Комплексное и рациональное использование минеральных ресурсов

Прогресс в области материаловедения связан с коренным изменением технологической науки, предусматривающей получение материалов в виде функциональных систем. Одной из основных характеристик таких материалов является их многокомпонентность, а новые технологические процессы обеспечивают корпоративное взаимодействие системы, поэтому полностью изменяются требования к сырью, на которое уже нельзя смотреть как на источник какого-то одного компонента. Поэтому новым перспективным направлением, получившим развитие, стало комплексное использование концентратов с целью вовлечения их в технологический процесс непосредственно, без предварительного выделения чистых компонентов. При этом достигается существенное снижение стоимости произ- водства и потерь ценного компонента руды за счёт исключения гидрометаллургических процессов [1].

Применительно к сырью Дальневосточного региона России, принадлежащего к числу наиболее рудонасыщенных районов страны, разработаны принципиально новые технологии переработки вольфрамовых концентратов с извлечением вольфрама до 98 %, отличающиеся замкнутостью технологического цикла и комплексного использования сырья [2].

Применительно к проблемам комплексного использования полиметаллических руд цветных металлов привлекает своей универсальностью плазменная технология. В настоящее время существуют технические решения, позволяющие перерабатывать сырьё и получать продукты плазменной переработки в любом агре- гатном состоянии и форме, в том числе порошки молекулярной дисперсности [3].

Получение химически чистого карбида вольфрама путём спекания вольфрамата натрия с углеродом

Нами разработан перспективный способ переработки вольфрамата натрия – высокотемпературное спекание его с углеродом (сахарозой) для получения кар-

WO 3 + 3CO – W мет + 3CO 2

Na 2 WO 4 + 3CO – Na 2 O + W мет + 3CO 2

Исследования по восстановлению Na 2 WO 4 и WO 3 показали, что при карби-дизации сначала образуется металлический вольфрам (при Т > 900 ° С), а затем -карбид вольфрама (при Т > 1050 ° С). Шихта для получения ультрадисперсных порошков карбида вольфрама готовилась упариванием раствора вольфрамата с сахарозой при 10 %-ном избытке углерода. Синтез проводился в печи с графитовыми нагревателями при вакууме 10^-1 мм рт.ст. в интервале температур от 800 до 1400 ° С. Время термообработки варьировалось от 1 до 5 часов. Синтез карбида вольфрама в смеси вольфрамата натрия с сахарозой протекает гораздо легче, чем в смеси вольфрамата натрия с сажей, так как в сахарозе углерод находится в более активной форме.

Процесс синтеза осложняется разложением вольфрамата натрия на оксид натрия и триоксид вольфрама при Т = 1275 ° С, что бида вольфрама [4; 5]. Процесс восстановления вольфрамата натрия был продемонстрирован методом сравнения с процессом восстановления триоксида вольфрама, так как расчёт термодинамических параметров процессов (изобарно-изотермических потенциалов) показал, что термодинамические реакции равновероятны:

(G = 35,74 ккал/моль)

(G = 32,63 ккал/моль)

приводит к почти полной возгонке продуктов разложения. Поэтому получение монокарбида вольфрама необходимо проводить последовательно, в два этапа. Первые 3 часа шихта выдерживается при Т = 1050 ° С до образования металлического вольфрама, последующие 2 часа - при Т = 1400 ° С, что позволяет получить хороший выход (97 %) монокарбида вольфрама. Для более полной карбидизации необходим 10–15 %-ный избыток углерода. Так как получение химически чистого карбида вольфрама пирометаллургическим методом обходится весьма дорого, а на практике часто не требуется химически чистый WC (например, при обработке стали вольфрамсодержащим инструментом на поверхности твёрдых сплавов образуются так называемые вторичные структуры с W2C, Fe2O3, W6, Fe7. WO3 и др), нами предложен новый принцип создания перспективных материалов с учётом образования этих структур. Он заключается в том, что состав и структура создаваемого материала должны соответствовать химическому составу «вторичной структуры».

Требуемый материал с заданными свойствами можно получить по известной технологии карбидов из руд, в частности карбида вольфрама из исходных компонентов CаWO 4 , SiO 2 , C (сажа):

2(СaO · WO 3 ) + SiO 2 + 8C → Ca 2 SiO 4 + 2WC + 6CO.

Реакция с оптимальным выходом WC идёт при избытке углерода до 20 % от теоретически необходимого количества. Технология получения карбида вольфрама этим методом сравнительно проста: в планетарной мельнице смешиваются шеелит (СaWO 4 ), SiO 2 , С (сажа), затем смесь нагревается в графитовом тигле с пропусканием водорода и выдержкой при Т = 1400 ° С. Шлак отделяется растворением в концентрированной кислоте. Этим способом нами получены электродные материалы, в состав которых входят WC, CaO, Fe, что соответствует фазовому составу вторичной структуры.

Нами были проведены исследования по непосредственному карбидизированию вольфрамового шеелитового концентрата Лермонтовского месторождения. Практически 97 % шеелита подвергается восстановлению с последующей карбидизацией, причём состав полученного продукта неоднороден и карбид трудно отделяется от остальной массы. Для выбора метода непосредственного карбидизирования руд существенное значение имеет форма нахождения вольфрама в минеральном сырье: так, прямая карбидизация вольфрамитовых концентратов менее сложна, чем шеелитовых.

Непосредственное использование минерального сырья для создания инструментальных и наплавочных материалов

Непосредственное использование минерального сырья возможно двумя путями – с существенным изменением агрегатного состояния минерального сырья и без его изменения [6].

В первом случае задача имеет общеметаллургическое значение. Для её решения необходимо создание специального реактора, в который будет непрерывно поступать минеральное сырьё определённого состава. В реакторе возбуждается низкотемпературная плазма. Вещество в парообразном состоянии перемещается в другой реактор, где под действием магнитных и электрических полей происходит разделение составляющих и их конденсация.

Во втором случае наиболее рационально получение новых композиционных материалов. Так как химический состав минерального сырья часто близок к составу стандартных флюсов, то возможно применение природного вольфрамового сырья для наплавки быстроизнашива-ющихся деталей. Испытания показали высокую износостойкость и коррозийную стойкость деталей с такими наплавками

(более чем в 6 раз по сравнению с использованием стандартных флюсов).

Один из путей реализации этих направлений – создание банка данных об известных материалах на основе WC и о химическом, фазовом составе вольфрамсодержащих концентратов. Машинный поиск аналогичных сочетаний позволит подобрать необходимые для тех или иных целей составы концентратов и пути их дальнейшей переработки.

Таким образом, переработка вольфрамового сырья возможна не только классическими (устаревшими и экологически опасными), но и новыми способами:

– путём электротермического получения из него вольфрамата натрия, который затем спекается в вакууме с сахарозой. В результате образуется карбид вольфрама – основа инструментальных материалов;

– производством порошковых композиций, сварочных флюсов и наплавочных материалов непосредственно из концентрата.