Раздел 2. Металлургия никеля
2.1 Свойства никеля и его применение
Как химический элемент никель был открыт 1751 году, а в чистом виде получен в 1804 году. Широкое применение металл получил только в конце 19 века.
В периодической системе элементов Д. И. Менделеева никель расположен в VIII группе 4-го периода под номером 28, образуя вместе с кобальтом и железом триаду. В наиболее устойчивых химических соединениях никель двухвалентен, хотя встречается иногда и в трехвалентном состоянии.
Атомная масса никеля 58,7. Температура плавления 14550С, температура кипения ~ 30000С.
Чистый никель-металл светло-серебристого цвета. Его поверхность характеризуется очень высокой отражающей способностью. Никель обладает достаточно высокими прочностью и пластичностью. Он хорошо обрабатывается как в горячем, так и в холодном состояниях, легко прокатывается в листы толщиной до 0,02 мм и протягивается в проволоку диаметром до 0,01 мм. До температуры 357,6°С никель магнитен.
В химическом отношении никель малоактивный металл. Он имеет высокую коррозионную стойкость в атмосфере воздуха, устойчив к воздействию воды и многих агрессивных сред, например щелочей. Заметное окисление никеля на воздухе наблюдается при температурах выше 700-800 °С. Серная и соляная кислоты растворяют никель медленно, а в азотной он растворяется легко. Органические кислоты воздействуют на никель только после длительного соприкосновения с ним.
С кислородом никель образует два основных оксида: NiOиNi2O3. Последний при нагреве разлагается с образованием Ni3O4.
Никель имеет большое сродство к сере, образуя два установленных сульфида составов NiSи Ni3S2, встречающиеся в природе. Наиболее устойчивым является Ni3S2, имеющий температуру плавления 788°С.
В металлургии важное значение имеют карбид никеля (NiС3) и карбонил [Ni(СО)4]. При температуре выше 1800С карбонил разлагается с выделением металлического никеля:
Ni(CO)4
↔Ni+ 4CO.
На этом свойстве основан процесс по очистке никеля от других металлов (Cu, Fe), которые подобных соединений не образуют.
С металлами никель образует многочисленные сплавы, из которых наибольший интерес представляют сплавы с железом, кобальтом, медью, цинком, хромом и молибденом. В настоящее время известно более 3000 сплавов, содержащих никель. На производство никелевых сплавов идет до 80% производимого никеля. Присутствие никеля в сплавах придает им разнообразные ценные свойства, удовлетворяющие самым высоким требованиям современной техники: жаропрочность, кислотостойкость, вязкость, улучшенные магнитные свойства, красивый внешний вид и др.
Важную роль никель играет в получении конструкционных, нержавеющих и жаропрочных сталей.
В чистом виде никель используется в качестве защитных и декоративных покрытий на железе и других металлах, для изготовления химических аппаратов и посуды с высокой коррозионной стойкостью, труб, листов.
До 10% производимого никеля идет на производство никелевого порошка (используется в качестве катализатора).
2.2 Сырье для получения никеля
Содержание никеля в земной коре около 0,01%.
Известны два типа никелевых руд, резко различающихся по химическому составу и свойствам: окисленные никелевые и сульфидные медно-никелевые.
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. Из окисленных никелевых минералов промышленное значение имеют:
-гарниерит (Ni, Mg)O · SiO2· 2H2O,
-ревденскит 3(Ni, Mg)O · 2SiO2· 2H2O,
-бунзеит NiO.
В окисленных рудах никеля содержится от десятых долей до 1,5-3%. Редко бывает ≥ 5% Ni. 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%); встречается хром – 1-2% и более.
Пустая порода, составляющая основную массу руды, представлена глиной, тальком, другими силикатами, бурым железняком, 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.
По внешнему виду окисленные никелевые руды похожи на глину. Для них характерны пористое, рыхлое строение, малая прочность кусков, высокая гигроскопичность (до 40 %). Рациональных методов обогащения таких руд до сих пор не найдено, и они после соответствующей подготовки (усреднения) непосредственно поступают в металлургическую переработку.
В России промышленные месторождения окисленных никелевых руд расположены на Урале, за рубежом - в Новой Каледонии, на Кубе, Филиппинах, в США, Бразилии, Индонезии, Австралии и Греции.
Сульфидные медно-никелевые руды комплексное сырье. Они содержат 0,3-5,5% никеля, достаточное количество меди (0,2-1,9%), небольшое количество кобальта (до 0,2%), металлы платиновой группы (платина, палладий, родий, рутений, осмий и иридий), золото, серебро, селен и теллур. В отдельных случаях ценность благородных и редких металлов превышает ценность меди и никеля.
В сульфидных рудах никель присутствует главным образом в виде следующих минералов:
- пентландита (Ni,Fe)S,
- миллерита NiS,
- полидимита Ni3S4,
- природного ферроникеля Fe-Ni.
При металлургической переработке сульфидных руд извлекают 14 (включая серу) ценных компонентов.
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 сульфидные медно-никелевые руды характеризуются высокой механической прочностью, негигроскопичны и могут подвергаться обогащению. Основной метод обогащения – флотация.
Следует отметить, что обогащению обычно подлежат только сравнительно бедные руды (не более 1,5-2,5% Ni). Богатые руды после соответствующей подготовки отправляют на плавку.
В России месторождении сульфидных медно-никелевых руд находятся в северных районах страны – на Таймырском и Кольском полуостровах. За рубежом запасы медно-никелевых руд сосредоточены в Канаде и Австралии.