Состав свойства и применение вольфрама

                                                Содержание

 

Введение

 

Нахождение в природе

 

Получение 

 

Физические и химические свойства

 

Применение вольфрама 

 

Основные минералы вольфрама

 

Разработка месторождений 

 

Получение металлического вольфрама  и его соединений 

 

Испытания качества сырья 

 

Производство в РК

 

Заключение

 

Список литературы  

    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                         Введение

       Известно, что основное количество выпускаемой для нужд электровакуумной промышленности вольфрамовой проволоки приходится на долю специальных марок, в первую очередь это так называемый непровисающий вольфрам марки ВА. Говоря в дальнейшем о качестве вольфрамовой проволоки этой марки, мы будем иметь в виду те свойства, которые обусловливают ее поведение на различных стадиях изготовления и испытания деталей электровакуумных приборов. Так, поведение вольфрамовой проволоки при изготовлении спиралей определяется ее прочностью и пластичностью; хрупкость алундированных подогревателей из вольфрама после их отжига при 1650° С связана с температурой начала первичной рекристаллизации проволоки и наконец, провисание, потеря первоначальной формы при испытании или эксплуатации приборов обусловлены характером структуры проволоки в рекристаллизованном состоянии и ее сопротивлением ползучести при высоких температурах.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                1.Нахождение в природе

     Кларк вольфрама земной коры составляет (по Виноградову) 1,3 г/т (0,0013 % по содержанию в земной коре). Его среднее содержание в горных породах, г/т: ультраосновных — 0,1, основных — 0,7, средних — 1,2, кислых — 1,9.Вольфрам встречается в природе главным образом в виде окисленных сложных соединений, образованных трех окисью вольфрама WO₃ с оксидами железа и марганца или кальция, а иногда свинца, меди, тория и редкоземельных элементов. Промышленное значение имеют вольфрамит (вольфрамат железа и марганца nFeWO₄ * mMnWO₄ — соответственно, ферберит и гюбнерит) и шеелит (вольфрамат кальция CaWO₄). Вольфрамовые минералы обычно вкраплены в гранитные породы, так что средняя концентрация вольфрама составляет 1-2 %.

 

 

                                             

                                                        2.Получение

     Сырьем для получения Вольфрама служат вольфрамитовые и шеелитовые концентраты (50-60% WO3). Из концентратов непосредственно выплавляют ферровольфрам (сплав железа с 65-80% Вольфрама), используемый в производстве стали; для получения Вольфрама, его сплавов и соединений из концентрата выделяют вольфрамовый ангидрид. В промышленности применяют несколько способов получения WО3. Шеелитовые концентраты разлагают в автоклавах раствором соды при 180-200°С (получают технический раствор вольфрамата натрия) или соляной кислотой (получают техническую вольфрамовую кислоту): 
 
     1. CaWO4 тв +Na2CO3 ж = Na2WO4 ж + CaCO3 тв 
 
     2. CaWO4 тв +2НClж = H2WO4 тв +СаCl2 р-р. 
 
     Вольфрамитовые концентраты разлагают либо спеканием с содой при 800-900°С с последующим выщелачиванием Na2WO4 водой, либо обработкой при нагревании раствором едкого натра. При разложении щелочными агентами (содой или едким натром) образуется раствор Na2WO4, загрязненный примесями. После их отделения из раствора выделяют H2WO4. Для получения более грубых, легко фильтруемых и отмываемых осадков вначале из раствора Na2WO4 осаждают CaWO4, который затем разлагают соляной кислотой.) Высушенная H2WO4 содержит 0,2 - 0,3% примесей. Прокаливанием H2WO4 при 700-800°С получают WO3, а уже из него - твердые сплавы. Для производства металлического Вольфрама H2WO4 дополнительно очищают аммиачным способом - растворением в аммиаке и кристаллизацией паравольфрамата аммония 5(NH4)2O·12WO3·nH2O. Прокаливание этой соли дает чистый WO3. Порошок Вольфрама получают восстановлением WO3 водородом (а в производстве твердых сплавов - также и углеродом) в трубчатых электрических печах при 700-850°С. Компактный металл получают из порошка металлокерамическим методом, то есть прессованием в стальных прессформах под давлением 3000-5000 кгс/см2и термической обработкой спрессованных заготовок - штабиков. Последнюю стадию термической обработки - нагрев примерно до 3000°С проводят в специальных аппаратах непосредственно пропусканием электрического тока через штабик в атмосфере водорода. В результате получают Вольфрам, хорошо поддающийся обработке давлением (ковке, волочению, прокатке и т. д.) при нагревании.

