способ получения сплава меди с фосфором

Формула изобретения

1. Способ получения сплава меди с фосфором, включающий приготовление однородной по составу порошкообразной шихты, содержащей медь, алюминий и кислородсодержащее соединение фосфора, нагрев шихты, восстановление фосфора алюминием, растворение фосфора в меди с образованием соединения Cu₃Р и разделение на шлак и целевой сплав, отличающийся тем, что медь и алюминий вводят в шихту в виде сплава меди с алюминием, предварительно диспергированного до крупности не более 0,315 мм, при содержании алюминия в сплаве в количестве, равном стехиометрически необходимому для полного восстановления фосфора, а нагрев шихты ведут до температуры, обеспечивающей расплавление сплава меди с алюминием.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют сплав меди с алюминием, содержащий не более 19,1 мас.% алюминия.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев шихты ведут до температуры 1580-1620°С.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к металлургии, в частности к получению сплава меди с фосфором, и может быть использовано для вовлечения в рентабельное промышленное производство апатитового и фосфоритового концентратов, вторичной меди и алюминия.

Известен способ получения сплава медь-фосфор (см. Истрин М.А., Базилевский В.М., Качалов А.Б. и др. Вторичные цветные металлы (Справочник), ч.II. - М.: Металлургиздат, 1951, с.205-209), согласно которому в ковш загружают красный фосфор, в отдельном тигле расплавляют медь и заливают ее в ковш с фосфором, при этом фосфор растворяется в расплавленной меди. Степень извлечения фосфора в сплав составляет 70-80%, выход металла - 95-97%. Содержание фосфора в сплаве 7-10 мас.%.

Недостатком этого способа является необходимость использования красного фосфора, который является дорогостоящим и экологически опасным продуктом, работа с которым производится вручную. При осуществлении способа значительная часть фосфора теряется в виде паров, что приводит к дополнительным затратам и загрязнению окружающей среды.

Известен также способ получения сплава медь-фосфор (см. патент РФ №2080405, МПК ⁶ С22С 1/10, С22В 5/04, 1997), включающий формирование однородной по составу шихты, состоящей из кислородсодержащего соединения фосфора, алюминия, меди и оксида меди с размером частиц менее 1 мм, загрузку ее в графитовый тигель, нагрев шихты с помощью экзотермической реакции во внепечном металлотермическом процессе, одновременное осуществление восстановления фосфора из его кислородсодержащего соединения, расплавления меди и растворения восстановленного фосфора в расплавленной меди с образованием соединения Cu ₃Р, расслоение по плотности полученного расплава на шлак и целевой сплав, представляющий сплав меди с фосфором, охлаждение тигля с продуктами горения и извлечение шлака и целевого сплава из тигля. В качестве кислородсодержащего соединения фосфора используют апатитовый или фосфоритовый концентрат. Содержание фосфора в сплаве - 10 мас.%, степень извлечения фосфора в сплав составляет 74-88%, выход целевого сплава - 94-95%.

Основным недостатком известного способа является то, что в качестве исходных компонентов при формировании шихты используют дорогие продукты в виде порошков меди, оксида меди и алюминия с высокой долей энергетических затрат и человеческого труда в структуре их себестоимости. Это не позволяет создать экономически рентабельное производство сплава.

Настоящее изобретение направлено на решение задачи повышения экономичности способа получения сплава меди с фосфором за счет вовлечения в производство дешевых вторичных меди и алюминия при обеспечении высокой степени извлечения в сплав фосфора из апатита или фосфорита и получении целевого сплава с содержанием фосфора до 14 мас.%.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в способе получения сплава меди с фосфором, включающем приготовление однородной по составу порошкообразной шихты, содержащей медь, алюминий и кислородсодержащее соединение фосфора, нагрев шихты, восстановление фосфора алюминием, растворение фосфора в меди с образованием соединения Cu₃Р и разделение на шлак и целевой сплав, согласно изобретению медь и алюминий вводят в шихту в виде сплава меди с алюминием, предвартельно диспергированного до крупности не более 0,315 мм, при содержании алюминия в сплаве в количестве, равном стехиометрически необходимому для полного восстановления фосфора, а нагрев шихты ведут до температуры, обеспечивающей расплавление сплава меди с алюминием.

