Изложены результаты исследований повышения контрастности технологических свойств кальцита и шеелита за счет совместного применения жидкого стекла с солями сульфатов алюминия, цинка, железа, магния, смеси жидкого стекла и хлористого кальция, карбоксиметилцеллюлозы натрия (КМЦ), сочетаний олеата натрия с малополярными соединениями (неонол, жирные изоспирты), а также данные по ультразвуковой обработке жидкой фазы и олеата. При флотации мономинеральной фракции кальцита в механической флотомашине наименьшее извлечение кальцита достигается при совместном использовании соли железа (II) и жидкого стекла (3(4) : 1). При флотации бедной шеелитовой руды с высоким карбонатным модулем на водопроводной воде совместное применение жидкого стекла и CaCl2 снижает флотоактивность кальцита. На оборотной воде добавка хлористого кальция к жидкому стеклу приводит к некоторому росту выхода чернового концентра (с 13,8 до 14,1 %) при значительном снижении извлечения WO3 в готовый концентрат селекции (с 72,7 до 53,3 %) и ухудшении качества концентрата. Замена жидкого стекла на КМЦ не показало удовлетворительных результатов. УЗ-обработка пульпы, жидкой фазы, собирателя обуславливает некоторое повышение флотоактивности кальцита – возможно, за счет роста температуры жидкой фазы, увеличения доли ионной формы олеата. Использование неонолов в реагентном режиме флотации шеелитсодержащей руды с высоким карбонатным модулем не подтвердило снижения флотоактивности кальцита, полученного при исследовании мономинеральных фракций кальцита, в отличие от жирных изоспиртов, которые позволили получить более качественные концентраты в цикле селекции в сравнении с одним олеатом.

В металлургии цветных металлов особое место занимают электролитические производства, относящиеся к наиболее энергоемким и экологически небезопасным технологиям. Так, например, получение алюминия электролизом криолит-глиноземных расплавов сопровождается выбросами в атмосферу фтор-, серосодержащих веществ и углеводородов, производство магния – хлора и хлорорганических соединений. К настоящему времени актуальными следует считать любые предложения в области производства таких металлов, как алюминий и магний, направленные на улучшение экологической ситуации вблизи расположения металлургических предприятий. Несмотря на то, что совершенствование существующих технологий получения алюминия и магния имеет благоприятные тенденции развития и реальные возможности внедрения на действующих предприятиях, возникают идеи и предложения по созданию новых технологий на основе научных достижений в области электролитического производства легких металлов. В качестве объектов исследования применяли магний и алюминий. Рассмотрено взаимодействие металлов с водными растворами их солей – хлоридами и сульфатами MgSO4, MgCl2, Al2(SO4)3, AlCl3. Показано, что такие взаимодействия всегда протекают в диффузионной области, что открывает возможности использования различных конструктивных решений при выборе аппаратурного оформления процесса. На основе экспериментальных данных найдены порядок реакции по растворителю, константы скорости и энергии активации. Полученные результаты доказывают предпочтительность применения хлоридных сред, обеспечивающих протекание процесса на основе базовых электродных реакций и исключающих возникновение побочных взаимодействий. Показано, что хлоридные растворы могут служить рабочими электролитами и быть носителями ионов восстанавливаемого металла. При этом насыщение электролита является гарантией невозможности обратимого процесса – вторичного растворения металла, что приводит к снижению основных показателей процесса электролиза криолит-глиноземных расплавов.

Проведено экспериментальное исследование динамического поведения (образования/растворения) гарнисажа и настыли в зависимости от температуры перегрева электролита, теплового сопротивления материала футеровки и состава криолит-глиноземного электролита с использованием модельной установки, имитирующей реальные условия электролитического получения алюминия. В переднюю стенку корпуса установки было вмонтировано окно, позволяющее менять материал футеровки. Формирование гарнисажа и настыли происходит за счет теплового потока, создаваемого вследствие разности температур электролита и стенок электролизера. Криолитовое отношение электролита (КО) варьировали в интервале 2,1–2,5. Концентрация глинозема в электролите не превышала 4,5 мас.%. Изменение формы рабочего пространства в электролизере в течение электролиза определяли по толщине образующихся гарнисажа и настыли. Активное формирование гарнисажа в экспериментальной ячейке начинается при перегреве 3–4 град. Показано, что при снижении теплового сопротивления материала футеровки с 16 до 14 м2/Вт при одной и той же температуре перегрева образуется гарнисаж с большей толщиной, однако при сформированном гарнисаже уменьшение теплового сопротивления практически не сказывается на его толщине. Так же как и в промышленном электролизере, профиль гарнисаж–настыль, сформированный в экспериментальной ячейке, можно условно разделить на три зоны: настыль; гарнисаж на границе металл/электролит; гарнисаж. Динамическое поведение гарнисажа отличается от поведения настыли: при более высоком КО электролита толщина образующегося гарнисажа больше, а настыли – меньше. Химический анализ компонентов в образцах сухой выбойки показал, что КО и концентрации Al2O3 возрастают по высоте ячейки сверху вниз. Сделан вывод о том, что гарнисаж имеет гетерогенный состав, зависящий от состава электролита и скорости охлаждения.

