СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОДОВ ИЗ ВОЛЬФРАМСОДЕРЖАЩЕГО МИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК B22F3/00 C22B5/04 

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к изготовлению электродов для электроискрового легирования поверхностей деталей, работающих в тяжелых эксплуатационных условиях и вольфрамовых электродов для сварки в атмосфере инертных газов.

Известны способы изготовления изделий из композиционных тугоплавких материалов. Способы предусматривают использование в качестве исходных соединений шихты предварительно полученных дорогостоящих компонентов, что усложняет технологическую схему и повышает затраты на процесс изготовления электродов.

Известен способ [1] получения электродов для электроискрового легирования, содержащего, мас. WC 92; Со 8, согласно которому порошкообразные карбиды смешивают с кобальтом, пластификатором, сушат и спекают в среде водорода, инертного газа или в вакууме при температуре 1350-1550^оС.

Недостатки известного способа: необходимость предварительного получения исходных дорогостоящих компонентов по усложненной технологической схеме; повышенные энергозатраты на процесс за счет высокой температуры 1350-1550^оС спекания; использование дорогостоящего уникального оборудования, высококвалифи- цированных работников в течение длительного периода времени; необходимость применения инертного газа, водорода, что удорожает процесс и ухудшает условия труда.

Наиболее близким к предполагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ получения монокарбида вольфрама, по которому получают кристаллический карбид вольфрама из кислородсодержащих соединений вольфрамовых руд (шеелита). Содержание вольфрама в шеелите (CaWO₄) составляет 24-80% Исходную шихту готовят смешивая шеелит, карбид кальция, порошкообразный алюминий и окись железа, содержащую более 24% железа.

Предложено на 1 мас.ч. вольфрама вводят, мас.ч. окись железа 3,5; карбид кальция 0,20-0,40; алюминий 0,35-1,6. Подготовленную шихту делят на несколько порций и первую из них вводят в нагретую до температуры 700^оС печь. После начала реакции остальные порции загружают по очереди. В результате реакции получают кристаллический карбид вольфрама, содержащий часть непрореагировавших карбида кальция и алюминия. После охлаждения реакционной смеси кристаллический карбид вольфрама отделяют от шлакообразных продуктов реакции, измельчают и промывают вначале водой, а затем кислым растворителем для извлечения железа. Известный способ осуществляют в печи, предварительно нагретой до температуры 700^оС [2]
Недостатки известного способа и устройства значительные энергозатраты, усложненная аппаратурно-технологическая схема, требующая отмывку и удаление компонентов, сопутствующих основному продукту.

Цель изобретения разработка способа и устройства получения электродов из вольфрамсодержащего минерального сырья, которые позволили бы при комплексном использовании сырья уменьшить энергозатраты в процессе термовосстановления и упростить аппаратурно-технологическую схему.

Поставленная цель достигается тем, что в способе получения электродов из вольфрамсодержащего минерального сырья, преимущественно шеелитового концентрата, включающем подготовку шихты смешением концентрата с алюминием при соотношении его к вольфраму 0,4 0,81 мас.ч. и оксидом железа с последующим термическим восстановлением оксида вольфрама при периодической загрузке шихты. В состав шихты дополнительно вводят нитрид натрия и фторид кальция, взятых в соотношении к вольфраму в пределах 0,2 0,6 1 и 0,15 0,6 1 мас.ч. поддерживая при этом соотношение оксида железа и вольфрама в смеси в пределах 0,15 0,6 1 мас.ч. В первой загружаемой части шихты соотношение алюминия и вольфрама поддерживают в пределах 0,7 0,8 1 мас.ч. от его общего количества.

В устройстве для осуществления способа, содержащем футерованный корпус с днищем, днище выполнено в виде конуса с вершиной, направленной внутрь корпуса, угол которого составляет 60 90^о. По периферии основания конуса выполнены отверстия размерами и формой соответствующей размерам и форме электродов.

