способ электрохимической переработки отходов жаропрочных никелевых сплавов, содержащих рений, вольфрам, тантал и другие ценные металлы

Формула изобретения

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 H₂SO ₄+50 г/л HCl, при наложении постоянного тока плотностью 250-300 мА/см² и температуре 20-40°С.

Описание изобретения к патенту

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 H₂SO ₄) 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 H₂ SO₄ 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 H2SO 4+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/см ². Состав исходного кислого электролита: 250 г/л H ₂SO₄+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.