Получение феррита бария из отходов производства машиностроительных предприятий

Получение феррита бария из отходов производства машиностроительных предприятий

Министерство общего и профессионального образования РФ

Ярославский государственный технический университет

Кафедра охраны труда и природы

Курсовой проект защищён

с оценкой______________

Руководитель

Асс. Т.Ю. Дроздова.

Расчётно-пояснительная записка

к курсовой работе по дисциплине

«Технология основных производств и

промышленная экология»

Получение феррита бария из отходов

производства машиностроительных предприятий.

ОТП 09.26.32.07.022 КП

|Нормоконтролёр |Проект выполнил |

|Асс. Т.Ю. дроздова |студент гр. ХТОС-52 |

| |С.Р. Хайрулин |

| | |

|“___”____________2001 г. |“___”____________2001 г. |

2001

Реферат.

Бария гексаферрит, бария карбонат, отход термического производства,

утилизация, бария хлорид, гальваношлам.

В курсовой работе предложены методы получения феррита бария, который

является основной составляющей частью магнитно-твердых материалов. Методы

позволяют использовать железо из следующих источников: гальваношламов,

отходов металлургического производства. Показана возможность использовать в

качестве барий содержащего компонента промышленного отхода, образующихся

при регенерации щелочных электролитов аккумуляторных батарей. В

предложенном методе используется хлорид бария – отход закалочных ванн

термического производства.

В результате реализации предложенных технологических решений

получается феррит бария - магнитно-твердый материал, который является менее

токсичным за счет процессов ферритизирования с участием тяжелых металлов

при температурной обработке.

Введение.

В курсовой работе предпринята попытка решения проблемы утилизации

гальваношламов и содержащегося в них железа, а также отходов

машиностроительной, автомобильной, металлургической промышленности.

Гидрооксиды тяжёлых металлов (хром, никель, цинк, медь, железо),

входящие в состав гальваношламов, обладают токсичным, концерогенным и

мутагенным влиянием на живые организмы. Ионы тяжёлых металлов являются

одними из основных и наиболее опасных загрязнителей окружающей среды.

Проблема утилизации гальваношламов является межотраслевой, поскольку

гальванические цехи или участки имеются на большинстве крупных предприятий,

но наиболее она выражена в машиностроении, где широко используются

гальванические операции. При промывке деталей после гальванических операций

ион тяжёлых металлов попадают в воду, которая очищается на станции

нейтрализации. В результате очистки эти металлы выпадают в осадок в виде

гидрооксидов, которые накапливаются на шламонакопителях.

Этот вид отходов является крупнотонажным, и его накопление на

территории предприятия представляет угрозу экологической безопасности,

поэтому поиск технологии переработки гальваношламов является чрезвычайно

важным.

В процессе эксплуатации щелочных батарей железнодорожного подвижного

состава электролит поглощает из воздуха углекислый газ, который образует

углекислые соли этих металлов (карбонаты). Наличие карбонатов в электролите

снижает ёмкость аккумулятора и ускоряет его саморазряд. Отработанный

электролит собирается в ёмкости и подвергается регенерации, которая

заключается в обработке электролита гидрооксидом бария (Ba(OH)2), в

результате чего образуется белый осадок карбоната бария (ВаСО3). Отход

углекислого бария собирается в емкости и свозится в отвал, т.к. его

дальнейшее применение и утилизация еще не найдены.

Крупнотоннажным является отход закалочных ванн термического

производства, образующийся на машиностроительных заводах при смене очистке

от окалины и других загрязнений ванн закалки стальных изделий. Данный отход

относится ко второму опасности; методов его утилизации не предложено, и он

продолжает накапливаться на предприятиях.

Целью данной работы является разработка эксперементальных методов

получения феррита бария-магнитно-твердого материала из отходов содержащих

карбонат бария (аккумуляторного хозяйства), хлорид бария (термическое

производство), гальваношламы (металлургия). Проведение термического анализа

получения феррита бария.

1. Литературный обзор.

1.1 Получение магнитных материалов из чистых компонентов.

