Файл: Способы получения никеля и его применение.docx

Охлажденный файнштейн дробят, измельчают и подвергают флотации. При этом получают два концентрата: никелевый, состоящий почти из чистого Ni₃S₂ , и медный, содержащий Cu₂S; последний перерабатывают на медь обычным медным концентратом плавкой на штейн и продувкой в конвертере.

Никелевый концентрат обжигают, окисляя его по реакции

2Ni₃S₂ + 7O₂ = 6NiO + 4SO₂ .

Полученный таким образом серый порошок закиси никеля, содержащий окислы кобальта и платиновые металлы, восстанавливают углем в электропечах до металла, который разливают в аноды.

Никелевые аноды подвергают электролитическому рафинированию, попутно извлекая из электролита кобальт и остаток меди, а из шлама – платиноиды.

Богатые крупнокусковые медно-никелевые руды плавят на штейн в шахтных печах, если пустая порода этих руд не слишком тугоплавка. В ряде случаев для руд, содержащих много окиси магния или другие тугоплавкие составляющие, приходится прибегать к электроплавке.

Флотационные концентраты и мелкие фракции богатых руд плавят в отражательных или электрических печах; при высоком содержании серы в этих материалах применяют предварительный обжиг.

Выбор способа плавки во многом зависит от состава сырья и местных экономических условий, в частности от наличия того или иного топлива и цены на электроэнергию.

Гидрометаллургический способ переработки сульфидных руд.

По этому способу измельченную руду или концентрат обрабатывают раствором аммиака и (NH₄)₂SO₄ в автоклавах под избыточным давлением воздуха около 506,7 кн/м² (7ат). Медь, никель и кобальт переходят в раствор в виде комплексных аммиачных солей, например по реакции

NiS + 2O₂ + 6NH₃ = Ni(NH₃)₆SO₄ .

Энергичное окисление сульфидов сопровождается выделением тепла, избыток которого отводят холодильниками, поддерживая в автоклаве температуру 70–80 ºС, сера, входящая в состав концентрата, при этом окисляется до S₂O3²⁻, S₃O₆²⁻и SO₄²⁻ , а железо выпадает в осадок в виде гидроокиси и основных сульфатов.

Отфильтрованный раствор кипятят для осаждения меди по реакции

Cu²⁺ + 2S₂O₃²⁻ = CuS + SO₄²⁻ + S + SO₂ .

После этого частично оставшуюся в растворе медь осаждают сероводородом, а очищенный от нее раствор

, содержащий никель и кобальт, обрабатывают в автоклаве водородом при давлении около 2,5 Мн/м² (25 ат) и температуре около 200 ºС.

Сначала осаждается основная масса никеля

Ni(NH3)₆²⁺ + H₂ = Ni + 2NH₄⁺ + 4NH₃

в виде частиц крупностью от 2 до 80 мкм. Отфильтровав осадок, остаток никеля и кобальт выделяют из раствора сероводородом.

При дальнейшей обработке осадка сульфидов кислородом и аммиаком в автоклаве растворяется кобальт. Нерастворимый осадок, содержащий преимущественно сульфид никеля, возвращают на основное выщелачивание, а из раствора действием водорода под давлением выделяют кобальт.

Схема сложна и требует дорогой аппаратуры; однако она позволяет извлекать из комплексных концентратов до 95 % Ni, около 90 % Сu и 50–75 % Со.

Плавка окисленных руд на штейне.

Наиболее распространенный в настоящее время способ переработки окисленных никелевых руд плавкой на штейн основан на различии сродства железа и никеля к кислороду и сере.

Никель путем сульфидирования переводится в штейн – сплав Ni₃S₂ и FeS; основная масса железа удаляется со шлаком:

6FeS+6NiO=6FeO+2Ni₃S₂ +S₂
2FeO + SiO₂ = FeSiO₄ .

Окисленные руды не содержат серы, поэтому ее приходится вводить, добавляя при плавке пирит или гипс. Гипс, восстанавливаясь до сернистого кальция, сульфидирует железо и никель. Действие гипса при плавке более сложно, чем действие пирита, однако во многих случаях все же пользуются гипсом, а не пиритом, так как гипс дешевле пирита и не дает
железистых шлаков.

