Утилизация отходов Al-Li, Al-Si, Al-Mg, Al-Zn и Al-Sn методом химического диспергирования с получением нанодисперсных алюмооксидных порошков

УДК 620.22-419

Т.Ю. Скакова, А.Д. Шляпин, Ю.Г. Трифонов, И.А. Курбатова

УТИЛИЗАЦИЯ ОТХОДОВ AL-LI, AL-SI, AL-MG, AL-ZN И AL-SN МЕТОДОМ ХИМИЧЕСКОГО ДИСПЕРГИРОВАНИЯ С ПОЛУЧЕНИЕМ НАНОДИСПЕРСНЫХ АЛЮМООКСИДНЫХ ПОРОШКОВ

Разработан способ утилизации промышленных отходов алюминиевых сплавов методом химического диспергирования. Полученный осадок отфильтровывают и промывают методом последовательных декантаций. Осадок обладает комплексом уникальных свойств, которые трудно получить при использовании традиционных технологий и преимущественно наследует морфологию структуры исходного сплава, а его химический состав влияет на фазовый состав осадка. Контроль фазового состава возможно осуществлять благодаря введению необходимых легирующих добавок в исходный сплав на стадии сплавления. В результате диспергирования алюминиевых сплавов различных систем образуются порошки, частички которых отличаются по своей морфологии и размеру. Образующийся при переработки стружки гидроксид алюминия является источником исходного сырья для создания перспективных керамических материалов на основе оксида алюминия для изготовления нового класса керамических материалов, обладающих уникальными свойствами. Одновременно решается проблема утилизации отходов алюминиевых сплавов, в том числе, утилизации отходов сплавов, сопряженная с рядом особенностей, затрудняющих этот процесс при традиционных технологиях. Ключевые слова: утилизация отходов, химическое диспергирование, гидроксид алюминия, осадок, порошок, керамические материалы.

величение объема добычи полезных ископаемых, разви-

тие производства энергии, повышение объемов выплавки и переработки металлов, производства удобрений и других видов материалов и изделий повлекло за собой значительный рост объемов различных отходов, образующихся как в процессе

ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2016. № 12. С. 86-93. © 2016. Т.Ю. Скакова, А.Д. Шляпин, Ю.Г. Трифонов, И.А. Курбатова.

добычи и обогащения полезных ископаемых, так и на различных стадиях их переработки [1]. Производственный опыт как у нас в РФ, так и за рубежом показывает, что использование многих видов вторичных ресурсов как дополнительных сырьевых источников, технически осуществимо и экономически выгодно, и в то же время является одним из факторов защиты окружающей среды. Высокая степень утилизации вторичного сырья ведет к 50-90%-ному сокращению энергопотребления.

В последние годы во всем мире растет интерес к использованию в промышленности алюминия и алюминиевых сплавов. При этом неустанно возрастает количество алюминиевой стружки и мелких алюминиевых отходов, образующихся в результате механической обработки алюминиевых заготовок. Стружка не пригодна для непосредственного переплава.

Типичная схема утилизации стружки в обязательном порядке включает такие операции, как сбор стружки, ее очистку и отделение неметаллических включений и загрязнений, отмывку, брикетирование для эффективного переплава, а также механические испытания готовых брикетов и только затем переплав. Особенные трудности возникают тогда, когда среди легирующих элементов в алюминиевом сплаве встречается, литий. Такая стружка требует специальных методов утилизации и соблюдения дополнительных мер безопасности. Наличие примесей лития не допустимо во многих алюминиевых сплавах, а поэтому плавку следует проводить в отдельных агрегатах, которые пригодны только для переплавки литий-содержащей стружки. Эти устройства, как правило, очень дороги, и требуют плавки в контролируемой атмосфере для исключения риска детонации. Для работы на таких агрегатах могут быть допущены только специально обученные специалисты. Все перечисленные факторы накладывают существенные ограничения на утилизацию литий-содержащей стружки и делают этот процесс крайне дорогостоящим и малоэффективным.

В Московском государственном машиностроительном университете разработан и активно применяется для получения порошков с уникальными свойствами метод химического диспергирования [2]. Метод химического диспергирования состоит в следующем. Мелкие частицы алюминиевого сплава (стружка, небольшие кусочки) растворяются в щелочных растворах с образованием осадка — гидроксида алюминия. Этот осадок обладает комплексом свойств, которые, как правило, сложно получить при использовании традиционных керамических

технологий. Полученный осадок отфильтровывают и промывают методом последовательных декантаций, а затем проводят термический синтез оксидных фаз. Такая методика с успехом может быть применена как альтернативный способ утилизации мелких алюминиевых отходов, особенно содержащих литий.

