Способ повышения коррозионной устойчивости гранулированного ферросилиция Российский патент 2019 года по МПК C23C8/48 C23C8/24 C22F1/02 

Описание патента на изобретение RU2699601C2

Изобретение относится к области обогащения и может быть использовано в производстве ферросплавов, в частности гранул ферросилиция, и в цехах, использующих гранулы ферросилиция.

Известен способ защиты от окисления гранулируемых материалов (дроби), например, получаемых методом грануляции в водной среде за счет добавки в эту среду различных пассивирующих веществ, например NaCl, NaOH [Справочник термиста. Под ред. А.А. Шмыкова, М. Машгиз, 1952, с. 132.].

Недостатком этого способа является то, что он требует большого расхода охлаждающей среды. При этом введение ингибиторов в охлаждающую среду не позволяет использовать сливную канализацию предприятий без дополнительных затрат на ее очистку.

Известен способ распыления и пассивирования металлов или их сплавов в инертной углеродсодержащей среде [Авторское свидетельство СССР №520188 от 23.08.1976 года, Б.А. Кириевский, С.С. Затуловский, Л.Г. Смолякова.].

Недостатком данного способа является то, что он позволяет осуществлять процесс огрануляции материала в ограниченном объеме из-за большой стоимости инертной среды. Применение этого способа по указанной причине не представляется возможным для промышленного производства гранулированного ферросилиция.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ обработки гранулированного ферросилиция, включающем пассивирование его в инертной углеродсодержащей среде, когда гранулы ферросилиция нагревают до 100-300°С и перемешивают с углеграфитовыми материалами дисперсностью 1/200-1/10 размера гранул. В качестве углеграфитовых материалов используют черный и серебристый графит, отходы электродного производства, коксовую пыль. Благодаря адсорбционному действию углеграфитовых добавок гранулы ферросилиция покрываются тонкой адсорбированной пленкой, защищающей частицы от окисления в процессе их дальнейшего хранения на воздухе [Авторское свидетельство СССР №885318 от 30.11.1981 года, Б.А. Кириевский, С.С. Затуловский, Л.Г. Смолякова(прототип)].

Недостатком этого способа является то, что он не позволяет добиться коррозионной устойчивости ферросилиция в водных растворах.

Технической задачей изобретения является повышение коррозионной устойчивости гранулированного ферросилиция в водном растворе в условиях контакта с минерализованными водными средами.

Технический результат достигается тем:

- что азотированием создают коррозионностойкое нанопокрытие гранул ферросилиция нитридной керамикой в виде карбонитрида, химически стойкой, не взаимодействующей с азотной, серной и соляной кислотами, с хлором до 900°С, с сероводородом - до 1000°С, с водородом - до 1200°С; при этом термохимический процесс диффузии для обогащения поверхностного слоя гранул ферросилиция азотом выполняют, помещая гранулы ферросилиция в азотирующую среду расплава солей, цианата или цианита, на время от 0,2 до 3 часов при температуре от 480 до 580°С;

- что азотированием создают коррозионностойкое нанопокрытие гранул ферросилиция нитридной керамикой в виде карбонитрида, при этом термохимический процесс азотирования и диффузии в поверхностный слой гранул ферросилиция азотом выполняют, помещая гранулы ферросилиция в азотирующую среду газа, NH3 + CO2 на время от 1,5 до 6 часов при температуре от 550 до 620°С;

- что азотированием создают коррозионностойкое нанопокрытие гранул ферросилиция нитридной керамикой в виде карбонитрида, при этом термохимический процесс азотирования и диффузии в поверхностный слой гранул ферросилиция азотом выполняют, помещая гранулы ферросилиция в азотирующую среду плазмы, N2 + Н2 + СН4 на время от 1,5 до 6 часов при температуре от 500 до 590°С;

