Никель

 

3. Получение

 

Крупнейшими странами –  производителями первичного никеля являются Китай, Россия, Япония, Австралия  и Канада. Причем Китай за последние  годы совершил настоящий рывок. Так, если в 1994 году китайские предприятия  произвели всего 30 тыс. т. первичного никеля, то в 2004 году объем производства данного металла составил уже примерно 75 тыс. т. В 2010 году объем производства никеля в Китае составил почти 350 тыс. тонн, включая около 180 тыс. тонн никеля в чугуне.

Значительную часть никеля получают из сульфидных медно-никелевых руд. После селективного обогащения методом флотации из руды выделяют медный, никелевый и пирротиновый концентраты. Никелевый рудный концентрат в смеси с флюсами плавят в электрических шахтах или отражательных печах с целью отделения пустой породы и извлечения никеля в сульфидный расплав (штейн), содержащий 10-15% Ni. Обычно электроплавке предшествуют частичный окислительный обжиг и окускование концентрата. Наряду с Ni в штейн переходят часть Fe, Со и практически полностью Сu и благородные металлы. После отделения Fe окислением (продувкой жидкого штейна в конвертерах) получают сплав сульфидов Cu и Ni - файнштейн, который медленно охлаждают, тонко измельчают и направляют на флотацию для разделения Cu, и Ni. Никелевый концентрат обжигают в кипящем слое до NiO. Металл получают восстановлением NiO в электрических дуговых печах. Из чернового никеля отливают аноды и рафинируют электролитически. Содержание примесей в электролитном Н. 0,01%. Для разделения Cu и Ni используют также т. н. карбонильный процесс, основанный на обратимости реакции:

 

Ni+4CO=Ni(CO)

 

Получение карбонила проводят при 100-200 атм. и при 200-250 °С, а его  разложение - без доступа воздуха  при атмосферном давлении и около 200 °С. Разложение Ni (CO)4 используют также  для получения никелевых покрытий и изготовления различных изделий (разложение на нагретой матрице). В  современных "автогенных" процессах  плавка осуществляется за счёт тепла, выделяющегося при окислении  сульфидов воздухом, обогащенным  кислородом. Это позволяет отказаться от углеродистого топлива, получить газы, богатые SO2, пригодные для производства серной кислоты или элементарной серы, а также резко повысить экономичность  процесса.

Наиболее совершенно и  перспективно окисление жидких сульфидов. Всё более распространяются процессы, основанные на обработке никелевых  концентратов растворами кислот или  аммиака в присутствии кислорода  при повышенных температурах и давлении (автоклавные процессы). Обычно никель переводят в раствор, из которого выделяют его в виде богатого сульфидного концентрата или металлического порошка (восстановлением водородом под давлением). Из силикатных (окисленных) руд никель также может быть сконцентрирован в штейне при введении в шихту плавки флюсов - гипса или пирита. Восстановительно-сульфидирующую плавку проводят обычно в шахтных печах; образующийся штейн содержит 16-20% Ni, 16-18% S, остальное - Fe. Технология извлечения никель из штейна аналогична описанной выше, за исключением того, что операция отделения Cu часто выпадает. При малом содержании в окисленных рудах Со их целесообразно подвергать восстановительной плавке с получением ферроникеля, направляемого на производство стали. Для извлечения никель из окисленных руд применяют также гидрометаллургические методы - аммиачное выщелачивание предварительно восстановленной руды, сернокислотное автоклавное выщелачивание и др.

Способность никеля растворять в себе значительное количество других металлов и сохранять при этом пластичность привела к созданию большого числа никеля сплавов. Полезные свойства никеля сплавов в определенной степени обусловлены свойствами самого никеля, среди которых наряду со способностью образовывать твёрдые растворы со многими металлами выделяются ферромагнетизм, высокая коррозионная стойкость в газовых и жидких средах, отсутствие аллотропических превращений.

