Influence of Selected Model Parameters on the Electromagnetic Levitation Melting Efficiency

The article presents the results of multivariate calculations for the levitation metal melting system. The research had two main goals. The first goal of the multivariate calculations was to find the relationship between the basic electrical and geometric parameters of the selected calculation model and the maximum electromagnetic buoyancy force and the maximum power dissipated in the charge. The second goal was to find quasi-optimal conditions for levitation. The choice of the model with the highest melting efficiency is very important because electromagnetic levitation is essentially a low-efficiency process. Despite the low efficiency of this method, it is worth dealing with it because is one of the few methods that allow melting and obtaining alloys of refractory reactive metals. The research was limited to the analysis of the electromagnetic field modeled three-dimensionally. From among of 245 variants considered in the article, the most promising one was selected characterized by the highest efficiency. This variant will be a starting point for further work with the use of optimization methods.

Ionic liquid leaching for reactive metals (Ti, Sc, REE) recovery

Τα κατάλοιπα βωξίτη, επίσης γνωστά ως ερυθρά ιλύς, είναι τα κύρια στερεά απόβλητα που προκύπτουν κατά την παραγωγή αλουμίνας με τη μέθοδο Bayer. Για κάθε τόνο παραγόμενης αλουμίνας, παράγονται 1 - 1,5 τόνοι καταλοίπων βωξίτη, οδηγώντας παγκοσμίως σε παραγωγή περισσότερων από 150 εκατομμύρια τόνων καταλοίπων βωξίτη ετησίως. Η διαχείριση των καταλοίπων βωξίτη είναι το σημαντικότερο ζήτημα για τη βιομηχανία αλουμίνας λόγω του μεγάλου όγκου και της αλκαλικότητάς τους. Τα κατάλοιπα βωξίτη περιέχουν σημαντικές ποσότητες μετάλλων όπως σκάνδιο, τιτάνιο, σίδηρο, αργίλιο και σπάνιες γαίες και γι' αυτό το λόγο απαιτείται μια ολοκληρωμένη στρατηγική διαχείρισής τους με στόχο την ανάκτηση μετάλλων από αυτά και τη χρήση του δευτερογενούς καταλοίπου στην τσιμεντοβιομηχανία ή/και στη βιομηχανία παραγωγής δομικών υλικών. Αυτή η προσέγγιση των «μηδενικών αποβλήτων» συμβάλει στην βιώσιμη επίλυση του προβλήματος της διαχείρισης των καταλοίπων βωξίτη καθώς επίσης και στην μείωση της εξάρτησης της Ευρώπης από τις εισαγόμενες πρώτες ύλες. Έχοντας κατά νου αυτή την προοπτική, κύριος στόχος αυτής της διδακτορικής διατριβής είναι να μελετήσει μια διεργασία ανάκτησης μετάλλων, κυρίως τιτανίου και σκανδίου, από τα κατάλοιπα βωξίτη. Στα πλαίσια της διατριβής αυτής αναπτύχθηκε ένα σύνθετο διάγραμμα ροής που μπορεί να περιγραφεί από δύο κύρια στάδια. Το πρώτο στάδιο αφορά την ανάπτυξη μιας ιονομεταλλουργικής διεργασίας εκχύλισης των καταλοίπων βωξίτη. Συγκεκριμένα, μελετήθηκε η άμεση εκχύλιση των καταλοίπων βωξίτη χρησιμοποιώντας το όξινο κατά Brønsted-Lowry ιοντικό υγρό EMIMHSO4 (‘Οξινο Θειικό 1-αίθυλο-3-μεθυλο-ιμιδαζολίο) για την ανάκτηση σκανδίου και τιτανίου με υψηλές αποδόσεις. Για τη βελτιστοποίηση της διεργασίας, μελετήθηκαν παράμετροι όπως ο ρυθμός ανάδευσης, ο χρόνος παραμονής, η θερμοκρασία και η πυκνότητα πολτού. Υπό τις βέλτιστες συνθήκες επιτεύχθηκαν υψηλές ανακτήσεις σκανδίου (80%) και τιτανίου (90%), σχεδόν ολική διάλυση σιδήρου, ενώ το αργίλιο και το νάτριο ανακτήθηκαν μερικώς (30-40%). Στοιχεία όπως το πυρίτιο και οι σπάνιες γαίες παρουσίασαν αμελητέες ανακτήσεις, ενώ το ασβέστιο αρχικά διαλύθηκε και εν συνεχεία καταβυθίστηκε ως άνυδρο θειικό ασβέστιο, καταναλώνοντας περίπου το 2% κ.