熔体萃取-真空蒸馏回收废旧镍基高温合金基础研究

The nickel-base superalloy is applied widely and a lot of secondary resources are generated in the process of production and application, which are urgently needed to be recycled cleanly. While due to its characters of stable structure, high temperature resistance and anti-oxidation, the waste nickel-base superalloys cannot be recovered by conventional metallurgical methods. Based on this situation, a novel process of melt extraction and vacuum distillation is designed in the study for recovering the waste nickel-base superalloys. In this process, the molten metals such as zinc or magnesium are selected as extraction medium to extract nickel and cobalt in the waste nickel-base superalloys by forming a low melting point eutectic. In terms of the saturated vapor pressure differences of different metals, the extraction medium and Ni-Co metals can be separated by vacuum distillation process. The whole process can realize clean and efficient recovery of valuable metals of the waste nickel-base superalloys and reuse of the extraction medium. This project mainly investigates the co-melting behaviors of different extraction mediums and nickel and cobalt to determine the optimal extraction system. The structure changes of waste nickel-base superalloy and migration regularity of nickel and cobalt are studied to elucidate the action mechanism of molten metal extraction. The kinetic characteristics of related metals are addressed to confirm the optimum conditions and regulation mechanism. The purpose of the study is anticipated to establish the theoretical basis of melt extraction and vacuum distillation on recycling superalloys to form novel techniques and provide theoretical guidance for clean and efficient recovery of waste nickel-base superalloys.

镍基高温合金应用广泛，在生产加工及应用过程中产生大量二次资源，亟需清洁回收处理。因其结构稳定，具有耐高温、抗氧化等特性，常规冶金方法难以高效回收。基于这种现状，申请者提出采用熔体萃取-真空蒸馏回收废旧镍基高温合金的新方法。该方法拟以锌、镁等一元或多元金属熔体为熔融介质，选择性萃取镍基高温合金中镍钴并形成低熔点共熔体；然后利用不同金属饱和蒸气压的差异，蒸馏分离萃取介质与镍钴金属，实现废旧镍基高温合金有价金属高效回收与萃取介质的循环利用。本项目主要研究不同萃取介质与镍钴等金属之间的共熔行为，确定合适的萃取体系；研究低熔点萃取介质作用下高温合金母体结构变化及镍钴迁移规律，明确金属熔体萃取高温合金作用机制；研究合金中有价金属在熔体萃取和蒸馏过程中的动力学特征，确定优化工艺条件及调控机制，建立熔体萃取-真空蒸馏回收废旧镍基高温合金的理论基础，形成新技术原型，为废旧镍基高温合金的清洁高效回收提供指导。

随着我国航空航天、石油化工、舰船等行业的蓬勃发展，每年产生的高温合金废料持续增长，由于其富含镍、钴等战略有色金属及含有稀有元素，是一种非常重要的二次资源，因此亟需开发废旧高温合金中有价金属规模化处理工艺和再生利用技术。本项目以废旧镍基高温合金为对象，围绕熔体萃取-真空蒸馏分离回收有价金属过程的关键科学问题开展研究工作。根据项目研究方案，形成以下四个方面的研究成果：.（1）高温合金结构特征与熔体萃取体系研究.通过分析典型废旧镍基高温合金中各有价金属组分含量、物相结构和赋存状态，考察了不同萃取介质镁、锌及镁锌二元体系对高温合金中镍的萃取率。其中萃取介质镁中镍的萃取率最高可达97.2%，萃取介质锌中镍的萃取率为95.8%。镁锌二元熔体萃取体系中镍的萃取率为97.1%。明晰了不同萃取介质金属间相互作用关系，确定了合适的金属熔体萃取体系。.（2）熔体萃取过程高温合金中金属迁移行为规律研究.研究了萃取介质与废旧高温合金中镍及其它金属的二元或多元合金相图，分析了萃取介质与被萃取金属可能形成的共熔体类型及其组成（AxBy、AxByCz），确定了能够存在的热力学稳定区域。建立了金属熔体萃取高温合金的萃取分离机制和模型。研究了合金中其它元素的行为规律，明确了其它金属元素对萃取过程的影响机制。.（3）熔体萃取-真空蒸馏过程中金属分配行为规律研究.研究了相关金属的饱和蒸气压变化和金属挥发的优先顺序，确定了合适的蒸馏温度和真空度范围。探讨了温度和真空度对各金属组分分配规律影响。研究了不同含量的低共熔体中金属组分挥发行为，确定了不同金属组分挥发过程相互作用机制。.（4）熔体萃取-真空蒸馏过程中动力学分析及参数优化研究.建立了萃取过程动力学模型，优化了动力学调控机制及萃取工艺参数。确定了优化工艺条件，揭示了熔体萃取-真空蒸馏过程的强化调控机制。.本项目建立了熔体萃取-真空蒸馏回收废旧镍基高温合金的理论基础，形成了废旧镍基高温合金有价金属分离回收的新方法，为废旧镍基高温合金的高效清洁处理及有价金属综合回收提供指导，实现了高温合金中有价金属的高效回收与萃取介质的循环利用。项目出版了学术专著2部。发表论文13篇，申请国家发明专利7项，授权国家知识产权5项。