СПОСОБ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ, СОДЕРЖАЩИХ РЕНИЙ, ВОЛЬФРАМ, ТАНТАЛ И ДРУГИЕ ЦЕННЫЕ МЕТАЛЛЫ Российский патент 2013 года по МПК C22B23/00 C22B61/00 C22B7/00 C25C1/08 C25C1/22 

Изобретение относится к переработке вторичного металлического сырья, в частности к утилизации отходов жаропрочных никелевых сплавов, содержащих рений, вольфрам, тантал и другие ценные металлы.

В современных условиях в России нет надежных и освоенных сырьевых источников рения, что определяет острую необходимость максимального использования различных видов вторичного сырья, содержащего данный металл (отходы производства металлического рения, отработанные рениевые катализаторы и др.).

Одним из наиболее массовых видов вторичного ренийсодержащего сырья являются отходы жаропрочных никелевых сплавов марки ЖС-32. Их типичный состав приведен в табл.1.

Таблица 1 Типичный состав отходов сплавов марки ЖС-32 Компонент Содержание, % Компонент Содержание, % Никель ~60 Хром 4,7-5,0 Рений 3,6-4,0 Ниобий 1,3-1,5 Вольфрам 8,0-8,5 Алюминий 5,1-5,3 Молибден 1,0-1,2 Кремний 0,7-0,9 Тантал 3,3-3,5 Кобальт 7,0-7,5

В промышленных условиях металлические отходы никеля и кобальта обычно подшихтовывают при пирометаллургической переработке рудного и вторичного сырья [Худяков И.Ф., Тихонов А.И. и др. Металлургия меди, никеля и кобальта, М.: Металлургия, 1976, 230 с.]. Рений и другие ценные металлы в данных условиях полностью теряются с различными продуктами переработки (отходящие газы, шлак и т.п.).

Известен способ (аналог) разложения жаропрочных сплавов марки ЖС-32 в минеральных кислотах (H₂SO₄, HNO₃) в окислительных условиях с переводом основной части рения в раствор [Касиков А.Г., Петрова А.М. Рециклинг рения из отходов жаропрочных и специальных сплавов. Технология металлов, 2010, №2, С.2-12]. Лимитирующий фактор данного процесса - необходимость предварительного измельчения перерабатываемых продуктов.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является «Способ электрохимической переработки металлических отходов жаропрочных никелевых сплавов, содержащих рений [патент РФ №2401312 от 09.04.2009]. Процесс включает анодное окисление (растворение) отходов жаропрочного сплава в кислых электролитах (200-250 г/л HNO₃ или 150-200 г/л H₂SO₄) при температуре 20-40°C и силе тока не менее 1 кА.

Переработку проводят в режиме асимметричного однополупериодного переменного тока промышленной частоты. Недостатком данного метода является ограниченная скорость окисления (растворения) сплава, которая в предлагаемом режиме составляет всего 50-56 мг/час·см².

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании способа электрохимической переработки жаропрочных никелевых сплавов, содержащих рений, вольфрам, тантал и другие ценные металлы, с использованием кислого электролита при наложении электрического тока для интенсификации передела.

Техническим результатом изобретения является существенное повышение скорости процесса анодного окисления до 250-313 мг/см²·час.

Данный технический результат достигается тем, что процесс электрохимической переработки отходов жаропрочных никелевых сплавов, содержащих рений, вольфрам, тантал и другие ценные металлы, включает анодное окисление в кислом электролите при наложении постоянного электрического тока и согласно изобретению окисление сплава проводят в кислом растворе с содержанием H₂SO₄ 150 г/л и HCl 50 г/л при плотности тока 250-300 мА/см² и температуре 20-40°C.

Сущность изобретения заключается в том, что переработку отходов жаропрочных никелевых сплавов, содержащих рений, вольфрам, тантал и другие ценные металлы, осуществляют путем их анодного окисления при наложении постоянного электрического тока в кислом электролите. Состав электролита: 150 г/л H₂SO₄+50 г/л HCl; режим процесса: плотность постоянного электрического тока 250-300 мА/см², температура 20-40°C.

В данных условиях скорость анодного окисления сплава составляет 250-315 мг/см²·час, что практически на порядок выше показателей прототипа. В табл.2 представлен состав продуктов переработки сплава ЖС-32.

Как видно из табл.2, при реализации процесса анодного окисления отходов в данном режиме основная часть рения (>80%), а также вольфрама, тантала и ниобия (~99%) переходит в твердую фазу (анодный кек). При этом никель, кобальт и ряд других цветных металлов (алюминий, хром) накапливаются в кислом растворе электролита (до 90% и более).

