Wolfram to metal ciężki. Do produkcji używa się węglika wolframu

Wolfram to pierwiastek chemiczny układu okresowego Mendelejewa, który należy do VI grupy. W naturze wolfram występuje jako mieszanina pięciu izotopów. W swojej zwykłej formie i normalne warunki to twardy, srebrnoszary metal. Jest to również najbardziej ogniotrwały ze wszystkich metali.

Główne właściwości wolframu

Wolfram to metal o niezwykłych właściwościach fizycznych i chemicznych. Praktycznie wszystkie branże nowoczesna produkcja używany jest wolfram. Jego wzór jest zwykle wyrażany jako oznaczenie tlenku metalu – WO 3 . Wolfram jest uważany za najbardziej ogniotrwały z metali. Zakłada się, że tylko seaborgium może być jeszcze bardziej ogniotrwałe. Ale na razie nie można powiedzieć na pewno, ponieważ seaborgium ma bardzo krótki czas istnienia.

Ten metal ma specjalne właściwości fizyczne i Właściwości chemiczne. Wolfram ma gęstość 19300 kg/m3, jego temperatura topnienia wynosi 3410 ° C. Według tego parametru zajmuje drugie miejsce po węglu - graficie lub diamentie. W naturze wolfram występuje w postaci pięciu stabilnych izotopów. Ich liczby masowe mieszczą się w zakresie od 180 do 186. Wolfram ma szóstą wartościowość, aw związkach może wynosić 0, 2, 3, 4 i 5. Metal ma również dość wysoki poziom przewodności cieplnej. W przypadku wolframu liczba ta wynosi 163 W/(m*deg). Dzięki tej właściwości przewyższa nawet takie związki, jak stopy aluminium. Masa wolframu wynika z jego gęstości, która wynosi 19kg/m3. Stopień utlenienia wolframu waha się od +2 do +6. W wyższych stopniach utlenienia metal ma właściwości kwasowe, aw niższym - zasadowe.

W tym przypadku stopy o niższych związkach wolframu są uważane za niestabilne. Najbardziej odporne są związki o stopniu +6. Wykazują także najbardziej charakterystyczne właściwości chemiczne metalu. Wolfram ma tendencję do łatwego tworzenia kompleksów. Ale wolfram metalowy jest zwykle bardzo odporny. Dopiero w temperaturze +400 °C zaczyna oddziaływać z tlenem. Sieć krystaliczna wolframu należy do typu sześciennego skoncentrowanego na ciele.

Interakcja z innymi chemikaliami

Jeśli wolfram zmiesza się z suchym fluorem, można uzyskać związek o nazwie „sześciofluorek”, który topi się już w temperaturze 2,5 ° C, a wrze w 19,5 ° C. Podobną substancję uzyskuje się przez połączenie wolframu z chlorem. Ale taka reakcja wymaga wystarczająco wysokiej temperatury - około 600 ° C. Jednak substancja łatwo opiera się destrukcyjnemu działaniu wody i praktycznie nie ulega zmianom na mrozie. Wolfram to metal, który bez tlenu nie powoduje reakcji rozpuszczania w alkaliach. Jednak łatwo rozpuszcza się w mieszaninie HNO 3 i HF. Do najważniejszych związków chemicznych wolframu należą jego trójtlenek WO 3, H 2 WO 4 - kwas wolframowy, a także jego pochodne - sole wolframianu.

Możesz rozważyć niektóre właściwości chemiczne wolframu za pomocą równań reakcji. Na przykład wzór WO 3 + 3H 2 = W + 3H 2 O. W nim metal wolframowy jest redukowany z tlenku, przejawia się jego właściwość oddziaływania z wodorem. To równanie odzwierciedla proces otrzymywania wolframu z jego trójtlenku. Poniższy wzór oznacza taką właściwość, jak praktyczną nierozpuszczalność wolframu w kwasach: W + 2HNO3 + 6HF = WF6 + 2NO + 4H2O. Jedną z najbardziej niezwykłych substancji zawierających wolfram jest karbonyl. Z niego uzyskuje się gęste i ultra cienkie powłoki z czystego wolframu.

Historia odkryć

Wolfram to metal, którego nazwa pochodzi od języka łacińskiego. W tłumaczeniu to słowo oznacza „pianę wilka”. Tak niezwykła nazwa pojawiła się ze względu na zachowanie metalu. Towarzyszący wydobywanej rudy cyny wolfram przeszkadzał w uwalnianiu cyny. Z tego powodu podczas procesu wytapiania powstały tylko żużle. Mówiono, że ten metal „jedz cynę tak, jak wilk zjada owcę”. Dla wielu jest interesujące, kto odkrył pierwiastek chemiczny wolfram?

