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硬質(zhì)合金回收利用工藝現(xiàn)狀

2007年07月25日 0:0 7246次瀏覽 來源:   分類: 硬質(zhì)合金

        自從硬質(zhì)合金問世以來,回收利用問題就一直為業(yè)內(nèi)人士所關(guān)注。由于硬質(zhì)合金是以碳化鎢和稀有金屬鈷為主要原料,其經(jīng)濟(jì)價(jià)值和制造成本比較高,鎢鈷的回收是一項(xiàng)極有價(jià)值的回收領(lǐng)域。從上個(gè)世紀(jì)的五十年代,一些回收利用工藝就已開發(fā)出來并應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)過程中。最早的回收利用工藝能耗高、設(shè)備比較復(fù)雜,而且對(duì)環(huán)境的影響較大。硬質(zhì)合金硬度非常大而且致密度較高,很難在常溫下被一些無機(jī)酸堿所溶解,因此在如何回收硬質(zhì)合金上費(fèi)了不少的周折。根據(jù)我們所掌握的情況,目前已有的回收利用工藝主要有幾大類,一是所謂的高溫處理法,其中有:硝石熔融法、空氣氧化燒結(jié)法、通氧鍛燒法等;二是機(jī)械破碎法,其中有:冷碎粉碎法、熱碎粉碎法、鋅熔法等;三是化學(xué)處理法,其中有金屬多價(jià)鹽處理法、氯化法、磷酸浸出法、鹽酸處理法等;四是電化學(xué)法,有以堿作電介質(zhì)、以鹽酸或硫酸、硝酸作電介質(zhì)的不同工藝路線;還有用通高壓氧、以氨水或胺溶液浸取法;羰基化合物法和水蒸氣升華三氧化鎢的分解法等等。
        在近年來的硬質(zhì)合金回收利用實(shí)踐過程中,由于對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求日益嚴(yán)格,一些回收工藝由于會(huì)帶來污染而停止使用。目前應(yīng)用比較廣泛的是機(jī)械破碎法、鋅熔法和電化學(xué)選擇性電溶法。硬質(zhì)合金的硬質(zhì)相碳化鎢與粘結(jié)相鈷在一定的溫度下進(jìn)行燒結(jié)形成了粉末冶金的組織結(jié)構(gòu)。如何使致密而堅(jiān)硬的合金組織得以分解,重新使這些硬質(zhì)相與粘結(jié)金屬分離開來是回收利用工藝所要解決的第一步也是關(guān)鍵的一步。對(duì)于硬質(zhì)合金的解體,許多研究者采取了不同的思路,回收利用工藝路線也各不相同。對(duì)于這些工藝的評(píng)價(jià),很難選擇那一種更合理、更經(jīng)濟(jì)、更值得推廣應(yīng)用,因?yàn)楣に嚶肪€的選擇首先的也是基本的原則就是再生制品的質(zhì)量要高,工藝流程要簡捷,對(duì)環(huán)境不會(huì)產(chǎn)生二次污染,勞動(dòng)條件要清潔安全?,F(xiàn)將幾種常用的再生利用工藝作一簡單介紹。
高溫處理法 
        硬質(zhì)合金是在一定的溫度下經(jīng)過保護(hù)性氣體進(jìn)行燒結(jié)制成的。如果在高出燒結(jié)溫度下而置于保護(hù)性氣氛對(duì)合金進(jìn)行加熱,硬質(zhì)合金的體積將發(fā)生膨脹,作為粘結(jié)金屬的鈷等將液化沸騰,合金的體積就將變得疏松而多孔堅(jiān)硬的合金就變得極易破碎加工,經(jīng)過破碎和研磨,就可以得到與原來的硬質(zhì)合金相同的碳化鎢和粘結(jié)金屬混合物。高溫處理法的原理就在于利用特制的高溫爐,在遠(yuǎn)大于硬質(zhì)合金的燒結(jié)溫度(1800℃)使站結(jié)金屬從合金結(jié)構(gòu)得以解體。