Способ получения фосфорсодержащего сплава

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к получению фосфорсодержащих сплавов на основе меди, титана, железа и других металлов или их смесей. Сущность изобретения: восстановление фосфора, расплавление сплавообразующего металла и растворение в нем фосфора осуществляют одновременно, при этом кислородсодержащее соединение фосфора, реагент-восстановитель и сплавообразующий металл берут в виде порошков крупностью не более 1 мм, формируют из них однородную по составу смесь и создают температуру не менее 700^oC в локальном объеме смеси. В качестве сплавообразующего металла могут быть использованы один или более металлов, выбранных из группы, содержащей медь, железо, никель, титан, а в качестве реагента-восстановителя - алюминий, магний или кальций. Кислородсодержащее соединение фосфора может быть представлено в виде пятиокиси фосфора, апатитового или фосфоритового концентрата. Повышение степени извлечения полезных компонентов в готовый сплав может быть достигнуто в результате дополнительного введения в смесь компонентов оксида сплавообразующего металла. 5 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к получению фосфорсодержащих сплавов на основе меди, титана и других металлов или их смесей.

Известен способ получения сплава медь-фосфор, содержащего 7-10 мас. фосфора (см. Базилевский В. М. и др. Вторичные цветные металлы. М. 1951, с. 205), согласно которому красный фосфор загружают в ковш, в отдельном тигле расплавляют медь и заливают ее в ковш с фосфором, при этом фосфор растворяется в расплавленной меди.

Недостатком этого способа является необходимость использования красного фосфора, который является дорогостоящим и экологически опасным продуктом. Кроме того, для введения процесса требуется предварительное расплавление меди, что усложняем способ и требует дополнительного оборудования и расхода энергии. Значительная часть фосфора теряется в ходе процесса в виде паров, что приводит к дополнительным затратам и загрязнению окружающей среды. Ввиду трудоемкости и длительности процедуры набивки ковша красным фосфором производительность этого способа невелика.

Известен способ получения фосфорсодержащего сплава на основе олова (см. авт. св. N 291979, C 22 C 1/02, 1965) путем сплавления смеси порошкообразных компонентов олова и фосфора, причем олово вводят в виде альфа-модификации.

Этот способ также требует для своего осуществления применения элементарного фосфора, который частично сгорает в процессе растворения в расплавленном олове. Способ предполагает использование печного оборудования для создания ванны расплавленного олова. Производительность способа невелика ввиду низкой скорости образования сплава олово-фосфор.

Наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению является способ получения фосфорсодержащего сплава на основе меди (см. авт. св. N 208959, С 22 C 1/02, 1962), включающий нагрев элементарного фосфора до образования паров, расплавление меди и введение паров фосфора в расплавленную медь. Элементарный фосфор получают путем восстановления его углеродом из фосфатного сырья.

Способ требует использования печного оборудования для расплавления меди и испарения фосфора. Ввиду наличия в реакционном объеме паров фосфора при повышенном давлении способ представляет значительную опасность в случае разгерметизации реакционного объема. Производительность способа и коэффициент полезного использования фосфора лимитированы кинетикой растворения фосфора в расплавленной меди при ограниченной площади поверхности контакта фаз. Использование красного фосфора ухудшает экономические и экологические характеристики процесса.

Изобретение направлено на решение задачи получения кондиционных фосфорсодержащих сплавов при одновременном упрощении процесса, повышении производительности, снижении экологической опасности и улучшении экономических показателей. Изобретение позволяет получать сплав медь-фосфор, а также широкий круг аморфизующихся сплавов.

Для решения поставленной задачи в рассматриваемом способе получения фосфорсодержащего сплава, включающем восстановление фосфора из его кислородсодержащего соединения реагентом-восстановителем, расплавление сплавообразующего металла и растворение в нем фосфора, согласно изобретению восстановление фосфора, расплавление сплавообразующего металла и растворение в нем фосфора осуществляют одновременно, при этом соединение фосфора, реагент восстановитель восстановитель и сплавообразующий металл берут в виде порошков крупностью не более 1 мм, формируют из них однородную по составу смесь и создают температуру не менее 700^oC в локальном объеме смеси, причем расплавление сплавообразующего металла осуществляют за счет теплоты реакции восстановления.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в качестве сплавообразующего металла берут один или более металлов, выбранных из группы, содержащей медь, железо, никель, титан.

Задача решается также тем, что в качестве реагента-восстановителя используют алюминий, магний или кальций.

Решение задачи обеспечивается тем, что в качестве кислородсодержащего соединения фосфора используют пятиокись фосфора.