To jest odkrycie naukowe zostało wykonane jednocześnie w dwóch miejscach przez różnych naukowców, niezależnie od siebie. W 1781 roku szwedzki chemik Scheele uzyskał tak zwany „ciężki kamień” poprzez eksperymenty z kwasem azotowym i schelitem. W 1783 r. bracia chemicy z Hiszpanii o imieniu Eluard ogłosili również odkrycie nowego pierwiastka. Dokładniej, odkryli tlenek wolframu, który został rozpuszczony w amoniaku.

Stopy z innymi metalami

Obecnie rozróżnia się jednofazowe i wielofazowe stopy wolframu. Zawierają jeden lub więcej obcych elementów. Najbardziej znanym związkiem jest stop wolframu i molibdenu. Dodatek molibdenu nadaje wolframowi wytrzymałość na rozciąganie. Również związki wolframu z tytanem, hafnem i cyrkonem należą do kategorii stopów jednofazowych. Największą plastyczność wolframu nadaje ren. Jednak praktyczne zastosowanie takiego stopu jest dość pracochłonnym procesem, ponieważ ren jest bardzo trudny do uzyskania.

Ponieważ wolfram jest jednym z najbardziej ogniotrwałych materiałów, uzyskanie stopów wolframu nie jest łatwym zadaniem. Kiedy ten metal dopiero zaczyna się gotować, inne przechodzą już w stan ciekły lub gazowy. Ale współcześni naukowcy są w stanie uzyskać stopy w procesie elektrolizy. Stopy zawierające wolfram, nikiel i kobalt są używane do nakładania warstwy ochronnej na delikatne materiały.

Nowoczesny przemysł metalurgiczny również produkuje stopy z użyciem proszku wolframu. Jego tworzenie wymaga specjalnych warunków, w tym stworzenia środowiska próżniowego. Ze względu na pewne cechy oddziaływania wolframu z innymi pierwiastkami, metalurdzy wolą tworzyć stopy nie o charakterystyce dwufazowej, ale z użyciem 3, 4 lub więcej składników. Stopy te są szczególnie mocne, ale ściśle przestrzegają receptur. Przy najmniejszych odchyleniach zawartości procentowej stop może okazać się kruchy i nieodpowiedni do użycia.

Wolfram - pierwiastek stosowany w technologii

Z tego metalu wykonane są żarniki zwykłych żarówek. Podobnie jak lampy do aparatów rentgenowskich, elementy pieców próżniowych, które muszą być używane w ekstremalnie wysokich temperaturach. Stal, w tym wolfram, ma bardzo wysoką wytrzymałość. Takie stopy są wykorzystywane do produkcji narzędzi w różnych dziedzinach: do wiercenia studni, w medycynie, inżynierii mechanicznej.

Główną zaletą łączenia stali i wolframu jest odporność na zużycie i małe prawdopodobieństwo uszkodzenia. Najsłynniejszy stop wolframu w budownictwie nazywa się „win”. Również ten pierwiastek jest szeroko stosowany w przemysł chemiczny. Z jego dodatkiem powstają farby i pigmenty. Szczególnie szeroko stosowany w tej dziedzinie jest tlenek wolframu 6. Jest on używany do produkcji węglików i halogenków wolframu. Inną nazwą tej substancji jest trójtlenek wolframu. 6 jest stosowany jako żółty pigment w farbach do ceramiki i szkła.

Czym są stopy ciężkie?

Wszystkie stopy na bazie wolframu, które mają wysoki wskaźnik gęstości, nazywane są ciężkimi. Uzyskuje się je wyłącznie metodami metalurgii proszków. Wolfram jest zawsze podstawą ciężkich stopów, gdzie jego zawartość może sięgać nawet 98%. Oprócz tego metalu do stopów ciężkich dodaje się nikiel, miedź i żelazo. Mogą jednak zawierać również chrom, srebro, kobalt, molibden. Najpopularniejsze stopy to VMZh (wolfram - nikiel - żelazo) i VNM (wolfram - nikiel - miedź). Wysoka gęstość takich stopów pozwala im pochłaniać niebezpieczne promieniowanie gamma. Z nich wykonane są koła zamachowe, styki elektryczne, wirniki do żyroskopów.

Węglik Wolframa

Około połowa całego wolframu jest wykorzystywana do produkcji trwałych metali, zwłaszcza węglika wolframu, który ma temperaturę topnienia 2770 C. Węglik wolframu jest związkiem chemicznym zawierającym równą liczbę atomów węgla i wolframu. Stop ten ma specjalne właściwości chemiczne. Wolfram daje mu taką siłę, że w tym wskaźniku dwukrotnie przewyższa stal.

