СПОСОБ ИЗВЛЕЧЕНИЯ НИКЕЛЯ ПРИ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКЕ ЖАРОПРОЧНЫХ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ

Изобретение относится к регенерации вторичного металлического сырья, в частности к переработке металлических отходов жаропрочных сплавов на основе никеля (суперсплавов), в частности электрохимическому способу получения металлического концентрата никеля из отработанных жаропрочных сплавов при их переработке.

Одним из эффективных и перспективных направлений в технологии переработки металлических отходов редких тугоплавких металлов являются процессы, основанные на электрохимических методах, позволяющие с высокими показателями осуществлять регенерацию таких отходов, с получением качественной товарной продукции.

Известен способ растворения отходов суперсплавов в растворах минеральных кислот при наложении переменного тока [Пат. №2313589 (РФ). Способ выделения ценных металлов из суперсплавов / В. Штоллер, А. Ольбрих, Ю. Меезе-Марктшеффель, М. Ерб, Г. Нитфельд, Г. Гилле. Заявка: 2002130262/02, 13.11.2002. Опубликовано: 27.12.2007], в качестве электродов применяют перерабатываемые отходы. Растворение ведут в солянокислом или сернокислом электролите. Недостатком метода является относительно невысокая скорость растворения отходов. Метод не позволяет получать в одну стадию целевой продукт - никель.

Предложен способ электрохимического разложения ренийсодержащего суперсплава в водно-органическом электролите [Pat. US 5776329 А / U. Krynitz, A. Olbrich, W. Kummer, M. Schloh. Method of the decomposition and recovery of metallic constituents from superalloys. Заявлено: 25.10.1995. Опубликовано: 07.07.1998] с использованием протонных органических растворителей класса спиртов или β-дикетонов и электропроводящей добавкой в виде соли из группы галогенидов аммония; галогенидов, сульфатов или нитратов щелочных, щелочноземельных или переходных металлов при концентрации 0,1 моль/л на постоянном или переменном токе. Основным недостатком является сложность при отделении шлама от образовавшихся при электролизе полимерных алкоксидов металлов, многостадийность дальнейшей переработки для получения товарных продуктов, утилизация промывных вод, содержащих органические растворители.

Наиболее близким техническим решением является способ анодного растворения отходов никельсодержащих сплавов в кислом электролите при наложении переменного электрического тока [Пат. №2401312 (РФ). Способ электрохимической переработки металлических отходов жаропрочных никелевых сплавов, содержащих рений / А.А. Палант, В.А. Брюквин, О.М. Левчук, А.В. Палант, A.M. Левин. Заявка: 2009113255/02, 09.04.2009. Опубликовано: 10.10.2010. Бюл. №28]. Растворение сплава ведут в азотнокислом или сернокислом электролите при наложении однополупериодного ассиметричного переменного электрического тока промышленной частоты и при использовании в качестве второго электрода пластины из тантала или ниобия. При этом анодное растворение ведут при поддержании кислотности азотнокислого электролита на уровне 200-250 г/л HNO₃, а сернокислого электролита на уровне 150-200 г/л H₂SO₄, при температуре 20-40°C и силе тока не менее 1 кА. Таким образом, при использовании однополупериодного переменного электрического тока существенно повышается скорость процесса растворения отходов: в азотнокислом электролите с концентрацией HNO₃ 250 г/л, температуре 30°C скорость растворения сплава 0,050 г/ч·см², в сернокислом электролите H₂SO₄ с концентрацией 200 г/л, температуре 25°C скорость растворения сплава 0,056 г/ч·см². Основным недостатком данного метода является использование высоконцентрированных растворов кислот, повышенная температура, высокие значения амплитуд переменного тока, ведущих к повышенным энергозатратам.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является воспроизводимый процесс получения никелевого концентрата высокой чистоты в одну стадию за счет управляемого электрохимического процесса растворения, технологическая гибкость процесса и относительно низкие затраты.

Технический результат достигается электрохимическим методом, заключающимся в анодном растворении жаропрочного никелевого сплава в азотнокислом электролите с концентрацией азотной кислоты 100 г/л, отличающимся тем, что растворение сплава ведут импульсным током при фиксированном значении потенциала анода E=1,1±0,1 В, что обеспечивает перевод в раствор основы сплава - никеля и получение катодного продукта - металлического никеля чистотой не менее 95%.