Решение задачи обеспечивается также тем, что при формировании смеси в нее дополнительно вводят оксид сплавообразующего металла, который восстанавливают одновременно с фосфором.

На решение задачи направлено то, что в качестве кислородсодержащего соединения фосфора используют апатитовый или фосфоритовый концентрат.

Таким образом, в одном реакционном объеме одновременно осуществляются три технологические операции восстановление фосфора, распавление сплавообразующего металла и растворение фосфора в металле. Это обеспечивает упрощение процесса, повышение его производительности, снижение экологической опасности и улучшение экономических показателей. При этом получается кондиционный фосфорсодержащий сплав.

Использование компонентов смеси в виде порошков крупностью не более 1 мм обусловлено необходимостью создания как можно большей поверхности их взаимодействия.

Формирование однородной по составу смеси компонентов необходимо для обеспечения одинакового протекания процесса во всем объеме смеси.

Создание в локальном объеме смеси температуры не менее 700^oC обусловлено необходимостью преодоления потенциального барьера начала реакции восстановления фосфора из его кислородсодержащих соединений.

Предлагаемый способ позволяет получать широкий круг фосфорсодержащих сплавов. С учетом их практического значения в качестве сплавообразующего металла используют медь, железо, никель, титан или смеси этих металлов.

Выбор в качестве реагента-восстановителя алюминия, магния или кальция обусловлен их высоким восстановительным потенциалом, доступностью и удобством использования.

Дополнительное введение в смесь компонентов оксида сплавообразующего металла дает возможность управлять ходом процесса для повышения степени извлечения полезных компонентов в готовый сплав. Это позволяет, в частности использовать в качестве кислородсодержащего соединения фосфора как пятиокись фосфора, так и апатитовый или фосфоритовый концентрат.

Длительность процесса зависит от массы загружаемой смеси. Реагент-восстановитель полностью расходуется в реакции восстановления, при этом его остаточное содержание в сплаве не превышает 0,01% Ввиду большой поверхности взаимодействия паров фосфора с расплавом сплавообразующего металла по причине дисперсности компонентов смеси и ее однородности скорость растворения и коэффициент полезного использования фосфора намного выше, чем в способе-прототипе.

Процесс ведется в тигле из огнеупорного материала, в который после тщательного перемешивания загружаются предварительно высушенные и измельченные компоненты смеси. Реакция восстановления иницируется с помощью электрического или химического запала, обеспечивающего в локальном объеме смеси температуру не ниже 700^oC.

После окончания реакции и охлаждения тигля продукты выгружаются, и металлы легко отделяется от шлака.

Стоимость апатита или другого фосфорного сырья многократно ниже стоимости чистого фосфора, а совмещение трех операций обеспечивает резкое сокращение производственных расходов. Ввиду того, что восстановление фосфора происходит в присутствии расплавленного метала, фосфор по мере выделения растворяется в расплаве металла и не попадает в атмосферу, что обеспечивает экологическую чистоту и безопасность процесса.