В системе ВаО-6Fe2О3 наряду с ферритом бария ВаО 6Fe2O3 образуются и

другие соединения. Установлено, что синтез гексаферрита бария , в основном

,протекает через промежуточную стадию образования моноферрита ВаFe2O4,

кристаллизующегося в семи модификациях, образование которого по реакции:

BaCO3

начинается при температуре около 700 єС. Образование гексаферрита бария:

BaFe2O4+5Fe2O3=BaFe12O19

происходит при температурах превышающих 900 єС, и полностью заканчивается

лишь при температурах 1150-1200 єС.

В технологии ферритов широко используется метод получения

поликристаллических ферритовых порошков из химически соосаждённых смесей

гидрооксидов, оксалатов, сульфатов и других солей. Выделяют три различных

способа синтеза ферритов из соосаждённых смесей:

- совместное соосаждение гидрооксидов соответствующих металлов с

последующим термическим разложением и ферритизацией при 800-1000 єС;

- получение водных смесей солей соответствующих металлов с последующей

дегидратизацией, термическим разложением и ферритизацией при 800-1000

єС;

- получение твёрдых растворов изоморфных солей с последующим термическим

разложением и ферритизацией при 800-1000 єС.

При этом отмечается, что синтез ферритов из совместно соосаждённых

гидрооксидов и солей позволяет избежать стадии диффузионного переноса через

слой продуктов реакции, то есть проводить синтез при более низких

температурах. При этом образуются ферриты несовершенной структуры, с

большим числом дефектов, для устранения которых необходимо прокаливание

продуктов при 800-1000 єС – при температурах их синтеза из механических

смесей оксидов. Однако синтезированные из соосаждённых смесей ферриты

получаются более однородными по составу и структуре.

В отечественной и зарубежной практике изготовления магнитов из

гексаферритов наиболее широко используют обычную керамическую технологию. В

качестве исходных компонентов применяют Fe2O3 и BaCO3, который при

температуре 1200 єС разлагается на ВаО и СО2. Реакция ферритизации

протекает при 1100-1200 єС.

1.2. Способы повышения магнитных свойств ферритов.

Для протекания химических реакций необходим непосредственный контакт

между реагирующими частицами – молекулами, атомами, ионами. В случае

реакции между твёрдыми телами непосредственный контакт возможен только в

начальный момент времени, затем реагирующие компоненты разделяются

прослойкой продукта реакции и дальнейшее течение процесса возможно только

путём массопереноса через этот слой.

Свойства магнитных материалов зависят от их химического состава,

способа изготовления и термической обработки. При этом намагниченность

насыщения относится к группе структурно-нечувствительных магнитных свойств,

и её значение лишь незначительно меняется при изменении химического состава

и обычно не зависит от условий изготовления и термообработки.

Наиболее важные факторы, влияющие на формирование микроструктуры

ферритов.

Чистота сырья. В зависимости от способа синтеза применяют различное

сырьё, но наиболее часто чистые оксиды и соли (сульфаты, нитраты,

карбонаты). Независимо от вида сырья в конечном счёте образуются оксиды,

которые вступают между собой в реакцию ферритизации. Однако химическая

реакционная способность оксидов и смеси существенным образом зависит от

метода её получения.

С точки зрения получения стабильных и наилучших свойств ферритов

желательно применять наиболее чистое сырьё с минимальным количеством

примесей, независимо от их вида, однако с увеличением чистоты сырья

значительно возрастает его стоимость. Для технологии также большое значение

имеет физико-химическое состояние сырья, характеризующее его реакционную

способность.

Активность исходной смеси для получения ферритов. Наиболее доступным

способом повышения активности является увеличение дисперсности шихты. Оно

достигается повышением длительности, а также интенсивности помола, путём

применения более совершенных помольных агрегатов, использование жидких сред

или ПАВ, способствующих уменьшению работы разрушения частиц порошка и

предотвращающих вторичное агрегирование его тонких фракций.

Механические воздействия на твёрдофазные реагенты весьма разнообразны:

измельчение под влиянием трения и ударов, прессование порошка, холодная

обработка металлических и неметаллических материалов, действие взрывной

волны и т.д.

Самым распространённым видом механического активирования является

измельчение или диспергирование твёрдых фаз. Важной особенностью

механических реакций является непрерывное обновление поверхности твёрдых

веществ, в результате чего эти реакции мало чувствительны к отравлению. За

счёт постоянного возобновления контактов между твёрдофазными реагентами

диффузионные затруднения, связанные с тормозным действием продуктов

реакции, устраняются, а реакция протекает постоянно в кинетической области.