С конца 19 века сравнительно широко используются медно-никелевые сплавы, обладающие высокой пластичностью в сочетании с высокой коррозионной стойкостью, ценными электрическими и др. свойствами. Практическое применение находят сплавы типа модель - металла, которые наряду с куниалями выделяются среди конструкционных материалов высокой химической стойкостью в воде, кислотах, крепких щёлочах, на воздухе, Важную роль в технике играют ферромагнитные сплавы Ni (40-85%) с Fe, относящиеся к классу магнитно-мягких материалов. Среди этих материалов имеются сплавы, характеризующиеся наивысшим значением магнитной проницаемости, её постоянством, сочетанием высокой намагниченности насыщения и магнитной проницаемости.

Такие сплавы применяют во многих областях техники, где требуется  высокая чувствительность рабочих  элементов к изменению магнитного поля. Сплавы с 45-55% Ni, легированные в  небольших количествах Cu или Со, обладают коэффициентом линейного  термического расширения, близким к  коэффициенту линейного термического расширения стекла, что используется в тех случаях, когда необходимо иметь герметичный контакт между  стеклом и металлом. Сплавы Ni с  Со (4 или 18%) относятся к группе магнитострикционных  материалов. Благодаря хорошей коррозионной стойкости в речной и морской  воде такие сплавы являются ценным материалом для гидроакустической  аппаратуры. В начале 20 в. стало известно, что жаростойкость Ni на воздухе, достаточно высокая сама по себе, может быть улучшена путём введения Al, Si или Cr. Из сплавов такого типа важное практическое значение благодаря хорошему сочетанию  термоэлектрических свойств и жаростойкости  сохраняют сплав никеля с Al, Si и Mn (алюмель) и сплав Ni с 10% Cr (хромель). Хромель- алюмелевые термопары относятся к числу наиболее распространенных термопар, применяемых в промышленности и лабораторной технике. Находят практическое использование также термопары из хромеля и копеля. Важное применение в технике получили жаростойкие сплавы Ni c Cr - нихромы.

Наибольшее распространение  получили нихромы с 80% Ni, которые  до появления хромалей были самыми жаростойкими промышленными материалами. Попытки удешевить нихромы уменьшением  содержания в них Ni привели к созданию т. н. ферронихромов, в которых значительная часть Ni замещена Fe. Наиболее распространённой оказалась композиция из 60% Ni, 15% Cr и 25% Fe. Эксплуатационная стойкость большинства  нихромов выше, чем ферронихромов, поэтому  последние используются, как правило, при более низкой температуре. Нихромы  и ферронихромы обладают редким сочетанием высокой жаростойкости и высокого электрического сопротивления (1,05-1,40 мкОмЧм). Поэтому они вместе с хромалями  представляют собой два наиболее важных класса сплавов, используемых в  виде проволоки и ленты для  изготовления высокотемпературных  электрических нагревателей.

