Коллоидная Металлургия

Коллоидная Металлургия

Вячеслав Балаев

физика, сп. анализ, металлургия

2 октября 2016 г. 23:56 5 1675

Сравнение Коллоидной Металлургии с Коллоидной Химией

Коллоидная Металлургия (КМ) - это высокотемпературная Коллоидная Химия (КХ) [1].

КХ обычно имеет дело с твёрдой фазой, размер частиц которой от 0,1 мк до 1мк, находящейся в жидкой среде, при температуре до 100 градусов Цельсия.

КМ – с твёрдой фазой, размером от 1 мк до 100 мк, в газовой среде, при температуре более 1000 градусов Цельсия.

Строго говоря, частицы размером от 1 до 100 мк не являются коллоидными. Но, благодаря газовой среде и большой температуре, скорость протекания гетерогенных химических и физических процессов в КМ может быть даже выше, чем в КХ. Поэтому все основные законы КХ работают и в КМ.

Основным уравнением КХ и КМ является Уравнение Кельвина, из которого следует, что более крупные частицы дисперсной фазы растут за счёт испаряющихся (растворяющихся) более мелких частиц. Причём, процесс этот изотермический. То есть, система не теряет тепло и не получает его извне. Работа совершается за счёт уменьшения поверхностной энергии при переносе вещества от мелких к более крупным частицам.

Сырьё для Коллоидной Металлургии

Сырьём для КМ является огромное количество высокодисперсных отходов металлургического производства. Шламы горно-обогатительных комбинатов, Качканарский ГОК, например. Красные шламы глинозёмного производства. Возгоны высокотемпературных металлургических процессов: сталеплавильные конвертеры и возгоны при выплавке меди, возгоны свинцово-цинковых комбинатов, зола ТЭЦ.

Но имеются и огромные массивы природных высокодисперсных, коллоидных систем: глины, лёссы, латериты, эоловые пески.

Технология Коллоидной Металлургии

В течение всего процесса восстановления металла исходное сырьё, восстановитель (древесный уголь), порошкообразная брикетированная шихта и получаемый металл находятся в твёрдом виде. Это достигается тем, что шихта нагревается внешним теплом через газонепроницаемую стенку муфеля - перевёрнутый стальной или керамический тигель с крышкой. Более лёгкие, чем воздух, восстановительные газы, CO, H2, CH4, задерживаются под тиглем-колпаком, выполняя работу восстановления, а более тяжёлый, чем воздух, CO2, вытекает из-под тигля через щель. При остывании шихты после восстановления, газонепроницаемый колпак и находящиеся под ним восстановительные газы защищают металл от обратного окисления.

Температура процесса восстановления, если мы хотим получить порошок очень чистого металла, не должна превышать температуру Таммана, составляющую около 2/3 от температуры плавления металла по Кельвину. Для железа это будет около 930 град по Цельсию.

Получение железного порошка из красного шлама глинозёмного производства способом КМ

Технология КМ была открыта в феврале 1994 года при поиске способа извлечения железа из красного шлама.

1. Красный шлам необходимо предварительно отмыть от свободной и карбонатной щёлочи. В противном случае, в присутствии железа, уже при 1000 град Цельсия натрий восстанавливается до металла [2] и вызывает сильное сплавление шихты. Силикаты и алюмо-силикаты натрия таких сложностей не причиняют.

2. Железо полностью восстанавливается до металла уже при 900 град. Но отделить его от шлака, из-за высокой дисперсности (около 1 микрона) и прилипания к частицам шлака, совершенно невозможно.

3. 1000 град. Время восстановления 20 часов. Чуть-чуть спёкшаяся шихта легко растирается в пальцах. Зерна железа продолговатые изометрические, все одного - размера - 3 микрона. Очень мягкие - легко вальцуются пестиком в корундовой ступке, слышно лишь лёгкое шипение. Получились овальные зеркальца размером 10 микрон. Магнитная проницаемость оказалась раза в 2 больше, чем у реактивного карбонильного железа чистотой 99,6%.

4. 1100 град. Хватило 8 часов: 3 часа на разогрев печи до 1100 град. и 5 часов до выключения печи. Шихта тоже легко растирается. Зёрна изометрические все одного размера - 10 микрон. Легко отделяются от шлака мокрой магнитной сепарацией. (Вода должна иметь щелочную реакцию во избежание окисления железного порошка!). При растирании железного порошка в ступке слышен (и даже рукой чувствуется!) рокот. Чистота порошка 95%. Именно порошка, а не самих зёрен железа. Ибо, магнитом, кроме железа, из шихты могут тянуться и магнетит, и сульфид железа, и ильменит. Получилась малоуглеродистая сталь - углерода 0,11%.

5. 1200 град. 8 часов. Шихта слабо спеклась, и легко растиралась в ступке. Но при этом раздавался противный скрип. Получилось не железо, а очень твёрдая высокоуглеродистая сталь - железа 96,6%, остальное углерод.

[1] Д. А. Фридрихсберг. Курс коллоидной химии. Ленинград. "ХИМИЯ". 1984.

[2] Б. В. Некрасов. Основы общей химии. Том 2. Москва. "Химия". 1973.

Край будущего

Технологии

Взор3 октября 2016 г. 7:07

Спасибо. Очень интересная технология. Думаю, что перспективная.

Вячеслав Балаев → Взор3 октября 2016 г. 19:12

Спасибо за рекомендацию. Но это только начало. Тема то необъятная. Разрабатываю её уже 22 года. Переход на Коллоидную Металлургию избавляет Цивилизацию от металлургических отходов,, от мнимой нехватки минеральных ресурсов. Надеюсь, благодаря КОНТу, донести до массы людей весьма ценную информацию, до возможных последователей. Сам я уже не успеваю выйти на промышленный масштаб... .

Взор → Вячеслав Балаев3 октября 2016 г. 19:56

Я желаю Вам удачи! Надеюсь, что эта технология не требует больше энергетических ресурсов, чем принятые.

Вячеслав Балаев → Взор3 октября 2016 г. 21:57

По моей оценке, затраты энергии на получение тонны железа (или стали) способом КМ будут вдвое меньше, чем при получении его через чугун. Грубая оценка по суммарной температуре технологической цепи. В КМ: температура восстановления 1100 град Цельсия, спекание детали, спрессованной из порошка 1400 град; суммарная температура 1100 + 1400 = 2500 град. Для доменно-конвертерного передела: агломерация (окатыши) 1400, домна 1800, конвертер 2000; сумма 1400 + 1800 + 2000 = 5200 град. И при КМ мы получаем сразу готовую деталь. А во втором случае деталь ещё надо изготовить из конвертерной стали.

screamer14 → Вячеслав Балаев30 ноября 2016 г. 9:29

вы бы хоть процесс и результаты на ютуб выложили бы что ли... :-)

кстати со всеми этими порошками и спеканием напоминает технологию производства силумина