Режим обжига, включает в себя скорость нагрева, температуру и

длительность изотермической выдержки, условия охлаждения, а также состав

газовой фазы, используемой на различных этапах обжига. Температура и

длительность изотермической выдержки при обжиге ферритов определяются

экспериментально. При этом для каждой марки ферритов определяется свой

температурно-временной режим, обеспечивающий оптимум их электромагнитных

параметров.

Спекание под давлением (горячее прессование) представляет широкие

возможности для регулирования среднего размера зерна и плотности ферритов.

В общем случае увеличение давления всестороннего сжатия интенсифицирует

рост зёрен, однако благодаря низкой температуре и длительности цикла обычно

получают весьма мелкое зерно и высокую плотность материала.

Управление гранулометрическим составом шихты (метод затравок).

Экспериментальные и теоретические исследования показывают возможность

регулирования роста зёрен введением специально изготовленных искусственных

центров рекристаллизации. Сущность этого метода заключается во введении в

предварительно ферритизированную шихту определённого количества более

крупных частиц того же химического состава. Эти частицы, являясь центрами

кристаллизации спекаемой массы, в конечном счёте будут определять средний

размер зерна, дисперсию, плотность изделий.

1.3. Применение ферритовых магнитных материалов.

Область применения магнитного материала зависит, прежде всего, от его

характеристик: магнитно-твёрдые или магнитно-мягкие..

Ферриты нашли широкое применение в качестве магнитных наполнителей для

полимерных композиционных материалов. В том числе магнитно-мягкие порошки

никель-цинковых, марганец-цинковых, цинковых; магнитно-твёрдые порошки

гексаферрита бария, стронция. Основным преимуществом полимерных магнитов,

по сравнению с металлическими или керамическими, является их лёгкая

формуемость, стабильность размеров и низкая стоимость.

Ферриты широко используются в промышленности бытовых электроприборов,

производстве игрушек, дверных амортизаторов, автоматических дверных

переключателей, таймеров.важное применение магнитные эластомеры нашли в

медицине в качестве магнитотерапевтических средств, а также нетоксичных

магнитных элементов при биопротезировании и создании искуственного сердца.

В качестве магнитного материала в таких элементах используется феррит

бария. Ферромагнитные порошки также нашли применение в дефектоскопии в

качестве обнаружителя магнитного поля дефекта. Магнитная порошковая

дефектоскопия относится к неразрушающим методам контроля качества

материалов. Магнитно-твёрдые ферриты, в частности гексаферрит бария,

используются в аппаратах с магнитно-вихревым током. Такие аппараты

предназначены для измельчения различных материалов с высокой степенью

однофазности, эмульгирования и другого. Также ферриты, полученные как из

чистых компонентов так и из отходов производства, могут применяться в

качестве адсорбентов для очистки сточных вод.

2. Методы эксперимента и анализа.

2.1. Физико-химические характеристики

сырья и материалов.

2.1.1. Гальваношламы.

Электрохимические методы находят широкое применение в промышленности:

машиностроении, приборостроении, радиотехнике, лёгкой промышленности. С их

помощью наносят защитные, декоративные покрытия, придают поверхности

металлов необходимые свойства, изготавливают детали сложной формы и

осуществляют многие другие технологические операции.

Большинство гальванических операций сопровождается промывкой, во

многом определяющей качество покрытия. Именно промывка является одним из

двух главных источников загрязнения природной среды токсичными компонентами

гальванических производств. Второй главный источник связан с ликвидацией

или частичной регенерацией отработанных технологических растворов.

При работе гальванических цехов образуются сточные воды, содержащие, в

зависимости от качества очистки, в той или иной концентрации ионные примеси

катионов (меди, никеля, цинка, кадмия, хрома, железа, кобальта и других

тяжёлых металлов) и их гидрооксиды (в виде суспензии и коллоидных частиц);

анионов (хлоридов, сульфатов, фторидов, цианидов и других); ПАВ и другие

токсичные вещества. Все эти соединения содержатся в отходах обезвреживания

сточных вод – шламах, которые обычно захороняются (в лучшем случае – на

специальных полигонах) и являются источниками эмиссии указанных токсинов в

почвенные воды. Большинство токсинов не подвергается в природе каким-либо

изменениям, устраняющим их вредное воздействие.

