Производство вольфрама

Размещено на http://www.allbest.ru/

Липецкий государственный технический университет

Металлургический институт

Кафедра металлургических технологий

Курсовая работа

по дисциплине: "Цветные металлы и их сплавы"

на тему: "Производство вольфрама"

Студент О.И. Васильев

Старший преподаватель Т.В. Кравченко

Липецк 2019

Содержание

Введение

Глава 1. Общие положения химического элемента "вольфрам"

Глава 2. Теоретические аспекты производства вольфрама

Глава 3. Область получения и применения вольфрама

Заключение

Список использованных источников

Введение

Объект исследования - химический элемент - вольфрам.

Предмет исследования - производство вольфрама.

Цель исследования: детально изучить процесс производства вольфрама.

Задачи представленной курсовой работы следующие:

1. Проанализировать общие положения понятия "вольфрам", происхождение, корни данного термина и т.д.

2. Изучить этапы производства вольфрама.

3. Выявить область применения и добычи вольфрама в России.

Курсовая работа представляет собой проект из трех глав, введения, заключения и списка использованных источников. В каждой главе предполагается разрешение одной из поставленных во ведении задач. Заключение, в свою очередь, подытоживает все проделанные ранее исследования и полученную информацию.

Список использованных источников предполагает наличие разнообразных источников поиска информации для написания данной курсовой. В данной работе имеются ссылки на использованные в работе источники (интернет-ресурсы, печатные издания).

Глава 1. Общие положения химического элемента "вольфрам"

Вольфрам - химический элемент с атомным номером 74 в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева, обозначается символом W (лат. Wolframium). При нормальных условиях представляет собой твёрдый блестящий серебристо-серый переходный металл.

Вольфрам - самый тугоплавкий из металлов. Более высокую температуру плавления имеет только неметаллический элемент - углерод. При стандартных условиях химически стоек.

Название Wolframium перешло на элемент с минерала вольфрамит, известного ещё в XVI в. под названием "волчья пена" - "Spuma lupi" на латыни, или "Wolf Rahm" по-немецки. Название было связано с тем, что вольфрам, сопровождая оловянные руды, мешал выплавке олова, переводя его в пену шлаков ("пожирает олово как волк овцу").

В настоящее время в США, Великобритании и Франции для вольфрама используют название "tungsten" (швед. tung sten - "тяжелый камень").

В 1781 году знаменитый шведский химик Шееле, обрабатывая азотной кислотой минерал шеелит, получил жёлтый "тяжёлый камень" (триоксид вольфрама). В 1783 году испанские химики братья Элюар сообщили о получении из саксонского минерала вольфрамита как растворимой в аммиаке жёлтой окиси нового металла, так и самого металла. При этом один из братьев, Фаусто, был в Швеции в 1781 году и общался с Шееле. Шееле не претендовал на открытие вольфрама, а братья Элюар не настаивали на своём приоритете.

Вольфрам - блестящий светло-серый металл, имеющий самые высокие доказанные температуры плавления и кипения (предполагается, что сиборгий ещё более тугоплавок, но пока что об этом твёрдо утверждать нельзя - время существования сиборгия очень мало). Температура плавления - 3695 K (3422 °C), кипит при 5828 K (5555 °C). Плотность чистого вольфрама составляет 19,25 г/смі. Обладает парамагнитными свойствами. Твёрдость по Бринеллю 488 кг/ммІ, удельное электрическое сопротивление при 20 °C - 55·10?9 Ом·м, при 2700 °C - 904·10?9 Ом·м. Хорошо поддаётся ковке и может быть вытянут в тонкую нить.

Имеет валентность II, III и VI. Наиболее устойчив VI валентный вольфрам. II, III валентные соединения вольфрама неустойчивы и практического значения не имеют.

В обычных условиях Вольфрам химически стоек. При 400-500°С 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.

Вольфрам образует четыре оксида:

· высший - WO3 (вольфрамовый ангидрид),

· низший - WO2 и

· два промежуточных W10О 29 и W4O11.

