Файл: Способы получения никеля и его применение.docx

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего образования

ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

Факультет «Технологии конструкционных материалов»

Кафедра «Технология материалов»

Контрольная работа

по дисциплине «Основы общей металлургии»

на тему: «Способы получения никеля и его применение»

выполнил: студент

группы М-233

Поляков В.В.

Проверил:

доцент, к.т.н.

Руцкий Д.В.

Волгоград 2022

Оглавление

Никель. История металла. Свойства.

Никель – элемент периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 28. Находится в 10-й группе, но если смотреть по старой классификации, то побочная подгруппа 8-й группы, расположен в четвертом периоде периодической системы. Этот металл твердый, ковкий и пластичный. В чистом виде имеет серебристый цвет с желтоватым оттенком. Он является хорошим проводником электричества и тепла. Никель является пятым по распространённости элементом на Земле, но только 22-м по содержанию элементом земной коры. Ученые считают, что никель является вторым по распространённости элементом в ядре земли после железа. Крупнейшее в мире месторождение никеля находится в бассейне Садбери, Онтарио, Канада. И занимает территорию в 37 миль в длину и 17 миль в ширину. Эксперты считают, что месторождение образовалось в результате падения метеорита. Хотя никель действительно встречается в природе в свободном виде, он в основном содержится в рудах пентландита, пирротина, гарниерита, миллерита и никколита.

Никель был открыт в 1751 году. Однако задолго до этого саксонские горняки хорошо знали руду, которая внешне походила на медную и применялась в стекловарении для окраски стекол в зеленый цвет. Все попытки получить из этой руды медь оказались неудачными, в связи с чем в конце 18 века руда получила название купферникель “

---

Kupfernickel”, что приблизительно означает “дьявольская руда”. Эту руду, а точнее красный никелевый колчедан NiAs, в 1751 году исследовал шведский минералог Кронштедт. Он получил зеленый окисел и путем восстановления новый металл, который назвал никелем. Первоначально Кронштеду пришлось достаточно долго доказывать, что никель это новый метал, а совсем не сплав уже известных металлов с мышьяком и серой. Среди его противников значились даже астрологи, которые полагали, что количество существующих металлов должно соответствовать числу планет в солнечной системе. Кронштедт умер в 1765 году так и не получив лавры первооткрывателя. Лишь через 10 лет после его смерти другой швед Бергман  в своих опубликованных исследованиях окончательно доказал открытие нового элемента. Работая с “Kupfernickel”, он доказал, что заключенный в последнем «особенный металл» является никелем. С этого момента в Европе на кустарных предприятиях начали искусно выделывать и вводить в обиход сплавы никеля с медью и цинком. Они получили широкую известность под названием нейзильбер, аргентан, белая жесть, немецкое серебро.

Физические свойства:

• 
  плотность (при нормальных условиях) составляет 7.8 – 8.2 г/см³
  
• 
  электропроводность — 13,3 МСм/м
  
• 
  температура плавления: 1453 ⁰C
  
• 
  твердость — по Бринеллю 700-1000 МПа
  
• 
  является феромагнетиком, при отсутсвии внешнего магнитного поля обладает намагниченностью, точка Кюри для Никеля равна 358 ⁰
  
• 
  пластичен, легко обрабатывается как в холодном, так и в горячем состоянии, поддается прокатке, волочению и ковке.
  
• 
  решетка — кубическая гранецентрированная
  
• 
  электронная конфигурация — 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁸ 4s²
  

Химические свойства:

• 
  никель химически малоактивен
  

• 
  на воздухе моментально образует оксидную защитную пленку, которая способствует высокой коррозионной стойкости металла
  
• 
  с участием никеля образуются 3 вида соли: хлорид, сульфат, нитрат
  
• 
  с оксидом углерода CO никель легко образует летучий и весьма ядовитый карбонил Ni(CO)
  
• 
  никель активно растворяется в азотной кислоте
  
• 
  тонкодисперсный порошок никеля пирофорный, cамовоспламеняется на воздухе
  
• 
  никель является составным компонентом различных сплавов.
  