Наиболее выгодно при переработке окисленных никелевых руд применять местный кобальтсодержащий пирит, в котором очень мало меди и нет благородных металлов.

Никелевый штейн, полученный в результате плавки руды с пиритом или гипсом, содержит до 60 % Fe, которое далее отделяют от никеля продувкой жидкого штейна в конвертере. При конвертировании происходит избирательное окисление железа и шлакование его добавляемым в конвертер кварцем – получается практически чистый от железа никелевый файнштейн. Конвертерный шлак богат никелем, поэтому он является оборотным продуктом – его возвращают в рудную плавку либо направляют на отдельную переработку для извлечения кобальта.

Файнштейн разливают в изложницы, затем измельчают и обжигают намертво:

2Ni₃S₂ + 7O₂ = 6NiO + 4SO₂ .

Закись никеля смешивают с малосернистым восстановителем, например с нефтяным коксом, и плавят в электрической печи при 1500 ºС, получая жидкий никель.

Никель отливают в аноды для электролитического рафинирования либо гранулируют, сливая его тонкой струей в воду.

Плавка окисленых руд на никелистый чугун ”ферроникель”.

Богатые окисленные руды иногда плавят в электрических печах с углем, восстанавливая из них все железо, никель и кобальт в природнолегированный чугун.

Подобную плавку сравнительно бедных руд проводят и в доменных печах, однако она имеет ограниченное применение.

Несмотря на преимущественное использование никеля в специальных сталях, выплавка его в виде сплава с железом не всегда приемлема: в сплав переходят кобальт, марганец, хром и другие примеси, случайные сочетания которых не всегда позволяют использовать ценные свойства этих металлов.

Кричный способ переработки окисленных руд

По этому способу руду, смешанную с углем, нагревают в трубчатых вращающихся печах при температуре около 1050 ºС, позволяющей восстановить вместе с никелем и кобальтом только часть железа. Восстановленные металлы получаются в виде зерен, смешанных с полурасплавленным шлаком. Охлажденный шлак дробят и извлекают из него кричный сплав электромагнитом. Способ не получил широкого распространения по тем же причинам, что и предыдущий, – из-за невозможности отдельного использования кобальта.

Гидрометаллургия окисленных руд.

По одному из этих способов, известному в литературе под названием кубинского, измельченную руду подвергают восстановительному обжигу в механических многоподовых печах в среде генераторного газа. При 600–700 ºС никель и кобальт восстанавливаются до металлов, а железо – только до закиси. Далее руду выщелачивают раствором аммиака в присутствии углекислоты и кислорода воздуха. Никель образует растворимые в воде аммиакаты по реакции

2Ni + 12NH₃ + 2CO₂ + O₂ = 2Ni(NH₃)₆CO₃.

После отделения пустой породы сгущением и промывкой раствор обрабатывают острым паром. В результате удаления избытка аммиака протекает гидролиз с выделением в осадок основных карбонатов никеля:

2Ni(NH₃)₆CO₃ + H₂O = NiCO₃Ni(OH)₂ + CO₂ + 12NH₃ .

Аммиак из газов поглощают водой и вновь направляют на выщелачивание. Закись никеля спекают на агломерационных машинах и в виде спека поставляют на сталеплавильные заводы.

Основные области применения никель и его сплавов

В чистом виде никель почти не применяется, основная масса его идет на производство различных сплавов с железом, медью, цинком и др. металлами. Добавляя в расплав железа никель, металлурги получают прочные и пластичные сплавы, которые обладают повышенной коррозионной стойкостью и устойчивостью к высоким температурам. Стоит отметить, что никелевые сплавы сохраняют свои качества при многократном длительном нагревании. Благодаря этим свойствам нержавеющая и термостойкая никелевая сталь применяется:

в пищевой и химической промышленности;
в нефтехимической промышленности и строительстве;
в медицине и фармацевтике;
в авиа- и машиностроении;
в изготовлении подводных кабелей;
в изготовлении нагревательных элементов промышленного оборудования;
в производстве постоянных магнитов;
в производстве станков и специального оборудования;
в изготовлении интерьерных элементов зданий;
в мебельной промышленности;
в изготовлении бытовых приборов и домашней утвари;

Благодаря своей пластичности и легкости в ковке из никеля получают очень тонкие изделия, например, полосы, ленты и листы из никеля. Также никель активно используют в производстве проволоки и прутков.