Węglik wolframu jest szeroko stosowany w przemyśle. Służy do wykonywania przedmiotów tnących, które muszą być bardzo odporne na wysokie temperatury i ścieranie. Również z tego elementu powstają:

Części do samolotów, silniki samochodowe.
Części do statków kosmicznych.
Medyczne instrumenty chirurgiczne stosowane w chirurgii jamy brzusznej. Takie instrumenty są droższe niż zwykła stal medyczna, ale są bardziej wydajne.
Biżuteria, zwłaszcza obrączki ślubne. Taka popularność wolframu wiąże się z jego siłą, która dla osób biorących ślub symbolizuje siłę relacji, a także wygląd. Właściwości polerowanego wolframu są takie, że zachowuje on lustrzany, błyszczący wygląd przez bardzo długi czas.
Piłki dla kulkowe Długopisy luksusowa klasa.

Win - stop wolframu

Mniej więcej w drugiej połowie lat dwudziestych w wielu krajach zaczęto produkować stopy na narzędzia skrawające, które pozyskiwano z węglików wolframu i metalicznego kobaltu. W Niemczech taki stop nazywano vidia, w Stanach - carbola. W Związku Radzieckim taki stop nazywano „wygraną”. Stopy te okazały się doskonałe do obróbki produktów żeliwnych. Pobedite to stop cermetalowy o niezwykle wysokiej wytrzymałości. Wykonany jest w formie płyt. różne formy i rozmiary.

Proces produkcyjny Pobedit sprowadza się do następujących rzeczy: bierze się proszek węglika wolframu, drobny proszek niklu lub kobaltu, a wszystko jest mieszane i prasowane w specjalnych formach. Tak sprasowane płyty poddawane są dalszej obróbce cieplnej. Daje to bardzo twardy stop. Wkładki te służą nie tylko do cięcia żeliwa, ale także do wykonywania narzędzi wiertniczych. Płyty firmy Pobedit są przylutowane do sprzętu wiertniczego za pomocą miedzi.

Występowanie wolframu w przyrodzie

Ten metal jest bardzo rzadki w środowisku. Po wszystkich elementach zajmuje 57. miejsce i jest zawarty w postaci wolframu clarke. Metal tworzy również minerały - schelit i wolframit. Wolfram migruje do wód gruntowych jako własny jon lub jako różne związki. Ale jego najwyższe stężenie w wodach gruntowych jest znikome. Jest to setne mg/l i praktycznie nie zmienia ich właściwości chemicznych. Wolfram może również dostać się do naturalnych zbiorników wodnych ze ścieków z zakładów i fabryk.

Wpływ na organizm człowieka

Wolfram praktycznie nie dostaje się do organizmu z wodą ani pokarmem. Istnieje niebezpieczeństwo wdychania cząstek wolframu z powietrzem przemysłowym. Jednak pomimo przynależności do kategorii metali ciężkich, wolfram nie jest toksyczny. Zatrucie wolframem występuje tylko u osób związanych z produkcją wolframu. Jednocześnie stopień oddziaływania metalu na organizm jest inny. Na przykład proszek wolframu, węglik wolframu i substancje takie jak anhydryt wolframu mogą powodować uszkodzenie płuc. Jej główne objawy to ogólne złe samopoczucie, gorączka. Poważniejsze objawy występują w przypadku zatrucia stopami wolframu. Dzieje się tak podczas wdychania pyłu stopów i prowadzi do zapalenia oskrzeli, pneumosklerozy.

Metalowy wolfram, dostając się do organizmu człowieka, nie jest wchłaniany w jelitach i jest stopniowo wydalany. Związki wolframu, które są rozpuszczalne, mogą stanowić wielkie niebezpieczeństwo. Osadzają się w śledzionie, kościach i skórze. Przy dłuższej ekspozycji na związki wolframu mogą wystąpić objawy, takie jak łamliwość paznokci, łuszczenie się skóry i różnego rodzaju zapalenia skóry.

Rezerwy wolframu w różnych krajach

Największe zasoby wolframu znajdują się w Rosji, Kanadzie i Chinach. Według naukowców około 943 tys. ton tego metalu znajduje się na terenach krajowych. Według tych szacunków zdecydowana większość zasobów znajduje się na Syberii Południowej i na Dalekim Wschodzie. Udział eksploatowanych zasobów jest bardzo znikomy – wynosi tylko ok. 7%.

Pod względem liczby zbadanych złóż wolframu Rosja ustępuje jedynie Chinom. Większość z nich znajduje się w regionach Kabardyno-Bałkarii i Buriacji. Ale w tych złożach wydobywa się nie czysty wolfram, ale jego rudy, które zawierają również molibden, złoto, bizmut, tellur, skand i inne substancje. Dwie trzecie objętości wolframu uzyskanego ze zbadanych źródeł znajduje się w rudach ogniotrwałych, gdzie głównym minerałem zawierającym wolfram jest schelit. Udział rud łatwo wzbogacanych stanowi zaledwie jedną trzecią całej produkcji. Charakterystyka wolframu wydobywanego w Rosji jest niższa niż za granicą. Rudy zawierają wysoki procent trójtlenku wolframu. W Rosji jest bardzo niewiele złóż metali aluwialnych. Piaski wolframowe są również niskiej jakości, z dużą zawartością tlenków.

