Свойства никеля и его применение

Никель — металл серебристо-белого цвета. По ряду свойств (температуре плавления, плотности, теплопроводности) он близок к железу и кобальту и характеризуется средней химической активностью. При обычной температуре в сухом воздухе никель заметно не реагирует с кислородом, но при нагревании до 500 °С окисляется довольно энергично. В порошкообразном состоянии никель пирофорен, т.е. воспла­меняется на воздухе при обычной температуре.

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.

СЫРЬЕ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ НИКЕЛЯ

Никель получают из окисленных никелевых и из сульфидных медно-никелевых руд. В сульфидных рудах никель представ­лен главным образом изоморфной смесью сульфидов железа и никеля (Ni, Fe)S, а пустая порода состоит из силикатов железа и магния, пирротина Fe₇S_g и других соединений. В этих рудах содержится 0,3-5,5 % Ni до 2,5 % Си, до 0,2 % Со и в небольших количествах металлы платиновой группы, а также Те, Se, Ag, Au.

Медно-никелевые руды обогащают флотационными способа­ми, получая медно-никелевый концентрат. Плавку руд с сум­марным содержанием более 4-5 % меди и никеля проводят без обогащения.

В окисленных рудах никель находится как правило в виде минералов ревдинскита 3(Ni, Mg)0 • 2Si0₂ • 2Н₂0 и гарние­рита nNiSiOj ■ mMgSi0₃ ■ Н_гО. Пустая порода состоит из алюмосиликатов, гидратированных оксидов железа, кварца и талька. Содержание никеля в этих рудах составляет 1—7 %, содержание кобальта достигает 0,15 %, медь или отсутст­вует, или Находится в незначительных количествах.

Окисленные руды, как правило, глинистые и содержат около 30% влаги. Перед плавкой их необходимо окусковы-вать, применяя для этого брикетирование или агломерацию, осуществляемую на ленточных агломерационных машинах. Ших­ту для агломерации измельчают до кусков размером 3—5 мм. Топливом служит коксик, расход его составляет 7,5—8,5 % от массы шихты.

При производстве никеля применяют также гипс, пирит, известняк, кварцевый флюс и древесный уголь.

§3. ПОЛУЧЕНИЕ НИКЕЛЯ ИЗ ОКИСЛЕННЫХ РУД

Переработка окисленных никелевых руд основана на том, что никель обладает большим химическим сродством к сере, чем

(Дробление, сушка, спекание)

Кокс

Флюсы

Гипс _1

[?

Т1

Плавка на штейн

I 1

Штейн Шлак

Продувка о конвертере В отвал

Шлак _1

Белый никелевый штейн

На извлечение Со

Дробление и изнельиение

Обжиг

I

Закись никеля

Газы и шло

Древесный

I Очистка от пыли

уголь

Газы В трубу-

Пыль L

Восстановление Никель

Рис. 242. Схема выплавки никеля из окисленных руд

к кислороду. Поэтому, чтобы отделить никель от пустой породы руды, его переводят в виде сульфида в штейн и далее из штейна получают никель.

Схема переработки окисленных руд приведена на рис. 242, а отдельные ее стадии описаны ниже.

Выплавка никелевого штейна

Штейн из окускованных окисленных никелевых руд обычно выплавляют в шахтных печах. По устройству и размерам они подобны печам, предназначенным для медной шахтной полу-пиритной плавки. Ширина печи 1,6-1,7, длина 10-16, высота около 7 м. Печь обычно снабжают 12—18 щелевидными фурмами размером 70x1200 мм. В качестве дутья используют воздух. Печи оборудованы наружным горном, где происходит разделе-

 

ние шлака и штейна, непрерывно выпускаемых из нижней час­ти печи. Кессоны, из которых выполнена шахта печи, охлаж­даются проточной водой или работают на испарительном ох­лаждении.

Целью плавки является максимальное извлечение никеля в штейн и перевод пустой породы руды в шлак.

Плавка является восстановительной, ее ведут с высоким расходом кокса (25—30% от массы агломерата). В печь за­гружают шихту, состоящую из агломерата или брикетов, гип­са или пирита, известняка и кокса. Кокс служит топливом, известняк вносит необходимый для формирования шлака оксид СаО, гипс CaS0₄ • Н_аО и пирит FeS₂ являются сульфидизато-рами, т.е. вносят необходимую для процесса серу.

