Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Технология получения и свойства спеченных материалов и изделий из них. Лабораторный практикум

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

1 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 12 / 142 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 > Следующая >>>

Лабораторная работа 2

ПОЛУЧЕНИЕ ПОРОШКА НИКЕЛЯ (КОБАЛЬТА)

ЭЛЕКТРОЛИЗОМ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ СВОЙСТВ

ПОРОШКОВ

(4 часа)

2.1. Цель работы

Освоение методики получения металлических порошков в процессе электролиза на примере никеля.

2.2. Теоретическое введение

Электролиз представляет собой процесс получения металлического порошка за счет использования энергии электрического поля. Суть его заключается в разложении водных растворов соединений выделяемого металла при пропускании через них постоянного электрического тока и последующей разрядке соответствующих ионов металла на катоде:

Me2+ + Zē → Me0. (2.1)

Растворы при электролизе называются электролитами, передача электричества в которых осуществляется движением положительных и отрицательных ионов, образующихся в результате диссоциации молекул химических соединений.

Этим методом получают порошки меди, никеля, кобальта, серебра, железа, хрома, кадмия, олова и др. Метод сравнительно дорогой из-за большого расхода электроэнергии и невысокой производительности.

Основные реакции на аноде: Ni = Ni2+ + 2ē; Ni = Ni+ + ē.

Реакции на катоде те же, но протекают в обратную сторону, между ионами устанавливается равновесие. Если концентрация ионов Ni+ станет больше равновесной, то в прианодном пространстве образуется порошкообразный металлический никель. Для получения никелевого порошка в качестве электролита используют аммиачный раствор сернокислого никеля, содержащего 5…15 г/л никеля, 70…80 г/л сульфата аммонита, 2…3 г/л серной кислоты, 40 г/л хлористого ам-

мония и до 200 г/л хлористого натрия. Хлористый натрий повышает электропроводность и съем металла с катода. Хлористый аммоний поддерживает требуемое значение pH в электролите, ионы хлора способствуют пассивированию растворимых никелевых анодов.

Процесс проводят при катодной плотности тока 1000...3000 А/м

, температуре электролита 35...55 °С, напряжении на ванне 10…15 В. Выход по току 90...94 %. Расход электроэнергии – 3000 кВт·ч/т.

Аналогично получают и кобальтовый порошок из аммиачных растворов сернокислого кобальта. Порошки никеля и кобальта, полученные электролизом, находят применение при изготовлении деталей спецназначения и безвольфрамовых твердых сплавов (БВТС).

2.3. Оборудование и методика

Лабораторная работа выполняется на оборудовании, включающем ванну для электролита с электродами, токопроводящую систему и систему циркуляции раствора для электролита. В промышленных условиях для повышения производительности используют несколько ванн, которые в электрическую цепь включаются последовательно, а электроды в них – параллельно. В процессе электролиза прикатодное пространство обедняется катионами никеля и обогащается ионами SO обогащаются ионами никеля.

Выравнивание концентрации этих ионов производится подливанием электролита и перемешиванием. Выгруженный из ванны электролизера порошок промывают горячей водой на нутч-фильтре. Полнота отмывки проверяется реакцией на наличие катионов никеля в воде по отсутствию окрашивания раствора «кровяной соли». Полученный порошок сушат и определяют его свойства.

2–

, а прианодное пространство и электролит

2.4. Порядок проведения работы и указания по технике безопасности

Сначала следует включить подогреватель электролита в напорном бачке. Зачистить наждачной бумагой поверхность катода, взвесить и замерить площадь погружаемой в электролит часть катода.

Рассчитать необходимую силу тока исходя из данной преподавателем плотности тока. Установить в ванне катод и анод в нужном порядке, залить электролит. Включить постоянный ток и отметить вре-

мя включения. В процессе электролиза необходимо следить за силой тока и поддерживать ее на одном уровне.