Преимущества предлагаемых технических решений заключаются в следующем:
введение в шихту нитрида натрия и фторида кальция в заданном соотношении к вольфраму обеспечивает необходимую температуру реакции восстановления и хорошее разделение реакционной смеси на две фазы: металлическую и солевую (шлак) при небольшом расходе алюминиевого порошка, в соотношении указанном ранее;
при уменьшении предлагаемого соотношения нитрида натрия и фторида кальция в шихте температура реакции восстановления не обеспечивается, также как и выделение двух фаз металлической и солевой; при увеличении этого соотношения реакции в шихте осуществляется с высокой скоростью и сопровождается большими выбросами, не обеспечивая выделение двух фаз металлической и солевой (идет перемешивание расплава);
введение в шихту окиси железа в заданном соотношении к вольфраму обеспечивает необходимую температуру восстановления, ее спокойное протекание при небольшом расходе алюминиевого порошка;
введение в первую часть загружаемой шихты алюминия в соотношении 0,7 0,81 к вольфраму обеспечивает образование в нижней части устройства объема расплава с необходимой температурой реакции восстановления и прогрев поступающей смеси;
предлагаемая конструкция устройства, непосредственно выполнение днища футерованного корпуса конусообразным с вершиной, направленной внутрь корпуса, угол которой составляет 60-90^о, обеспечивает эффективное разделение реакционной смеси на две фазы: металлическую и солевую в процессе восстановления;
значительно уменьшаются энергозатраты в процессе термовосстановления, упрощается аппаратурно-технологическая схема процесса;
обеспечивается комплексное использование сырья: металлическая фаза используется для изготовления электродов, шлаковая для притирочного порошка.

На чертеже изображено устройство для осуществления внепечного способа получения электродов из шеелитового концентрата с двумя первыми загруженными частями шихты.

Устройство состоит из металлического корпуса 1, футерованного термостойким материалом 2 и снабженного крышкой 3. Днище 4 выполненное конусообразным с вершиной направленной вверх, по периферии основания снабжено на глубину футеровки отверстиями 5, внутри которых размещены заглушки 6. Суммарный объем отверстий в 1,3 1,5 раз больше объема вольфрама, определенного расчетом в используемом шеелитовом концентрате. На уровне 7 двух первых загруженных частей шихты в корпусе выполнены отверстия 8, в которых расположены запалы 9 для поджига смеси, первая часть 10 загруженной шихты.

П р и м е р. По суммарному объему отверстий (форм) для получения электродов (V_{электр.}) определяется необходимый объем вольфрама в шихте и полный объем шихты (V_шихты). Объем внутренней емкости устройства V_п ниже уровня раздела частей шихты (линия 7), определяется количество загружаемых частей шихты по формуле КV_шихты/V_п и подготавливается реакционная смесь при следующем соотношении компонентов: на 1 мас. ч. вольфрама (40 г) в шеелитовом концентрате вводят 0,6 мас.ч. алюминия (24 г), 0,38 мас.ч. окиси железа (15,2 г), 0,4 мас.ч. нитрида натрия (16 г) и 0,38 мас.ч. фторида кальция (15,2 г). Первую загружаемую часть шихты составляют с максимальным содержанием алюминия 0,75 мас.ч. что составило 30 г от общего его количества.

При использовании запалов 9 для поджига смеси, расположенных в отверстиях 8, инициируется реакция в шихте. Расположение запала на уровне раздела первых двух загружаемых частей обеспечивает наиболее интенсивное начало реакции в объеме. При этом содержании алюминия регулируется процесс и температура в зоне реакции, которая в нижней части прилегающей к дну реактора обеспечивается максимальной. После начала реакции остальные части шихты периодически загружают со скоростью, обеспечивающей спокойное течение реакции при температуре ≈ 2450^оС до полного заполнения емкости. По мере прохождения реакции происходит разделение расплава на две фазы: более тяжелая его часть металлический вольфрам, занимает нижнее положение, более легкая часть солевая (шлак), занимает верхнее положение.

Доминирующие реакции процесса представляются в следующем виде:
CaWO₄ + Al ->> W + Al₂O₃ + CaO
Fe₂O₃ + Al ->> Fe + Al₂O₃
В связи с содержанием в шеелитовом концентрате различных примесей, в зависимости от места добычи, реакция процесса может быть сложнее.

