Дәріс 9

Никель металлургиясы

Дәрістің мақсаты: Никельдің кендері, минералдары, никель алу технологиялары және қолданылуы туралы мәлімет алу

Жоспар:

1. Никельдің қасиеттері мен қолданылуы

2. Никельдің минералдары мен кендері

3. Тотыққан кендерден никель өндіру технологиясы

4. Сульфидті мыс - никель кендерінен никель өндіру технологиясы

Кілт сөздер: Тотыққан никель, штейнге балқыту, сульфидтелу, конвертерлеу, файнштейн, құбырлы айналмалы пештер.

Никельдің қасиеттері мен қолданылуы

Никельдің реттік номері 28

Атаомдық массасы 58,69

Балқу температурасы 1451ºС

Тығыздығы 8,92 г / cм³.

Никель 250 жыл бұрын (1751 жылы) ашылған, бірақ таза күйінде тек 1804 жылы алынды. XIX ғасырдың 80 - ші жылдарына дейін никель негізінен зергерлік бұйымдар өндірісінде ғана қолданылды. Осы металл болаттың тұтынушылық қасиеттерін елеулі жоғарылататыны анықталғаннан кейін, никель өндірісі тез қарқынмен дами бастады. КСРО - да никель металлургиясы XX ғасырдың 20 - 30 - шы жылдарында құрыла бастады.

Сульфидті никель кендері кешенді болып табылады, олардың құрамында қоспалар ретінде платина тобының металдары, сонымен қатар Сu, Аu, Ag, Se, Те кездеседі. Никель - ашылғаннан кейін 150 жыл бойы өндірістік қолданыс таба алмады. Тек ХІХ ғасырдың екінші жартысында никельдің болат сапасын жақсартатын керемет қасиеттері табылғаннан кейін ғана оны өндіру көлемдері тез қарқынмен дамыды.

Никельдің 70% - на жуығы ыстыққа төзімді және даттанбайтын болат өндіруде қолданылады. Басқа металдармен бірге никель қатты және аса қатты қорытпалар құрамына кіреді. «Инвар» қорытпасы өте төмен термиялық ұлғаю коэффициентіне ие; «нихром» қорытпасы қыздыру құралдарында қолданылады; серіппелі «элинвар» қорытпасы серіппелер үшін өте жақсы материал; никель қорытпаларының бірқатары жоғары магниттік қасиеттерге де ие. Тұрмыс пен техникада құрамына никель кіретін барлығы 3000 - нан астам қорытпалар қолданылады. Никель бірқатар химиялық үрдістерде катализатор ретінде, басқа металдар (мыс, темір) үшін декоротивтік және антикоррозиялық қаптама ретінде де қолданылады.

Диние жүзінде өндірілетін никель келесі салаларда қолданылады:

Легірленген болат 65 %

Басқа болаттар 10 %

Түсті металлургия 12 %

Электроқаптамалар 8 %

Химия және т.б. 5%

Никельдің минералдары мен кендері

Никель минералдарын екі топқа бөлуге болады:

1) сульфидті виоларит Ni₂FeS₄, зигенит (Co, Ni)₃S₄, полидимит Ni₃S₄, флетчерит Cu(Ni,Co)₂S₄ және т.б.;

2) тотыққан немесе силикатты смектиттер (нонтронит, монтмориллонит, бейделит, сапонит) X_0,33Y₂Si₄O₁₀(OH)₂ · 4H₂O (X - Ca, Na; Y - Fe, Al,Cr, Mg, Ni).

Әлемдік никель қорларының негізгі бөлігі (80 - 85%) силикатты минералдар (Жаңа Каледония, Индонезия мен Куба), бірақ қазіргі уақытта өндірісте негізінен сульфидті кендер (60 - 70%) қолданылуда (Ресей, Канада, Австралия мен Қытай). Никель негізінен Ресей (239 мың. т), Жапония (127,2 мың. т) мен Канадада (121,5 мың. т) өндіріледі.

Сурет 1 - Әлемдегі никель қорлары, мың. тонна

Сурет 2 - Әлемдегі никель өндірісі, мың. тонна

Тотыққан кендерден никель өндіру технологиясы

Штейнге балқыту

Тотыққан никель кендерін штейнге балқытуды негізінен кесекті материалдарды қолдануды қажет ететін шахталы пештерде жүзеге асырады. Табиғи тотыққан кендер мұндай талаптарды қанағаттандырмайтындықтан оларды балқыту алдында брикеттеу немесе агломераттау әдістерімен кесектейді.

Тотыққан никель кендерін шахталы пештерде балқытудың мақсаты - никель мен кобольтті штейнге өткізіп, бос жынысты қождамалау. Тотыққан материалдан штейннің түзілуі никель мен кобальттің тотықсыздануы мен сульфидтелуінің нәтижесінде орын алады. Шикіқұрам материалдары ретінде брикеттер немесе агломераттар, кокс, әктас, гипс немесе пирит қолданылады.

Штейн мен қож түзілу үрдістері тотықтардың тотықсыздануы мен сульфидтелуінің нәтижесінде жүреді. Тотықсыздану реакциялары СО газы мен кокстың қатты көміртегісімен жүреді.

NiO + CO = Ni + CO₂

NiSiO₃ + CO = Ni + CO₂ + SiO₂

Fe₂O₃ + CO = 2FeO + CO₂

FeO + CO = Fe + CO₂

Жоғары температураларда гипстің ыдырауы нәтижесінде түзілген күкірт тотығы никель мен темір тотықтарын сульфидтейді.

CaSO₄ + CO = CaO + SO₂ +CO₂

3NiO + 7CO + 2SO₂ = Ni₃S₂ + 7CO₂

FeO + 3CO + SO₂ = FeS + 3CO₂

Пиритепен сульфидтеу үрдісі оның ыдырауынан басталып,

FeS₂ = FeS + S

3NiO + 2S + 3CO = Ni₃S₂ + 3CO₂

пештің төменгі аймақтарында аяқталады

3NiO + 2 FeS + Fe = Ni₃S₂ + 3FeO.

1 тонна балқытылған кеннен шамамен 1,2 - 1,3 т қож бен 0,03 - 0,08 т штейн шығады.

Никель штейндерін ковертерлеу

Никель штейндері толығымен дерлік сульфид немесе бос металл түріндегі никель, кобальт пен темірден құралады. Конвертерлеудің мақсаты - темір, кобальт пен күкіртті тотықтыру арқылы никель файнштейннің алу. Штейн құрамындағы металдар әр - түрлі химиялық белсенділікке ие. Олардың оттегіге ынтықтығы келесі қатарда кемиді: Fe - Co -Ni - Cu. Сондықтан конвертерде алдымен темір тотығады.

6Fe + 3O₂ + 3SiO₂ = 3(2FeO SiO₂)

2FeS + 3O₂ + SiO₂ = 2FeO SiO₂ + 2SO₂

Кобальттің тотығуы темір толығымен қожға өткен кезде, әсіресе конвертерлеудің аяғында жоғары жылдамдықпен жүреді. Никель файнштейндерінің әдеттегі құрамы: 76 -78% Ni, 19 - 21% S, 0,2 - 0,4% Fe, 0,3 - 0,5% Co.