Технический результат достигается также тем, что используют сплав меди с алюминием, содержащий не более 19,1 мас.% алюминия.

Технический результат достигается и тем, что нагрев шихты ведут до температуры 1580-1620°С.

Существенные признаки заявленного изобретения, определяющие объем правовой охраны и достаточные для получения вышеуказанного технического результата, выполняют нижеследующие функции и соотносятся с результатом следующим образом.

Использование сплава меди с алюминием в качестве компонента шихты делает возможным осуществление печного способа получения сплава меди с фосфором.

Предварительное диспергирование сплава меди с алюминием вызвано необходимостью формирования однородной по составу шихты для обеспечения одинаковых условий протекания процесса во всем объеме шихты. Диспергирование может быть осуществлено как из расплава меди и алюминия с использованием газовых или водяных форсунок, так и путем измельчения сплава в шаровых или стержневых мельницах. Диспергирование сплава меди с алюминием до крупности не более 0,315 мм обусловлено тем, что при проведении алюминотермической плавки с использованием восстановителя различной крупности, в роли которого выступает алюминий в сплаве алюминия с медью, может изменяться не только скорость проплавления шихты, но и выход целевого сплава. Оптимальное соотношение между крупностью кислородсодержащего соединения фосфора и восстановителя определяется как условиями, обеспечивающими формирование наиболее однородной шихты, так и необходимостью достижения стехиометрического соотношения компонентов в каждой локальной области взаимодействующих реагентов. Это достигается при использовании частиц кислородсодержащего соединения фосфора и сплава меди с алюминием одинаковой крупности. Размер частиц апатита и фосфорита при этом не превышает 0,315 мм, что соответствует ГОСТ 22275-90. Поэтому размер частиц сплава меди с алюминием выбран также не превышающим 0,315 мм.

Количество алюминия в сплаве меди с алюминием выбирают равным стехиометрически необходимому для полного восстановления фосфора из апатита или фосфорита с образованием алюминатов кальция. Количество меди в сплаве меди с алюминием определяется требуемой концентрацией фосфора в получаемом сплаве меди с фосфором. Это позволяет, с одной стороны, максимально полно восстановить фосфор алюминием сплава из кислородсодержащего соединения фосфора, в качестве которого используют апатит или фосфорит, и практически полностью растворить восстановленный фосфор в расплавленной меди - оставшейся части сплава с образованием термодинамически устойчивого вплоть до высоких температур соединения Cu₃Р. В результате исключаются потери восстановленного фосфора как в окружающую газовую среду, так и в шлак. С другой стороны, стоимость апатита и фосфорита многократно ниже стоимости чистого красного фосфора, а использование для осуществления способа доступных компактных вторичных цветных металлов: меди и алюминия позволяет избежать использования относительно дорогих порошков алюминия, меди и оксида меди и обеспечивает существенное сокращение производственных расходов.

Нагрев шихты до температуры, обеспечивающей расплавление сплава меди с алюминием, восстановление фосфора и его растворение обусловлено тем, что расплавление сплава меди с алюминием приводит к соприкосновению исходных компонентов шихты и смачиванию полученным металлическим расплавом поверхности частиц кислородсодержащего соединения фосфора, а восстановление фосфора алюминием, входящим в состав сплава меди с алюминием, позволяет обеспечить высокую степень извлечения фосфора из апатита или фосфорита. Растворение восстановленного фосфора, осуществляемое в медной части сплава с образованием соединения Cu₃Р, позволяет обеспечить высокую степень усвоения фосфора целевым сплавом.