Рассмотрен метод определения фарадеевского выхода по току (CeF), основанный на соотношении парциальных токов выделения металла и водорода. Для расчета величины CeF на основании поляризационных измерений необходимо знать рабочую плотность тока и потенциал (Ei), при котором происходит осаждение металла в соответствующем растворе, а также кинетические параметры выделения водорода для определения парциальной плотности тока водорода (iН2 ) при этом потенциале. С помощью предложенного метода был проведен расчет выхода по току для процессов экстракции никеля и нанесения никелевого покрытия из растворов, содержащих сульфат никеля, при плотности тока 300 А/м2. Определены кинетические параметры выделения водорода по поляризационной кривой, полученной в растворе фонового электролита, содержащем 120 г/л сульфата магния и 18 г/л борной кислоты при рН = 3,9. Получено уравнение для расчета парциальной плотности тока выделения водорода при любом потенциале по кинетическим параметрам. Использование кинетических закономерностей позволило рассчитать CeF никеля в сульфатных растворах разного со- става с рН = 3,0 и 4,1. Рассчитанные значения CeF в пределах статистической погрешности совпали с величиной выхода по току, определенной весовым методом с применением медного кулонометра. Показано, что разделение коммерческого показателя «суммарный выход по току» (CeΣ) на фарадеевский (CeF) и аппаратный (Ceap) в сочетании с использованием метода парциальных поляризационных кривых позволяет получить дополнительную информацию о степени совершенства технологического процесса.

Осаждением распыленных в плазме низкого давления наноразмерных частиц металлов c использованием эффекта термофлуктуационного плавления получены двойные сплавы ниобия с оловом, свинцом и кадмием. Эффект термофлуктуационного плавления предполагает пребывание малой частицы в квазижидком состоянии до некоторого критического размера, превышение которого в результате конденсации пара или слияния (коалесценции) других квазижидких частиц приводит к кристаллизации капли. Найденные критические размеры, при которых частицы находятся в квазижидком состоянии и способны к коалесценции и образованию сплава – твердого раствора, составляют, нм: для Nb – 2,1÷2,2, Sn – 0,4, Pb – 0,6, Cd – 3,2. Границей области существования твердых растворов металлов в ниобии определены концентра- ции, ат.%: Sn – 25,5, Pb – 23,0, Cd – 64,5. Твердый раствор представляет собой кристаллическую решетку матричного металла – ниобия, в которой размещены атомы свинца, кадмия и олова. В связи с тем, что размеры атомов внедряемых металлов отличаются от таковых у матричного ниобия, происходят изменение параметров решетки матрицы (Nb) и возникновение в ней дополнительных напряжений вплоть до разрушения последней. Параметры ОЦК-решетки твердых растворов увеличиваются с повышением концентраций Pb, Cd и Sn в связи с их бóльшими, по сравнению с ниобием, размерами атомов. Для сплавов со свинцом и кадмием отмечена смена темпа роста кристаллической решетки, обусловленная сменой схемы размещения атомов примесей в матричной решетке ниобия. На основании полученных критических размеров частиц металлов оценены величины поверхностного натяжения на границе кристалл–расплав, составившие, Дж/м2: 1,17–1,22 (для Nb); 1,15·10–2 (Sn); 1,48·10–2 (Pb); 0,142 (Cd). Получение сплавов тугоплавкого ниобия с оловом, свинцом и кадмием является примером использования размерного эффекта при изготовлении новых материалов.