Осадок преимущественно наследует морфологию структуры исходного сплава, а его химический состав влияет на фазовый состав осадка [3]. Этот факт является основой для эффективного способа управления структурой порошка и его фазовым составом. Контролировать фазовый состав возможно благодаря введению необходимых легирующих добавок в исходный сплав на стадии сплавления.

Методика является значительно более простой и предсказуемой, по сравнению с существующими на сегодняшний день вариантами управления структурой порошка, получаемого другими методами.

Выявлено, что в результате диспергирования алюминиевых сплавов различных систем образуется порошок, частички которого отличаются по своей морфологии и размеру.

Установлено, что из алюминиевых сплавов, содержащих литий, получается порошок, частицы которого принципиально отличаются по своей морфологии от частиц, образуемых в результате диспергирования сплавов, не содержащих литий. Причиной этого является специфическое распределение литиевых фаз по объему металлического образца, а поскольку литий наиболее активен, процесс диспергирования протекает преимущественно в этих зонах. Зоны, содержащие литий, распределены не только по границам зерен, но и по объему самих зерен. Разрушение такого сплава приводит к образованию нанодис-персных пластинок неправильной формы [2]. Таким образом, при диспергировании сплавов системы Al-Li, где литиевые фазы распределены не только по границам зерен, но и по телу самих зерен алюминия, образуется преимущественно пластинчатый порошок. Толщина таких пластинок лежит в нанодиапазоне, а линейные размеры составляют несколько микрон. Эти пластины выстраиваются в сложные конструкции. Конструкции довольно прочны, и при низких давлениях прессования образуют прочный каркас будущего материала. На рис. 1 приведена структура оксидного порошка, получаемого в результате химического диспергирования алюминиевого сплава, содержащего литий.

При диспергировании сплавов системы Al-Si образуются частицы, обладающие округлой формой вследствие выкраши-

Рис. 1. Структура порошка из алюминиевого сплава, содержащего литий

Рис. 2. Структура порошка из алюминиевого сплава, содержащего кремний

вания групп зерен. Эти небольшие кусочки коагулируют и образуют объемные агрегаты. Пример такой структуры приведен на рис. 2.

При диспергирование сплавов системы Al-Cu получаются объемные частицы ромбической формы. Фотография структуры порошка приведена на рис. 3.

На сплавах, содержащих Sn и Zn, был получен порошок, включающий в свой состав сложные глобули неправильной формы. Пример такого агрегата в структуре порошка приведен на рис. 4.

Использование сплавов Al-Mg позволило получить в структуре порошка частицы правильной формы, стремящейся к сферической. Такие частички подвержены незначительной деформации при прессовании и не разрушаются при воздействии

у Jft

Щ ? ' . *

щш

Рис. 3. Структура порошка из алюминиевого сплава, содержащего медь

Рис. 4. Глобули в порошке, полученном из алюминиевого сплава, содержащего Zn и Sn

Рис. 5. Сферические частицы в порошке, полученном из алюминиевого сплава, содержащего Mg

давления. Это приводит к образованию сверхпрочного керамического материала при их спекании. Пример структуры данного порошка приведен на рис. 5.

Характерными особенностями структуры порошков, получаемых при диспергировании, является специфическое закономерное распределение фаз по поверхности частиц. Это оказывает принципиальное влияние на свойства при изготовлении готовых керамических компактов. Например, в некоторых случаях, в результате проведенного диспергирования на поверхности частиц порошка удавалось добиться синтеза таких фаз, как нефелин или алюмо-магниевая шпинель. В некоторых случаях концентрация фаз, содержащих кальций и натрий на поверхности пластинчатых частиц, позволяла получать при спекании весьма прочный пористый агрегат. Пластинки, вследствие своей ориентации, выстраивались в каркас, а прочность этого каркаса была обусловлена спеканием фаз кальция с поверхности пластинок. Важно отметить, что получение фаз нефелина и шпинели в керамических образцах является довольно сложной задачей, требующей сложных технологических процессов.

Установлено также, что на структуру порошка принципиально влияют такие параметры диспергирования, как среда, в которой происходит процесс, скорость диспергирования и температура реакции. При использовании разных щелочей были получены принципиально различные структуры. Проведены эксперименты с KOH, LiOH и NaOH. Каждая из этих диспер-гационных сред влияет на конечный фазовый и структурный состав порошка, а также на интенсивность протекающего процесса. Большая химическая активность среды приводит преимущественно к измельчению структуры порошка в осадке.

