Способ получения металлов и сплавов

(51) 22 5/04 (2009.01) 22 1/04 (2009.01) 22 27/00 (2009.01) 22 27/04 (2009.01) 22 33/04 (2009.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН Изобретение относится к металлургическому производству, а именно, к способу получения металлов и сплавов из минерального сырья и отходов промышленного производства. Извлечение редких и рассеянных элементов из бедных руд представляет собой непростую химикометаллургическую задачу. В условиях истощения минеральных ресурсов эта задача перерастает в актуальную проблему. Кроме того, крупной экологической задачей является переработка промышленных отходов, содержащих тяжелые металлы, такие как молибден и вольфрам, а также использование отработанных материалов, например,отходящих катализаторов нефтяных производств,имеющих в своем составе никель, молибден и ванадий, или положительных пластин железоникелевых и никель-кадмиевых аккумуляторов. Расширяется спектр металлов, получение которых в чистом виде или в составе сплавов сопряжено с большими технологическими трудностями. В их разряд включаются многие широко используемые материалы, такие как молибден,вольфрам,ниобий,тантал,редкоземельные элементы, а также никель, кобальт и т.п. Возникает необходимость вовлечения в производственный цикл некондиционных, металлов и сплавов из минерального сырья и отходов промышленного производства. Задача решается тем, что способ получения металлов и сплавов включает приготовление шихты путем смешивания измельченного сырья с экзотермической смесью и металлом восстановителем, ее поджиг и восстановление в режиме горения при воздействии центробежных сил с разделением металлов и соединений. Техническим эффектом поставленной задачи является извлечение металлов из минерального сырья и отходов промышленного производства до 100. низкоконцентрированных исходных материалов эффективным и относительно дешевым методом. Заявляемый способ получения металлов и сплавов способствует решению вышеперечисленных проблем. Известен алюминотермический способ получения ферромолибдена путем приготовления шихты, включающей молибденовый концентрат(8,2-10,5) мас. , загрузку шихты в горн, поджиг и плавку в закрытом горне под давлением 5-7 атм. При этом извлечение молибдена в сплав составляет 98,5-99,а содержание его в сплаве до 65. ( Инновационный Патент 21716, Кл. С 22 С 27/00,27/04, опубл. 15.09.09, бюл.9). Известен способ получения ферротитана,включающий приготовление шихты из смеси (24,90-12,82) мас. триоксида железа и (7,7-5,34) мас. селитры, ее загрузку в металлургический реактор шихты, поджиг, плавку в закрытом горне под давлением 5 -7 атм, выдержку в горне до полного застывания металла с последующим отделением(72) Ксандопуло Георгий Иванович Байдельдинова Анна Николаевна Ксандопуло Галина Георгиевна Айнабаев Ардак Махсутович Архипов Михаил Петрович(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ 23988 слитка от шлака. При этом извлечение титана в сплав составляет 77-80, а содержание его в сплаве 65-67. ( Инновационный Патент 21799, Кл. С 22 С 34/04, опубл. 15.10.09, бюл. 10). Недостатком известных способов является необходимость использования минерального сырья с высоким содержанием металла, подлежащего извлечению. Наиболее близким техническим решением к заявляемому, является способ получения металлов,их соединений и сплавов из минерального сырья,включающий приготовление шихты путем смешивания измельченного сырья с добавками,состоящими из соединений чистых химических элементов, выбранных из формульного состава исходного сырья с кислородом, окислительного обжига с удалением и утилизацией газообразных оксидов в среде проточного кислорода при 1400 1600 С с последующим охлаждением и измельчением полученных твердых оксидов, их смешивание с металлом восстановителем при соотношении суммы оксидов получаемых металлов или сплава к металлу восстановителя от 1 0,3 до 10,7, поджиг и восстановление в режиме горения при 2000 - 2300 С с последующим разделением металлов и соединений. ( Патент 2031966, Кл. С 22 В 5/04, 1/04, опубл.27.03.95, бюл.9). Недостатком известного способа является недостаточно высокое извлечение металла из минерального сырья и отходов промышленного производства в силу неполного разделение продуктов синтеза в соответствии с их удельной плотностью на металлическую и шлаковую составляющие. Задачей заявляемого технического решения является разработка энергосберегающего способа получения металлов и сплавов из сырья, в том числе, в виде бедных руд и отходов промышленного производства. Техническим эффектом поставленной задачи является извлечение металлов из минерального сырья и отходов промышленного производства до 