β. του ιοντικού υγρού. Το εναπομείναν στερεό υπόλειμμα της εκχύλισης χαρακτηρίστηκε διεξοδικά, παρέχοντας σημαντικές εξηγήσεις για τη συμπεριφορά των σπανίων γαιών κατά τη διεργασία της εκχύλισης. Το στερεό αυτό υπόλειμμα μπορεί να υποστεί περαιτέρω υδρομεταλλουργική επεξεργασία για την εξαγωγή των σπανίων γαιών είτε να χρησιμοποιηθεί ως πρώτη ύλη στη βιομηχανία τσιμέντου ή στη βιομηχανία παραγωγής δομικών υλικών. Το δεύτερο κύριο στάδιο του διαγράμματος ροής περιλαμβάνει τη διεργασία εξαγωγής με οργανικό διαλύτη των μετάλλων από το κυοφορούν διάλυμα της εκχύλισης. Έγιναν συγκριτικές προκαταρκτικές δοκιμές με τέσσερεις οργανικούς διαλύτες (εξαγωγείς), τρία όξινα οργανοφωσφορικά οξέα (D2EHPA, Cyanex 272 και Ionquest 801) και ένα ουδέτερο εξαγωγέα (Cyanex 923), με στόχο τη κατανόηση της διεργασίας της εξαγωγής μετάλλων με οργανικό διαλύτη απευθείας από κυοφορούντα διαλύματα ιοντικών υγρών. Η χρονική διάρκεια διαχωρισμού φάσεων (οργανική/ιοντικό υγρό), η αναλογία όγκων οργανικής φάσης προς ιοντικό υγρό και η συγκέντρωση του εξαγωγέα στην οργανική φάση (εξαγωγέας/διαλύτης/τροποποιητής) μελετήθηκαν ως μεταβλητές παράμετροι και πραγματοποιήθηκαν κινητικές μελέτες για την κατανόηση της συμπεριφοράς εξαγωγής των μετάλλων με την πάροδο του χρόνου. Από τα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν, ο όξινος εξαγωγέας D2EHPA (σε συγκέντρωση 20% v/v στην οργανική φάση και αναλογία O:IL 1:1 v/v) έδωσε τα καλύτερα αποτελέσματα όσον αφορά την εξαγωγή των μετάλλων, καθώς σχεδόν η συνολική ποσότητα σιδήρου, αργιλίου, τιτανίου και σκανδίου ανακτήθηκε από το κυοφορούν διάλυμα μέσα σε χρονικό διάστημα δεκαπέντε λεπτών. Από την άλλη πλευρά, επιλεκτικότητα εξαγωγής σκανδίου επιτεύχθηκε χρησιμοποιώντας τον ουδέτερο εξαγωγέα Cyanex 923. Βάσει αυτών των αποτελεσμάτων, προτάθηκε μια διεργασία επιλεκτικής εξαγωγής μετάλλων πολλαπλών σταδίων από το κυοφορούν διάλυμα ιοντικού υγρού. Στα δύο πρώτα στάδια, χρησιμοποιήθηκε ο εξαγωγέας Cyanex 923 για την ανάκτηση σχεδόν της συνολικής ποσότητας σκανδίου και αργιλίου ενώ ο σίδηρος και το τιτάνιο εξήχθησαν σε μέτρια ποσοστά παραμένοντας κυρίως στο κυοφορούν διάλυμα ιοντικού υγρού. Μετά την αναγέννηση και τον καθαρισμό της οργανικής φάσης που μπορεί να ξαναχρησιμοποιηθεί πάλι, το διάλυμα αργιλίου και σκανδίου θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για παραγωγή κραμάτων Al-Sc. Στο τρίτο στάδιο χρησιμοποιείται ο όξινος εξαγωγέας Cyanex 272 για την ανάκτηση σιδήρου και τιτανίου από το κυοφορούν διάλυμα ιοντικού υγρού που έχει προκύψει μετά τα δύο πρώτα στάδια εξαγωγής. Τελικά, η προκύπτουσα φάση του ιοντικού υγρού αναγεννάται και δύναται να χρησιμοποιηθεί περαιτέρω στη διεργασία εκχύλισης των καταλοίπων βωξίτη.

