СПОСОБ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ, СОДЕРЖАЩИХ РЕНИЙ, ВОЛЬФРАМ, ТАНТАЛ И ДРУГИЕ ЦЕННЫЕ МЕТАЛЛЫ
METHOD OF ELECTROCHEMICAL PROCESSING REFRACTORY NICKEL ALLOY WASTES BEARING RHENIUM, TUNGSTEN, TANTALUM AND OTHER VALUABLE METALS

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.).
2
4
3
Известен способ (аналог) разложения жаропрочных сплавов марки ЖС-32 в минеральных кислотах (HSO, HNO) 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.
3
2
4
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 HNO или 150-200 г/л HSO) при температуре 20-40°C и силе тока не менее 1 кА.
2
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·см.
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.
2
Техническим результатом изобретения является существенное повышение скорости процесса анодного окисления до 250-313 мг/см·час.
2
4
2
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 HSO 150 г/л и HCl 50 г/л при плотности тока 250-300 мА/см и температуре 20-40°C.
2
4
2
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 HSO+50 г/л HCl; режим процесса: плотность постоянного электрического тока 250-300 мА/см, температура 20-40°C.
2
В данных условиях скорость анодного окисления сплава составляет 250-315 мг/см·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 H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>+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
2
4
Характерное балансное распределение металлов по продуктам электрохимической переработки отходов сплава ЖС-32 в кислом электролите (HSO+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.
2
2
4
Режим анодного окисления отходов: температура 20-25°C, плотность постоянного электрического тока 250 мА/см. Состав исходного кислого электролита: 250 г/л HSO+50 г/л HCl.
2
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/см·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.
2
2
4
Режим анодного окисления (растворения): температура 35-40°C, плотность постоянного тока 300 мА/см. Состав исходного кислого электролита: 250 г/л HSO+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%.
2
Скорость окисления сплава в данных условиях составила 315 мг/см·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.