Методика химического диспергирования является простым и эффективным способом получения микро- и нанодисперс-ных алюмооксидных порошков. Варьируя несколько основных параметров при диспергировании возможно добиться принципиально различных результатов в структуре готовых порошков: формы частиц, их морфологии, размеров, распределение фаз по поверхности. Структура порошка оказывает, в свою очередь, влияние на свойства керамического материала.

Итак, образующийся в результате переработки стружки гид-роксид алюминия является источником исходного сырья для создания перспективных керамических материалов на основе оксида алюминия для изготовления нового класса керамических материалов, обладающих уникальными свойствами. Разработка новых керамических материалов, в свою очередь, является важнейшей задачей современной промышленности, поскольку только керамические материалы обладают рядом специфических, уникальных свойств, которые принципиально важны для всего машиностроения. Одновременно решается проблема утилизации отходов алюминиевых сплавов, в том числе, утилизация отходов сплавов, сопряженная с рядом особенностей, затрудняющих этот процесс.

На данный момент подробно исследован процесс химического диспергирования алюминиевого сплава, содержащего 1,5% лития и 4,5% меди.

Исследование показало, что из данного порошка по предложенной технологии удается получить готовый образец с крайне высокой (более 70%) открытой пористостью. Полученный материал, несмотря на высокое значение пористости и низкую плотность (1,8 г/см3), демонстрирует высокие показатели механических свойств (предел прочности на статический изгиб около 180 МПа).

Такой материал с успехом может быть использован в качестве термоизоляции, фильтрующих элементов и основы для катализаторов дожигания.

Таким образом, метод химического диспергирования, разработанный коллективом ученых Московского государственного машиностроительного университета, позволяет не только решить проблему утилизации мелких промышленных отходов, образуемых в результате механической обработки деталей из алюминиевых сплавов, но и получить новое сырье, пригодное для изготовления широкого спектра керамических материалов с различными свойствами [3].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Чантурия В. А., Козлов А. П., И.В. Шадрунова И. В., Ожогина Е. Г. Приоритетные направления развития поисковых и прикладных научных исследований в области использования в промышленных масштабах отходов добычи и переработки полезных ископаемых // Горная промышленность. - 2014. - № 1(113). - С. 54.

2. Трифонов Ю. Г., Скакова Т. Ю., Омаров А. Ю., Королева П. С., Шля-пин А. Д. Легированный порошок оксида алюминия, получаемый в результате химического диспергирования сплава В-1469 // Наноинжене-рия. - 2013. - № 8. - С. 8-11.

3. Шляпин А. Д., Рыбальченко В. В., Иванов Д. А. Хайри А.Х., Омаров А. Ю. Физико-механические свойства нового керамического материала // Машиностроение и инженерное образование. - 2011. -№ 4. - С. 31-35. ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Скакова Татьяна Юрьевна1 - кандидат физико-математических наук, доцент, e-mail: tanya.skakova@mail.ru, Шляпин Анатолий Дмитриевич1 - доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой, e-mail: 6883412@mail.ru, Трифонов Юрий Геннадьевич - кандидат технических наук, научный сотрудник, e-mail: xrikx@mail.ru, Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, Курбатова Ирина Александровна1 - кандидат технических наук, доцент, e-mail: kurbatova-i@rambler.ru,

1 Московский государственный машиностроительный университет.

Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2016. No. 12, pp. 86-93. T.Yu. Skakova , A.D. Shlyapin, Yu.G. Trifonov , I.A. Kurbatova WASTE RECYCLING OF ALUMINUM ALLOY BY CHEMICAL DISPERSING WITH OBTAINING ALUMINIUM HYDROXIDE NANO POWDER

Waste recycling method by chemical dispersing was developed for aluminum alloy. Method of chemical dispersing is the dissolution of small particles of aluminium alloy (chips, small pieces) in alkaline solutions with the formation of precipitate-powder of aluminum hydroxide. The resulting sediment filter and washed by the method of successive decantation. This sediment possesses a complex of unique properties that are difficult to obtain using traditional technologies. Precipitate morphology structure inherits predominantly original alloy and its chemical composition affects the phase composition of sediment. Control phase composition may exercise through the introduction of necessary additives in the original stage alloy weld. Formed when processing chips of aluminum hydroxide is a source of raw materials for advanced ceramic materials on the base of aluminum oxide for the manufacture of a new class of ceramic materials with unique properties. At the same time the problem of recycling aluminum alloys, including waste disposal, Al-Li alloys, involving a number of features that impede this process with traditional technologies.

