Патент на изобретение №2180019
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) КАТОДНАЯ МЕДЬ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ОТЛИВОК И МЕДНОГО ПРОКАТА И СПОСОБ ЕЕ ПОЛУЧЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
(57) Реферат: Изобретение относится к области цветной металлургии и может быть использовано при производстве катодной меди и медного проката из меди. Для производства медного проката переплавкой, литьем и горячей прокаткой литой заготовки в процессе электроосаждения катодной меди из водного раствора формируют текстурированную катодную медь с минимальным насыщением осадка водородом, характеризующуюся тем, что она состоит преимущественно из кристаллов с осями текстуры относительно направления роста осадка <111>, <100> с высокой ретикулярной плотностью при минимальном содержании кристаллов с осями текстуры <100>, <210> и другими с низкой ретикулярной плотностью, при этом способ ее получения электроосаждением из водного раствора, содержащего ионы меди, серную кислоту, ионы хлора и органические добавки, заключается в том, что для электроосаждения используют нестационарные токи – реверсивный, пульсирующий или комбинированный пульсирующе-реверсивный, а в качестве по крайней мере одной органической добавки используют анионоактивное поверхностно-активное вещество (ПАВ), например алкилсульфонаты, алкилбензолсульфонаты, алкилнафталинсульфонаты и т.п., обеспечивается повышение качества медного проката за счет снижения содержания водорода или гидрида Вюрца в катодной меди для производства отливок и медного проката. 3 с. и 6 з.п.ф-лы, 3 табл. Изобретение относится к области цветной металлургии и может быть использовано при производстве катодной меди и ее переработке в отливки и деформированные изделия из меди и медных сплавов. Известны требования ГОСТ 859, ГОСТ 546 к катодной меди марок МООк, Мок, М1к, [1], стандартов ИСО 431 [2, 3], Великобритании BS – 6017 [4, прототип] и других стран к катодной меди марки Сu-САТТН -1, Сu-САТН-2. Недостатком катодной меди по данным стандартам является отсутствие гарантированной технологичности при горячей прокатке литой заготовки, возможное появление горячих трещин, приводящее к снижению сртности продукции. В мировой практике отсутствует метод прогноза прокатываемости катодной меди, контроля и управления данным качеством катодов на стадии их производства. Поэтому Лондонская биржа металлов в качестве основного условия регистрации катодной меди ставит успешную проверку ее на прокатных станах 2-3 ведущих фирм, что является длительным и дорогим процессом. Известно также, что главной причиной образования горячих трещин является насыщение расплава меди водородом с последующим выделением паров воды и образования микропор при кристаллизации меди [6]. Содержание растворенного водорода или гидрида Вюрца в катодной меди не фиксируется современными методами газового анализа, которые определяют суммарное содержание водорода в осадке в виде твердого раствора, неотмытого электролита и включений органических веществ. Сведения о способах получения электролитических осадков меди с регулируемым содержанием растворенного водорода в литературе отсутствуют. Известны лишь многочисленные исследования по изучению состава катодной меди в зависимости от условий проведения ее электролитического осаждения. Полностью отсутствуют сведения о закономерностях разряда ионов гидроксония с образованием не газообразного водорода, а твердого раствора водорода в катодном осадке. В последнее время все более остро встает вопрос о получении текстурированных осадков меди, т.