Wolfram w ekonomii

Globalna produkcja wolframu zaczęła rosnąć około 2009 roku, kiedy przemysł azjatycki zaczął się odradzać. Największym producentem wolframu pozostają Chiny. Na przykład w 2013 roku produkcja tego kraju stanowiła 81% światowej podaży. Około 12% zapotrzebowania na wolfram jest związane z produkcją oprawy oświetleniowe. Zdaniem ekspertów, wykorzystanie wolframu w tym obszarze zostanie ograniczone na tle zastosowania diod LED i świetlówki zarówno w domu jak iw pracy.

Uważa się, że zapotrzebowanie na wolfram w przemyśle elektronicznym będzie rosło. Wysoka odporność na zużycie wolframu i jego odporność na elektryczność sprawiają, że jest to najbardziej odpowiedni metal do produkcji regulatorów napięcia. Jednak pod względem wolumenu popyt ten jest nadal niewielki i szacuje się, że do 2018 r. wzrośnie tylko o 2%. Jednak według prognoz naukowców w niedalekiej przyszłości powinien nastąpić wzrost zapotrzebowania na węglik spiekany. Wynika to ze wzrostu produkcji motoryzacyjnej w USA, Chinach, Europie, a także wzrostu przemysł wydobywczy. Szacuje się, że do 2018 roku zapotrzebowanie na wolfram wzrośnie o 3,6%.

Zastosowanie czystego metalu i stopów zawierających wolfram opiera się głównie na ich ogniotrwałości, twardości i odporności chemicznej. Czysty wolfram jest używany do wytwarzania żarników do żarówek elektrycznych i Lampy katodowe, w produkcji tygli do odparowywania metali, w stykach dystrybutorów zapłonu samochodowego, w tarczach lamp rentgenowskich; jako uzwojenia i elementy grzejne piekarniki elektryczne oraz jako materiał konstrukcyjny do pojazdów kosmicznych i innych pojazdów pracujących w wysokich temperaturach. Stale szybkotnące (17,5-18,5% wolframu), stellit (na bazie kobaltu z dodatkiem Cr, W, C), hastalloy (stal nierdzewna na bazie Ni) i wiele innych stopów zawierają wolfram. Podstawą do produkcji stopów narzędziowych i żaroodpornych jest żelazowolfram (68-86% W, do 7% Mo i żelazo), który jest łatwo otrzymywany przez bezpośrednią redukcję koncentratów wolframitu lub schelitu. "Pobedit" - bardzo twardy stop zawierający 80-87% wolframu, 6-15% kobaltu, 5-7% węgla, jest niezbędny w obróbce metali, w przemyśle wydobywczym i naftowym.

Wolframiany wapnia i magnezu są szeroko stosowane w urządzeniach fluorescencyjnych, inne sole wolframu są wykorzystywane w przemyśle chemicznym i garbarskim. Dwusiarczek wolframu jest suchym smarem wysokotemperaturowym, stabilnym do 500 ° C. Brązy wolframowe i inne związki pierwiastków są używane do produkcji farb. Wiele związków wolframu to doskonałe katalizatory.

Przez wiele lat od odkrycia wolfram pozostawał laboratoryjną rzadkością, dopiero w 1847 roku Oxland otrzymał patent na produkcję wolframianu sodu, kwasu wolframowego i wolframu z kasyterytu (kamienia cynowego). Drugi patent, uzyskany przez Oxlanda w 1857 r., opisywał produkcję stopów żelazo-wolfram, które stanowią podstawę nowoczesnych stali szybkotnących.

W połowie XIX wieku podjęto pierwsze próby wykorzystania wolframu do produkcji stali, ale przez długi czas nie było możliwe wprowadzenie tych rozwiązań do przemysłu ze względu na wysoką cenę metalu. Zwiększone zapotrzebowanie na stale stopowe i wysokowytrzymałe doprowadziło do wprowadzenia na rynek stali szybkotnących w Bethlehem Steel. Próbki tych stopów zostały po raz pierwszy zaprezentowane w 1900 roku na Wystawie Światowej w Paryżu.

Technologia wytwarzania włókien wolframowych i jej historia.

Wielkość produkcji drutu wolframowego ma niewielki udział we wszystkich gałęziach przemysłu wykorzystujących wolfram, ale rozwój technologii jego produkcji odegrał kluczową rolę w rozwoju metalurgii proszków materiałów ogniotrwałych.