這種工藝處理得到的硬質(zhì)合金再生原料由于得到了高溫處理,原先所含的微量其他金屬和非金屬雜質(zhì)以及有害氣體被清除出去。碳化鎢晶粒明顯長粗長大,晶內(nèi)缺陷減少,合金結(jié)構(gòu)和性能也得到了提高,因此具有較好的力學(xué)性能和較長的使用壽命。這種再生混合料適合于再制晶粒較粗、含鈷量較高的硬質(zhì)合金。對(duì)于晶粒較細(xì)、含鈷量低的硬質(zhì)合金種類不僅在高溫處理時(shí)的溫度要提高,以便于使硬質(zhì)合金廢料有足夠的應(yīng)力產(chǎn)生膨脹疏松現(xiàn)象,而且在制取中細(xì)晶粒的硬質(zhì)合金時(shí),相應(yīng)要改變混合料的制備和燒結(jié)工藝。高溫處理法具有工藝流程短,設(shè)備配套簡單,回收的硬質(zhì)合金混合料比較清潔,對(duì)環(huán)境的污染程度小、回收率較高的特點(diǎn),但這一工藝能耗較高,在高溫過程中有一部分鈷會(huì)流失等,最大的問題是回收的混合料只宜制作粗大晶粒的碳化物合金。目前一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家如日本、瑞典的一些廠家仍使用該法處理廢舊硬質(zhì)合金。
破碎法 
        對(duì)于一些含鈷量不高的硬質(zhì)合金來說由于硬度相對(duì)較低,可以用手工或機(jī)械的辦法破碎到一定細(xì)度后裝入濕磨機(jī)中研磨一段時(shí)間,達(dá)到一定的粒度用于再制硬質(zhì)合金。這種方法工藝簡單、流程短、能耗低、不污染環(huán)境,但往往在硬質(zhì)合金手工破碎時(shí),會(huì)由于工具的金屬材料碎屑帶入破碎料中產(chǎn)生污染,此外,由于含鈷量較高的硬質(zhì)合金不易破碎,機(jī)械破碎法受到很大限制;成分復(fù)雜的硬質(zhì)合金混合料用此法也很難保證再生產(chǎn)品的質(zhì)量。破碎法的工藝過程是:人工破碎,將其破碎成粉末狀(約200目)或使用大塊度硬質(zhì)合金為撞擊球的球磨機(jī)破碎,然后在八角球磨機(jī)內(nèi)加入酒精濕磨,然后進(jìn)入硬質(zhì)合金再制過程。有的企業(yè)采用急冷法進(jìn)行破碎:先將廢舊硬質(zhì)合金在馬弗爐內(nèi)加熱到800℃以上立即放入水中急冷,致使硬質(zhì)合金發(fā)生崩裂,然后進(jìn)入機(jī)械破碎過程。這種方法在上個(gè)世紀(jì)90年代曾在河北省清河等地得到普及,全縣共有幾十家大小不等的再生利用廠用此法回收并再制硬質(zhì)合金,再制硬質(zhì)合金年產(chǎn)量逾千噸,總產(chǎn)值3億元以上,成為當(dāng)?shù)氐闹еa(chǎn)業(yè)之一。目前,破碎法仍有一定的發(fā)展空間,采用比較先進(jìn)清潔的破碎設(shè)備或采用高效并不破壞硬質(zhì)合金微觀結(jié)構(gòu)的方法處理硬質(zhì)合金,破碎法仍需要改進(jìn)。
鋅熔法處理硬質(zhì)合金
    1 鋅熔法的基本原理     鋅熔法處理硬質(zhì)合金的機(jī)理是基于鋅與硬質(zhì)合金中的粘結(jié)相金屬(鈷、鎳)可以形成低熔點(diǎn)合金,使粘結(jié)金屬從硬質(zhì)合金中分離出來,與鋅形成鋅-鈷固溶體合金液,從而破壞了硬質(zhì)合金的結(jié)構(gòu),致密合金變成松散狀態(tài)的硬質(zhì)相骨架。由于鋅不會(huì)與各種難熔合金金屬的碳化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng),再利用在一定的溫度下鋅的蒸氣壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鈷的蒸氣壓,使鋅蒸發(fā)出來予以回收再利用。因此,鋅熔法獲得的碳化物粉末較好地保持了原有特性。經(jīng)過鋅熔過程后,鈷或鎳被萃取到鋅熔體中,蒸餾鋅以后,鈷和碳化物保留,鋅回收后繼續(xù)用于再生過程。