Для электронагревателей  в большинстве случаев производят нихромы, легированные кремнием (до 1,5%) в сочетании с микродобавками редкоземельных, щёлочноземельных или  др. металлов. Предельная рабочая температура  нихромов этого типа составляет, как  правило, 1200 °С, у ряда марок 1250 °С. никелевые сплавы, содержащие 15-30% Cr, легированные Al (до 4%), более жаростойки, чем сплавы, легированные Si. Однако из них труднее получить однородную по составу проволоку или ленту, что необходимо для надёжной работы электронагревателей. Поэтому такие никелевые сплавы используются в основном для изготовления жаростойких деталей, не подверженных большим механическим нагрузкам при температурах до 1250 °С. Во время 2-й мировой войны 1939-45 в Великобритании было начато производство жаропрочных сплавов Ni - Cr - Ti - Al, называемых нимониками. Эти сплавы, возникшие как результат легирования нихрома (типа X20H80) титаном (2,5%) и алюминием (1,2%), имеют заметное преимущество по жаропрочности перед нихромами и специальными легированными сталями. В отличие от ранее применявшихся жаропрочных сталей, работоспособных до 750-800 °С, нимоники оказались пригодными для эксплуатации при более высоких температурах. Появление их послужило мощным толчком для развития авиационных газотурбинных двигателей. За сравнительно короткий срок было создано большое число сложнолегированных сплавов типа нимоник (с Ti, Al, Nb, Ta, Со, Mo, W, В, Zr, Ce, La, Hf) с рабочей температурой 850-1000 °С. Усложнение легирования ухудшает способность сплавов к горячей обработке давлением. Поэтому наряду с деформируемыми сплавами широкое распространение получили литейные сплавы, которые могут быть более легированными, а следовательно, и более жаропрочными (до 1050 °С). Однако для литых сплавов характерны менее однородная структура и, как следствие этого, несколько больший разброс свойств. Опробованы способы создания жаропрочных композиционных материалов введением в никель или никелевые сплавы тугоплавких окислов тория, алюминия, циркония и других соединений. Наибольшее применение получил никелевые сплавы с высокодисперсными окислами тория (ТД-никель). Важную роль в технике играют легированные сплавы Ni - Cr, Ni - Mo и Ni - Mn, обладающие ценным сочетанием электрических свойств: высоким удельным электрическим сопротивлением (r = 1,3-2,0 мкомЧм), малым значением температурного коэффициента электрического сопротивления (порядка 10-5 1/°С), малым значением термоэдс в паре с медью (менее 5 мв/°С). По величине температурного коэффициента электрического сопротивления эти сплавы уступают манганину в интервале комнатных температур, однако, имеют в 3-4 раза большее удельное электрическое сопротивление. Главная область применения таких сплавов - малогабаритные резистивные элементы, от которых требуется постоянство электрических свойств в процессе службы. Элементы изготавливаются, как правило, из микропроволоки или тонкой ленты толщиной 5-20 мкм. Сплавы на основе Ni - Mo и Ni - Cr применяют также для изготовления малогабаритных тензорезисторов, характеризующихся почти линейной зависимостью изменения электрического сопротивления от величины упругой деформации. Для химической аппаратуры, работающей в высокоагрессивных средах, например в соляной, серной и фосфорной кислотах различной концентрации при температурах, близких к температуре кипения, широко используются сплавы Ni - Mo или Ni - Cr - Mo, известные за рубежом под названием хастелой, реманит и др., а в СССР - сплавы марок H70M28, Н70М28Ф, Х15Н55М16В, Х15Н65М16В. Эти сплавы превосходят по коррозионной стойкости в подобных средах все известные коррозионностойкие стали. В практике применяют ещё целый ряд никелевых сплавов (с Cr, Mo, Fe и др. элементами), обладающих благоприятным сочетанием механических и физико-химических свойств, например коррозионностойкие сплавы для пружин, твёрдые сплавы для штампов и др.

 

4. Применение никеля

 

Никель — ценная легирующая добавка к стали. Он повышает прочность  и одновременно пластичность сталей. Никель в сочетании с хромом обеспечивает высокую антикоррозионную стойкость  сталей и повышает их теплоустойчивость. Широкое применение получили хромоникелевые нержавеющие и теплоустойчивые  стали.

Известны также никелевые  сплавы, в которых никель является преобладающим элементом. К ним  относят сплавы никеля с алюминием, хромом, марганцем, кремнием, предназначенные  для изготовления нагревателей (алюмель, хромель, нихром), сплав с железом - так называемый пермаллой, которому после специальной термической  обработки сообщается высокая магнитная  проницаемость, а также монель —  сплав с медью, железом и марганцем, высокостойкий против коррозии.

Никель применяют также для никелирования железа и других металлов в качестве противокоррозионного и декоративного покрытия, для изготовления щелочных аккумуляторов и в качестве катализатора в разных химических процессах.