Od 1878 r., kiedy Swan zademonstrował ośmio- i szesnastoświecowe lampy na węgiel drzewny, które wynalazł w Newcastle, poszukiwano kolejnych odpowiedni materiał do produkcji włókien. Pierwsza lampa na węgiel drzewny miała sprawność zaledwie 1 lumen/wat, która została zwiększona w ciągu następnych 20 lat dzięki dwuipółkrotnym modyfikacjom metod obróbki węgla drzewnego. W 1898 r. moc świetlna takich żarówek wynosiła 3 lumeny/wat. W tamtych czasach włókna węglowe ogrzewano przepuszczając prąd elektryczny w atmosferze ciężkich oparów węglowodorów. Podczas pirolizy tego ostatniego, powstały węgiel wypełniał pory i nierówności nici, nadając jej jasny metaliczny połysk.

Pod koniec XIX wieku von Welsbach stworzył pierwszy metalowy żarnik do żarówek. Zrobił to z osmu (T pl = 2700 ° C). Włókna osmowe miały wydajność 6 lumenów/wat, jednak osm jest rzadkim i niezwykle kosztownym pierwiastkiem z grupy platynowców, dlatego nie znalazł szerokiego zastosowania w produkcji urządzeń gospodarstwa domowego. Tantal o temperaturze topnienia 2996°C był szeroko stosowany w postaci drutu ciągnionego w latach 1903-1911 dzięki pracy von Boltona z Siemensa i Halske. Wydajność lamp tantalowych wynosiła 7 lumenów/wat.

Wolfram zaczął być stosowany w lampach żarowych w 1904 roku i zastąpił wszystkie inne metale w tej pojemności do 1911 roku. Konwencjonalna żarówka z żarnikiem wolframowym ma blask 12 lumenów / wat, a lampy pracujące pod wysokim napięciem - 22 lumenów / wat. Nowoczesne świetlówki z katodą wolframową mają sprawność około 50 lumenów/wat.

W 1904 firma Siemens-Halske próbowała zastosować proces ciągnienia drutu opracowany dla tantalu do bardziej ogniotrwałych metali, takich jak wolfram i tor. Sztywność i brak plastyczności wolframu uniemożliwiały płynny przebieg procesu. Jednak później, w latach 1913-1914, okazało się, że stopiony wolfram może być walcowany i ciągniony przy użyciu procedury częściowej redukcji. Łuk elektryczny przepuszczano pomiędzy prętem wolframowym a częściowo stopioną kroplą wolframu umieszczoną w tyglu grafitowym pokrytym od wewnątrz proszkiem wolframowym i umieszczonym w atmosferze wodoru. W ten sposób otrzymano małe krople stopionego wolframu o średnicy około 10 mm i długości 20-30 mm. Chociaż z trudem można było już z nimi pracować.

W tych samych latach Just i Hannaman opatentowali proces wytwarzania włókien wolframowych. Drobny proszek metalowy zmieszano ze spoiwem organicznym, uzyskaną pastę przepuszczono przez dysze przędzalnicze i ogrzewano w specjalnej atmosferze w celu usunięcia spoiwa i otrzymano cienkie włókno z czystego wolframu.

Dobrze znany proces wytłaczania został opracowany w latach 1906-1907 i był używany do początku lat 1910. Bardzo drobno zmielony czarny proszek wolframu wymieszano z dekstryną lub skrobią, aż utworzyła się plastyczna masa. ciśnienie hydrauliczne masa ta była przeciskana przez cienkie diamentowe sita. Otrzymana w ten sposób nić była wystarczająco mocna, aby można ją było nawinąć na szpulki i wysuszyć. Następnie nici pocięto na „szpilki do włosów”, które zostały podgrzane w atmosferze gazu obojętnego do gorącej temperatury w celu usunięcia resztek wilgoci i lekkich węglowodorów. Każda „szpilka do włosów” była mocowana w zacisku i podgrzewana w atmosferze wodoru do jasnego blasku poprzez przepuszczanie prądu elektrycznego. Doprowadziło to do ostatecznego usunięcia niepożądanych zanieczyszczeń. W wysokich temperaturach pojedyncze małe cząstki wolframu stapiają się i tworzą jednolite, stałe metalowe włókno. Te nici są elastyczne, choć kruche.

Na początku XX wieku Yust i Hannaman opracowali inny proces, który wyróżnia się oryginalnością. Włókno węglowe o średnicy 0,02 mm pokryto wolframem przez ogrzewanie go w atmosferze wodoru i par sześciochlorku wolframu. Powleczona w ten sposób nić została podgrzana do jasnego blasku w wodorze pod zmniejszonym ciśnieniem. W tym przypadku powłoka wolframowa i rdzeń węglowy zostały całkowicie połączone ze sobą, tworząc węglik wolframu. Powstały wątek miał biały kolor i był kruchy. Następnie włókno zostało podgrzane w strumieniu wodoru, który oddziaływał z węglem, pozostawiając zwarte włókno z czystego wolframu. Nici miały te same właściwości, co uzyskane w procesie ekstruzji.

