"Производство вольфрама"

Глава 3. Область получения и применения вольфрама

Вольфрам находит широкое применение в производстве сталей в качестве легирующей добавки, в твердых жаропрочных сплавах, в электротехнике, в производстве кислотоупорных и специальных сплавов, в химической промышленности.

Долгое время более 60 % вольфрама использовалось в металлургии для изготовления инструментальных, нержавеющих легированных и специальных сталей. Присадка вольфрама к стали 1-20 % придает ей прочность, твердость, тугоплавкость, самозакаливаемость, кислотоупорность, повышает предел упругости и сопротивление растяжению. В настоящее время 55 % вольфрама в виде карбида идет на изготовление твердых сплавов, используемых для буровых коронок фельер для волочения проволоки, штампов, пружин, деталей пневматических инструментов, клапанов двигателей. Твердые сплавы, состоящие из вольфрама (3-15 %), хрома (25-35 %) и кобальта (45-65 %) с примесью 0,5-2,7 % углерода, применяются для покрытия сильно изнашивающихся деталей. Сплавы вольфрама медью и серебром являются хорошими контактными материалами и применяются в рабочих частях рубильников, выключателей и др. Сплав вольфрама (85-95 %) с никелем и медью обладающий высокой плотностью, используется в радиотерапии для устройства защитных экранов от гамма лучей⁵.
Металлический вольфрам применяется для изготовления нитей накаливания в электролампах, электродов для водородной сварки, заменяя платину, для нагревателей высокотемпературных электропечей, работающих при температуре свыше 3000 о С, термопар, роторов в гироскопах оптических пирометров для катодов рентгеновских трубок, электровакуумной аппаратуры, радиоприборов, выпрямителей и гальвонометров.
Соединения вольфрама применяются в качестве красителей, для придания тканям огнестойкости и водоустойчивости.
В США вольфрам используется (%) 68 – в производстве машин и оборудования для металлообрабатывающей, горнодобывающей и строительной промышленности, 12 – для изготовления ламп и светильников, 12 – в электронной промышленности и транспорте, 5 – в химических отраслях и 3 – в прочих областях.
Известно 20 вольфрамовых минералов. Наиболее распространены минералы группы вольфрамита и шеелит, имеющие промышленное значение. Реже встречается сульфид вольфрамита – тунгстенсит (WS2), а также окисноподобные соединения – тунгстит, ферро – и купротунгстит, гидротунгстит. Довольно широко распространены псиломеланы, вады с высоким содержанием вольфрама⁶.
В экзогенных условиях образуются минералы группы вульфенита: штольцит – bPbWO4 изоструктурный с шеелитом и его моноклинная разновидность-распит – aPbWO4 .
Группа вольфрамита представлена минералами изоморфного ряда MnWO4 и FeWO4.
По данным работы, в США потребление вольфрама возрастет с 7,4 тыс. т (2010 г.) до 34,7 тыс. т (2018 г.), а в капиталистических странах с 25,9 тыс. т (2010 г.) до 61,2 тыс. т (2018 г.).
Ферровольфрам, применяемый в качестве присадки в производстве специальных сталей, выплавляют из вольфрамовых концентратов в дуговых электропечах в присутствии восстановителя (угля, алюминия, кремния). В шихту добавляют железный лом и для образования шлаков – флюсы (доломит, известь).
Переработка вольфрамовых концентратов.
В технологических схемах переработки вольфрамовых концентратов на трехокись вольфрама можно выделить следующие основные стадии:
1) вскрытие концентрата;
2) получение различных соединений вольфрама (H2W04, WO3);
3) производство металла (порошкообразного и компактного).
По способу вскрытия все технологические варианты подразделяются на щелочные (вскрытие осуществляется Na2СО 3, NaOH) и на кислотные с применением в качестве вскрывающих реагентов соляной или азотной кислот. При вскрытии по первому варианту получают растворы вольфрамата натрия, из которых в дальнейшем получают соединения вольфрама (рис. 118). Во втором варианте получают техническую вольфрамовую кислоту, очищают ее от примесей и затем выделяют чистые соединения вольфрама.
В свою очередь щелочные варианты вскрытия могут быть пиро- (спекание, сплавление) и гидрометаллургическими (обработка растворами соды в автоклавах). Цель операций вскрытия – перевод вольфрама в соединение (Na2WO4), легко растворимое в воде.
Спекание концентратов
Спекание вольфрамовых концентратов с содой осуществляют при 800-850 °С в трубчатых вращающихся печах. Степень вскрытия составляет 98-99% при расходе соды 160% от теоретически необходимого количества по реакциям


2FeW04 + 2Na2CO3 + Ѕ O2 > 2NaWO4 + Fe2O3 + 2CO2
3MnW04 + 3Na2CO3 + Ѕ O2 > 2NaWO4 + Mn3O4 + 2CO2,

При переработке шеелитовых концентратов в шихту спекания добавляют кварцевый песок (для образования малорастворимого силиката кальция):

CaW04 + Na2CO3 + SiO2 > Na2W04 + СаSiO3 + СО 2 (XIII.3)

Спеки обрабатывают водой при 80-90 °С, при этом получают растворы вольфрамата натрия (100-120 г/л WO3), 1,5-3 г/л SiO2, 4-5 г/л F и отвальные кеки, содержание ~1% WO3.

Автоклавное вскрытие шеелитовых концентратов
При гидрометаллургическом способе шеелитовые концентраты обрабатывают растворами соды в автоклавах. Этот процесс, впервые разработанный советскими учеными И.Н. Масленницким и В.С. Сырокомским, получил широкое распространение в различных странах (США, Япония, ФРГ, Чехословакия и др.), реакция процесса [8]:


CaWO4(тв) + Na2CO3 (pаствор) > Na2WO4 (pаствор) + CaCO3(тв)
При температуре 200-225 °С, расходе соды 250-300 % от теоретического количества и обработке по двухстадийной противоточной схеме степень перехода вольфрама в раствор составляет 98-99,5 %.
Процесс может осуществляться в автоклавах периодического действия (горизонтальных и вертикальных) и колонного типа непрерывного действия. Процесс автоклавно-содового разложения шеелитовых концентратов можно интенсифицировать, применяя повышенные температуры (до 300° С) и выщелачивание c наложением акустических колебаний.
Переработка растворов вольфрамита натрия.
Растворы вольфрамата натрия, очищают от примесей кремния (гидролизом силиката натрия), фосфора, мышьяка, фтора, молибдена (осаждением малорастворимых соединений типа NH4MgP04, NH4MgAs04, MgF2, MoS3). Состав раствора после очистки: <0,5 г/л SiO2;

Na2WO4 + CaCl2 > vCaWO4 + 2NaCl

Осадок вольфрамата кальция (искусственный шеелит) разлагают кислотами (соляной, азотной) для получения крупнокристаллического осадка вольфрамовой кислоты.

Вольфрамовую кислоту после тщательной промывки прокаливают при 800 °С для получения вольфрамового ангидрида, применяемого в твердосплавной промышленности.
Таким образом в третьей главе представленной курсовой работы мы обосновали область применения, использования вольфрама, а также подготовились к подведению итогов проделанной работы.