Совокупность вышеуказанных признаков необходима и достаточна для достижения технического результата изобретения, заключающегося в повышении экономичности способа получения сплава меди с фосфором за счет вовлечения в производство дешевых вторичных меди и алюминия при обеспечении высокой степени извлечения в сплав фосфора из апатита или фосфорита и выхода целевого сплава с содержанием фосфора 14 мас.% и менее.

В частных случаях осуществления изобретения предпочтительны следующие конкретные операции и режимные параметры.

Выбор максимальной концентрации алюминия в сплаве не более 19,1 мас.% обусловлен требованиями ГОСТ-4515-81 к составу сплавов меди с содержанием фосфора не более 14 мас.%.

Нагрев шихты до температуры 1580-1620°С обусловлен необходимостью обеспечения таких условий процесса, при которых извлечение фосфора из его кислородсодержащего соединения в сплав будет осуществлено в кинетическом режиме, разделение полученного расплава на шлак и целевой сплав будет полным, а потери фосфора в газовую фазу - минимальными. Кинетический режим извлечения фосфора из его кислородсодержащего соединения имеет место только при расплавлении всех исходных компонентов шихты, промежуточных и конечных продуктов восстановления фосфора. Расплавленное состояние конечных продуктов восстановления, которыми являются шлак и целевой сплав, необходимо также для обеспечения их пространственного разделения. Температура плавления сплава меди с алюминием находится в интервале 1020-1083°С. Самыми тугоплавкими компонентами шихты являются кислородсодержащие соединения фосфора. Это исходные соединения в виде фторапатита Ca₅(PO₄)F, хлорапатита Са₅(PO₄) ₃Cl, трикальцийфосфата Са₃(PO ₄)₂ и промежуточное соединение в виде тетракальцийфосфата Са₄(PO ₄)₂О с температурами плавления 1660, 1530, 1777 и 1710°С соответственно. При восстановлении исходных соединений фосфора образуется эвтектика Са₃ (PO₄)₂ - Са ₄(РО₄)₂О с температурой плавления 1580°С. Восстановление фосфора при температуре ниже 1580°С приводит к диффузионному режиму процесса и неполному извлечению фосфора из его кислородсодержащего соединения. Температура плавления конечных продуктов восстановления фосфора в виде сплава меди с фосфором и шлака существенно ниже и не превышает 1100°С и 1290°С соответственно, что гарантирует качественное разделение полученного расплава на шлак и целевой сплав. Соединение Cu₃Р, как основа получаемого сплава, при температуре процесса должно быть устойчивым. При температурах более высоких, чем 1620°С, соединение Cu ₃Р перестает быть устойчивым и разлагается с потерей фосфора в газовую фазу. Это приводит к снижению степени извлечения фосфора в сплав и уменьшению выхода сплава меди с фосфором.

Вышеуказанные частные признаки изобретения позволяют осуществить способ в оптимальном режиме с точки зрения обеспечения высокой степени извлечения фосфора из его кислородсодержащего соединения в сплав и получения сплава меди с фосфором с содержанием фосфора до 14 мас.% при сохранении экономичности способа.

Указанные выше особенности и преимущества предлагаемого способа могут быть проиллюстрированы нижеследующими Примерами 1-3.

Пример 1.

Сплав меди с алюминием Cu - 16,5 мас.% Al, полученный из вторичного сырья, диспергируют в шаровой мельнице до крупности - 0,200 мм. В качестве кислородсодержащего соединения фосфора используют апатитовый концентрат с содержанием Р₂O ₅ - 39,32 мас.%. Диспергированный сплав в количестве 3,008 кг и апатитовый концентрат в количестве 1,992 кг помещают в смеситель и перемешивают в течение 15 мин. Получают шихту, содержащую, в мас.%: 39,84 апатитового концентрата и 60,16 сплава меди с алюминием. Навеску шихты в количестве 5 кг помещают в графитовый тигель с крышкой и подвергают нагреву в высокочастотной индукционной печи в течение 30 мин. Нагрев ведут до температуры 1600°С. В процессе нагрева осуществляют расплавление диспергированного сплава меди с алюминием, восстановление фосфора алюминием сплава и растворение восстановленного фосфора в медной части сплава с образованием соединения Cu₃Р. Полученный расплав разделяют на шлак и целевой сплав, представляющий сплав меди с фосфором. Шлак и целевой сплав раздельно выливают из тигля в изложницы. После охлаждения сплав меди с фосфором имеет вид монолитного слитка. Степень извлечения фосфора из апатита в сплав составляет 96%, выход металла - 97%. Содержание фосфора в сплаве 11,8 мас.%.