По окончании опыта, не отключая ток, извлекают катод из ванны и помещают в фарфоровую чашку. Затем выключают ток, извлекают анод и помещают в другую чашку. Катод и анод промывают водой, сушат, взвешивают и по привесу определяют полученное количество порошка никеля. Рассчитывают выход по току, расход электроэнергии на единицу полученного осадка.

Работа выполняется бригадой студентов из 2 –3 человек при различной плотности тока для каждого по указанию преподавателя. Необходимо соблюдать меры безопасности при работе с растворами кислот, работать в халате, при разливе электролита надевать резиновые перчатки. Запрещается касаться токопроводящих шин на ванне металлическими предметами, вынимать катоды из работающей регенеративной ванны.

2.5. Обработка результатов эксперимента

Полученные данные занесите в таблицу «режим электролиза – свойства порошка», постройте график зависимости свойств от плотности тока, рассчитайте количество полученного порошка по привесу к исходной массе катодных осадков, определите выход по току и удельный расход электроэнергии.

Выход по току определите как отношение массы порошка m1 к массе порошка m2 с учетом формулы

100 % 100 %,η= ⋅ = ⋅

mKI

(2.2)

где m1 – масса порошка, полученного в опыте; m2 – масса порошка,

которая определяется по закону Фарадея (теоретически) при том же количестве электролита; K – электрохимический эквивалент никеля, г/(А·ч); I – сила тока, А; τ – время, ч.

Расход электроэнергии рассчитайте как отношение затраченного количества электричества к массе полученного металла:

, (2.3)

где W – расход электроэнергии, Вт·ч/кг; Uв – напряжение в ван-

не, В; m1 – масса полученного порошка, кг.

2.6. Отчет о выполнении лабораторной работы

Отчет должен содержать теоретическую часть, схему установки, цель опыта, его описание с учетом задания, методику определения свойств порошка, результаты опыта и их обработку, анализ результатов в сравнении с теоретическими данными, приведенными в [1, 2].

Библиографический список

1. Либенсон Г.А., Лопатин В.Ю., Комарницкий Г.В. Процессы по-

рошковой металлургии. М.: МИСиС, 2001. Т. 1. 367 с.

2. Панов В.С., Чувилин А.М., Фальковский В.А. Технология и свой-

ства спеченных твердых сплавов и изделий из них. М.: МИСиС,

2004. 462 с.

Контрольные вопросы

Для проверки готовности к проведению лабораторной работы

1. Перечислите основные требования к электролиту и объясните

роль каждой составляющей электролита.

2. Дайте определение электрического эквивалента.

3. К какой группе методов относится получение порошка элек-

тролизом?

4. Назовите основные металлы, которые получают методом элек-

тролиза.

5. Перечислите основные требования по технике безопасности

при получении порошка электролизом.

6. Каков принцип устройства электрической ванны?

7. Охарактеризуйте основные свойства электролитического по-

рошка никеля (кобальта).

8. Сравните технико-экономические показатели различных мето-

дов получения порошков никеля и кобальта.

К защите лабораторной работы

1. Назовите важнейшие характеристики процесса электролиза при получении порошка и объясните их влияние на выход получаемого материала.

2. С какой целью применяется циркуляция и подогрев электролита?

3. Какие примеси могут присутствовать в никелевом (кобальто-

вом) порошке, полученном электролизом?

4. Каков механизм процесса получения порошка никеля (кобаль-

та) электролизом?

5. От каких факторов зависит средний размер порошка никеля

(кобальта), полученного электролизом?

6. Назовите причины, по которым реально получаемое количе-

ство осадка всегда меньше расчетного.

7. В каких случаях применяют порошки электрического никеля

(кобальта)?

8. Объясните понятие «анодный потенциал».

Лабораторная работа 3

ВОССТАНОВЛЕНИЕ ОКСИДА ВОЛЬФРАМА

ВОДОРОДОМ И УГЛЕРОДОМ (САЖЕЙ),

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СВОЙСТВ ПОРОШКА

(4 часа)

3.1. Цель работы

Приобретение навыков изучения процесса восстановления окси-

дов и работы на различных печах восстановления.