е. осадков с какой-либо кристаллографической ориентацией; такие осадки имеют специфические физико-механические свойства [17, с.100-102]. Сведения о способах получения электролитических осадков металлов с заданной текстурой и физико-механическими свойствами в литературе отсутствуют. В обзоре данных о текстурных исследованиях электроосажденных металлов за 1920-70 годы [9, с.141] констатируется, что характерной текстурой для катодных осадков меди является текстура с осью <110>. В отношении условий электролиза считается доказанным только влияние катодного перенапряжения на тип текстуры осадка. Для металлов с решеткой гранецентрированного куба (серебро, медь, никель, свинец и др.) низкому перенапряжению соответствует текстура <111>, среднему – <100>, высокому – <110>, сверхвысокому – <210>, что экспериментально подтверждено при электроосаждении серебра [9, c.121] и согласуется с мировой практикой получения катодной меди с высокой обрабатываемостью прокаткой при электроосаждении на плотностях тока менее 200 А/м2 с низким катодным перенапряжением. Известно [12] и широко распространено в мировой практике применение реверсивного и пульсирующего токовых режимов электроосаждения меди для получения ровных мелкокристаллических осадков, по химическому составу отвечающих требованиям стандартов, при плотностях тока от 330 до 400 А/м2. Наиболее близким к первому варианту заявляемого способа является способ получения катодной меди, в соответствии с которым осуществляют электроосаждение меди из водного раствора, содержащего ионы меди, серную кислоту, ионы хлора и органические добавки, причем при электроосаждении могут применяться реверсивный и пульсирующий нестационарные токи, которые позволяют менять скорость электродных процессов [17, с.143-145, прототип]. О токовых режимах для получения осадков меди с заданной текстурой и физико-механическими свойствами сведения отсутствуют. Эти вопросы находятся на стадии исследований, готовых технологических режимов получения катодной меди с гарантированной прокатываемостью не предложено. Известны способы снижения содержания ряда примесей в катодной меди, например, с применением добавок в электролит органических веществ, которые относятся к классу анионоактивных ПАВ: – бутилнафталинсульфоната натрия от 5 до 100 мг/л с целью снижения поверхностного натяжения электролита, предотвращения образования “плавучего” шлама и снижения потерь благородных металлов с катодами при рафинировании меди с повышенным содержанием никеля и сурьмы [14]; – триалкилфосфатов в концентрации от 50 до 500 мг/л, диалкилфосфонатов в концентрации от 50 до 200 мг/л с целью снижения содержания серебра в катодном осадке [15]; – сульфонола совместно с полиакриламидом при осаждении медной фольги с целью увеличения адгезионных свойств фольги без снижения ее пластичности [16]. Наиболее близким ко второму варианту заявляемого способа является способ получения катодной меди, в соответствии с которым осуществляют электроосаждение меди из водного раствора, содержащего ионы меди, серную кислоту, ионы хлора и органические добавки [17, с.122-124, прототип]. В качестве органических добавок используют поверхностно-активные вещества, имеющие торговые названия авитон, сепаран, орзан А, гулах и др., химический состав, класс и назначение которых неизвестны. Выбор ПАВ носит скорее субъективный характер. О выборе органических добавок для получения осадков меди с низкой концентрацией водорода, с заданной текстурой и физико-механическими свойствами сведения отсутствуют. Предлагаемые изобретения позволят достичь технический результат, выраженный в повышении качества медного проката за счет снижения содержания водорода или гидрида Вюрца в катодной меди для производства отливок и медного проката. Указанный технический результат достигается тем, что в процессе электроосаждения катодной меди для производства отливок и медного проката из меди и медных сплавов формируют текстурированную катодную медь с минимальным насыщением осадка водородом, характеризующуюся тем, что она состоит преимущественно из кристаллов с осями текстуры относительно направления роста осадка <111>, <100> с высокой ретикулярной плотностью при минимальном содержании кристаллов с осями текстуры <110>, <210> с низкой ретикулярной плотностью; при этом способ ее получения электроосаждением