Сущность предложенного способа заключается в следующем. В качестве катода используют инертный электрод, в качестве анода - растворяемый сплав. Растворение жаропрочного сплава на основе никеля (суперсплава) ведут импульсным током при фиксированном значении потенциала анода, определяющего протекание интересующей анодной реакции, что позволяет получать продукт определенного состава - металлический никелевый концентрат чистотой не ниже 95%. Потенциал анода определяют с помощью поляризационных и деполяризационных кривых, полученных с использованием электрохимического исследовательско-технологического комплекса (ЭХК-1012, ООО ИП "Тетран", использующего некомпенсационный способ измерения потенциала [Пат. № 2106620 (РФ) Способ измерения потенциала рабочего электрода электрохимической ячейки под током / Гайдаренко О.В., Чернышев В.И., Чернышов Ю.И. Заявка: 96108732/25, 26.04.1996. Опубликовано: 10.03.1998. Бюл. №3].

Установлено, что в литературе не описано влияние потенциала электрода на электрохимическую переработку жаропрочных никелевых сплавов.

Пример 1.

Анодное растворение жаропрочного сплава состава ЖС32-ВИ Ni - 60,05, Re - 4,0; Co - 9,3; W - 8,6; Y - 0,005; La - 0,005; Al - 6,0; Cr - 5,0; Ta - 4,0; Nb - 1,6; Mo - 1,1; C - 0,16; B - 0,15; Ce - 0,025 в растворе азотной кислоты с концентрацией 100 г/л.

С помощью поляризационных и деполяризационных кривых, полученных с использованием ЭХК-1012, выбрали технологические параметры: анодный потенциал растворения сплава ЖС32-ВИ равен 1,1 В, точность поддержания потенциала ±0,1 В, температура - 20-25°C. Выбранные параметры обеспечивают преимущественное протекание реакции растворения никеля на аноде при максимально возможной скорости и производительности процесса, ограничиваемой техническими характеристиками ЭХК-1012, что обеспечивает выделение на катоде металлического никеля чистотой 96,7%. Так, при этих условиях скорость растворения сплава 0,074 г/ч·см².

Пример 2.

Анодное растворение жаропрочного сплава состава ЖС32-ВИ Ni - 60,05, Re - 4,0; Co - 9,3; W - 8,6; Y - 0,005; La - 0,005; Al - 6,0; Cr - 5,0; Ta - 4,0; Nb - 1,6; Mo - 1,1; C - 0,16; B - 0,15; Ce - 0,025 в растворе азотной кислоты с концентрацией 100 г/л. При технологических параметрах: анодный потенциал растворения сплава ЖС32-ВИ меньше 1,1±0,1 В, температура - 20-25°C катодным продуктом является никелевый концентрат чистотой 97,5% аналогично примеру 1. Основное отличие от примера 1 заключается в более низкой скорости растворения сплава ЖС32-ВИ, так, при E=0,9±0,1 В скорость растворения сплава равна 0,050 г/ч·см².

Пример 3.

Анодное растворение жаропрочного сплава состава ЖС32-ВИ Ni - 60,05, Re - 4,0; Co - 9,3; W - 8,6; Y - 0,005; La - 0,005; Al - 6,0; Cr - 5,0; Ta - 4,0; Nb - 1,6; Mo - 1,1; C - 0,16; B - 0,15; Ce - 0,025 в растворе азотной кислоты с концентрацией 100 г/л. При технологических параметрах: анодный потенциал растворения сплава ЖС32-ВИ E>1,1±0,1 В, температура - 20-25°C в раствор переходит значительное количество электроотрицательных компонентов сплава (кобальт, хром, алюминий), при этом скорость растворения сплава существенно возрастает: при E=1,4±0,1 В скорость растворения сплава равна 0,112 г/ч·см². При этом режиме катодный осадок помимо металлического никеля представлен соединениями типа Al_xCo_yNi_z (подтверждено данными рентгенофазового и химического анализа), содержание никеля в нем составляет 85-90%.

Таким образом, из описания примеров и результатов следует, что предлагаемый способ позволяет реализовывать управляемый одностадийный электрохимический способ получения никелевого концентрата. Установка фиксированных электрохимических параметров делает возможным получение воспроизводимых результатов анодного растворения.