

50. Dai Enzhorg. Процесс селективного электролитического растворения (ПСЭР) для переработки отходов твердосплавного производства. // Recyol. Metalliferous Mater.: Pap. Recyol. Metalliferous Mater. Conf., Birmingham, 23-25 Art., 1990, London, 1990, p. 67.

51. Палант A.A., Левин A.M., Брюквин B.A. Электрохимическая переработка вольфрамсодержащих карбидных отходов твердых сплавов // Цветные металлы. 1999. № 8. С. 42.

52. Гуриев Р.А., Алкацев М.И. И Изв. Вуз. Цв. Мет. 1980. № 1. С. 61.6Ъ.Гуриев Р.А. // Изв. Вуз. Цв. Мет. 1981. № 3. С. 40.

53. Лопатин Б.А. Теоретические основы электрохимических методов анализа. М.: Высшая школа, 1979.

54. Шульгин Л.П. Электрохимические процессы при переменном токе. Л.: Наука, 1974. С. 40.

55. Mettal Progress, 1972, v. 101, №5, p. 80.

56. Никитина Л.С. Производство вольфрама из вторичного сырья // Цв. металлы. 1989. № 9. С. 84.

57. Заявка 57-177940 (JP). Способ регенерации компонентов твердых сплавов с покрытием из огнеупорных материалов / Накано Минору, ЦутииАкира. 1981.

58. Пат. 88063 (СРР). Способ обработки отходов спеченных твердых сплавов / Ladislau. Frumosu, Jon Avram, Dan Grugorescu. 1984.ll.DeCesare Roges. Исследования горного бюро США по вторичным материалам. // J. Metals. 1984. 36. № 7. р. 44.

59. Пат. 4338126 (США). Извлечение вольфрама из лома вольфрамовых сплавов / Vanderpool Clarence D. 1980.

60. Раковский B.C. II Сталь. 1948. № 12. С. 1119.

61. Меерсон Г.С., Кипарисов С.С., Богодухов С.И. / Материалы 9-ой Всесоюзной конференции по порошковой металлургии: Рига, изд-во Центр Латвийского правления НТО, 1968, с. 238.

62. Пат 183442 (ВНР). Способ и устройство для регенерации отходов твердых сплавов с использованием плазменной техники / Boday Offo, Neveri Istvan, Nylri Affila, Hajdu Bdlint, Krajcsovics Ferens, Hedai Lajos, Levai Imre, Pentek Istvan. 1981.

63. Полъкин С.И., Глебов Ю.М. II Цветные металлы. 1966. № 4. С. 27.81 .Полькин С.И., Саксагальская И.П., Ревазашвили Н.Б.II Изв. вузов. Цв. металлургия, 1968. №3. С. 96.

64. Флакс С.М., Коваль И.Б., Казюта В.И.Н Цв. металлургия. 1975. № 12. С. 42.

65. Булыжев Е.М., Михайлов Н.Д., Лужев B.A.I Обогащение пылевидных твердосплавных вольфрамсодержащих отходов // Цв. металлы. 1986. № ю. С. 90.

66. Зеликман А.Н., Каспарова Т.В., Биндер С.И. Кинетика перехода кобальта из твердого сплава в цинковый расплав // Изв. Вузов. Цветная металлургия. 1981. № 4. С. 47 -49.

67. Каспарова Т.В., Зеликман А.Н., Биндер С.И. Диффузия кобальта в расплав цинка при различных температурах // Изв. Вузов. Цветная металлургия. 1982. № 2. С. 34- 36.

68. Биндер С.И, Каспарова Т.В., Зеликман А.Н. Регенерация твердых сплавов из кусковых отходов и неперетачиваемых пластин термоэкстракционным способом // Цветные металлы. 1982. № 3. С. 92 -94.

69. Свойства неорганических соединений. Справочник / Ефимов А.И идр. JT.: Химия, 1983.

70. Langmuir J. //J. Phys. Rev. 1927, v. 30, p. 209.

71. Шиллер 3., Гайзиг У., ПанцерЗ. Электронно-лучевая технология: пер. с нем. М.: Энергия, 1980.

72. ЯО.Хансен М, Андерко К. Структуры двойных сплавов. Т.1. Пер. с англ. Под ред. И.И.Ноеиков ,и И.Л., Роельберга. М.: Металлургиздат, 1962.

73. Поддубный С.В., Алкацее М.И., Мешков Е.И. Некоторые закономерности процессов испарения металлов в вакууме на примере цинка // Труды молодых ученых. Владикавказский научный центр РАН. 2004. № 1. С.

74. Поддубный С.В. Обзор способов переработки отходов твердосплавного производства // Труды молодых ученых Владикавказский научный центр РАН. 2003. № 4. С.37 44.

75. ЯЗ.Поддубный С.В., Алкацее М.И. Некоторые закономерности регенерации твердых сплавов WC — Со методом промышленного планируемого эксперимента // Труды молодых ученых. Владикавказский научный центр РАН. 2004. № 2. С. 19 24.