В пищевой и химической промышленности

В химической и пищевой промышленности чистый никель используется для изготовления разнообразной аппаратуры, в том числе тиглей, труб, приборов, посуды для выпаривания эфирных масел..

В нефтехимической промышленности и строительстве

Никелевые сплавы обычно используются в “рождественских елках" - комбинациях клапанов и трубопроводов, которые устанавливаются на устье скважины. Сталь с 9-процентным содержанием никеля прочна при экстремально высоких и очень низких температурах; она используется в теплообменниках, которые отводят тепло от нефти и газа при температуре около 392 градусов по Фаренгейту и охлаждают его до 70 градусов по Фаренгейту, обеспечивая безопасную транспортировку жидкости. Сталь и никелевые сплавы широко используются на газоперерабатывающих заводах и заводах по производству сжиженного природного газа из-за их высокой прочности и коррозионной стойкости.

В медицине и фармацевтике

Применяется при изготовлении брекет-систем; Протезирование. Образование алого осадка при добавлении диметилглиоксима к аммиачному раствору анализируемой смеси - лучшая реакция для качественного и количественного определения никеля. Но диметилгли-оксимат никеля нужен не только аналитикам. Красивая глубокая окраска этого комплексного соединения привлекла внимание парфюмеров: диметилглиоксимат никеля вводят в состав губной помады. Некоторые из подобных диметилглиоксимату никеля соединений - основа очень светостойких красок.

В авиа- и машиностроении

Никелевые сплавы широко используются в авиации и космонавтике благодаря своей высокой коррозионной стойкости, в том числе и при высоких температурах, а также ввиду их особых магнитных и тепловых свойств. Из них преимущественно изготавливают двигатели. За рубежом для этих целей чаще всего используются сплавы сплав NIMONIC 75 и сплав INCONEL, хорошо зарекомендовали себя в гражданских и военных реактивных двигателях. Alloy 600 является стандартным техническим материалом для применений, требующих стойкости к коррозии и высокой температуре. Его отличные механические свойства обеспечивают высокую прочность и хорошую обрабатываемость. В авиационном поле сплав INCONEL 600 используется для различных реактивных двигателей и компонентов планера, таких как шлюза, выхлопные трубы и уплотнения турбин. Выдающейся характеристикой сплава Iявляется его стойкость к высокотемпературному окислению и водной коррозии. INCONEL сплав 601 обладает высокой механической прочностью, он легко деформируется, обрабатывается и сваривается, что делает его широко используемым материалом в реактивных двигателях и аэрокосмической промышленности в целом. имеет широкое применение благодаря хорошим литейным характеристикам, структурной стабильности и высокой прочности, а также пластичности при повышенных температурах. Коммерческие применения включают лопасти реактивных двигателей. Сплав используется также при производстве турбинных лопаток энергетического оборудования. Используется в основном для применения в листовых конструкциях, которые подвергаются высокотемпературной коррозии при механических воздействиях (например, для корпусов самолётов или ракет). NIMONIC 75 хорошо обрабатывается и сваривается.

В изготовлении нагревательных элементов промышленного оборудования

Никель-хромовые сплавы, или нихром, вероятно, являются старейшими электронагревательными материалами и широко используются даже сейчас. Они проявляют свойства пластичности, прочности в горячем состоянии и стабильности формы. Три наиболее часто используемых состава, используемых при нагревании, включают следующее:

NiCr 80:20 (80% никеля, 20% хрома)

NiCr 60:15 (60% никеля, 26% хрома, остаточное железо)

NiCr 30:20 (35% никеля, 20% хрома, остаточное железо)

Недавно был представлен еще один сплав, который содержит 70% никеля и 30% хрома, который называется сплав NiCr 70:30 . Среди этих сплавов NiCr 70:30 материал 70/30 имеет самую высокую максимальную температуру элемента 1250 ° C на воздухе и максимальную температуру камеры 1150 ° C. Основной причиной его внедрения было противостояние «Зеленой гнили». Зеленая гниль может быть определена как межкристаллитное окисление хрома, которое происходит в других сортах нихрома при использовании в эндотермической или экзотермической атмосфере в диапазоне температур от 800 до 900 ° С.