В нижней части шахты у фурм кокс сгорает до СО с выде­лением тепла, температура • в этой зоне составляет около 1000 °С (в фокусе горения у фурм ~ 1600 °С). Газы, подни­мающиеся навстречу шихте, нагревают ее, сами охлаждаясь (их температура на выходе из печи равна 500—600 °С), а часть СО расходуется на восстановление оксидов шихты. Помимо окисления кокса в зоне высоких температур проте­кают следующие процессы:

—термическая диссоциация пирита (FS₂ = FeS + l/2S₂) и известняка;

—восстановление гипса после потери им гидратной влаги CaS0₄ + 4CO = CaS + 4С0₂;

—частичное восстановление газом СО никеля и железа из оксидов;

—химическое взаимодействие между составляющими шихты с образованием легкоплавких соединений, расплавление шихты;

—сульфидизация никеля ранее образовавшимися FeS и CaS:

3NiO + 3CaS = Ni₃S₂ + ЗСаО + l/2S₂;

3NiO + 3FeS = Ni₃S₂ + FeO + l/2S₂.

В нижней части шахты и в наружном горне расплав рас­слаивается на штейн и шлак. Получающийся никелевый штейн — это сплав сульфидов Ni₃S₂ и FeS, в котором в небольших количествах растворены свободные металлы — железо и никель. Выход штейна составляет 5-8 % от массы агломерата. В штейне содержится 15—20% Ni, 55—63% Fe, 17—23 % S и небольшое количество кобальта.

Вторым жидким продуктом является шлак, содержащий, %: 43-46 Si0₂, 4-10 А1₂0₃, 18-22 FeO, 15-20 СаО, 8-12 MgO и около 0,15 Ni, главным образом в виде корольков штейна. Выход шлака составляет 100—120% от массы агломерата.

Конвергирование никелевого штейна

Цель конвертирования — получить никелевый файнштейн (сплав Ni₃S₂ и Ni) путем окисления железа и связанной с ним серы. Процесс осуществляют в горизонтальных конвер­терах вместимостью 20-30 т, конструкция которых схожа с конструкцией горизонтальных конвертеров, применяемых для конвертирования медных штейнов (см. рис. 241). Дутьем служит воздух.

Штейн продувают постепенно, т.е. заливают порциями по 2—4 т с одновременной подачей кварцевого флюса для ошла-кования железа. При продувке вначале окисляется металли­ческое железо, его окисление длится до 45 мин, за это время накапливается количество штейна, соответствующее вместимости конвертера.

Основная реакция этого периода имеет вид 2Fe + 0₂ + + Si0₂ = (FeO)₂ • Si0₂. В результате этой экзотермической реакции расплав разогревается. Температуру рекомендуется держать на уровне 1300 °С. Чтобы не превышать этот уро­вень, в конвертер дают холодные присадки (ферроникель, твердый штейн).

В дальнейшем протекает окисление сульфида железа:

2FeS + ЗО_г + SiO_z = (FeO)₂ • SiQ₂ + 2S0₂.

Окисляется также значительная часть кобальта. Общая дли­тельность продувки равна 8—12 ч.

Получаемый файнштейн представляет собой сплав Ni₃S₂ с Ni, файнштейн разливают в изложницы. Он содержит 76—78% Ni, 19-21% S, 0,2-0,4% Fe, 0,3-0,5% Со И < 2 % Си.

Конвертерный шлак содержит 26-30% Si0₂, 55—60% FeO, около 1 % Ni и 0,2—0,5 % Со. Такой шлак, с целью извлече­ния кобальта и никеля, подвергают обеднению (обрабатывают штейном в обогреваемом конвертере или в электропечи), по­лучая кобальтовый штейн, содержащий 4-5 % Со и 24—30 % Ni. Этот штейн направляют в кобальтовое производство для извлечения кобальта и никеля.

 

Обжиг файнштейна

Окислительный обжиг файнштейна имеет целью удалить серу до содержания < 0,02 % и перевести никель в NiO.

В связи с тем, что глубокое удаление серы требует вы-

соких температур, а

Ni3S2

легкоплавок (t„„ = 788 °С)

может при высоких температурах спекаться, обжиг проводят в две стадии.. Первую стадию осуществляют в печах кипящего слоя, окисляя серу до содержания 1-2 % и поддерживая для предотвращения спекания частиц файнштейна температуру около 1000 °С.

Печь кипящего слоя для обжига файнштейна (рис. 243) футерована, имеет площадь пода 7—8 м² и расширяется кверху, чтобы уменьшить скорость отходящих газов и тем самым вынос пыли (частиц файнштейна). В поду из жароупор­ного бетона расположено множество (до 2000) отверстий (соцел) для подачи воздуха. Для загрузки шихты служит

воронка, а с противоположной стороны печи имеется разгру­зочное устройство.