100 . Задача решается тем, что способ получения металлов и сплавов включает приготовление шихты путем смешивания измельченного сырья с экзотермической смесью и металлом восстановителем, ее поджиг и восстановление в режиме горения при воздействии центробежных сил с разделением металлов и соединений. Отличительным признаком заявляемого технического решения является смешивания измельченного сырья с экзотермической смесью и восстановление в режиме горения при воздействии центробежных сил. Получение чистых,беспримесных металлических материалов,в том числе ферросплавов и лигатур основано на осаждении металла,восстановленного из окислов,в многокомпонентном расплаве. При этом полнота осаждения определяется главным образом различием плотности фаз, составляющих расплав, и низкой вязкостью шлака. При поджиге шихты ее оксидные составляющие вступают в экзотермические окислительновосстановительные реакции с металлом восстановителем. В отличие от известного способа,предварительное смешивание сырья с экзотермической смесью обеспечивает повышение тепловыделения при горении шихты, более полное протекание химических реакций, понижение вязкости шлака и, следовательно, повышение извлечения металла из минерального сырья и отходов промышленного производства. Естественная гравитация обеспечивает разделение продуктов синтеза в жидкотекучем состоянии системы на металлическую и шлаковую составляющие в соответствии с их плотностью. В заявляемом способе, в отличие от известного,восстановление металлов в режиме горения проводят при воздействии центробежных сил,которые усиливают эффективность естественной гравитации, тем самым, повышая полноту фазоразделения, снижая концентрационный предел извлечения металла из бедного сырья, увеличивая выход целевых продуктов и улучшая их качество. Центробежная сила, направленная так же, как и волна горения действует на реагирующую систему на всем протяжении процесса горения. Влияние центробежного ускорения проявляется в увеличении скорости волны горения, происходящего за счет уплотнения исходной шихты, улучшения контакта между реагирующими частицами и создания условий многоочагового прогрева шихты перед фронтом волны горения вследствие ускоренного продвижения капель расплава восстановленного металла. Повышение скорости горения при одних и тех же условиях теплоотвода обеспечивает повышение температуры реагирующей системы. Это приводит к тому, что даже слабо экзотермические смеси переходят в расплавленное состояние, за счет чего становится возможным извлечение металлов из бедного сырья. Кроме того, центробежная сила, действующая на 2 систему, повышает эффективность разделения продуктов горения в соответствии с их плотностью р. Таким образом, заявляемый способ получения металлов и сплавов позволяет решить поставленную задачу с получением ожидаемого технического эффекта. Способ получения металлов и сплавов осуществляют следующим образом. Готовят шихту путем смешивания измельченного сырья с экзотермической смесью и металлом восстановителем, загружают в тигель,приводят его во вращение и инициируют горение шихты путем подачи электрического импульса, т. е. поджигают. Компоненты шихты вступают между собой во взаимодействия с протеканием экзотермических реакций с восстановлением металлов. Волна горения проходит по всему объему шихты. В тигле развивается температура,необходимая и достаточная для образования 23988 расплава, который под воздействием центробежной силы разделяется по плотности на металлы и шлак. После полного завершения процесса горения температура в тигле падает, тигель останавливают и выгружают конечные продукты - чистые металлы или сплавы и шлак. Пример 1. Получение никелевого сплава из отходов промышленного производства. 100 г металлсодержащих отходов - абразивной пыли и порошка от шлифования черных металлов,27 г экзотермической смеси и 5,2 г порошка алюминия перемешивают, загружают в тигель и закрывают крышкой. При этом, металлсодержащие отходы имеют следующий состав,железо - 28,0 алюминий оксид-глинозем - 46,0 железо оксид 21,0 никель - 5, а экзотермическая смесь представляет собой смесь оксида железа и алюминия в стехиометрическом соотношении. Тигель приводят во вращение. Электрическим импульсом инициируют начало реакции горения с выделением тепла 232 А 1 2 А 123 Количество тепла, выделяющегося во фронте горения,достаточно для поддержания в расплавленном состоянии всех веществ,участвующих в процессе. Путем конвекции,излучения и массопереноса тепло передается рядом расположенному слою, возбуждая реакцию в нем,затем следующему и т.