Исследование и разработка технологии регенерации твердого сплава газообразным цинком

Актуальность темы

.

Спеченные твердые сплавы представляют собой композиции из мелкозернистых тугоплавких карбидов вольфрама, титана, тантала и пластичных металлов (кобальта или никеля), обладающих меньшей температурой плавления и выполняющих роль вязкой цементирующей адгезионной) фазы. Высокая твердость, износостойкость и прочность определили их широкое применение в различных отраслях промышленности. Большую часть (около 66%) выпускаемых твердых сплавов в виде резцов, свёрл, фрез, разверток используют для оснащения инструментов в металои деревообрабатывающей промышленности, около 27% - в виде резцов, шарошек, зубков идут для оснащения бурового инструмента и около 7% - в виде волок, матриц, высадочного инструмента, наплавочных сплавов применяют для безстружковой обработки металлов, приборов, быстроизнашивающихся деталей машин, приборов, измерительного инструмента и в оборонной промышленности (для снаряжения боеприпасов).

Актуальность темы

диссертации по деструкции отработавших свой ресурс твердых сплавов, а также отходов производства и возврата, карбида вольфрама и кобальта в производство обусловлена следующими причинами:

• отсутствием в Российской Федерации месторождений вольфрамовых руд с существенными запасами;

• монопольным владением отдельными странами в мире (главным образом Китая) большей частью вольфрамсодержащих руд.

Цель работы.

Исследование и разработка альтернативного способа регенерации твердосплавного вторичиого сырья, состоящего из процессов деструкции твердого сплава газообразным цинком и последующей дистилляции цинка.

Методы исследования.

• Математические методы планирования эксперимента.

• Математическое моделирование и оптимизация процессов.

• Измерения напряженности магнитного поля.

• Физико-химические методы измерения процессов диффузии цинка в твердом сплаве.

Наиболее существенные научные результаты работы.

1. Предложен принципиально новый метод деструкции твердых сплавов, отличающийся тем, что вместо высокотемпературной экстракции кобальта из сплава жидким цинком используется газообразный цинк.

2. Предложена оценка механизма деструкции твердого сплава газообразным цинком, заключающегося в твердофазной диффузии газообразного цинка по границам карбида вольфрама с кобальтом, а затем и в самом кобальте.

3. Предложены математические модели (в виде уравнений регрессий) процессов деструкции сплава и дистилляции цинка из деструктированных материалов под вакуумом.

4. Найдены значения энергии активации процесса диффузии в твердом сплаве (1,74 кДж/моль) и чистом кобальте (13,97 кДж/моль). Показано, что энергия активации и соответствующая ей скорость диффузии цинка в твердом сплаве соизмеримы с аналогичными параметрами цинка в водных растворах.

Практическая значимость.

1. Разработаны реакторы и технология для декомпозиции твердых сплавов газообразным цинком (пат. РФ: 2 276 193, 2 277 601 и 2 341 571).

2. По новой технологии процессы деструкции сплава и дистилляции цинка протекают со скоростью на порядок большей, чем по стандартной технологии, а удельный расход энергии снижается в 2 раз.

3. Новая технология не требует использования азота или аргона для предотвращения окисления цинка и сплава.

4. Результаты исследования могут быть использованы в промышленном масштабе на родственных предприятиях цветной металлургии РФ.

Положения, выносимые на защиту.

1. Технология и аппаратура для деструкции твердых сплавов газообразным цинком.

2. Математические модели в виде регрессионных уравнений, связывающие зависимость степени деструкции твердого сплава от температуры сплава и газообразного цинка, длительности процесса, параметров вакуума, коэрцитивной силы и коэффициента избытка цинка.

3. Математические модели в виде регрессионных уравнений, связывающие зависимость остаточного содержания цинка в продукте дистилляции от параметров вакуума, температуры, длительности процесса, марки сплава.

Апробация работы.

Основные положения диссертации прошли апробацию на 6 Международной конференции «Инновационные технологии для устойчивого развития горных территорий», научно-технических конференциях СКГМИ (ГТУ), расширенном заседании кафедры металлургии цветных металлов СКГМИ (ГТУ), а также в научных публикациях.