- что азотированием создают коррозионностойкое нанопокрытие гранул ферросилиция нитридной керамикой в виде нитрида, при этом термохимический процесс азотирования и диффузии в поверхностный слой гранул ферросилиция азотом выполняют, помещая гранулы ферросилиция в азотирующую среду газа, NH3 на время от 20 до 120 часов при температуре от 510 до 540°С;

- что азотированием создают коррозионностойкое нанопокрытие гранул ферросилиция нитридной керамикой в виде нитрида, при этом термохимический процесс азотирования и диффузии в поверхностный слой гранул ферросилиция азотом выполняют, помещая гранулы ферросилиция в азотирующую среду плазмы N2 + Н2 на время от 5 до 60 часов при температуре от 300 до 590°С.

Способ осуществляется следующим образом.

Основным эффективным методом на данном этапе технического развития является способ предупреждения окисления ферросилиция за счет применения инертного газа азота в цикле приготовления и хранения ферросилициевой суспензии, либо за счет изменения параметров водной системы методом ее электрохимической обработки.

Азотированием поверхности гранул в различных средах создают коррозионностойкое нанопокрытие зерен ферросилиция нитридной керамикой в виде карбонитрида или нитрида, химически стойкой, не взаимодействующей с азотной, серной и соляной кислотами, с хлором - до 900°С, с сероводородом - до 1000°С, с водородом - до 1200°С; при этом термохимический процесс диффузии для обогащения поверхностного слоя гранул ферросилиция азотом выполняют, помещая гранулы ферросилиция в азотирующую среду. При азотировании в плазме работают со смесями азотводород-метан. В процессе азотирования образуются экологически безопасные продукты реакции, которые могут быть удалены в окружающее пространство без дополнительной обработки.

Плазменное азотирование проводят при невысоких давлениях, поэтому расход технологических газов достаточно низкий, например, в камере с размерами 1200×2000 мм с потреблением в среднем 180 л/ч газовой смеси, при этом речь идет о термохимическом процессе диффузии для обогащения поверхностного слоя деталей азотом. Азот при этом вступает во взаимодействие с поверхностью гранул ферросилиция, образуя химические соединения. В результате азотирования в поверхностной зоне гранул возникает азотированный слой. Благодаря твердости и инертности азотированного слоя и увеличиваются износостойкость и коррозионностойкость гранул ферросилиция вне зависимости от их первичных прочностных характеристик.

Для создания коррозионностойкого нанопокрытия нитридной керамикой гранул ферросилиция принимют, что нитрид кремния химически стоек, не взаимодействует с азотной, серной и соляной кислотами, не взаимодействует с хлором до 900°С, с сероводородом - до 1000°С, с водородом - до 1200°С. Окисление нитрида кремния на воздухе начинается выше 900°С. Сочетанием инертных, трибологических свойств и стабильной высокой вязкости обуславливается возможность применения нитридкремниевой керамики в качестве защитного антикоррозионного покрытия для гранул ферросилиция с последующим применением в технологических процессах в условиях контакта с минерализованными водными средами.

Азотировать поверхность гранул ферросилиция возможно прямой химической реакцией азотирования кремния ферросилиция в струе азотной плазмы, просыпая порошок через нее, или цепочкой последовательных химических реакций на поверхности ферросилициях зерен.

Размеры и состав нанопокрытия не изменяют исходных свойств гранул ферросилиция, сохраняют его магнитную восприимчивость и прочность, необходимые для эффективной регенерации методом магнитной сепарации, и предупреждают коррозионное и механическое разрушение в процессах контакта с водными средами различной агрессивности, как по железной, так и по кремниевой составляющей ферросилициевой гранулы. При этом в процессе обработки гранул нанозащитным покрытием может происходить укрепление трещиноватых частиц ферросилиция, что также повышает механическую прочность обрабатываемых ферросилициевых зерен.

В настоящее время на обогатительных фабриках горно-обогатительных комбинатов, существует проблема, вызванная потерей гранул ферросилиция в процессе тяжелосредной сепарации.