Чугуны, содержащие никель, используют в химическом машиностроении. Промышленное производство никеля начато более ста лет назад, при этом около 80% всего производимого никеля расходуют для производства сталей, легированных никелем, и никелевых  сплавов.

Главными первичными потребителями  никеля являются производители нержавеющей  стали. На их долю приходится около 2/3 всего  потребления в мире. Никель используется также в производстве специальных  сталей и сплавов, в гальванотехнике (никелирование), катализаторах, батареях и т.д.

 

 

 

 

Основные конечные потребители  никеля – транспорт, машиностроение, строительство, химическая промышленности, производство посуды и прочих изделий  быта.

 

 

 

 

Интересно, что на рынке  никеля страны основные производители  данного металла, за исключением, пожалуй, Японии и Китая, не являются его основными  потребителями.

 Согласно оценке INSG, потребление никеля в 2010 году увеличилось до 1,46 млн. тонн с 1,24 млн. тонн в 2009 году - главным образом за счет роста спроса со стороны Китая.

 Потребление никеля  в мире в последние годы  растет преимущественно благодаря  увеличению спроса на данный  металл со стороны китайских  производителей нержавеющей стали,  для производства которой в  мире используется около 2/3 производимого  никеля.

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

Никель является одним  из чрезвычайно важных металлов; он имеет свою замечательную историю  и заманчивые перспективы дальнейшего  применения.

В развитии человеческой культуры, в особенности народов Закавказья, Средней Азии, Китая, Индии и Египта, известны примеры применения никельсодержащих сплавов более чем за 3000 лет  до нашей эры.

В истории первобытной  культуры, в так называемом железном веке никелю, наряду с его аналогом - железом, принадлежит особое место, так как эти два металла сопутствовали друг другу в самородном железе и особенно в метеоритном железе. Многие металлические изделия, найденные в Египте, оказались изготовленными за 3000 - 4000 лет до н.э. из метеоритного железа, содержащего от 6 до 50-60% никеля.

Но, разумеется, это было случайным применением никеля, без  знания его как металла, без знания его свойств и методов его  получения в чистом виде. С конца XVIII столетия, с развитием естественных наук и в особенности химии, в орбиту хозяйственной деятельности человека стало вовлекаться все большее и большее число металлов. В середине XVIII века был открыт никель как элемент.

В успешном развитии химической науки XIX века, в подготовке и открытии величайшего закона природы - периодического закона химических элементов, сформулированного Д. И. Менделеевым в 1869 г., никель и его аналоги играли исключительно важную роль. Элементы VIII группы имели большое значение в обосновании периодической системы элементов - в изучении периодического характера изменения свойств элементов, так как они были связующим звеном между элементами основной подгруппы и побочных групп (подгруппы В) периодической системы, объясняя скачкообразный характер изменения свойств элементов по периодам.

Как теперь ясно, именно через  эти крайние элементы VIII группы - никель, палладий и платину - и далее через элементы нулевой группы происходит переход к элементам I группы (подгруппы В) и выявляется периодичность изменения свойств элементов.

С середины XIX века никель стал находить практическое применение. Как  легирующий элемент, придающий высокую  вязкость и прочность сталям, как  химически стойкий металл и как  основа многих металлических сплавов  с особыми физическими свойствами - электрическими, магнитными и другими. Никель становится важнейшим техническим металлом. Быстрое развитие мирового производства никеля объясняется широкими и разносторонними потребностями быстро развивающейся техники XIX, XX и ХХI веков. Большое значение получили различного назначения чугуны, содержащие никель.

С развитием многих отраслей техники появилась потребность  в высоколегированных сталях и сплавах  с особыми физическими, химическими  и механическими свойствами. В  этом отношении первостепенная роль принадлежала и принадлежит никелю, никелевым сталям и никелевым  сплавам. К настоящему времени насчитывается  более 3000 составов различных сталей и сплавов, где никель является основой  или присутствует как легирующий элемент.