из водного раствора, содержащего ионы меди, серную кислоту, ионы хлора и органические добавки, – заключается в том, что для электроосаждения используют нестационарные токи – реверсивный, пульсирующий или комбинированный пульсирующе-реверсивный с последовательностью периодов: прямой импульс – пауза – обратный импульс, с продолжительностью прямого импульса от 10 до 300 с, паузы при пульсирующем и пульсирующе-реверсивном режимах – от 1 до 5 с, обратного импульса при реверсивном и пульсирующе-реверсивном режимах – от 0,5 до 1 с, при плотности тока прямого импульса – от 200 до 500 А/м2, обратного импульса – от 100 до 300 А/м2, а в качестве по крайней мере одной органической добавки используют анионоактивное поверхностно-активное вещество (ПАВ), выбранное из группы, содержащей алкилсульфонаты, алкилбензолсульфонаты, алкилнафталинсульфонаты, сульфоэтоксилаты спиртов, амидосульфонаты, соли алкилфосфоновых кислот с удельным расходом от 20 до 200 г/т осадка меди; также в качестве добавки в электролит используют высокомолекулярное, эластичное, проницаемое поверхностно-активное вещество из группы, включающей животный клей, желатин, казеин, альбумин, альдолазу, глобин, гумми-арабик, агар-агар, поливиниловые спирты, полиакриламид и другие с удельным расходом от 30 до 150 г/т осадка меди, а в качестве добавки для выравнивания поверхности осадка используют тиомочевину с удельным расходом до 100 г/т осадка меди, добавку анионоактивного ПАВ вводят в конденсат для промывки катодов с последующим включением отработанного раствора в электролит при корректировке его состава. Сущность изобретения состоит в использовании связи содержания растворенного в катодном осадке водорода и текстуры осадка – ориентации кристаллографических плоскостей относительно направлений роста кристаллов при электроосаждении. На плоскостях кристалла меди с решеткой гранецентрированного куба (110), (210) и других с низкой ретикулярной плотностью имеются благоприятные условия для образования твердого раствора водорода в меди или гидрида Вюрца [5] как в процессе электроосаждения из водного раствора, так и в процессе нагрева осадка в водородсодержащей атмосфере при переплавке катодов, что доказано исследованиями на никеле, имеющем, как и медь, решетку ГЦК [6], и согласуется с теорией образования твердых растворов внедрения [7]. Возможность насыщения осадка меди водородом при его электроосаждении из водного раствора за счет разряда ионов гидроксония по реакции Н3О+е–>[H]cu+Н20 с растворением атомарного водорода в осадке подтверждается нашими расчетами по справочным термодинамическим данным [8], показавшим, что равновесная концентрация водорода в осадке меди при катодном потенциале от +150 до -50 мВ составляет 4-50 г/т. Данные, полученные на монокристаллах меди, свидетельствуют об электрохимический неравноценности разных кристаллографических плоскостей и значительном различии на них потенциала нулевого заряда и токов обмена электродных реакций. В частности, для электродной реакции Си2++2е–>Сu токи обмена составляют, А/см2: для плоскости (111) – 1,14 ![]() ![]() ![]() – алкилсульфонаты – сульфонат А, сульфонат Б, волгонат, контакт Т, игепоны, алкенсульфонаты, оксисульфонаты и др.; – алкилбензолсульфонаты – сульфонолы НП-1, НП-2, НП-3, хлорный сульфонол, ультравоны К и W и др.; – алкилнафталинсульфонаты – алканолы В и S, некали А, В и ВХ, смачиватели НБ, СВ-101, диспергатор НФ, правентоль и др. – сульэтоксилаты спиртов, амидосульфонаты; – соли алкилфосфоновых кислот. О применении в процессах электроосаждения меди конкретного класса органических веществ – анионоактивных ПАВ с конкретной целью – формирование определенного типа текстуры катодного осадка меди с минимальным насыщением его водородом в мировой патентной и технической литературе сведения отсутствуют. Пример 3. Примеры получения текстурированных катодных осадкой меди с минимальным насыщением водородом при электроосаждении из раствора, содержащего 