---

Никель образует комплексы с тетраэдрической и с плоской квадратной структурой. Например, комплекс тетрахлороникелат (II) [NiCl₄]^2- имеет тетраэдрическую структуру, а комплекс тетрацианоникелат(II) [Ni(CN)₄]^2- имеет плоскую квадратную структуру.В качественном и количественном анализе для обнаружения ионов никеля (II) используется щелочной раствор бутандиондиоксима, известного также под названием диметилглиоксима. При его взаимодействии с ионами никеля (II) образуется красное координационное соединение бис(бутандиондиоксимато)никель(II). Это — хелатное соединение и бутандиондиоксимато-лиганд является бидентатным.

Способы получения никеля

Общая информация

В настоящее время никелевые заводы перерабатывают в основном два типа руд, резко различающихся по химическому составу и свойствам: окисленные никелевые и сульфидные медно-никелевые. Значение этих руд для отечественной никелевой промышленности и за рубежом различно. В России из года в год возрастает доля никеля, получаемого из сульфидных руд, а в зарубежных странах, наоборот, все большее значение приобретают окисленные руды.

Окисленные никелевые руды представляют собой горные породы вторичного происхождения, состоящие в основном из гидратированных магнезиальных силикатов, алюмосиликатов и оксида железа. Никелевые минералы в них составляют незначительную часть рудной массы. Наиболее часто никель находится в виде бунзеита (NiO), гарниерита [(Ni, Mg)O · SiO₃ · nH₂O] или ревденскита [3(Ni, Mg)O · 2SiO₂ · 2H₂O]. Кроме никеля полезным компонентом этих руд является кобальт, содержание которого обычно в 15…25 раз меньше содержания никеля. Иногда в окисленных рудах присутствует в небольших количествах медь (0,01…0,02 %).

Пустая порода, составляющая основную массу руды, представлена глиной Al₂O₃ · 2SiO₂ · 2H₂O, тальком 3MgO · 4SiO₂ · 2H₂O, другими силикатами, бурым железняком Fe₂O₃ · nH₂O, кварцем и известняком.

Окисленные никелевые руды отличаются исключительным непостоянством состава по содержанию как ценных компонентов, так и пустой породы. Эти колебания состава наблюдаются даже в массиве одного месторождения. Возможные пределы концентраций компонентов руды характеризуются следующими цифрами, %: Ni – 0,7…4; Co – 0,04…0,16; SiO₂ – 15…75; Fe₂O₃ – 5…65; Al₂O₃ – 2…25; Cr₂O₃ – 1…4; MgO – 2…25; CaO – 0,5…2; конституционная влага – до 10…15.

По внешнему виду окисленные никелевые руды похожи на глину. Для них характерны пористое, рыхлое строение, малая прочность кусков, высокая гигроскопичность. Рациональных методов обогащения таких руд до сих пор не найдено, и они после соответствующей подготовки непосредственно поступают в металлургическую переработку.

---

В сульфидных рудах никель присутствует главным образом в виде пентландида, представляющего изоморфную смесь сульфидов никеля и железа переменного соотношения, и частично в форме твердого раствора в пирротине.

Основным спутником никеля в сульфидных рудах является медь, содержащаяся главным образом в халькопирите. Из-за высокого содержания меди эти руды называют медно-никелевыми. Кроме никеля и меди в них обязательно присутствуют кобальт, металлы платиновой группы, золото, серебро, селен и теллур, а также сера и железо. Таким образом, сульфидные медно-никелевые руды являются полиметаллическим сырьем очень сложного химического состава. При их металлургической переработке в настоящее время извлекают 14 ценных компонентов.