В результате проведенного комплекса экспериментальных исследований и опытно-промышленной апробации по оценке возможности снижения потерь гранул ферросилиция применением электрохимических и физико-химических методов воздействия было установлено, что потери гранул ферросилиция в технологическом процессе тяжелосредной сепарации (ТСС) обусловлены следующими основными причинами:

1. Потери, обусловленные окислением гранул ферросилиция с разрушением его поверхности, изменением плотностных свойств и снижением магнитной восприимчивости. Эти потери вызваны окислением гранул ферросилиция при контакте с кислородом, содержащимся в используемых водных системах, либо в воздухе, применяемым в процессе перемешивания и поддержания суспензии во взвешенном состоянии. Экспериментально установлено, что эти потери составляют в среднем 0,5% в сутки (12% в месяц) от общего количества гранул ферросилиция, циркулирующего в схеме ТСС. При циркуляции в схеме около 20 тонн ферросилиция его потери, обусловленные окислением гранул ферросилиция, в сутки составят около 100 кг. Кроме того, экспериментально установлено, что хранение гранул ферросилиция во влажном состоянии также приводит к значительному увеличению скорости его окисления (до 0,37% в сутки от его общей массы).

2. Потери, связанные с низкой эффективностью процессов отмывки продуктов обогащения на грохотах. Потери гранул ферросилиция с надрешетными продуктами процесса отмывки хвостов ТСС от суспензии в среднем в условиях проведенных испытаний составили 20-30 грамм на тонну руды, то есть, например, при производительности установки 2400 т/сутки потери гранул ферросилиция составят 48-72 кг/сутки. Экспериментально установлено, что повышенная сила адгезии гранул ферросилиция к поверхности минералов рудного материала обусловлена величиной дзета-потенциала минеральных поверхностей, взаимодействующих в процессе ТСС.

3. Потери гранул ферросилиция в процессе регенерации ферросилициевой суспензии методом магнитной сепарации, вызванные снижением магнитной восприимчивости гранул ферросилиция и усилением процессов флокуляции, обусловленных окислением поверхности гранул ферросилиция.

Потери гранул ферросилиция в операции магнитной сепарации (регенерации) в условиях эксперимента составили от 30 до 40 грамм на 1 м3 хвостовой пульпы магнитного сепаратора, то есть, например, при объеме хвостовой пульпы с магнитного сепаратора около 1200 м3/сутки потери ферросилиция в операции магнитной сепарации составят 36-48 кг/сутки.

4. Часть потерь гранул ферросилиция обусловлена снижением его крупности, обусловленной механическим истиранием в водоводах, насосах и т.д. Снижение крупности гранул ферросилиция менее 10 мкм приводит к резкому снижению его магнитной восприимчивости и практически 100% потерям с хвостами магнитной сепарации. Необходимо отметить, что увеличение скорости измельчения гранул ферросилиция также вызвано окислением его поверхности и, соответственно, ускорением процессов ее разрушения.

Таким образом, практически в каждом классе рассмотренных потерь, определенных в условиях проведения испытаний установлено присутствие составляющей, обусловленной окислением и разрушением ферросилициевых гранул. Процесс окисления гранул ферросилиция вызывает нарушение технологических свойств и устойчивости ферросилициевой суспензии, снижение ее регенерациоонной активности.

Основным эффективным методом на данном этапе исследований установлен способ предупреждения окисления гранул ферросилиция за счет применения инертного газа азота в цикле приготовления и хранения ферросилициевой суспензии, либо за счет изменения параметров водной системы методом ее электрохимической обработки.

В рамках промышленных испытаний установлено что, применение азота вместо воздуха при агитации (перемешивании) гранул ферросилиция позволяет снизить его потери на 2,25% в сутки от его общей загрузки, что подтверждает эффективность использования газообразного азота для предотвращения окисления гранул ферросилиция в переделе ТСС. Кроме того, отсутствие окислительных процессов на поверхности гранул ферросилиция предотвращает процессы их флокуляции, что стабилизирует свойства ферросилициевой суспензии за счет повышения ее устойчивости.