Известно, что загрязнение природной среды ионами тяжелых металлов

представляет большую опасность для биосферы. Помимо непосредственно

токсичного действия на живые организмы, тяжелые металлы имеют тенденцию к

накапливанию в пищевых цепочках, что усиливает их опасность для человека.

При попадании в организм человека тяжелые металлы вызывают различные

заболевания: от функциональных нарушений центральной нервной системы до

тяжелых заболеваний желудочно-кишечного тракта, печени и почек.

Таким образом, гальванические производства являются одним из основных

поставщиков тяжелых металлов в окружающую среду, что способствует нарушению

экологического равновесия в природе.

2.1.2. Карбонат бария (ВаСО3) – отход.

Белый порошок углекислого бария образуется при эксплуатации щелочных

батарей железнодорожного подвижного состава. Содержащийся в щелочных

батареях электролит КОН (гидрооксид калия) поглощает из воздуха углекислый

газ, в результате чего образуются углекислые соли. После регенерации

щелочного электролита аккумуляторных батарей, из-за снижения емкости

аккумулятора, образуется электролит и осадок углекислого бария

(ВаСО3),которые отделяются друг от друга. Полученный электролит и осадок

углекислого бария используют в дальнейшем лабораторном эксперименте.

ВаСО3 широко используется в производстве керамики для предупреждения

выцветания глиняных масс, является важнейшим химикатом в промышленности;

используется в производстве телевизионного стекла.

ВаСО3 используется в производстве магнитных ферритов, что и взято в

данной работе за основу эксперементов

2.1.3. Хлорид бария (ВаСl2)- отход термического

производства.

В металлургии для изменения внутреннего строения сплава и получения

нужных свойств используется термическая обработка. Одним из видов

термической обработки является закалка. Ее проводят для придания детали

более высокой твердости.

Закаливание проводят в специальных ваннах закаливания. Ванны заполняют

расплавом соли, в которую погружают деталь. В зависимости от того, какие

свойства необходимо придать детали, он может подвергаться низко-, средне-,

или высокотемпературной обработке. Постепенно при обработке деталей в

закалочных ваннах образуется пена и накапливается осадок, который снижает

эффективность закаливания. Осадок из ванн удаляется и накапливается на

предприятиях в больших количествах, так как способа утилизации и

дальнейшего использования на данный момент не существует.

Данный отход в основном содержит хлорид бария – соединение 2 класса

опасности, он обладает токсичным действием. Малые дозы ВаCL2 стимулирует

деятельность костного мозга; большие дозы вызываю дегенеративные изменения

печени.

2.1.4. Порошкообразные отходы ОАО «Северсталь».

Данные отходы собираются с помощью специального зонта после

пропускания воздуха со взвешенными веществами через электрофильтр. Другой

из отходов образуется в результате мокрой очистки воздуха на производстве;

сушится при 1000є C в специальных печах.

В данной работе отходы очистки воздуха от пыли и мелкодисперсных

частиц тяжелых металлов используются как источник железа для получения

феррита бария.

2.1.5. Химически чистые реактивы.

HCL ГОСТ 3118-77; Н2О2

BaCO3 ГОСТ 4158-80; BaCL2

F2O3 H2O (ТУ 4179-88)

2.2. Методики эксперимента.

2.2.1. Подготовка отхода карбоната бария для эксперимента.

Отход карбоната бария отмывается от щелочи путем многократной

промывки. Промывные воды собираются в емкость с целью определения

концентрации в образовавшихся промывных водах щелочи. Отмывка осадка

ведется до нейтральной реакции.

Осадок сушится в течении 12 часов в печи при температуре 105єС

2.2.2. подготовка отхода хлорида бария для эксперимента.

Отход хлорида бария замачивается в большом количестве воды на

несколько дней. Получившаяся смесь разделяется фильтрацией на растворимую и

нерастворимую части. Нерастворимая часть термического отхода хлорида бария

высушивается в печи при температуре 105єС. растворимая часть отхода

используется в ходе эксперементов получения феррита бария.

Концентрация BaCl2 в растворимой части отхода составляет 67,96 г/л

(методика 2.3.2.).

2.2.3. получение феррита бария механическим смешением

с последующей ферритизацией при 800-1000єС.

Гальваношлам ЛСО «Вымпел» содержит:

Страницы: 1, 2