"Производство вольфрама"

Глава 2. Теоретические аспекты производства вольфрама


Производство вольфрама – сложный химико-металлургический процесс, который решает ряд трудных технологических задач (извлечение вольфрама из руд, содержащих незначительные количества этих металлов, в концентраты; переработка концентратов и огарка химико-технологическими процессами на чистые соли; восстановление ангидридов металлов водородом получение штабиков из порошков методами металлокерамики, обработка сварных штабиков на полуфабрикаты). Такой сложный процесс получения вольфрама определяет высокую себестоимость тугоплавких металлов и необходимость их полного извлечения на всехтехнологических стадиях производства от сырья до использования отходов.
Получение чистых тугоплавких металлов – ещё более сложный технологический процесс, в котором широко используются совершенные вакуумно- электротермические процессы рафинирования и плавки металлов, экстракционные и ионообменные процессы очистки растворов, из которых кристаллизируются чистые соли².
Повышение извлечения вольфрама из руд вконцентраты и соли возможно не только при совершенствовании технологии и применении комбинированных схем переработки руд, но и благодаря использованию процессов, применяемых в родственных производствах, например в производстве редких и редкоземельных металлов:
селективное извлечение вольфрама в форме оксихлоридов методами хлорирования и развития обменных реакций;
Электротермическое получение вольфрамата натрия методом окислительной и сульфитной электроплавки бедных и нестандартных концентратов; химический вольфрам металл
Дальнейшее снижение стоимости вольфрама возможно при комплексном использовании руд с попутным извлечением всех ценных компонентов, особенно рения, висмута, скандия, германия, плавикового шпата, при извлечении металлов в форме окислов из растворов гидрометаллургической переработкишеелитовых, вольфрамитовых, и молибденитовых концентратов, при интенсификации существующих процессов, благодаря использованию новых образцов оборудования, изготовленного из антикоррозионных материалов на основе титана, при применении ультразвука в гидрометаллургии тугоплавких металлов, при использовании окисленных молибденитовых руд, металлических и неметаллических отходах.
Металлический вольфрам
Ценность вольфрама особенно повышает его способность образовывать сплавы с различными металлами – железом, никелем, хромом, кобальтом, молибденом, которые в различных количествах входят в состав стали. Вольфрам, добавленный в небольших количествах к стали, вступает в реакции с содержащимися в ней вредными примесями серы, фосфора, мышьяка и нейтрализует их отрицательное влияние. В результате сталь с добавкой вольфрама получает высокую твёрдость, тугоплавкость, упругость и устойчивость против кислот.
Всем известно высокое качество клинков из дамасской стали, в которой содержится несколько процентов примеси вольфрама. Ещё в. 1882 году вольфрам стали использовать при изготовлении пуль. В орудийной стали, бронебойных снарядах также содержится вольфрам³.
Сталь с присадкой вольфрама идёт на изготовление прочных рессор автомобилей и железнодорожных вагонов, пружин и ответственных деталей различных механизмов. Рельсы, изготовленные из вольфрамовой стали, выдерживают большие нагрузки, и срок их службы значительно дольше, чем рельсов из обычных сортов стали. Замечательным свойством стали с добавкой 91.8% вольфрама является её способность к самозакаливанию, то есть при увеличении нагрузок и температуры эта сталь становится ещё прочнее. Это свойство явилось основанием для изготовления целой серии инструментов из так называемой "быстрорежущей инструментальной стали". Применение резцов из неё позволило в своё время в несколько раз увеличить скорость обработки деталей на металлорежущих станках.
И все же инструменты, изготовленные из быстрорежущей стали, по скорости резания в 35 раз уступают инструментам из твёрдых сплавов. К их числу относятся соединения вольфрама с углеродом (карбиды) и бором (бориды). Эти сплавы по твёрдости близки к алмазам. Если условная твёрдость самого твёрдого из всех веществ – алмаза, выражается 10 баллами (по шкале Мооса), то твёрдость карбида вольфрама – 9,8. К числу сверхтвёрдых сплавов относится и широко известный сплав углерода с вольфрамом и добавкой кобальта – победит. Сам победит вышел из употребления, но это название сохранилось применительно к целой группе твёрдых сплавов. В машиностроительной промышленности из твёрдых сплавов изготавливают также штампы для кузнечных прессов. Они изнашиваются примерно в тысячу раз медленнее стальных.
Особенно важной и интересной областью применения вольфрама является изготовление элементов накала (нитей) электрических ламп накаливания. Для изготовления нитей электроламп используют чистый вольфрам. Свет, излучаемый раскалённой нитью вольфрама, близок к дневному. А количество света, излучаемое лампой с вольфрамовой нитью, в несколько раз превышает излучение ламп из нитей, изготовленных из других металлов (осмия, тантала). Световое излучение (световая отдача) электроламп с вольфрамовой нитью в 10 раз выше, чем у ранее применявшихся ламп с угольной нитью. Яркость свечения, долговечность, экономичность в потреблении электроэнергии, небольшие затраты металла и простота изготовления электрических ламп с вольфрамовой нитью обеспечили им самое широкое применение при освещении⁴.
Широкие возможности применения вольфрама обнаружились в результате открытия, сделанного известным американским физиком Робертом Уильямсом Вудом. В одном из опытов Р. Вуд обратил внимание на то, что свечение вольфрамовой нити с торцовой части катодной трубки его конструкции продолжается и после отключения электродов от аккумулятора. Это настолько поразило его современников, что Р. Вуда стали называть чародеем. Исследования показали, что вокруг нагретой вольфрамовой нити происходит термическая диссоциация молекул водорода они распадаются на отдельные атомы. После отключения энергии атомы водорода снова соединяются в молекулы, и при этом выделяется большое количество тепловой энергии, достаточное, чтобы раскалить тонкую вольфрамовую нить и вызвать её свечение. На этом эффекте разработан новый вид сварки металлов – атомно-водородный, давший возможность сваривать различные стали, алюминий, медь и латунь в тонких листах с получением чистого и ровного шва. Металлический вольфрам при этом используется в качестве электродов. Вольфрамовые электроды применяются также и при более широко распространённой аргоно-дуговой сварке.
В химической промышленности вольфрамовая проволока, очень стойкая против кислот и щелочей, применяется для изготовления сеток различных фильтров. Вольфрам нашёл применение также как катализатор, с его помощью изменяют скорость химических реакций в технологическом процессе. Группа вольфрамовых соединений в промышленности и лабораторных условиях используется как реактивы для определения белка и других органических и неорганических соединений.
Соединения вольфрама
Триоксид вольфрама (WO3) применяется для получения карбидов и галогенидов вольфрама, как жёлтый пигмент при окраске изделий из стекла и керамики. Является катализатором гидрогенизации и крекинга углеводородов.
Вольфрамовая кислота (H2WO4) применяется как протрава и краситель в текстильной промышленности.
Вольфрамовая кислота является промежуточным продуктом в производстве вольфрама.
Карбид вольфрама(WC) активно применяется в технике для изготовления инструментов, требующих высокой твёрдости и коррозионной стойкости, а также для износостойкой наплавки деталей, работающих в условиях интенсивного абразивного изнашивания с умеренными ударными нагрузками. Этот материал находит применение в изготовлении различных резцов, абразивных дисков, свёрл, фрез, долот для бурения и другого режущего инструмента. Марка твёрдого сплава, известная как "победит", на 90% состоит из карбида вольфрама.
Таким образом, во второй главе нашей курсовой рабы мы решили вторую запланированную задачу, а именно: изучили теоретические аспекты нескольких вариантов производства вольфрама.