Таким образом, в процессе обработки гранул нанозащитным покрытием будет происходить повышение коррозионной устойчивости гранулированного ферросилиция и укрепление трещиноватых частиц гранул ферросилиция, что одновременно повышает механическую прочность обрабатываемых ферросилициевых зерен.

Для повышения устойчивости к износу и коррозионной стойкости на гранулы ферросилиция наносят нанослои керамического покрытия путем плазменного или высокоскоростного газопламенного напыления. Такого рода покрытия не ухудшают магнитные и прочностные характеристики ферросилиция, но существенно повышают эксплуатационные свойства гранул.

Достоинства газопламенного напыления для обработки гранул ферросилиция:

- толщина покрытия может варьироваться;

- возможность регулирования газового режима работы горелки позволяет управлять химическим составом среды (восстановительная, нейтральная, окислительная) и энергетическими характеристиками струи и напыляемых частиц;

- высокая производительность процесса (до 10 кг/ч);

- возможность нанесения покрытий на гранулы практически без ограничения их размеров при наличии необходимых средств механизации и обеспечении правил техники безопасности;

- относительно низкий уровень шума и излучений;

- возможность во многих случаях нанесения покрытий при любом пространственном положении аппарата;

- легкость и простота обслуживания оборудования;

- гибкость технологии и мобильность оборудования;

- возможность автоматизации процесса и встройки в автоматическую линию с небольшими затратами и др.

Плазменно-дуговой метод формирует на поверхности гранул покрытия из нагретых и ускоренных частиц с применением высокотемпературной плазменной струи, при соударении которых с основой или напыленным материалом происходит их соединение. Плазменно-дуговой метод заключается в формировании на поверхности гранул покрытия из нагретых и ускоренных частиц с применением высокотемпературной плазменной струи, при соударении которых с основой или напыленным материалом происходит их соединение. Струю дуговой плазмы образуют в плазмотроне за счет нагрева плазмообразующего газа при прохождении через дугу. Температура плазменной струи может составлять 5⋅103-55⋅103°С, а скорость истечения достигать 1000-1500 м/с. Попадая в плазменную струю, частицы порошка нагреваются вплоть до стадии плавления и ускоряются, приобретая скорость 50-200 м/с. Ударяясь о напыляемую поверхность, частицы сцепляются с ней за счет металлургического, механического и других видов взаимодействия.

Материал, используемый для плазменно-дугового напыления покрытий, должен плавиться без разложения и возгонки и, иметь достаточно большую разницу между температурами плавления и кипения (более 200-300°С).

Достоинства плазменно-дугового напыления для обработки гранул ферросилиция:

- высокая производительность процесса;

- получение высококачественного покрытия;

- наличие большого количества технологических факторов, варьирование которых обеспечивает гибкое регулирование процесса напыления;

- высокий коэффициент использования порошкового материала;

- широкая доступность метода, как в основном, так и ремонтном производстве;

- экономичность;

- невысокая стоимость простейшего оборудования;

- возможность комплексной механизации и автоматизации процесса;

- универсальность применения порошковых материалов, в том числе с высокой температурой плавления.

Для получения качественных и равномерных покрытий на гранулах ферросилиция их обработку предполагается производить в установках кипящего слоя.

Таким образом, в процессе обработки гранул ферросилиция нанозащитным покрытием обеспечивается повышение коррозионной устойчивости гранулированного ферросилиция, укрепление связей между сплавленными частицами магнетита и кремния, что соответственно повышает механическую коррозионную устойчивость и механическую прочность обрабатываемых ферросилициевых гранул.