Synthesis of Polypyrrole/V2O5 Composite Film on the Surface of Magnesium Using a Mild Vapor Phase Polymerization (VPP) Method for Corrosion Resistance

The vapor phase polymerization (VPP) method is a conventional strategy for synthesizing conducting polymers (CPs) on the surfaces of various materials. However, the current VPP method performed on a metal surface usually requires harsh reaction conditions, such as high temperature and low vacuum. In this paper, a polypyrrole (PPy) and vanadium pentoxide (V2O5) composite film was synthesized on the surface of Mg using a mild VPP method. Here, V2O5 was used as an oxidant, and it was found that the oxidation of pyrrole (Py) vapor on the surface of V2O5, which had been previously coated on the surface of Mg, could be performed at room temperature under normal atmospheric pressure. The formation of the PPy/V2O5 composite was verified by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and energy dispersive X-ray (EDX) spectroscopy. A thermogravimetric analyzer (TGA) was used to study the thermal stability of the composite. Subsequent corrosion tests showed that the PPy/V2O5 composite film could slow down the corrosion of Mg in 3.5 wt% NaCl. It is expected that the mild VPP method may find great potential in the fields of synthesis of CPs and the corrosion protection of reactive metals.

Probing the Impact Energy Release Behavior of Al/Ni-Based Reactive Metals with Experimental and Numerical Methods

Reactive metals (RMs) are a new class of material that can withstand mechanical loads and chemically react to release large amounts of heat under strong impact loading. They are gradually becoming widely used in defense and military fields, including for high-efficiency warheads and reactive armor. For the numerical simulation method considering the combined mechanical-thermo-chemical process for the impact energy release behavior of the RMs, the Al/Ni-based RMs were investigated in this work by combining experiments, theoretical calculations and a numerical simulation. Three kinds of Al/Ni-based RMs (Al-Ni, Al-Ni-CuO and Al-Ni-MoO3), were prepared using the hot-pressing forming process. Firstly, the compressive behavior and the parameters of the Johnson-Cook constitutive model were obtained using a mechanical testing machine and split Hopkinson pressure bars (SHPB). Secondly, the parameters of the equation of state (EOS) under the medium and low pressure conditions of the Al/Ni-based RMs, which were was seen as porous mixtures with high theoretical material density percentages (TMD%), were calculated based on the cold-energy superposition theory and the Wu-Jing method. Third, the impact energy release behaviors of the three RMs were studied with direct ballistic tests. The shock temperatures at different impact velocities were calculated based on the existing shock-induced chemical reaction thermo-chemical model while considering the chemical reaction efficiency, the relationship between the shock temperature and the extent of the chemical reaction was established, and the parameters of the relevant chemical kinetic equations were fitted. Finally, the user’s subroutines defining the material model were implemented to update the stresses in the solids elements in LS-DYNA. The model was based on the Johnson-Cook constitutive model with consideration of the mechanical-thermo-chemical coupling effect, which was verified by the experimental results. The results show that the constitutive model developed in this work can describe the impact energy release behavior of the Al/Ni-based RMs.