3.2. Теоретическое введение

Восстановлением называется процесс уменьшения степени окис-

ления атома в его соединениях.

В качестве восстановителей используют газообразные (водород, аммиак, метан, оксид углерода и др.) и твердые (углерод сажа, кальций, натрий, магний и др.) восстановители. В общем случае простейшую реакцию восстановления можно представить как МеА + Х ⇄ ХА + +Ме ± Q, где Ме – получаемый порошок; Х – восстановитель; МеА – восстановляемое соединение; ХА – образующиеся соединение; Q – тепловой эффект реакции. В твердосплавной промышленности в качестве восстановителей наиболее часто используют водород или углерод (ламповую сажу), а восстанавливаемое соединение – вольфрамовый ангидрид (WO3).

Восстановление оксида вольфрама водородом или углеродом протекает ступенчато в четыре стадии с образованием промежуточных оксидов:

WO3 + 0,1H2 (CO) ⇄ WO WO WO

+ 0,18H2 (CO) ⇄ WO

2,9

+ 0,72H2 (CO) ⇄ WO2 + 0,72H2O(СО2); (4.3)

2,72

WO2 + 2H2 (CO) ⇄ W + 2 H2O (СО2). (4.4)

+ 0,1 H2O(СО2); (4.1)

2,9

+ 0,18 H2O(СО2); (4.2)

2,72

Реакции обратимы, условия их протекания определяются значе-

()

нием константы равновесия реакции:

, где

()COH

()

– равновесное парциальное давление соответственно па-

H)(CO

ров воды (диоксида водорода) и восстановителя.

Зернистость порошка вольфрама зависит от технологических па-

раметров восстановления WO

: 1) температуры и скорости ее подъ-

ема; 2) высоты слоя засыпки порошка в лодку; 3) влажности водорода; 4) скорости подачи восстановителя; 5) скорости продвижения лодки с WO

; 6) исходного размера WO3; 7) количества и вида приме-

си в порошке WO3; 8) времени выдержки в горячей зоне печи.

Степень восстановления ангидрида определяется технологическими режимами. При углеродном восстановлении изменять зернистость вольфрама можно регулировкой содержания сажи в прокаливаемой шихте.

3.3. Оборудование и методика

Порошок вольфрама получают в электрических печах сопротивления с нихромовым (максимальная температура нагрева 1000 °С), молибденовым (1500 °С), графитовым (2500 °С) нагревателями. Процесс проводят в лодочках из нержавеющей стали при 800...950 °С, из молибдена при 1200 °С, из графита при 1500...1800 °С. Для получения порошка с насыпной плотностью 2,0...3,0 г/см3 используется температура нагрева 850...950 °С, для 7...8 г/см3 – 1200...1250 °С, для

9...10 г/см3 – 1800...2000 °С.

Водород подают со стороны выгрузки лодочек из печи. Отработанный водород во избежание взрыва поджигают на выходе из печи. Конструкция печей и подробная методика проведения процесса восстановления описаны в [1–3].

3.4. Порядок проведения работы и указания по технике безопасности

Исходный материал – химически чистый вольфрамовый ангидрид (WO3) – после проведения расчетов по реакции загружают в предварительно взвешенную лодочку из соответствующего материала. Навеску WO3 берут из расчета получения 25 г порошка вольфрама

по суммарной реакции WO3 + 3H2 ⇄ W + 3H2O (

nWO3 + nC →

+ nCO2) и равномерным слоем засыпают в лодочку. Для процесса углеродного восстановления предварительно тщательно перемешивают WO

с сажей в фарфоровой чашке (возможна предварительная

2 3

nW +

подготовка шихты учебным мастером). Определяют массу шихты в подготовленной лодочке, помещают в трубу печи и проталкивают в горячую зону, где она выдерживается при температуре и времени, указанных преподавателем. В ходе процесса температура в печи контролируется с помощью термопары или оптического пирометра, а расход водорода – с помощью ротаметра. После выдержки лодочку проталкивают в холодильник печи, где она охлаждается в течение

15...20 мин. Остывшую лодочку вместе с порошком взвешивают и просеивают через сито № 018. По разности массы до и после опыта рассчитывают степень восстановления (выход металла в процентах от теоретического). Определяют следующие свойства порошка: насыпную плотность, гранулометрический состав, текучесть и выход металла в процентах от теоретического значения.