                             

                         

                               3.Физические и химические свойства

     Вольфрам кристаллизуется в объемно центрированной кубической решетке с периодом а =3,1647Å; плотность 19,3 г/см3, температура плавления  3410°C, температура кип 5900°С. Теплопроводность (кал/см·сек·°С) 0,31 (20°С); 0,26 (1300°С). Удельное электросопротивление (ом·см·10-6) 5,5 (20°С); 90,4 (2700°С). Работа выхода электронов 7,21·10-19 дж (4,55 эв), мощность энергии излучения при высоких температурах (вт/см 2): 18,0 (1000°С); 64,0 (2200°С); 153,0 (2700°С); 255,0 (3030°С). Механические свойства Вольфрама зависят от предшествующей обработки. Предел прочности при растяжении (кгс/мм2) для спеченного слитка 11, для обработанного давлением от 100 до 430; модуль упругости (кгс/мм1) 35000-38000 для проволоки и 39000-41000 для монокристаллической нити; твердость по Бринеллю (кгс/мм2) для спеченного слитка 200-230, для кованного слитка 350-400 (1 кгс/мм2 = 10 Мн/м2). При комнатной температуре Вольфрам малопластичен. 
     В обычных условиях Вольфрам химически стоек. При 400-500° С компактный металл заметно окисляется на воздухе до WO3. Пары воды интенсивно окисляют его выше 600°С до WO3. Галогены, сера, углерод, кремний, бор взаимодействуют с Вольфрамом при высоких температурах (фтор с порошкообразным Вольфрамом - при комнатной). С водородом Вольфрам не реагирует вплоть до температуры плавления; с азотом выше 1500°С образует нитрид. При обычных условиях Вольфрам стоек к соляной, серной, азотной и плавиковой кислотам, а также к царской водке; при 100°С слабо взаимодействует с ними; быстро растворяется в смеси плавиковой и азотной кислот. В растворах щелочей при нагревании Вольфрам растворяется слегка, а в расплавленных щелочах при доступе воздуха или в присутствии окислителей - быстро; при этом образуются вольфраматы. В соединениях Вольфрам проявляет валентность от 2 до 6, наиболее устойчивы соединения высшей валентности. 
     Вольфрам образует четыре оксида: высший - WO3 (вольфрамовый ангидрид), низший - WO2 и два промежуточных W10О29 и W4O11. Вольфрамовый ангидрид - кристаллический порошок лимонно-желтого цвета, растворяющийся в растворах щелочей с образованием вольфраматов. При его восстановлении водородом последовательно образуются низшие оксиды и Вольфрам. Вольфрамовому ангидриду соответствует вольфрамовая кислота H2WO4 - желтый порошок, практически не растворимый в воде и в кислотах. При ее взаимодействии с растворами щелочей и аммиака образуются растворы вольфраматов. При 188°С Н2WО4 отщепляет воду с образованием WO3. С хлором Вольфрам образует ряд хлоридов и оксихлоридов. Наиболее важные из них: WCl6 (температура плавления 275°С, температура кип 348°C) и WO2Cl2 (температура плавления 266°С, выше 300°С сублимирует), получаются при действии хлора на вольфрамовый ангидрид в присутствии угля. С серой Вольфрам образует два сульфида WS2 и WS3. Карбиды вольфрама WC (tпл2900°C) и W2C (температура плавления 2750°С) - твердые тугоплавкие соединения; получаются при взаимодействии Вольфрама с углеродом при 1000-1500°С.

     Легко растворяется в смеси азотной и плавиковой кислот:

     Реагирует с расплавленными щелочами в присутствии окислителей:

 

                                                

                                          4.Применение 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 лучей.

     Металлический вольфрам применяется для изготовления нитей накаливания в электролампах, электродов для водородной сварки, заменяя платину, для нагревателей высокотемпературных электропечей, работающих при температуре свыше 3000^оС, 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.

 

                            

                             5.Основные минералы вольфрама

     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 вольфрама.

     В экзогенных условиях образуются минералы группы вульфенита: штольцит – bPbWO   изоструктурный с шеелитом и его моноклинная разновидность-распит -aPbWO₄ .Группа вольфрамита представлена минералами изоморфного ряда MnWO₄

 

 

 

 

                                      6.Разработка месторождений

 

     В зависимости от условий залегания, типа и морфологии вольфрамовых

месторождений для их разработки используются подземные, открытые и

комбинированные способы.