В статических условиях изучена адсорбция скандия активированными углями марок ВСК, ДАС и ПФТ (Россия), полученными из различного сырья (соответственно скорлупа кокосового ореха, антрацит, отходы реактопластов) из сернокисло-хлоридных растворов (рН = 2), моделирующих состав растворов подземного выщелачивания полиметалльных руд. Установлено, что сорбция скандия углями марок ДАС и ВСК протекает с наиболее высокими коэффициентами распределения (133 и 45,8 см3/г соответственно). При этом сорбция скандия углем ДАС характеризуется и большим объемным коэффициентом (116 см3 р-ра/см3 угля). Изотермы сорбции скандия этими углями имеют линейный характер и описываются уравнением Генри с константами 133 ± 21 и 46 ± 7 см3/г. Методом ограниченного объема раствора получены интегральные кинетические кривые сорбции скандия, линеаризация которых по кинетическим моделям псевдопервого, псевдовторого порядка, модели Еловича и внутридиффузионной модели Вебера–Морриса свидетельствует о том, что кинетика сорбции скандия углем ВСК c более высоким значением коэффициента корреляции (0,999) описывается с помощью модели псевдовторого порядка. Обработка кинетических данных по сорбции скандия углем ДАС показала, что при использовании всех моделей коэффициент корреляции низкий (<0,939), при этом наибольшее значение наблюдается при применении внутридиффузионной модели. Высказано предположение, что процесс сорбции скандия протекает в смешанно-диффузионной области. В статических условиях изучена возможность элюирования скандия с углей ВСК и ДАС раствором карбоната натрия (10 %) – степень десорбции скандия за две ступени элюирования составила 84,0 и 90,4 % соответственно.

В настоящее время наиболее распространенным способом бесфлюсовой плавки магниевых сплавов является плавка в защитной газовой атмосфере, состоящей из инертного газа-носителя с небольшой добавкой активного газа. Литейный магниевый сплав МЛ19 в своем составе содержит итрий и неодим, которые достаточно активны. Взаимодействие подобных сплавов с защитными газовыми атмосферами мало изучено и представляет значительный практический интерес. SF6 имеет очень сильное влияние на глобальное потепление, поэтому применение этого газа ограниченно. В связи с этим в ряде стран осуществлен переход к использованию в качестве активного газа фреона HFC-R134a. В работе рассмотрено влияние защитных газовых смесей, состоящих из газа-носителя (аргона или азота) и активного газа (SF6 или фреона HFC-R134a), на состав защитных плен на поверхности расплава магниевого сплава МЛ19. Была разработана специальная лабораторная установка, которая обеспечивала контакт защитной газовой смеси с металлом в процессе нагрева, плавления и затвердевания образцов, что исключало влияние окружающей атмосферы. Угар легирующих элементов оказался незначительным, но в случае применения азота в качестве газа-носителя содержание Y и Nd в сплаве оказалось ниже, чем при использовании аргона. Содержание циркония было меньше в сплавах, где активным газом являлся SF6. Состав и толщина оксидных плен, образующихся при использовании защитных атмосфер SF6 и HFC-R134a, сходны. Плена представляет собой в основном фторид магния (MgF2) с примесями оксидов, фторидов и нитридов циркония, иттрия и магния. Основным отличием фазового состава защитной плены, когда в качестве активного газа применяется фреон HFC-R134a, является наличие значительного количества углерода, как в виде соединений, так и в свободном состоянии. Также было установлено, что требуется тщательное дозирование фреона HFC-R134a в защитных атмосферах, так как увеличение его доли в газовой смеси более 1 об.% ведет к сильной коррозии внутренней поверхности тигля в процессе плавки, чего не наблюдалось при использовании SF6.

Исследованы покрытия, полученные на подложках из стали 40Х методом электроискрового легирования с использованием электродов TiC–NiCr и TiC–NiCr–Eu2O3. Покрытия наносились с помощью установки «Alier-Metal 303» в среде аргона при нормальном давлении в режиме прямой и обратной полярности. Структура, элементный и фазовый составы электродов и покрытий были изучены посредством рентгенофазового анализа, растровой электронной микроскопии, энергодисперсионной спектроскопии, оптической эмиссионной спектроскопии тлеющего разряда и оптической профилометрии. Механические и трибологические свойства покрытий определялись методом наноиндентирования и путем испытаний по схеме «стержень–диск», в том числе при повышенных температурах в диапазоне 20–500 °С. Проведены исследования на абразивный износ с использованием прибора «Calowear-tester», стойкость к динамическим воздействиям с помощью установки «CemeCon impact-tester» и стойкость к газовой и электрохимической коррозии. Полученные результаты показали, что электроды содержат карбид титана, твердый раствор никеля в хроме и оксид европия в случае допированного образца. Покрытия также включали данные фазы, однако твердый раствор формировался на основе железа. Покрытия с добавкой Eu2O3 по структурным характеристикам, твердости, коэффициенту трения существен- но не отличались, а по стойкости к абразивному износу и к циклическим ударным нагрузкам, жаро- и коррозионной стойкости превосходили базовые покрытия. Наблюдались увеличение стойкости к ударным нагрузкам в 1,2–2,0 раза, понижение тока коррозии более чем в 20 раз и уменьшение показателя окисления почти в 2 раза при переходе к допированным покрытиям.