Работу выполняют по указанию преподавателя в соответствии со

следующими вариантами:

1) 800 °С, выдержка 20, 40, 60 мин;

2) 850 °С, выдержка 20, 40, 60 мин;

3) 900 °С, выдержка 20, 40, 60 мин;

4) 1200 °С, выдержка 20, 40, 60 мин;

5) 1500 °С, выдержка 20, 40, 60 мин;

6) 1800 °С, выдержка 20, 40, 60 мин. После выполнения своего варианта студенты обмениваются ре-

зультатами.

Полученные выше свойства сравнивают со свойствами, приве-

денными в источниках [1–3].

Необходимо строго соблюдать все правила работы на электропе-

чах, указанные в лабораторной работе 1.

3.5. Обработка результатов эксперимента

1. Полученные данные в соответствии с индивидуальным задани-

ем запишите в таблицу «режим – свойство».

2. Постройте графики зависимости свойств порошка вольфрама

от режима его получения.

3. Рассчитайте степень восстановления и выход металла для каж-

дого режима.

3.6. Отчет о выполнении лабораторной работы

Отчет должен содержать цель работы, описание ее выполнения, теоретическую часть, условия подготовки исходных материалов с необходимыми расчетами, характеристику используемого оборудования, методику определения свойств, результаты определения точности измерения, таблицы и графики, анализ результатов опытов, сравнение полученных данных с приведенными в [1–3].

Библиографический список

1. Либенсон Г.А., Лопатин В.Ю., Комарницкий Г.В. Процессы по-

рошковой металлургии. М.: МИСиС, 2001. Т. 1. 367 с.

2. Панов В.С., Чувилин А.М., Фальковский В.А. Технология и свой-

ства спеченных твердых сплавов и изделий из них. М.: МИСиС,

2004. 462 с.

3. Либенсон Г.А., Панов В.С. Оборудование цехов порошковой ме-

таллургии. М.: Металлургия, 1983. 262 с.

Контрольные вопросы

Для проверки готовности к проведению работы

1. Перечислите существующие оксиды вольфрама.

2. С какой целью «промывают» печь водородом перед включени-

ем нагрева?

3. Назовите стадии реакций восстановления оксида вольфрама

при нагреве.

4. Какими приборами измеряют температуру в печи восстановле-

ния?

5. В каких случаях можно применять в качестве восстановителя

ламповую сажу?

6. К какой группе методов получения порошка относится процесс

восстановления?

7. Перечислите свойства восстановленного порошка, по которым

судят о его качестве.

8. Перечислите факторы, от которых зависит зернистость и сте-

пень восстановления оксида вольфрама.

9. Какой материал нагревателя применяют в электропечах сопро-

тивления?

10. Перечислите правила работы на электропечах.

К защите лабораторной работы

1. Перечислите основные требования к восстановителям.

2. Объясните физический смысл кажущейся энергии активации

процесса восстановления.

3. В чем заключаются различия механизмов восстановления ок-

сида вольфрама водородом и сажей?

4. Как и почему меняются свойства порошка вольфрама при восстановлении углеродом в зависимости от температуры при разной влажности водорода?

5. Как и почему меняются свойства порошка вольфрама при восстановлении водородом в зависимости от температуры?

6. Объясните влияние на зернистость порошка вольфрама изменения скорости подъема температуры при водородном восстановлении.

7. Чем объясняется существование нижнего температурного предела восстановления оксида вольфрама сажей до вольфрама?

8. Как изменяется сродство углерода, кальция, магния, натрия к кислороду с ростом температуры?

9. Каким образом степень восстановления влияет на прессуемость порошка?

10. Чем необходимо руководствоваться при выборе режимов восстановления?

<<< < Предыдущая 12 / 142 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]