Экономический эффект:

Обработка гранул ферросилиция позволяет создать искусственную нанооболочку на поверхности зерна, обладающей свойствами керамического нанопокрытия (механическая прочность, нейтральная реакция на коррозионную среду). Размеры и состав нанопокрытия практически не изменяют исходных свойств ферросилиция, сохраняют его магнитную восприимчивость и прочность, необходимые для эффективной регенерации, и предупреждают коррозионное и механическое разрушение в процессах контакта с водными средами различной агрессивности, как по железной, так и по кремниевой составляющей ферросилициевой гранулы. При этом, в процессе обработки гранул нанозащитным покрытием происходит укрепление связей между сплавленными частицами магнетита и кремния, что соответственно повышает механическую прочность обрабатываемых ферросилициевых гранул.

За счет неизменности свойств и массы бронированного нитридной керамикой ферросилиция каждое зерно ферросилиция будет проходить больше циклов полезного использования и регенерации в магнитном сепараторе.

Ожидаемое снижение расхода гранул ферросилиция как минимум в 2 раза за счет повышения коррозионной устойчивости и упрочнения его механических свойств.

При азотировании в плазме работают со смесями азот-водород-метан. В процессе азотирования не возникают экологически вредные продукты реакции, таким образом использованные газы могут быть удалены в окружающее пространство без дополнительной обработки.

Плазменное азотирование проводят при невысоких давлениях, поэтому расход технологических газов достаточно низкий. Камера с размерами 120×2000 мм потребляет в среднем 180 л/ч газовой смеси.

Таким образом прогнозируемый экономический эффект произойдет за счет снижения расхода гранул ферросилиция вследствие повышения их коррозионной устойчивости и упрочнении его механических свойств и, соответственно, снижения его потерь в технологических и регенерационных процессах.

Похожие патенты RU2699601C2

название год авторы номер документа
Способ подготовки гранулированного ферросилиция к тяжелосредной сепарации 2020
  • Чантурия Валентин Алексеевич
  • Двойченкова Галина Петровна
  • Морозов Валерий Валентинович
  • Ковальчук Олег Евгеньевич
  • Тимофеев Александр Сергеевич
  • Подкаменный Юрий Александрович
  • Савицкий Леонид Валерьевич
  • Бабушкина Алена Леонидовна
RU2757298C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРЕДМЕТА КУХОННОЙ УТВАРИ С ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ ИЗ СЕРЕБРА ИЛИ СПЛАВА СЕРЕБРА 2013
  • Каваллотти, Пьетро Луиджи
  • Каккьоне, Чиро
RU2640481C2
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКА СИАЛОНА 2008
  • Чухломина Людмила Николаевна
  • Витушкина Ольга Геннадьевна
  • Максимов Юрий Михайлович
RU2378227C1
СТАЛЬНЫЕ ИЗДЕЛИЯ, ПОКРЫТЫЕ ТВЕРДОЙ СМАЗКОЙ, СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ, И ЗАКАЛОЧНОЕ МАСЛО, ПРИМЕНЯЕМОЕ В ИХ ИЗГОТОВЛЕНИИ 2016
  • Берг Микаэль
  • Фелльстрём Микаэль
  • Жмуд Борис
RU2718482C2
Способ получения ионно-плазменного вакуумно-дугового керамикометаллического покрытия TiN-Ni для твердосплавного режущего инструмента расширенной области применения 2015
  • Блинков Игорь Викторович
  • Белов Дмитрий Сергеевич
  • Волхонский Алексей Олегович
  • Сергевнин Виктор Сергеевич
  • Блинков Виктор Игоревич
  • Аникин Вячеслав Николаевич
RU2613837C1
СПОСОБ АЗОТИРОВАНИЯ В ПЛАЗМЕ ПОВЫШЕННОЙ ПЛОТНОСТИ 2015
  • Рамазанов Камиль Нуруллаевич
  • Будилов Владимир Васильевич
  • Хуснутдинов Расим Фаритович
  • Заббарова Лиана Наилевна
  • Золотов Илья Владимирович
RU2611251C2
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОГНЕУПОРНОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ БЕТА-НИТРИДА КРЕМНИЯ β-SiN 2012
  • Зиатдинов Мансур Хузиахметович
  • Шатохин Игорь Михайлович
RU2490232C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО КЕРАМИЧЕСКОГО ПОРОШКА НА ОСНОВЕ НИТРИДА КРЕМНИЯ И ДИОКСИДА ЦИРКОНИЯ И ШИХТА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 2007
  • Чухломина Людмила Николаевна
  • Витушкина Ольга Геннадьевна
  • Максимов Юрий Михайлович
RU2351435C1
СПОСОБ АЗОТИРОВАНИЯ КОРРОЗИОННО-СТОЙКИХ И ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ 2020
  • Бибиков Петр Сергеевич
  • Белашова Ирина Станиславовна
  • Бибиков Сергей Петрович
RU2756547C1
СПОСОБ ИОННОГО АЗОТИРОВАНИЯ СТАЛИ 2009
  • Киреев Радик Маратович
  • Рамазанов Камиль Нуруллаевич
  • Вафин Руслан Каримович
RU2413784C1