   2 鋅熔法工藝流程                  廢舊硬質(zhì)合金與鋅塊按照1:1~2的比例共同裝入燒結(jié)熔融坩堝中抽真空,送電升溫至900~1000℃,保溫一定的時(shí)間后進(jìn)行真空提取鋅,冷卻后將海綿狀的鈷粉和碳化鎢團(tuán)塊卸出,經(jīng)過球磨、破碎、調(diào)整合金成分,重新制作硬質(zhì)合金。
    3 鋅熔法的的主要特點(diǎn)      鋅熔法是上個(gè)世紀(jì)50年代由英國人發(fā)明的,其后,美國對(duì)這一工藝進(jìn)行了改進(jìn)和設(shè)備上的完善,70年代以后在許多國家得到了普及,在我國,許多回收利用廢舊硬質(zhì)合金的廠家都掌握了這種方法。其主要優(yōu)點(diǎn)在于這種方法工藝簡單、流程短、設(shè)備簡單、投資小,成本低,特別適合于處理含鈷量低于10%的廢硬質(zhì)合金,適用于小型企業(yè)利用廢舊硬質(zhì)合金再制硬質(zhì)合金。但這種工藝也存在一些不利的方面:混合料中殘留的鋅含量較高是值得注意的一個(gè)問題;由于近年來為節(jié)省鈷的用量,新型硬質(zhì)合金中多為碳化鈦-碳化鎢-鈷系列的合金,如果廢料不能分選清楚的話,將使回收的混合料中含有一定的鈦,從而局限了再生利用的產(chǎn)品選擇,鈦的增加使合金的脆性增加,對(duì)產(chǎn)品的壽命有一定影響;另外,在整個(gè)工藝過程中電耗較大,每噸硬質(zhì)合金耗電高的約12000kWh,低的也在6000kWh以上;此外,在鋅熔過程和收鋅的過程中,設(shè)備是否合理是對(duì)鋅的回收效率有一定影響。再一個(gè)是環(huán)境保護(hù)問題,鋅的逸出會(huì)對(duì)操作者有一定的影響。
選擇性電化學(xué)溶解法      上個(gè)世紀(jì)80年代初期,國內(nèi)貿(mào)易部物資再生利用研究所曾推出了選擇性電化學(xué)溶解法(簡稱電溶法),并先后在山東臨朐、河北清河等地進(jìn)行了技術(shù)推廣應(yīng)用取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。這一方法的推廣對(duì)于硬質(zhì)合金的回收與利用起到了巨大的作用,先后已有許多硬質(zhì)合金回收并再制合金產(chǎn)品企業(yè)以這一工藝為循環(huán)起點(diǎn),形成了廢舊硬質(zhì)合金回收→合金解體處理過程→鈷粉和碳化物重新配料→再制硬質(zhì)合金的完整過程。對(duì)于一些含鈷量較低的硬質(zhì)合金則采用高溫處理或預(yù)先破碎以及旋轉(zhuǎn)鼓型陽極的辦法,選擇性電溶法的應(yīng)用范圍進(jìn)一步拓寬了。
選擇性電溶法的基本原理     廢舊硬質(zhì)合金的選擇性電溶法是以廢舊合金作為陽極,置于電介質(zhì)--鹽酸溶液中。在一定的選擇極間電壓下,通入直流電,廢舊硬質(zhì)合金碎料在直流電場的作用下,其中的粘結(jié)相金屬鈷在陽極上氧化成為二價(jià)陽離子進(jìn)入溶液與氮離子結(jié)合生成氮化鈷溶液,合金中的碳化鎢逐步從合金主體中脫離下來以固體顆?;蚱瑺钗镄问搅舸嬗陉枠O槽或沉入電介液底部。通過回收電介質(zhì)中的鈷和固相中的碳化鎢,進(jìn)行硬質(zhì)合金的再制。這一方法為何稱之為選擇性電溶法而不命名為電解法,其原理在于:電解過程是將陽極上的金屬陽離子遷移到陰極,在陰極上得到電子發(fā)生還原反應(yīng),成為金屬單質(zhì)沉積下來。