Вольфрамовый ангидрид - кристаллический порошок лимонно-жёлтого цвета, растворяющийся в растворах щелочей с образованием вольфраматов. При его восстановлении водородом последовательно образуются низшие оксиды и вольфрам Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И., Войткун Ф., Материаловедение, М.: МИСИС, 2017, 600с.

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 Н 2WО 4 разлагается с образованием WO3 и воды.

С хлором вольфрам образует ряд хлоридов и оксихлоридов. Наиболее важные из них: WCl6 (tпл 275°С, tкип 348°C) и WO2Cl2 (tпл 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 (tпл 2900°C) и W2C (tпл 2750°С) - твердые тугоплавкие соединения; получаются при взаимодействии Вольфрама с углеродом при 1000-1500°С

Таким образом в первой главе нашей курсовой работы мы разобрали понятие и особенности химического элемента "вольфрам", тем самым решив первую, поставленную нами, задачу.

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 соли Фистуль В.И. Новые материалы (состояние, проблемы и перспективы): Учебное пособие для ВУЗов. - М: МИСИС, 2015.-142с..

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 вольфрам Фистуль В.И. Новые материалы (состояние, проблемы и перспективы): Учебное пособие для ВУЗов. - М: МИСИС, 2015.-142с..

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 освещении Электронный ресурс: https://www.bibliofond.ru/view.aspx?id=808376.

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.

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 лучей Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И., Войткун Ф., Материаловедение, М.: МИСИС, 2017, 600с.

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 вольфрама Электронный ресурс: https://www.bibliofond.ru/view.aspx?id=808376.

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; <l г/л F; <0,025 г/л P; <0,015 г/л As. Из очищенных растворов осаждают вольфрамат кальция:

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.

Заключение

Проделав работу и изучив вольфрам, как вещество мы установили, что вольфрам является важным редким металлом, характерным представителем своего класса. Вольфрам нашёл широкое применение в металлургии при получении сплавов с уникальными свойствами, которые мы также рассмотрели ранее.

В первой главе нашей курсовой работы мы разобрали понятие и особенности химического элемента "вольфрам", тем самым решив первую, поставленную нами, задачу.

Во второй главе нашей курсовой рабы мы решили вторую запланированную задачу, а именно: изучили теоретические аспекты нескольких вариантов производства вольфрама.

В третьей главе представленной курсовой работы мы обосновали область применения, использования вольфрама, а также подготовились к подведению итогов проделанной работы.

Таким образом, выполнив все поставленные ранее задачи, осуществив цель исследования, можно считать проделанную работу на курсовым проектом успешной.

Список использованных источников

1. Фистуль В.И. Новые материалы (состояние, проблемы и перспективы): Учебное пособие для ВУЗов. - М: МИСИС, 2015.-142с.

2. В.В. Астанин. Микроструктурный дизайн перспективных материалов и композитов на их основе. Учебное пособие. - Уфа: УГАТУ, 2010. -60с.

3. В.В. Будилов. Проектирование технологического процесса вакуумно-плазменной обработки деталей двигателей летательных аппаратов. Учебное пособие - Уфа, УАИ, 2018, 85с.

4. Р.З. Валиев, И.В. Александров. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. - М.: Логос, 2011.- 272с.

5. Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И., Войткун Ф., Материаловедение, М.: МИСИС, 2017, 600с

6. К.Г. Шмитт-Томас, Металловедение для машиностроения М.: Металлургия, 2015-512с.

7. С.И. Венецкий. Загадки и тайны мира металлов. - М.: МИСИС, 2013.- 376с

8. В.А. Роменец. Ромелт" - полностью жидкофазный процесс получения металла. Металлы, 2012, №12, с.3

9. M. Richert. The effect of unlimited cumulatiion of large plastic strains on the structure-softening processes of 99.999 Al. Mater.Sci.Eng. A129 (1990) 1-10

10. Электронный ресурс: https://www.bibliofond.ru/view.aspx?id=808376

Размещено на Allbest.ru