W 1909 Amerykanin Coolidge udało się uzyskać ciągliwy wolfram bez użycia wypełniaczy, ale tylko za pomocą rozsądnej temperatury i obróbka skrawaniem. Głównym problemem przy otrzymywaniu drutu wolframowego było szybkie utlenianie się wolframu w wysokich temperaturach oraz obecność struktury ziarna w powstałym wolframie, co prowadziło do jego kruchości.

Nowoczesna produkcja drutu wolframowego to złożony i precyzyjny proces technologiczny. Surowcem jest sproszkowany wolfram otrzymywany przez redukcję parawolframianu amonu.

Proszek wolframowy używany do produkcji drutu musi być wysokiej czystości. Zazwyczaj proszki wolframu różnego pochodzenia miesza się w celu uśrednienia jakości metalu. Miesza się je w młynach iw celu uniknięcia utleniania metalu nagrzanego przez tarcie do komory wprowadzany jest strumień azotu. Następnie proszek jest prasowany w stalowych formach na prasach hydraulicznych lub pneumatycznych (5-25 kg/mm2). Jeśli stosuje się zanieczyszczone proszki, wypraska jest krucha i dodaje się całkowicie utlenialne spoiwo organiczne, aby wyeliminować ten efekt. W kolejnym etapie następuje wstępne spiekanie prętów. Podczas ogrzewania i chłodzenia kompaktów w strumieniu wodoru ich właściwości mechaniczne poprawiają się. Wypraski są nadal dość kruche, a ich gęstość wynosi 60-70% gęstości wolframu, dlatego pręty poddawane są spiekaniu w wysokiej temperaturze. Pręt jest zaciśnięty między stykami chłodzonymi wodą, a w atmosferze suchego wodoru przepływa przez niego prąd, który ogrzewa go prawie do temperatury topnienia. Wskutek ogrzewania wolfram spieka się i jego gęstość wzrasta do 85-95% krystalicznej, przy tym wzrastają wielkości ziaren, rosną kryształy wolframu. Następnie następuje kucie w wysokiej (1200-1500 ° C) temperaturze. W specjalnym aparacie pręty przechodzą przez komorę, która jest ściskana młotkiem. Przy jednym przejściu średnica pręta zmniejsza się o 12%. Podczas kucia kryształy wolframu wydłużają się, tworząc strukturę włóknistą. Po kuciu następuje ciągnienie drutu. Pręty są smarowane i przepuszczane przez sito z diamentu lub węglika wolframu. Stopień ekstrakcji zależy od przeznaczenia otrzymanych produktów. Uzyskana średnica drutu wynosi około 13 µm.

Jaka jest gęstość wolframu? Na czym opiera się jego aplikacja? Poszukajmy razem odpowiedzi na te pytania.

Regulamin w PS

Ten pierwiastek chemiczny znajduje się w szóstej grupie układu okresowego. Jego numer seryjny to 74, wartość względnej masy atomowej to 183,85. Te specjalne są determinowane wysoką temperaturą topnienia. Jest uważany za jeden z pięciu stabilnych izotopów występujących w naturalnym wolframie, które mają podobne liczby masowe od 180 do 186.

Otwarcie elementu

Ten pierwiastek chemiczny został odkryty pod koniec XVIII wieku. K. Scheele udało się wyizolować go z minerału, w którym metal był zawarty w postaci tlenku. Przez długi czas wolfram praktycznie nie miał zastosowania przemysłowego i nie był poszukiwany. Dopiero w połowie XIX wieku metal zaczęto wykorzystywać jako dodatek do produkcji wytrzymałej stali.

W skorupie ziemskiej dany element jest w małych ilościach. Nie występuje w postaci wolnej, występuje tylko w postaci minerałów. Na skalę przemysłową wykorzystuje się jej tlenki.

Właściwości fizyczne

19300 to gęstość wolframu kg/m3 at normalne warunki. Metal tworzy przestrzenną, koncentryczną siatkę sześcienną. Ma dobrą pojemność cieplną. Wysoki współczynnik temperaturowy wolframu wyjaśnia jego ogniotrwałość. Temperatura topnienia to 3380 stopni Celsjusza. Wstępna obróbka ma wpływ na właściwości mechaniczne. Biorąc pod uwagę gęstość wolframu przy 20 s 19,3 g/cm3, można go doprowadzić do stanu włókna monokrystalicznego. Ta właściwość jest wykorzystywana do produkcji z niej drutu. W temperaturze pokojowej wolfram ma niewielką plastyczność.

