СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
PROCEDURE FOR PROCESSING SCRAP OF METAL COMPOSITE MATERIALS AND INSTALLATION FOR IMPLEMENTATION OF THIS PROCEDURE

Изобретения относятся к цветной металлургии, а именно к способам извлечения вторичных металлов из металлических композитных материалов, и могут быть использованы для извлечения ценных компонентов из отходов сверхпроводящих материалов.
Известен способ для разделения металлов и сплавов с различной температурой плавления (патент US 6224648, опубликован 14.06.99), включающий нагрев смеси металлов или сплавов до температуры, при которой плавится металл или сплав с более низкой точкой плавления, а металл или сплав с более высокой точкой плавления остается твердым. Твердые компоненты отделяют от расплава, используя промывную колонну. Недостатками способа являются аппаратурная сложность процесса, а также невозможность обработки материалов, содержащих активные металлы или сплавы, вследствие их окисления.
Известен способ обработки металлического композиционного материала, являющийся наиболее близким к предлагаемому (заявка Японии №3-158423 А), включающий нагрев композитного материала до точки плавления или выше матричного сплава в тигле, вращение тигля для сообщения центробежной силы материалу, который в наклонном положении располагается в тигле в зависимости от плотности и в таком положении затвердевает. Часть затвердевшего при вращении материала отделяют и используют повторно в качестве сырья. Недостатками известного способа являются сложность промышленного осуществления, невысокий коэффициент разделения и повторного использования сырья, а также невозможность использования способа для разделения активных металлов без их окисления.
Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство, используемое при реализации способа, описанное в той же заявке (заявка Японии №3-158423 А), содержащее средство для нагрева, тигель, размещенный в ковше, подвешенном к раме, размещенной с возможностью вращения для сообщения центробежной силы материалу в тигле.
Известное устройство, также как и способ, не обеспечивает высокого коэффициента разделения и химической чистоты при разделении активных металлов.
Обработка отходов композитных металлических материалов, с целью разделения компонентов, отличается от разделения смеси отходов металлов, так как в композитном металле компоненты имеют металлическую связь друг с другом за счет диффузионного взаимодействия. Такая связь препятствует отделению расплавленного металла от твердых компонентов из-за образования промежуточных соединений на границе твердой и жидкой фаз.
Задача, на решение которой направлены предлагаемые технические решения, заключается в полном разделении, извлечении и возможности повторного использования ценных компонентов из стружки, образующейся при обработке композитных материалов, и компактных отходов в виде прутков этих же композитных металлических материалов, состоящих из матричного цветного металла и (или) его сплава, расположенных в оболочке и центральной части прутков, а также волокон из химически активного тугоплавкого металла, расположенных в матричном металле.
При этом наружная матрица не содержит волокон, а температура плавления металла данной матрицы выше температуры плавления металла матрицы, расположенной в центральной части прутка. Матрицы разделены цилиндрическим барьером из химически активного тугоплавкого металла. Внутренняя матрица пронизана множеством бесконечных параллельных волокон из химически активного тугоплавкого металла переходной группы и (или) его сплава. Способ должен предотвращать окисление активного металла или сплава, из которых изготовлены барьер и волокна заполнителя, а также снижать затраты труда на подготовку отходов к переработке.
Технический результат достигается тем, что в способе переработки отходов металлических композитных материалов, включающем их нагрев до температуры плавления или выше температуры плавления матричного цветного металла и/или температуры плавления его сплава, но ниже температуры плавления металла заполнителя металлических композитных материалов с последующим разделением матричного цветного металла и металла заполнителя, в качестве отходов металлических композитных материалов используют компактные отходы в виде прутков, содержащих матричный цветной металл, заполнитель в виде множества параллельных волокон из активного тугоплавкого металла или сплава на его основе и стружку матричного цветного металла, при этом перед нагревом прутки загружают в обечайку сепаратора и располагают так, чтобы угол между осью прутков и вектором силы тяжести составлял от 0° до 15°, а все свободное пространство между прутками заполняют стружкой матричного цветного металла, заполненную обечайку устанавливают в вакуумируемую плавильную реторту, в которой осуществляют нагрев и охлаждение.
В отличие от известного способа, предусматривающего отделение матричного материала от металла заполнителя под действием центробежной силы, в предлагаемом способе используется сила гравитации, действующая на капли расплавленного металла вдоль оси волокон заполнителя и барьерной оболочки, пребывающих в твердой фазе, что достигается заявляемым расположением прутков.
Цель такого расположения перерабатываемых отходов композиционного материала заключается в преодолении силы поверхностного натяжения, которая удерживает расплавленный металл на поверхности барьера и волокон и препятствуют полному отделению жидкой фазы сплава матрицы от волокон заполнителя, изготовленного из тугоплавкого активного металла или сплава. При таком расположении не изменяется начальное расстояние между жилами и по этим каналам стекают капли, дополнительно смывая матричный металл. При отклонении оси волокон от вертикали на угол более 15° волокна заполнителя теряют устойчивость и складываются, что усложняет отделение расплавленного матричного материала. Кроме того, при ином расположении прутков барьер препятствует извлечению матричного металла, находящегося в центральной части и обрабатываемого первым.
Переработка отходов металлических композитных материалов именно при заявляемом их расположении способствует накоплению массы столба жидкой фазы, находящейся между волокнами, достаточного для преодоления сил адгезии и поверхностного натяжения между твердой и жидкой фазами композита.