Key words: waste recycling, chemical dispersion, aluminium hydroxide, residue, powder, ceramic materials.

UDC 620.22-419

AUTHORS

Skakova T.Yu.1, Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Assistant Professor, e-mail: tanya.skakova@mail.ru, Shlyapin A.D.1, Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Chair, e-mail: 6883412@mail.ru,

Trifonov Yu.G, Candidate of Technical Sciences, Researcher,

A.A. Blagonravov Mechanical Engineering Research Institute of RAS,

101990, Moscow, Russia, e-mail: xrikx@mail.ru,

Kurbatova I.A.1, Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor,

e-mail: kurbatova-i@rambler.ru,

1 Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI), 107023, Moscow, Russia. REFERENCES

1. Chanturiya V. A., Kozlov A. P., I.V. Shadrunova I. V., Ozhogina E. G. Gornaya pro-myshlennost'. 2014, no 1(113), pp. 54

2. Trifonov Yu. G., Skakova T. Yu., Omarov A. Yu., Koroleva P. S., Shlyapin A. D. Na-noinzheneriya. 2013, no 8, pp. 8—11.

3. Shlyapin A. D., Rybal'chenko V. V., Ivanov D. A. Khayri A. Kh., Omarov A. Yu. Mashinostroenie i inzhenernoe obrazovanie. 2011, no 4, pp. 31—35.

ОТДЕЛЬНЫЕ СТАТЬИ ГОРНОГО ИНФОРМАЦИОННО-АНАЛИТИЧЕСКОГО БЮЛЛЕТЕНЯ

ОСВОЕНИЕ ГЕОРЕСУРСОВ РОССИЙСКОГО ДАЛЬНЕГО ВОСТОКА И СТРАН АЗИАТСКО-ТИХООКЕАНСКОГО РЕГИОНА

Дышин А.В.1, e-mail: dishin@dvfu.ru, Тонких А.И.1, e-mail: tonkikh.ai@dvfu.ru, Осипов В.А., Владивостокский государственный университет экономики и сервиса, Осипов А.В.1, Дорошев А.Ю.1, Николайчук А.Н.1, Жабыко Л.Л.1, Опанасюк А.А.1, Андреев А.В.1, Непомнящий А.А.1, Емельянов Б.И.1, Николайчук Н.А.1, Харин А.З.1, Силиванова М.В.1, 1 Дальневосточный федеральный университет.

Представлены результаты исследований по обоснованию перспективных направлений развития топливно-энергетического комплекса Российского Дальнего Востока и стран Азиатско-Тихоокеанского региона. Рассмотрены методические аспекты топливно-энергетического кластера, как объекта управления, а также проблемы инновационного развития горнодобывающей промышленности Приморья. Представлены научные работы, связанные с техническими и технологическими проблемами освоения минерального и углеводородного сырья, а также утилизации техногенных отходов ТЭЦ виде золоотвалов, направленных на повышение эффективности производства и снижение экологической нагрузки на окружающую среду.

Ключевые слова: Дальний Восток, топливно-энергетический комплекс, горнодобывающая промышленность, утилизация техногенных отходов, золоотвалы.

THE DEVELOPMENT OF GEO-RESOURCES IN THE RUSSIAN FAR EAST AND THE ASIA-PACIFIC REGION

Dyshin A.V.1, Tonkikh A.I.1, Osipov V.A., Vladivostok State University of Economics and Service, Vladivostok, Russia, Osipov A.V.1, Doroshev A.Yu.1, Nikolaychuk A.N.1, Zhabyko L.L.1, Opanasyuk A.A.1, Andreev A.V.1, Nepomnyashchiy A.A.1, Emelyanov B.I.1, Nikolaychuk N.A.1, Kharin A.Z.1, Selivanova M.V.1, 1 Far East Federal University, Vladivostok, Russia.

The results of studies on substantiation of perspective directions of development of fuel and energy complex of the Russian Far East and the Asia-Pacific region. Methodical aspects of fuel and energy cluster as an object of management, and also problems of innovative development of the mining industry of Primorye. In addition, the presented scientific work related to technical and technological problems of development of mineral and hydrocarbon raw materials, and disposal of industrial waste CHP plant, the ash ponds, aimed at improving production efficiency and reducing of ecological load on the environment.

Key words: Far East, fuel and energy complex, mining industry, recycling of industrial waste, ash disposal areas.