          Открытые горные работы                            

     Открытые горные работы получили широкое распространение в странах СНГ и зарубежом. Открытым способом разрабатывается Инкурское,

 

Спокойнинское,  Бом-Горхонское месторождения в России, месторождения Флэт-Ривер в Канаде, Кинг-Айленд в Австралии и др. Производительность открытых разработок достигает десятки и более тысяч тонн в сутки, коэффициент вскрыши на отдельных карьерах –10 м³/т, потери руды – 7 % и разубоживание до 30 %. Однако в среднемпоказатели значительно благоприятней: коэффициент вскрыши1-2 м³/т, Потери 2-5 % и разубоживание 3-5 %.Технология открытых горных работ мало отличается от технологии добычи других типов скальных руд. Отбойка руды производится буровзрывными работами. Для транспорта руды и вскрыши применяют автомобильный, железнодорожный и контейнерный транспорт. Структура эксплуатационных затрат на добычу руд составляет (%):

- Буровзрывные работы – 10-15.

- Экскавация – 15-25.

- Транспорт - 40-50.

- Отвалообразование – 15-20.

                                Подземные работы                               

     Подземные работы для добычи вольфрамовых руд  также получили широкоераспространение. Этим способом отрабатываются Акчатауское (Казахстан), Ингичкинское (Узбекистан) месторождения, месторождение Восток 2 и др. в России. За рубежом подземные работы применяют в Канаде, США, Австралии, Боливии, Португалии и др.

Для отработки рудных тел  используют системы слоевого обрушения с закладкой выработанного пространства, магазинированием руды и др.

                             Комбинированный способ                            

Комбинированный способ отработки  месторождений получил распространение для мощных, крутопадающих тел. Он применяется в странах СНГ, Австралии, Турции, и др. Себестоимость руды и капитальные вложения при комбинированном способе добычи почти всегда является наиболее благоприятным, чем при подземном способе отработки месторождений.

    

           

          7.Получение металлического вольфрама и его соединений

 

     В настоящее время отсутствуют методы непосредственного получения вольфрама из концентратов. Поэтому вначале из концентрата получают промежуточные соединения, из которых затем выделяют металлический вольфрам. Получение которого включает: разложение концентратов и переход вольфрама в соединения, из которого он отделяется от сопровождающих его элементов.

     Выделение чистого химического соединения вольфрама (вольфрамовой кислоты) с последующим производством металлического вольфрама.

 

 

                                             

                                      8.Испытание качества сырья 
     Качество вольфрамовых руд оценивается в зависимости от возможных областей применения вольфрамовых концентратов, стандартов и технических условий на них, а также с учетом извлечения сопутствующих или получения попутных концентратов. Проводят полный анализ элементного состава сырья, позволяющий установить концентрацию вольфрама и других полезных компонентов для получения попутных продуктов, оказывающих влияние на общую промышленную оценку руд и месторождений в целом, на выбор технологии комплексного использования, величину минимально промышленного и бортового содержаний трехокиси вольфрама и попутных компонентов.

     Детальность изучения соответствует категории запасов руд в месторождениях, поскольку даже ничтожные содержания попутных компонентов могут представлять промышленный интерес и существенно повысить ценность месторождений. При изучении минералогической характеристики сырья, кроме количественного минерального состава, устанавливается характер взаимодействия минералов, размер их ассоциаций и текстурно-структурные параметры. Элементарная и минералогическая характеристика сырья должны быть достаточными для оценки его технических свойств, выбора методов обогащения, а также выделения главных природных и технологических типов и разновидностей руд и определения извлекаемых компонентов.

    В рудах вольфрамовых месторождений из попутных полезных компонентов представляют ценность касситерит, молибденит, повеллит, висмутин, халькопирит, гаденит, сфалерит, берилл, золото. Кроме перечисленных компонентов, представленных самостоятельными минералами и могущих быть извлеченными в концентраты, часто являются ценными индий и скандий, находящиеся в виде изоморфных примесей в вольфрамите и касситерите, в молибдените и халькоперите. Комплектность использования вольфрамного сырья оценивается с помощью коэффициента, определенного как отношение валовой стоимости компонентов в погашенных запасах.

     Технология обогащения вольфрамовых руд производится экспериментально на технологических пробах, отобранных по заранее разработанным программе и плану опробования. Требования к пробе определяются организациями, которые проводят технологические испытания и проектирование промышленного объекта. Масса проб зависит от выбранных методов обогащения верхнего предела крупности кусков и мощности установок, на которых производятся испытания. Объем испытаний обогатимости зависит от их цели. Если месторождение, руды которого изучаются, находятся на стадии поисков, то достаточно показать возможность получения концентратов по традиционным схемам обогащения.