д. Расплав восстановленного железа, имея более высокую плотность (7,6 г/см 3),чем исходная шихта (2 г/см 3), под действием гравитационных сил и центробежных сил перемещается ко дну реактора. Восстановленное железо, находясь в жидком состоянии, растворяет в себе металлы, содержащиеся в исходном сырье в малом количестве. В данном случае таким металлом является никель. Наложение центробежной силы придает всем находящимся в нем промежуточным и конечным продуктам центробежное ускорение, направленное также как и волна горения. Под действием центробежного ускорения капли расплавленного металла стремятся ко дну реактора, ускоряют тем самым распространение фронта волны горения до 15 мм/с. Капли металла, скапливаясь у дна реактора,формируют плотный слиток,оттесняя образовавшиеся менее плотные оксидные фазы в направлении к оси вращения. После завершения процесса и остывания образовавшихся веществ до полного затвердевания реактор открывают, извлекают продукт горения,состоящий из металлического слитка и шлака. Масса шлака - 55 г, его состав - корунд 23 и 3 оксида железа . Масса металлического слитка 35 г, его состав - 86 и 14 . По результатам рентгенофазового анализа, в составе шлака никеля не обнаружено, следовательно, извлечение никеля из исходных металлических отходов составляет 100. Пример 2. Получение никель - кобальтового сплава с железом из бедной руды. Измельчают и перемешивают 100 г оксидной никелевой руды, содержащей-1,13 Со 0,15- 15,12 А 1 - 1,55- 2,38 Са - 0,33 2- 53,15 общ 0,1 прочие - 26,19, 30 г экзотермической смеси, содержащей оксид железа и алюминий в стехиометрическом соотношении и 24 г порошка алюминия. Способ осуществляют по примеру 1. При этом скорость горения составляет 8 мм/с. Масса металлического слитка 28 г, состав 94,98 и 3,10 , 0,42 Со 1,50 А 1. По результатам рентгенофазового анализа, в составе шлака никеля и кобальта не обнаружено,следовательно, извлечение металлов из исходного сырья составляет 100. Пример 3. Получение молибден - никелевого сплава с железом из отходов промышленного производства. Измельчают и перемешивают 100 г отработанного катализатора ГПВ, содержащего- 2,0 МоО 3 - 8,4 оксид алюминия - остальное,измельчают, добавляют 3,7 г порошка алюминия и 75 г экзотермической смеси в виде оксида железа 23 с алюминием в стехиометрическом соотношении. Способ осуществляют по примеру 1. При этом скорость горения составляет 20 мм/с. Масса металлического слитка, содержащего 3.4- 12,6- 84., составляет 46,2 г. По результатам рентгенофазового анализа, в составе шлака молибден и никель не обнаружены,следовательно, извлечение металлов из исходного сырья составляет 100. Масса шлака в виде чистого корунда составляет 130 г. Пример 4. Получение никель - кобальт молибденового из отходов промышленного производства. Измельчают и перемешивают 100 г отработанного катализатора ГКД-202,содержащего- 1,5 МО 3 - 13,1 СоО - 1,5 оксид алюминия - остальное, 8 г порошка алюминия и 56 г экзотермической смеси в виде смеси оксида молибдена с алюминием в стехиометрическом соотношении. Способ осуществляют по примеру 1. При этом скорость горения составляет 26 мм/с. Масса металлического слитка - 38 г, его процентный состав- 3 Со-3 Мо - 94, что соответствует теоретическим значениям. По результатам рентгенофазового анализа, в составе шлака молибден, никель и кобальт не обнаружены,следовательно, извлечение металлов из исходного сырья составляет 100. Масса шлака (по данным РФА, чистый корунд) - 120 г. Пример 5. Получение никеля из отходов промышленного производства. Измельчают и перемешивают 80 г отожженной анодной массы, извлеченной из положительных пластин отработанных щелочных аккумуляторов и состоящей из 95 оксида никеля и 5 графита и 20 г порошкового алюминия. Способ осуществляют по примеру 1. При этом скорость горения составляет 13 мм/с. 23988 По данным РФА и рентгеноспектрального анализа, извлечение никеля из анодной массы составляет 99,4. Пример 6. Получение железо - никелевого сплава из отходов промышленного производства. Измельчают и перемешивают 300 г отработанного катализатора КНГ-1, содержащего 2, остальное - оксид алюминия, 732 г 23,185 г А 1 и 83 г . Способ осуществляют по примеру 1. Скорость горения 25 мм/с. Масса металлического слитка - 51,41 г, его процентный состав- 3,4-96,6. Масса шлака составляет 13 г. Извлечение никеля из отработанного катализатора составляет 99,9. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Способ получения металлов и сплавов,включающий приготовление шихты путем смешивания измельченного сырья с металлом восстановителем, ее поджиг и восстановление в режиме горения с разделением металлов и соединений, отличающийся тем, что сырье предварительно смешивают с экзотермической смесью и восстановление проводят при воздействии центробежных сил.