Высокая температура расплава в нижней части емкости (зона 10) обеспечивает плавление заглушек 6 размещенных в отверстиях 5 размерами, соответствующих размерам и форме электродов и заполнение их металлической фазой.

При подготовке шихты снижение содержания нитрид натрия и карбида кальция менее нижних пределов не позволяет достичь необходимой температуры и разделение расплава на две фазы.

Пример осуществления способа приведен с наиболее оптимальным количественным соотношением компонентов в шихте, т.к. интервал граничных значений невелик.

Результаты исследований материала с использованием атомно-абсорбционного анализа свидетельствуют о следующем составе материала электродов для ЭИЛ и сварки: вольфрам 75-83% железо 16-24% алюминий до 1% Рентгенофазовый анализ показывает, что вольфрам и железо находятся в металлической фазе. Сравнительное исследование процессов массопереноса полученного материала электродов выполнялось на широко применяемой в промышленности установке "Элитрон-22А". Результаты выполненных исследований свидетельствуют, что величина массопереноса материала предлагаемого электрода в 1,4-1,6 раза больше по сравнению со стандартными, изготовленными из материала ВК8. Толщина слоя покрытия достигает до 0,15 мм при высокой сплошности. Покрытие обладает хорошей износостойкостью, коррозионной стойкостью, термостойкостью.

Сравнительные исследования на износостойкость выполнялись на специальной машине трения. Испытывались образцы с покрытием из материала электрода ВК-8 (стандартный электрод) и предлагаемый электрод. Результаты исследований свидетельствуют, что удельная величина износа покрытия, образованного с использованием предлагаемого электрода и при образовании покрытия из материала электрода ВК8 равнозначна, т.е. одинакова.

Сущность изобретения: способ получения электродов из вольфрамсодержащего минерального сырья. Смешиванием шеелитового концентрата с алюминием, нитридом натрия, фторидом кальция и оксидом железа готовят шихту. Соотношение алюминия и вольфрама поддерживают 0,4 0,8 1 мас.ч. а соотношение нитрида натрия и фторида кальция с вольфрамом поддерживают в пределах 0,2 - 0,6 1 и о,15 0,6 1 мас.ч. соответственно. Загрузку шихты в устройство, где осуществляют термическое восстановление, производят периодически. В первой загружаемой части шихты соотношение алюминия и вольфрама поддерживают в пределах 0,7 0,8 1 мас.ч. от общей массы алюминия в шихте. Подготовленную шихту подвергают термическому восстановлению в устройстве, состоящем из металлического корпуса, футерованного термостойким материалом, имеющего крышку. Днище корпуса выполнено конусообразным с вершиной, направленной внутрь корпуса, и имеет по периферии конуса отверстия, внутри которых размещены заглушки. Термическое восстановление проводится в режиме горения и плавления шихты. Способ и устройство обеспечивают комплексное использование сырья и уменьшение затрат и позволяют упрочнить аппаратурно-технологическую схему. 2 с. и 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ получения электродов из вольфрамсодержащего минерального сырья, преимущественно шеелитового концентрата, включающий подготовку шихты смешиванием концентрата с алюминием при соотношении с вольфрамом 0,4 0,8 1 мас. ч. и оксидом железа и последующее термическое восстановление при периодической загрузке шихты, отличающийся тем, что при подготовке шихты в нее вводят нитрид натрия и фторид кальция, взятых в соотношении с вольфрамом 0,2
0,6 1 и 0,15 0,6 1 мас. ч. соответственно, при этом соотношение оксида железа и вольфрама в шихте поддерживают 0,15 0,6 1 мас. ч. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в первой загружаемой части шихты соотношение алюминия и вольфрама поддерживают в пределах 0,7 0,8 1 мас. ч. от общей массы алюминия в шихте. 2. Устройство для получения электродов из вольфрамсодержащего минерального сырья, содержащее футерованный корпус с днищем, отличающееся тем, что днище выполнено в виде конуса с вершиной, направленной внутрь корпуса, и углом 60 90^o, а по периферии основания конуса выполнены отверстия размером и формой, соответствующими размерам и форме электродов.