Таблица 2 Содержание металлов в продуктах переработки при электрохимическом окислении сплава ЖС-32 в растворе 150 г/л H₂SO₄+50 г/л НСl под действием постоянного электрического тока Металл Ni Co W Al Cr Re Ta Nb Mo Твердая фаза (кек), % 0,85-0,88 0,15-0,29 24,3-24,5 2,2-4,6 1,0-1,4 5,8-7,4 12,4-12,6 4,8-5,3 2,7-2,8 Электролит (кислый раствор), г/л 60-80 5,5- 6,4 0,02-0,05 2,2-4,6 5,2-7,4 0,6-0,8 <0,01 <0,01 0,27-0,42 Промвода, г/л 13,3-13,7 1,1-1,4 0,05 1,2-1,7 0,9-1,4 0,3-0,4 <0,01 <0,01 0,02-0,04

Характерное балансное распределение металлов по продуктам электрохимической переработки отходов сплава ЖС-32 в кислом электролите (H₂SO₄+HCl) представлено в табл.3.

Таблица 3 Извлечение металлов в продукты электрохимического окисления (растворения) отходов сплава ЖС-32 в кислом электролите, % от исходного Компонент Ni Co W Al Cr Re Ta Nb Mo Извлечение в кек, % 0,60 0,92 104,2 7,0 7,2 72,7 107,5 101,2 92,4 Извлечение в электролит, % 74,8 56,0 0,0 75,9 76,7 12,2 0,0 0,0 9,1 Извлечение в промводу, % 29,5 40,9 0,0 20,9 23,0 15,0 0,0 0,0 2,9 Дебаланс +4,9 -3,1 +4,2 +3,9 +6,9 -0,1 +7,5 +1,2 +3,4

Переработка данных прекурсоров с получением соответствующих товарных продуктов осуществляется известными методами выщелачивания, осаждения малорастворимых соединений и т.п.

Пример 1

На переработку поступают кусковые отходы жаропрочного никелевого сплава марки ЖС-32. Данный продукт представляет собой неизмельченные фрагменты и обломки лопаток газовых авиационных турбин, длиной до 7,5 см и шириной до 4,5 см. Химический состав сырья следующий (в %): W 8,50; Mo 1,15; Re 3,60; Si 0,75; Ta 3,20; Nb 1,35; Cr 4,75; Al 5,15; C 0,15; Co 7,0, остальное - никель.

Режим анодного окисления отходов: температура 20-25°C, плотность постоянного электрического тока 250 мА/см². Состав исходного кислого электролита: 250 г/л H₂SO₄+50 г/л HCl.

Всего в данном режиме было окислено 50,9 г исходного сплава. При этом масса полученного твердого продукта (анодного шлама) составила 12,7 г, растворилось - 38,2 г. Дебаланс составил <1%. Скорость окисления (растворения) исходного сплава в данном режиме достигает 254 мг/см²·час. При этом в анодный продукт (кек 1) перешло до 80% рения и более 99% вольфрама, тантала и ниобия.

Характерный состав продуктов окисления и извлечение металлов в продукты представлены в табл.2 и 3 соответственно.

Пример 2

На переработку поступают кусковые отходы жаропрочного никелевого сплава марки ЖС-32, аналогичные примеру 1. Химический состав сырья (в %): W 8,50; Mo 1,15; Re 3,60; Si 0,75; Ta 3,20; Nb 1,35; Cr 4,75; Al 5,15; C 0,15; Co 7,50, остальное - никель.

Режим анодного окисления (растворения): температура 35-40°C, плотность постоянного тока 300 мА/см². Состав исходного кислого электролита: 250 г/л H₂SO₄+50 г/л HCl.

Всего в данном режиме было окислено 103,7 г исходного сплава. При этом масса твердого продукта (анодного шлама) составила 27,8 г. Растворилось 67,7 г. Дебаланс ~4%.

Скорость окисления сплава в данных условиях составила 315 мг/см²·час. Распределение металлов по продуктам переработки аналогичное примеру 1.

Приведенные примеры подтверждают достижение заявленного эффекта повышения скорости анодного окисления сплава при использовании данного электролита и применении постоянного тока.

Изобретение относится к способу электрохимической переработки отходов жаропрочных никелевых сплавов, содержащих рений, вольфрам, тантал и другие ценные металлы, входящие в состав перерабатываемого сплава. Способ включает анодное окисление сплава в кислом электролите при наложении электрического тока. При этом анодное окисление сплава проводят в кислом электролите, содержащем 150 г/л H₂SO₄+50 г/л HCl. Процесс ведут при наложении постоянного тока плотностью 250-300 мА/см² и температуре 20-40°С. Техническим результатом является существенное повышение скорости процесса анодного окисления до 250-315 мг/см²·час. 3 табл., 2 пр.

Способ электрохимической переработки отходов жаропрочных никелевых сплавов, содержащих рений, вольфрам, тантал и другие ценные металлы, входящие в состав перерабатываемого сплава, включающий анодное окисление сплава в кислом электролите при наложении электрического тока, отличающийся тем, что анодное окисление сплава проводят в кислом электролите, содержащем 150 г/л H₂SO₄+50 г/л HCl, при наложении постоянного тока плотностью 250-300 мА/см² и температуре 20-40°С.