Cechy wolframu

Zasadnicza gęstość wolframu nadaje temu metalowi pewne właściwości. Ma dość niską szybkość parowania, wysoką temperaturę wrzenia. Pod względem wolframu jest trzykrotnie niższy niż miedzi. Dokładnie tak duża gęstość wolfram ogranicza zakres jego stosowania. Ponadto na jego stosowanie wpływa zwiększona kruchość w niskich temperaturach, niestabilność utleniania przez tlen atmosferyczny w niskich temperaturach.

Za pomocą cechy zewnętrzne wolfram jest podobny do stali. Służy do produkcji stopów o podwyższonej wytrzymałości. Przetwarzanie wolframu odbywa się tylko w podwyższonych temperaturach.

Gatunki wolframu

Nie tylko gęstość wolframu, ale także dodatki stosowane w metalurgii znajdują odzwierciedlenie w gatunku tego metalu. Na przykład VA obejmuje mieszankę wolframu z aluminium i krzemem. Otrzymany gatunek charakteryzuje się podwyższoną temperaturą wstępnej rekrystalizacji, wytrzymałością po wyżarzaniu.

VL obejmuje dodanie tlenku lantanu do wolframu jako dodatku, który zwiększa właściwości emisyjne metalu.

MW to stop wolframu i molibdenu. Taka kompozycja zwiększa wytrzymałość, zachowuje ciągliwość metalu po wyżarzaniu.

Zakres stosowania wolframu

Unikalne właściwości tego metalu przesądzają o jego zastosowaniu. Jest używany komercyjnie i in czysta forma i jako stopy.

Wolfram w życiu codziennym jest używany głównie do celów elektrycznych.

To on jest wykorzystywany jako główny składnik (element stopowy) w produkcji stali szybkotnących. Średnio zawartość wolframu wynosi od dziewięciu do dwudziestu procent. Ponadto jest składnikiem stali narzędziowych.

Takie widelce ze stali są wykorzystywane do produkcji frezów, wierteł, stempli, matryc. Na przykład P6M5 wskazuje, że stal jest stopowana z kobaltem i molibdenem. Ponadto zawarty jest wolfram, który dzieli się na gatunki wolframowo-kobaltowe i wolframowe.

Wolfram w życiu codziennym w czystej postaci praktycznie nie jest potrzebny. Węglik wolframu jest związkiem tego metalu z węglem. Mieszanka charakteryzuje się dużą twardością, ogniotrwałością i odpornością na zużycie. Na bazie węglika wolframu wytwarzane są twarde stopy narzędziowe, zawierające około 90 procent wolframu i około 10 procent kobaltu. Części tnące narzędzi wiertniczych i tnących wykonane są z twardych stopów.

Odmiany stali na bazie wolframu

Odporny na zużycie i oparty na ogniotrwałości wolframu. Związki wolframu z chromem i kobaltem, zwane stellitami, są powszechne w przemyśle. Stosowane są przez napawanie na części zużywające się części maszyn przemysłowych.

Stopy „ciężkie” i kontaktowe to mieszanki wolframu ze srebrem lub miedzią. Uważane są za wystarczająco skuteczne materiały stykowe, dlatego są wykorzystywane do produkcji części roboczych wyłączników, elektrod do zgrzewanie punktowe, a także produkcja przełączników.

W postaci drutu, wyrobów kutych, taśm wolframowych stosuje się w radiotechnice, w produkcji lamp elektrycznych, a także w technice rentgenowskiej. To właśnie ten metal jest uważany za najlepszy materiał do tworzenia spiral i włókien.

Pręty i druty wolframowe są niezbędne do produkcji grzejników elektrycznych, ponieważ grzejniki na bazie wolframu mogą pracować w atmosferze gazu obojętnego, wodoru, a także w próżni.

Jednym z najważniejszych zastosowań wolframu jest spawanie. Z niego powstają elektrody używane do spawania łukowego. Powstałe elektrody są uważane za niezużywalne.

Uzyskanie metalu ogniotrwałego

Ile jest wart wolfram? Cena za kg mieści się w zakresie od 900 do 1200 rubli. Należy do grupy rzadkich pierwiastków metalicznych. Oprócz wolframu znajdują się tutaj również rubid i molibden. Metale rzadkie mają niewielką skalę zastosowania, biorąc pod uwagę ich nieznaczną zawartość w skorupie ziemskiej. Żaden z wymienionych metali nie może być uzyskany przez bezpośrednią redukcję z surowców. Na początek surowce są przetwarzane na różne chemikalia. Zwróć uwagę, że jest też specjalny dodatkowe wzbogacenie rudy przed ich pełnym przetworzeniem.