而在電解過程中,通常不希望主體金屬以外的其他金屬在陰極上析出;而選擇性電溶法則希望主體金屬留存于電介質(zhì)中,其他的雜質(zhì)金屬如鐵、銅、鎳、氫等在陰極上析出,這樣就使鈷溶液得到了凈化。選擇性電溶的工藝特色也正在于此。工藝過程對(duì)電介質(zhì)的鹽酸濃度、電流密度、槽電壓、端電壓、溶液溫度、電介質(zhì)流動(dòng)狀態(tài)都有嚴(yán)格的要求。如果控制不當(dāng),則在陽極上將有氯和氧析出,將會(huì)使碳化鎢的剝落,而且將使電流效率大大降低,在陽極上產(chǎn)生鈍化現(xiàn)象。為此,許多采用電溶法的廠家大都以較大的電流密度來避免陽極鈍化。在實(shí)踐中有些廠家還發(fā)現(xiàn),適當(dāng)提高電介質(zhì)的溫度有助于單位電流密度的增加,從而提高電流效率。
         由于硬質(zhì)合金在電溶的過程中表面會(huì)產(chǎn)生一定厚度的碳化鎢,這些已經(jīng)失去了粘結(jié)相的碳化鎢還不能很快地從合金主體上剝落,給新鮮表面的暴露造成了很大的障礙。此外,陽極溶解的過程中,在一定的時(shí)間內(nèi)和一定的電溶狀態(tài)下,電極電位越正,鈷溶解的速率越大,但經(jīng)過一段時(shí)間以后,電極電位升到一定的數(shù)值以后,鈷的溶解速度大大降低,陽極電流密度超過了某一臨界值便出現(xiàn)了電極電位的突躍,這種現(xiàn)象就是陽極鈍化。這種現(xiàn)象所產(chǎn)生的氧化膜阻止了電解過程的正常進(jìn)行。此外,陽極的鈍化現(xiàn)象的消除還有賴于外來機(jī)械力的作用。為此,許多廠家設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)電溶的裝置。常用的有旋轉(zhuǎn)鼓型陽極,在陽極不斷地旋轉(zhuǎn)中,疏松的碳化鎢在不停的運(yùn)動(dòng)沖擊下剝落并被撞擊形成細(xì)碎的顆粒掉入溶液中,新鮮表面暴露出來,旋轉(zhuǎn)撞擊的摩擦破壞了合金表面的氧化膜,從而大大加快了廢料的電溶過程。
硬質(zhì)合金廢料成分的變化和工藝改進(jìn)的情況
    近年來,我國硬質(zhì)合金應(yīng)用的領(lǐng)域不斷擴(kuò)大,硬質(zhì)合金作為材料工業(yè)的一個(gè)重要門類也隨著技術(shù)進(jìn)步和工藝技術(shù)的發(fā)展而不斷深入。值得注意的是,由于硬質(zhì)合金中的粘結(jié)金屬--鈷的資源日益稀缺,價(jià)格也比較昂貴,因此,國內(nèi)外的硬質(zhì)合金制造企業(yè)和科研單位一直在致力于無鈷硬質(zhì)合金或者是用其他的粘結(jié)金屬替代鈷。如近年來開發(fā)的鎳基合金、碳化鈦系列、鉭鈮系列合金、鋼結(jié)硬質(zhì)合金等等。但是,鈷系列硬質(zhì)合金由于其特殊的物理性能和各方面的優(yōu)越性能,一直是新產(chǎn)品中主流產(chǎn)品。我國作為硬質(zhì)合金的生產(chǎn)大國和消費(fèi)大國,硬質(zhì)合金的回收與再生利用一直是資源綜合利用工作中的一個(gè)重要內(nèi)容。各個(gè)回收廠家對(duì)現(xiàn)有的回收工藝和設(shè)備的改進(jìn)與開發(fā)工作一直未有停歇。今后如何在回收利用的工藝中解決鈷的提純、碳化鎢的晶粒缺陷缺陷,鈦、鉭、鈮共生對(duì)再制硬質(zhì)臺(tái)金的影響等問題。特別是一些特殊硬質(zhì)合金的高效回收處理工藝的開發(fā),仍是迫切需要解決的問題。
 

來源:中國鋼鐵新聞網(wǎng)

責(zé)任編輯:CNMN

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