45 г/л меди, 150 г/л серной кислоты, 40 мг/л ионов хлора при плотности тока 300 А/м2, при температуре 60oС, удельном расходе желатина 70 г/т осадка, тиомочевины – 70 г/т с добавками разных видов анионоактивных ПАВ, приведены в табл. 3. Приведенные данные свидетельствуют о влиянии добавок анионоактивных поверхностно-активных веществ на процесс получения катодной меди с определенной структурой: при использовании анионоактивных ПАВ содержание в осадке кристаллов с текстурой 110, имеющей низкую ретикулярную плотность, не превышает 30%. Испытаниями на промышленных ваннах анионоактивной добавки – бутилсульфоната натрия установлено, что при плотностях тока до 300 А/м2 эта добавка является не только текстуроформирующей, но и выравнивающей осадок и при этих плотностях тока тиомочевина частично или полностью может быть заменена анионоактивным ПАВ. Длительными промышленными испытаниями на двух предприятиях добавки в электролит бутилнафталинсульфоната натрия доказано ее положительное влияние на другие показатели электрорафинирования меди – выход по току, удельный расход электроэнергии, сокращение выделения аэрозолей электролита из ванн, снижение потерь драгметаллов с катодами. В состав электролита также должны входить поверхностно-активные добавки, не влияющие на текстуру осадка, а выполняющие другие функции: тиомочевина при повышенных плотностях тока за счет хемосорбции на выступах блокирует рост шишек и выравнивает осадок, коллоидная добавка высокомолекулярного эластичного проницаемого вещества из группы, включающей животный клей, желатин, казеин, полиакриламид, альдолазу, глобин, гумми-арабик, агар-агар, поливиниловые спирты и другие, создает на поверхности катода эластичную пленку для диффузионного контроля доставки к поверхности катода ионов и других ПАВ. При использовании анионоактивной добавки эффективна двойная ее роль при отмывке катодов от электролита конденсатом в качестве моющего вещества с последующим включением промывной воды в электролит при корректировке его состава. Применение предлагаемой группы изобретений обеспечивает получение катодной меди с минимальным насыщением осадка водородом и гарантированную прокатываемость отливок при термопластической обработке. Источники информации 1. ГОСТ 859-78. Медь. Марки. 2. ГОСТ 546-88. Катоды медные. Технические условия. 3. Стандарт ИСО 431-81. Профили из рафинированной меди. 4. Стандарт Великобритании BS-6017-1981 с изм. АМД 5725. Рафинированная фасонная сортовая медь. Технические условия. 5. М. Хансен, К. Андерко. Структуры двойных сплавов, т.II. – М.: Металлургиздат, 1962, с.629. 6. Мейер К. Физико-химическая кристаллография. -М.: Металлургия, 1972. 7. Уманский Я. С. и др. Физическое металловедение. М.: Металлургиздат, 1955. 8. Справочник по электрохимии /Под ред. А.М.Сухотина/.- Л.: Химия. 1981, с.169. 9. Кочергин С.М., Леонтьев А.В. Образование текстур при электрокристаллизации металлов.- М.: Металлургия, 1974. 10. Левин А.И. Электрохимия цветных металлов.- М.: Металлургия, 1982. 11. Федотьев Н.П., Алабышев А.Ф. и др. Прикладная электрохимия.- Л.: Химия, 1967. 12. Гудима Н. В., Зотков О.М., Кривоусов Б.А., Титаренко А.Г. Интенсификация электролитического рафинирования меди.- М.: Металлургия. 1978. 13. Ротинян А.Л., Тихонов К.И., Шошина И.А. Теоретическая электрохимия.- Л.: Химия, 1981. 14. Авт. св. СССР 1005500, МПК С 25 С 1/12, приоритет, 1981. Электролит для электролитического рафинирования меди. 15. Авт.св. СССР 1431379, МПК С 25 С 1/12, приоритет 1987. Способ электролитического рафинирования меди в растворе. 16. Авт. св. СССР 955735, МПК С 25 С 1/12, приоритет 1981. Способ получения пластичной медной фольги. 17. Козлов В.А., Набойченко С.С., Смирнов Б.Н. Рафинирование меди.- М.: Металлургия, 1992. Формула изобретения
РИСУНКИ
MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Дата прекращения действия патента: 08.04.2004
Извещение опубликовано: 10.03.2005 БИ: 07/2005
|
||||||||||||||||||||||||||