Процесс обжига автогенный и непрерывный, через воронку в печь непрерывно загружают из­мельченный до < 0,5 мм файн-штейн. Восходящий снизу из со­пел поток воздуха поддерживает зерна файнштейна во взвешенном состоянии и они совершают дви­жение, похожее на кипение жид­кости, что обеспечивает хоро­ший контакт частиц с дутьем. Витающие в кипящем слое части­цы файнштейна окисляются по реакциям:

Рис. 243. Печь кипящего слоя для обжига файнштейна: / — под; 2 — загрузочное устрой­ство; 3 — кожух; 4 — футеровка; 5 — сопло; б — разгрузочное уст­ройство; 7 — воздухораспредели­тельная коробка

Ni₃S₂ + 3,50₂ = 3NiO + 2S0₂ и Ni + l/20₂ = NiO с выделе­нием тепла. Для повышения тугоплавкости шихты в нее до­бавляют оборотную пыль. Через разгрузочное устройство не­прерывно стекает продукт обжига— огарок. Выход огарка составляет 60—70 %, а пыли 30-40 %.

Вторую стадию обжига осуществляют в трубчатых вращаю­щихся печах. Такая печь (барабан) диаметром 2—3 и длиной до 50 м, футерована изнутри и установлена под углом 2—3° к горизонтали; благодаря наклону печи пересыпающийся при ее вращении мелкокусковой материал передвигается от верх­него конца к нижнему. Печь отапливают природным газом или мазутом, подаваемыми через горелку в нижнем ее конце.

Шихту, т.е. огарок с температурой 700—800 °С, загру­жают в верхний конец печи, двигаясь вниз, шихта нагре­вается факелом до ~ 1300 °С и высыпается из нижнего конца печи. Высокая температура и наличие в топочных газах кис­лорода (8—10 %) обеспечивают почти полное окисление серы огарка. Получаемый оксид никеля содержит, %: Ni ~ 78; Си 0,4; Со 0,4-0,5; Fe 0,2-0,4.

Огарок из обжиговой печи выходит с температурой ~950°С, ранее огарок просто охлаждали, а в настоящее время тепло используют для частичного восстановления NiO. Огарок ссыпают в трубчатый реактор, добавляя туда 4—8% нефтяного кокса. За счет физического тепла огарка проис­ходит восстановление части (до 40—50 %) NiO углеродом кокса. Предварительное восстановление ускоряет и удешев­ляет последующую плавку в электропечах.

Восстановительная плавка монооксида никеля

Целью восстановительной электроплавки является получение жидкого никеля из оксида NiO или предварительно частично восстановленного NiO. Плавку осуществляют в электродуго­вых печах за счет тепла, выделяющегося при горении элек­трических дуг между электродами и металлом. Печи по уст­ройству схожи с дуговыми сталеплавильными электропечами, вместимость печей 5—25 т, футеровка магнезитовая.

Перед этим, если огарок печи кипящего слоя содержит > 0,45 % Си, про­водят дополнительную операцию — обезмеживание. Огарок при 700—800 °С подг вергают обжигу в реакторе, подобном трубчатой печи, добавляя в него 10—15 % сильвинита (КО • NaCl), в результате чего медь переходит в растворимые в воде соединения СиС1₂ и CuS0_4> которые затем удаляют из огарка, растворяя в подкисленной воде.

Шихтой служат NiO, малосернистый нефтяной кокс (вос­становитель), известняк. Плавку проводят периодическим или полунепрерывным процессом. Плавка периодическим про­цессом длится 6—8 ч и включает загрузку шихты, расплавле­ние, доводку и выпуск металла. После слива предыдущей плавки в печь загружают смешанные в заданной пропорции NiO и коксик. При плавлении шихты происходит восстановле­ние NiO углеродом кокса:

NiO + С = Ni + СО

с образованием жидкого никеля, а также растворение угле­рода в никеле. После окончания восстановления проводят доводку с целью удаления избыточного углерода — в печь вводят NiO и углерод окисляется, реагируя с кислородом оксида. В этот период в печь загружают известняк, наводя известковый шлак, в который удаляется сера.

При полунепрерывном процессе в печи всегда имеется жидкий металл. Шихту непрерывно загружают на поверхность жидкой ванны через отверстие в своде печи. После набора требуемой массы восстановленного никеля загрузку прекра­щают и проводят доводку, после чего большую часть металла выпускают из печи, а далее вновь ведут непрерывную за­грузку шихты и наплавление ванны.

Готовый жидкий никель гранулируют, сливая в бассейн с водой, получая так называемый огневой никель в виде гра­нул, он содержит более 98,6 % Ni, менее 0,1 % С и менее 0,6% Си.

ПОЛУЧЕНИЕ НИКЕЛЯ