Химический состав сульфидных медно-никелевых руд следующий, %: Ni – 0,3…5,5; Cu – 0,2…1,9; Co – 0,02…0,2; Fe – 30…40; S – 17…28; SiO₂ – 10…30; MgO – 1…10; Al₂O₃ – 5…8. По структуре медно-никелевые руды могут быть сплошными, жильными и вкрапленными. Чаще встречаются два последних типа руд. В зависимости от глубины залегания руду добывают как открытым, так и подземным способом.

В отличие от окисленных никелевых руд медно-никелевые руды характеризуются высокой механической прочностью, негигроскопичны и могут подвергаться обогащению.

Основным способом обогащения сульфидных медно-никелевых руд является флотация. Иногда флотационному обогащению предшествует магнитная сепарация, направленная на выделение пирротина в самостоятельный концентрат. Возможность проведения магнитной сепарации обусловлена относительно высокой магнитной восприимчивостью пирротина.

Выделение пирротинового концентрата при обогащении руды улучшает качество первичного никелевого концентрата вследствие вывода из него значительной части железа и серы и упрощает его последующую металлургическую переработку. Однако при получении пирротинового концентрата возникает необходимость в обязательной его переработке с целью извлечения никеля, серы и платиноидов.

Флотационное обогащение медно-никелевых руд может быть коллективным или селективным. При коллективной флотации за счет отделения пустой породы получают медно-никелевый концентрат. Однако и селективная флотация не обеспечивает полного разделения меди и никеля. Продуктами селекции в этом случае будут медный концентрат с относительно небольшим содержанием никеля и никелево-медный концентрат, отличающийся от руды более высоким отношением Ni : Cu.

---

Плавка на штейн сульфидных руд и концентратов.

Руды с суммарным содержанием больше 2–5 % меди и никеля считают богатыми, их плавят без предварительного обогащения.

Руды и концентраты содержат одни и те же минералы, поэтому к ним могут быть применены после необходимой подготовки одни и те же способы переработки.

При нагревании руды до 400–600 ˚С еще до начала плавления халькопирит и никельсодержащие сульфиды разлагаются:

• 
  6(NiS,FeS)→2Ni₃S₂+6FeS+S₂ 
  
• 
  4CuFeS₂ →2Cu₂S+4FeS+S₂ 
  
• 
  2Fe₇S₈ → 14FeS + S₂ 
  

В результате этих реакций сложная совокупность минералов превращается в смесь простых сульфидов: Ni₃S₂ , FeS и Cu₂S.

При температурах, необходимых для плавления шлака, состоящего из окислов пустой породы и флюсов, сульфиды меди, никеля и железа неограниченно растворимы друг в друге; они образуют медно-никелевый штейн, отделяемый от шлака в виде более тяжелого жидкого слоя.

Если часть серы при плавке окислена или удалена предварительным обжигом, распределение меди, никеля и железа между штейном и шлаком будет зависеть от сродства этих металлов к кислороду и сере. В условиях плавки сродство к сере, определяющее возможность перехода металла в штейн, у меди больше, чем у никеля, а у никеля больше, чем у железа. Сродство тех же металлов к кислороду убывает в обратной последовательности. При недостатке серы для сульфидирования всех металлов сначала будет переходить в штейн медь, затем никель и, наконец, часть железа. Чем больше железа перейдет в штейн, тем больше полнота сульфидирования меди и никеля, но штейн, разбавленный сернистым железом, будет бедным. Для полного перевода никеля в штейн при плавке руды или концентрата не стремятся к полному шлакованию железа, оставляя часть его в штейне.

Кобальт по сродству к сере и кислороду занимает промежуточное положение между железом и никелем.

Расплавленный штейн продувают в конвертере, добавляя кварц; железо, окисляясь, шлакуется кремнеземом.

Основной продукт конвертерного передела – медно-никелевый файнштейн – представляет собой сплав сульфидов меди и никеля, содержащий 1–3 % железа.

Кобальт при продувке частично шлакуется вместе с железом.

Конвертерный шлак иногда направляют в отдельный передел для извлечения кобальта. Благородные металлы концентрируются почти полностью в файнштейне.

---