Публикации.

Содержание диссертации адекватно отражено в 6 статьях и 3 патентах Российской Федерации.

Структура и объем работы.

Диссертация написана на 93 стр. компьютерной печати и состоит из: введения, 6 глав, основных выводов, библиографического списка из 92 наименований, патентного поиска с ретроспективой в 40 лет, а также 19 рис., 7 фотографий и 9 таблиц.

Выводы к главе 3.

1. Методом планирования эксперимента выполнено исследование по деструкции твердых сплавов марок ВК-5 — ВК-25% по новой технологии в полупромышленных условиях.

2. На основе экспериментальных данных получены уравнения регрессии, связывающие степень отгонки цинка и содержание цинка в полученном продукте дистилляции как функции продолжительности экстракции кобальта парами цинка, времени отгонки цинка в вакууме и температуры.

3. Преимущества деструкции твердого сплава газообразным цинком по сравнению с разложением твердого сплава жидким цинком:

• Одновременное проведение операций дистилляции Zn и деструкции твердого сплава парами Zn, что позволяет сократить время протекания процесса в 2 раза;

• Проведение операций дистилляции цинка и деструкции твердого сплава при разных температурных: дистилляции при 600−927 °С, а деструкции при 25−600 °С, в не обогреваемой зоне ;

• Отсутствие операции и дополнительного оборудования для переплавки цинка, который в реакторе перемещается из холодной зоны операции деструкции в горячую зону дистилляции в виде деструктированного твердого сплава, а из горячей зоны дистилляции поступает в холодную зону в виде пара;

• Операция деструкции твердого сплава парами цинка протекает в 9 раза быстрее, чем в расплаве цинка, а операция дистилляции цинка из деструктированного парами цинка твердого сплава протекает со значительно большей скоростью, чем из продукта после плавки с цинком;

• Использование только вакуума без применения инертного газа;

• Простота конструкции установки;

• Установлены оптимальные параметры процесса, позволяющие получить в условиях ограничений минимальное содержание цинка в продукте при низком расходе электроэнергии, что позволило снизить удельный расход энергии в 2 раза.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ДИСТИЛЛЯЦИИ ЦИНКА ИЗ ПРОДУКТА ДЕСТРУКЦИИ ТВЕРДОГО СПЛАВА МАРКИ ВК ГАЗООБРАЗНЫМ ЦИНКОМ.

Важную роль в процессе дистилляции цинка из сплава цинка с кобальтом играют[87]: т — время дистилляции, мин.- t — температура дистилляции, °С;

MZn — масса цинка кг.;

ССо — содержание кобальта, %;

Р — степень разряжения, ммрт.ст.;

1 — толщина сплава, мм.

В табл. 4.1 приведены матрица планирования и результаты эксперимента по определению зависимости остаточного содержания цинка продукте от времени и температуры вакуумной дистилляции. Марка исходного твердого сплава — ВК-15.

Для исследования был использован нелинейный план эксперимента Бокса с числом опытов.

N = 2 k + 2-к = 8 где к = 2 — число независимых переменных.

На основе экспериментальных данных, приведенных в табл. 1 получено следующее уравнение регрессии:

С2″ =0,168−0,145Хх -0,322Х2 + 0,032Х, 2 +0,172Х22 + 0,133XtX2i (4.1.).

S*d =3,242−10−3- R2 =0,996- F = 38,088.) где Х и Х2 — время дистилляции и температура в безразмерном масштабеCZn — содержание цинка в продукте дистилляции, %- Sad — дисперсия адекватностиR2 — коэффициент детерминацииF — статистикаF0i05- 7, — 2 — табличное значение критерия Фишера.

1 1.

Рис. 4.1. График зависимости содержания цинка в продукте дистилляции от времени процесса т и температуры л Независимые переменные т и t на графике приведены в безразмерном масштабе (-1- 0- 1).

Заключение

.

Выполнена научно-квалификационная работа, в которой содержатся новые технологические решения и их аппаратурное оформление по регенерации твердых сплавов с использованием газообразного цинка в отличие от расплавленного, используемого в стандартном цинковом способе.

Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. Показано, что диффузия цинка в сплаве протекает в основном по межфазным границам между карбидом вольфрама и кобальтом с высокой скоростью, сопоставимой со скоростью диффузии цинка в водных растворах. Найдены экспериментальные значения энергии активации диффузии цинка раздельно, в твердом сплаве и кобальте, равные соответственно 1,74 и 13,97 кДж/моль.

2. Математическая обработка экспериментальных данных, проведенных с использованием математических методов планирования эксперимента, позволили получить уравнения регрессии, связывающие: степень деструкции твердого сплава с температурой газообразного цинка, температурой твердого сплава и временем, а также остаточное содержание цинка в материале после дистилляции с температурой, вакуумом, содержанием кобальта в сплаве, отношением массы цинка к массе твердого сплава и коэрцитивной силой.

3. Произведено ранжирование независимых переменных по силе их влияния (по убыванию) на процессы деструкции и дистилляции.

4. На основе математических моделей (уравнений регрессии) найдены оптимальные параметры процессов.

5. Предложена оценка механизма деструкции твердого сплава газообразным цинком, заключающаяся в высокой скорости диффузии газообразного цинка в твердом сплаве по границам карбида вольфрама с кобальтом и распирающего действия кристаллов сплава цинка с кобальтом, образующихся внутри сплава.

6. Предложены оригинальная конструкция и принцип работы реактора, совмещающего процессы деструкции сплава и дистилляцию цинка из деструктированного материала (пат. РФ: 2 276 193, 2 277 601 и 2 341 571).

Внедрение новой технологии позволило увеличить скорость процессов в 4,5 раза по сравнению со стандартным способом и снизить удельный расход энергии в 2 раза.

По новой технологии отпадает необходимость в использовании азота или аргона.

Материалы диссертации рекомендуются для использования, как в промышленном производстве твердых сплавов, так и в учебном процессе при подготовке инженеров-металлургов.

Положения диссертации опубликованы в следующих работах: публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

1. Алкацев М. И., Свистунов Н. В., Троценко И. Г. Регенерация твёрдого сплава WC-Co с использованием газообразного цинка // Изв. вуз. Цветная металлургия. 2008. № 3. С. 17−21.

2. Пат. 2 276 193 (РФ). Способ переработки кусковых отходов твердых сплавов / Троценко И. Г. Свистунов Н.В. 2006.

3. Пат. 2 277 601 (РФ). Аппарат для переработки кусковых отходов твердых сплавов цинковым способом / Троценко И. Г., Свистунов Н. В. 2006.

4. Пат. 2 341 571 (РФ). Аппарат для переработки кусковых отходов твердых сплавов цинковым способом / Троценко И. Г., Свистунов Н. В. 2008. другие публикации.

5. M.I. Alkatsev, N.V. Svistunov, I.G.Trotsenko. Regeneration of the WC-Co Hard Alloy with the use of Gaseous Zinc // Russian Journal of Non-Ferrous Metals, 2008, Vol. 49, No 3, pp. 156−159. Allerton Press, Inc. 2008.

6. Троъ^енко И. Г. Свистунов Н.В. Аппарат для переработки твердых сплавов цинковым способом // Владикавказский научный центр РАН. Труды молодых ученых. 2007. № 2. С. 27.

7. Троценко И. Г. Свистунов Н.В. Метод деструкции твердого сплава на кобальтовой и никелевой связке // Материалы 6 Международной конференции инновационной технологии для устойчивого развития горных территорий // Владикавказ: 28−30.05. 2007. С. 723.

8. Троценко И. Г. Исследование закономерностей деструкции твердых сплавов газообразным цинком методом промышленного планируемого эксперимента. // Владикавказский научный центр РАН. Труды молодых ученых. 2007. № 3. С.

9. Троценко И. Г. Исследование закономерностей дистилляции цинка из сплава WC-Co-Zn, полученного в результате деструкции твердого сплава марки ВК газообразным цинком //Владикавказский научный центр РАН. Труды молодых ученых. 2007. № 3. С.