Пример 1. Готовят смесь, содержащую 18,0 г пятиокиси фосфора в виде порошка крупностью 0,2 мм, 70,6 г медного порошка крупностью 0,2 мм и 11,4 г алюминиевого порошка крупностью 0,2 мм. Смесь тщательно перемешивают, помещают в графитовый тигель и поджигают с помощью электрического запала, размещенного в локальном объеме смеси. Температура начала реакции составляет 700^oC. Горение смеси продолжается в течение 1 мин. После охлаждения смесь выгружают из тигля, и металл отделяют от шлака. Металл имеет вид монолитного слитка, выход металла составляет 95% по отношению к теоретически возможному. Содержание фосфора в сплаве 10% Пример 2. Готовят смесь, содержащую 13,2 г пятиокиси фосфора в виде порошка крупностью 0,2 мм, 78,6 г титанового порошка крупностью 0,2 мм, 8,2 г алюминиевого порошка крупностью 0,2 мм. Смесь тщательно перемешивают, помещают в графитовый тигель и поджигают так же, как в примере 1. Горение смеси продолжается в течение 1 мин. После охлаждения смесь выгружают из тигля и металл отделяют от шлака. Металл имеет вид монолитного слитка, выход металла 92% по отношению к расчетному, содержащие фосфора в сплаве 6,2% Пример 3. Готовят смесь, содержащую 35,2 г апатитового концентрата в виде порошка крупностью 0,1 мм, 16,9 г медного порошка крупностью 0,1 мм или медной стружки, 31,7 г порошка окиси меди крупностью 0,1 мм и 16,2 г алюминиевого порошка крупностью 0,1 мм. Смесь тщательно перемешивают, помещают в графитовый тигель и поджигают так же, как в примере 1. Горение смеси продолжается в течение 1 мин. После охлаждения смесь выгружают из тигля, и металл отделяют от шлака. Металл имеет вид монолитного слитка, выход металла составляет 94% по отношению к расчетному. Содержание фосфора в сплаве 9,8% Пример 4. Готовят смесь, содержащую 15,48 г апатитового концентрата в виде порошка крупностью 0,1 мм, 24,39 г медного порошка крупностью 0,1 мм или медной стружки, 45,8 г порошка окиси меди крупностью 0,1 мм и 14,32 г алюминиевого порошка крупностью 0,1 мм. Смесь тщательно перемешивают, помещают в графитовый тигель и поджигают так же, как в примере 1. Горение смеси продолжается в течение 1 мин. После охлаждения смесь выгружают из тигля, и металл отделяют от шлака. Металл имеет вид монолитного слитка, выход металла составляет 95% по отношению к расчетному. Содержание фосфора в сплаве 3,9% Пример 5. Готовят смесь, содержащую 34,2 г апатитового концентрата в виде порошка крупностью 0,2 мм, 14,0 г железного порошка крупностью 0,2 мм, 30,0 г порошка окиси железа крупностью 0,2 мм и 21,8 порошка магния крупностью 0,2 мм. Смесь тщательно перемешивают, помещают в графитовый тигель и поджигают химическим запалом, создавая температуру 1200^oC. Горение смеси продолжается в течение 1 мин. После охлаждения смесь выгружают из тигля, и металл отделяют от шлака. Металл имеет вид монолитного слитка, выход готового металла составляет 91% по отношению к расчетному, содержание фосфора в сплаве 10,1% Пример 6. Готовят смесь, содержащую 15,5 г пятиокиси фосфора в виде порошка крупностью 0,2 мм, 26,5 никелевого порошка крупностью 0,2 мм, 48,2 г титанового порошка крупностью 0,2 мм, 9,8 г алюминиевого порошка крупностью 0,2 мм. Смесь тщательно перемешивают, помещают в графитовый тигель и поджигают так же, как в примере 1. Горение смеси продолжается в течение 1 мин. После охлаждения смесь выгружают из тигля и металл отделяют от шлака. Полученный сплав, имеющий состав 32,6% никеля, 59,1% титана, 8,3% фосфора, имеет вид монолитного слитка, выход готового металла составляет 92% Пример 7. Готовят смесь, содержащую 21,0 г фосфоритового концентрата в виде порошка крупностью 0,1 мм, 43,5 г никелевого порошка крупностью 0,1 мм, 14,3 г порошка окиси никеля крупностью 0,1 мм, 21,2 г порошка кальция крупностью 0,1 мм. Смесь тщательно перемешивают, помещают в графитовый тигель и поджигают так же, как в примере 1. Горение смеси продолжается в течение 1 мин. После охлаждения смесь выгружают из тигля и металл отделяют от шлака. Металл имеет вид монолитного слитка, выход готового металла 94% по отношению к расчетному, содержание фосфора в сплаве 7,1% Концентрации паров фосфора и его соединений в атмосфере помещения при реализации заявляемого способа согласно примерам 1-7 не превысили ПДК.

Как видно из приведенных примеров, предлагаемый способ позволяет получать фосфорсодержащие сплавы с высокой производительностью при использовании минимума оборудования, причем процесс является экологически значительно более чистым, чем способ по прототипу, так как в нем не используется элементарный фосфор в качестве исходного компонента.

Формула изобретения

1. Способ получения фосфорсодержащего сплава, включающий восстановление фосфора из его кислородсодержащего соединения реагентом-восстановителем при повышенной температуре, расплавление сплавообразующего металла и растворение в нем фосфора, отличающийся тем, что восстановление фосфора, расплавление сплавообразующего металла и растворение фосфора осуществляют одновременно, при этом соединение фосфора, реагент-восстановитель и сплавообразующий металл берут в виде порошков крупностью не более 1 мм, формируют из них однородную по составу смесь и создают температуру не менее 700^oС в локальном объеме смеси.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве сплавообразующего металла берут один или более металлов, выбранные из группы, содержащей медь, железо, никель, титан.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в качестве реагента-восстановителя используют алюминий, магний или кальций.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве кислородсодержащего соединения фосфора используют пятиокись фосфора.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при формировании смеси в нее дополнительно вводят оксид сплавообразующего металла.

6. Способ по любому из пп. 1 3 или 5, отличающийся тем, что в качестве кислородсодержащего соединения фосфора используют апатитовый или фосфоритовый концентрат.