Пример 2.

Сплав меди с алюминием Cu - 19,1 мас.% Al, полученный из вторичного сырья, диспергируют в установке распыления инертным газом до крупности - 0,315 мм. В качестве кислородсодержащего соединения фосфора используют фосфоритовый концентрат с содержанием P₂ O₅ - 35 мас.%. Диспергированный сплав в количестве 2,867 кг и фосфоритовый концентрат в количестве 2,133 кг помещают в смеситель и перемешивают в течение 15 мин. Получают шихту, содержащую, в мас.%: 42,66 фосфоритового концентрата и 57,34 сплава меди с алюминием. Навеску шихты в количестве 5 кг помещают в графитовый тигель с крышкой и подвергают нагреву в высокочастотной индукционной печи в течение 30 мин. Нагрев ведут до температуры 1580°С. В процессе нагрева осуществляют расплавление диспергированного сплава меди с алюминием, восстановление фосфора алюминием сплава и растворение восстановленного фосфора в медной части сплава с образованием соединения Cu₃ Р. Полученный расплав разделяют на шлак и целевой сплав, представляющий сплав меди с фосфором. Шлак и целевой сплав раздельно выливают из тигля в изложницы. После охлаждения сплав меди с фосфором имеет вид монолитного слитка. Степень извлечения фосфора из фосфорита в сплав составляет 95%, выход металла - 99%. Содержание фосфора в сплаве - 14 мас.%.

Пример 3.

Сплав меди с алюминием Cu - 17,8 мас.% Al, полученный из вторичного сырья, диспергируют в стержневой мельнице до крупности - 0,315 мм. В качестве кислородсодержащего соединения фосфора используют апатитовый концентрат с содержанием Р₂O₅ - 39,32 мас.%. Диспергированный сплав в количестве 2,917 кг и апатитовый концентрат в количестве 2,083 кг помещают в смеситель и перемешивают в течение 15 мин. Получают шихту, содержащую, в мас.%: 41,67 апатитового концентрата и 58,33 сплава меди с алюминием. Навеску шихты в количестве 5 кг помещают в графитовый тигель с крышкой и подвергают нагреву в высокочастотной индукционной печи в течение 30 мин. Нагрев ведут до температуры 1620°С. В процессе нагрева осуществляют расплавление диспергированного сплава меди с алюминием, восстановление фосфора алюминием сплава и растворение восстановленного фосфора в медной части сплава с образованием соединения Cu ₃Р. Полученный расплав разделяют на шлак и целевой сплав, представляющий сплав меди с фосфором. Шлак и целевой сплав раздельно выливают из тигля в изложницы. После охлаждения сплав меди с фосфором имеет вид монолитного слитка. Степень извлечения фосфора из апатита в сплав составляет 95%, выход металла - 94%. Содержание фосфора в сплаве 13 мас.%.

Как видно из приведенных примеров вовлечение в производство дешевых вторичных меди и алюминия позволяет решить задачу повышения экономичности способа получения сплава меди с фосфором при обеспечении высокой степени (95-96%) извлечения фосфора из кислородсодержащего соединения фосфора в сплав, высокого выхода целевого сплава (94-99%) и получении сплава меди с фосфором при его содержании в сплаве до 14 мас.%. Заявляемый способ относительно прост и может быть реализован с привлечением стандартного печного и мельничного оборудования.