Способ осуществляют в устройстве, содержащем средство для нагрева, при этом оно снабжено вакуумируемой плавильной ретортой и сепаратором, содержащим обечайку и, по меньшей мере, две сепарирующие решетки, установленные на металлоприемнике и имеющие на рабочей поверхности гребни и коаксиальные канавки, в донной части которых выполнены сквозные отверстия таким образом, чтобы исключить совмещение отверстий одной сепарирующей решетки с отверстиями другой решетки, а на гребнях рабочей поверхности решеток выполнены полки под углом от 60° до 90°.
Смещение проходных отверстий и полки на гребнях решеток предотвращают падение проволок в металлоприемник и перекрытие отверстий проволоками при расплавлении матричного металла. Форма и размер отверстий определяется не размерами сепарируемых твердых частиц, а необходимой производительностью процесса обработки.
Устройства для фильтрационной обработки жидкого металла при литье известны, например устройство, описанное в описании к патенту US 5603373 (опубликован 25.04.95), включающее, по меньшей мере, две фильтровальные плиты, в которых выполнены фильтровальные отверстия для отделения твердых включений. Недостатком известного устройства является необходимость применения множества фильтровальных плит с различными фильтрующими отверстиями при переработке отходов композитных материалов волокнистого строения с волокном различного сечения, что снижает производительность процесса. При этом не исключается проваливание волокон в виде проволоки через все плиты в металлоприемник, а также их окисление. Кроме того, в заявляемом устройстве только вся совокупность существенных признаков позволяет достигнуть технический результат - полное разделение и извлечение ценных компонентов из отходов композитных металлических материалов в виде прутков и стружки.
Изобретения иллюстрируются чертежами, на которых изображены:
на фиг.1 - сечение композитного прутка,
на фиг.2 - конструкция устройства,
на фиг.3 - сепаратор.
Пример осуществления: Разделению подвергались отходы производства сверхпроводникового провода, производимого по "бронзовой" технологии, представляющие композитный металлический многоволоконный материал в виде отрезков прутков различного диаметра (фиг.1), в которых центральная часть матрицы 1 выполнена из высокооловянистой бронзы - БрОН14, периферийная оболочковая часть матрицы 2 выполнена из меди высокой чистоты, волокна 3 представляет биметалл Nb - NbTi. Бронзовый композит с волокнами отделен от матричной оболочки барьером из ниобия 4. Волокна 3 в виде шестигранной проволоки в определенном порядке расположены в бронзовой матрице. Соотношение массы волокон к массе матрицы составляет, примерно, 2:8. В композит входят также пластины тантала 5.
-3
Отходы металлических композитных материалов, представляющие собой некондиционные отрезки прутков 11 (фиг.2), загружали вертикально или с отклонением от вертикали не более 15° в обечайку 6 сепаратора и фиксировали в таком положении за счет заполнения свободного пространства отходами сплава БрОН в виде стружки 12. Заполненную обечайку устанавливали в плавильную реторту 9, которую откачивали до давления не более 5×10 мм рт.ст. Реторту загружали в шахтную печь сопротивления 10, нагретую до температуры плавления высокооловянистой бронзы, которая ниже точки плавления меди и ниже температуры плавления ниобия. Реторту 9 выдерживали при данной температуре 1-2 часа, после чего выгружали из печи и охлаждали до температуры ≤100°С, сохраняя вакуум внутри реторты. Охлажденную реторту 9 разгерметизировали, разбирали садку, удаляя выплавленную и закристаллизовавшуюся в слиток бронзу. Цикл повторяли с повышением температуры в печи 10 до температуры плавления меди, после чего извлекали слиток меди, а оставшуюся на решетках 8 сепаратора шихту отправляли на химическую обработку для удаления остатков бронзы и меди.
Слитки меди использовали для питания электролизеров в кальциевом производстве или направляли на последующий переплав в укрупненный слиток. Слитки бронзы направляли на прокат в лист или на последующий переплав в укрупненный слиток. Смешанная, состоящая из ниобия и ниобий-титанового сплава шихта после химической обработки подвергалась электронно-лучевому переплаву в слитки, которые используют для легирования спец. сталей.
Предлагаемое устройство для переработки металлических композитных материалов содержит (фиг.2) шахтную печь сопротивления как средство для нагрева 10, вакуумируемую плавильную реторту 9 и сепаратор, содержащий обечайку 6 и сепарирующие решетки 8. Решетки 8 установлены на металлоприемнике 7 и имеют на рабочей поверхности гребни 15 (фиг.3) и коаксиальные канавки 13, в донной части которых выполнены сквозные отверстия 14 таким образом, чтобы исключить совмещение отверстий одной сепарирующей решетки с отверстиями другой решетки. На гребнях 15 рабочей поверхности решеток 8 выполнены полки под углом от 60° до 90°.
Устройство работает следующим образом. Заполненную обечайку 6 сепаратора устанавливают в металлоприемник 7, в который предварительно установлены сепарирующие решетки 8. В процессе выдержки реторты 9 в печи 10 при заданной температуре происходит расплавление имеющего более низкую температуру плавления составляющего композит материала, расплав проходит через сепарирующие решетки 8 в металлоприемник 7. После охлаждения печи извлекают слиток отделенного материала. Цикл повторяют.