Реферат патента 2019 года Способ повышения коррозионной устойчивости гранулированного ферросилиция

Изобретение относится к области обогащения и может быть использовано в производстве ферросплавов, в частности ферросилиция, и в цехах, использующих ферросилиций. Способ подготовки гранулированного ферросилиция к тяжелосредной сепарации включает формирование на поверхности гранулированного ферросилиция защитной пленки путем воздействия восстановительной пассивирующей средой. В качестве восстановительной пассивирующей среды используют азотирующую среду плазмы газовой смеси, содержащей азот, водород и метан, при температуре 500-590°С в течение 1,5-6 часов. Обеспечивается повышение коррозионной устойчивости гранулированного ферросилиция, укрепление связей между сплавленными частицами магнетита и кремния, что повышает механическую коррозионную устойчивость и механическую прочность обрабатываемых ферросилициевых гранул. 1 табл.

Формула изобретения RU 2 699 601 C2

Способ подготовки гранулированного ферросилиция к тяжелосредной сепарации, включающий формирование на поверхности гранулированного ферросилиция защитной пленки путем воздействия восстановительной пассивирующей средой, отличающийся тем, что в качестве восстановительной пассивирующей среды используют азотирующую среду плазмы газовой смеси, содержащей азот, водород и метан, при температуре 500-590°С в течение 1,5-6 часов.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2019 года RU2699601C2

СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ЛЕГИРУЮЩЕГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ НИТРИДА КРЕМНИЯ 2002
  • Шатохин И.М.
  • Зиатдинов М.Х.
  • Носов А.Д.
  • Чернов В.А.
RU2210615C1
Способ обработки гранулированного ферросилиция 1980
  • Кириевский Борис Абрамович
  • Токарев Владислав Аркадьевич
  • Корниенко Алексей Сергеевич
  • Долгань Владимир Митрофанович
  • Гусев Юрий Тимофеевич
  • Листровой Олег Александрович
  • Прокопчук Григорий Сергеевич
SU885318A1
JPS51112500 A, 04.10.1976
CN 103882324 A, 25.06.2014.

RU 2 699 601 C2

Авторы

Чантурия Валентин Алексеевич

Ковальчук Олег Евгеньевич

Чаадаев Александр Сергеевич

Двойченкова Галина Петровна

Герасимов Евгений Николаевич

Зырянов Игорь Владимирович

Савицкий Леонид Валерьевич

Гольдман Альбина Абрамовна

Монастырский Виталий Федорович

Тимофеев Александр Сергеевич

Подкаменный Юрий Александрович

Миненко Владимир Геннадиевич

Даты

2019-09-06Публикация

2017-04-12Подача