W łańcuchu technologicznym pozyskiwania rzadkiego wolframu są trzy etapy. Najpierw ruda jest rozkładana, oddzielając wydobyty metal od masy surowców, a także jego stężenie w osadzie lub w roztworze. Następnie otrzymuje się chemicznie czyste związki, przeprowadza się izolację, a także oczyszczanie substancji chemicznej. W trzecim etapie metal jest izolowany od tlenku oczyszczonego z zanieczyszczeń.

Wolframit jest używany jako surowiec do produkcji wolframu. Ruda ta zawiera około 2% czystego metalu. Wzbogacanie rudy odbywa się poprzez flotację, grawitację, separację elektromagnetyczną lub magnetyczną. Po wzbogaceniu powstaje koncentrat wolframu, który zawiera około 65 procent tlenku wolframu (6). Oprócz metalu takie koncentraty zawierają zanieczyszczenia siarki, miedzi, fosforu, arsenu, bizmutu, antymonu. Ile kosztuje ten wolfram? Cena za kg to około tysiąca rubli. Aby uzyskać proszek wolframowy, konieczne jest zredukowanie jego bezwodnika za pomocą węgla lub wodoru.

Stosowana jest głównie metoda uwodorniania, ponieważ węgiel nadaje metalowi kruchość i negatywnie wpływa na jego skrawalność. Używany do produkcji proszku wolframu metody specjalne, które pozwalają na analizę składu, wielkości ziarna, a także składu formowanych granulek.

Zwarty wodór, głównie w postaci wlewków lub prętów, jest wykorzystywany jako półfabrykaty w produkcji półproduktów, takich jak taśma i drut.

Obecnie do tworzenia zwartego wolframu stosuje się dwie metody. Pierwsza metoda polega na zastosowaniu metalurgii proszków. Zgodnie z drugą metodą dopuszcza się stosowanie elektrycznych pieców łukowych, w których stosuje się elektrody topliwe.

Najpopularniejszymi produktami wykonanymi z metalu wolframowego i szczególnie ważnym są pręty wolframowe. Kucie uzyskuje się je z prętów na specjalnej kuźni. Stosować produkt końcowy w różne branże nowoczesny przemysł. Na przykład z nich uzyskuje się elektrody spawalnicze nie zużywające się. Ponadto do tworzenia grzejników wykorzystuje się również pręty wolframowe. Są poszukiwane w urządzeniach wyładowczych, lampach elektrycznych.

Treść artykułu

WOLFRAM- (Wolframium), W - pierwiastek chemiczny 6 (VIb) z grupy układu okresowego D.I. Mendelejewa, liczba atomowa 74, masa atomowa 183,85. Znane są 33 izotopy wolframu: od 158 W do 190 W. W naturze znaleziono pięć izotopów, z których trzy są stabilne: 180 W (proporcja izotopów naturalnych wynosi 0,120%), 182 W (26,498%), 186 W (28,426%), a dwa pozostałe są słabo promieniotwórcze: 183 W (14,314%, T ½ = 1,1 10 17 lat), 184 W (30,642%, T ½ = 3 10 17 lat). Konfiguracja powłoki elektronowej to 4f 14 5d 4 6s 2 . Najbardziej charakterystyczny stopień utlenienia to +6. Znane są związki o stopniach utlenienia wolframu +5, +4, +3, +2 i 0.

Powrót w XIV-XVI wieku. górnicy i metalurdzy w Rudawach Saksonii zauważyli, że niektóre rudy zaburzały redukcję kamienia cynowego (minerał kasyteryt, SnO2) i prowadziły do żużla stopionego metalu. W ówczesnym języku fachowym proces ten scharakteryzowano następująco: „Te rudy wyciągają puszkę i pożerają ją, jak wilk pożera owcę”. Górnicy nadali tej „irytującej” rasie nazwy „Wolfert” i „Wolfrahm”, co oznacza „wilcza piana” lub „piana w pysku wściekłego wilka”. Niemiecki chemik i metalurg Georg Agricola w swojej fundamentalnej pracy Dwanaście książek o metalach(1556) prowadzi Nazwa łacińska tego minerału - Spuma Lupi lub Lupus spuma, który jest zasadniczo kalką kreślarską od popularnej niemieckiej nazwy.

W 1779 Peter Wulf zbadał minerał zwany obecnie wolframitem (FeWO 4 x MnWO 4) i stwierdził, że musi zawierać nieznaną wcześniej substancję. W 1783 roku w Hiszpanii bracia d'Elguyar (Juan Jose i Fausto D'Elhuyar de Suvisa) wyizolowali z tego minerału „ziemię kwaśną” za pomocą kwasu azotowego, żółtego osadu nieznanego tlenku metalu, rozpuszczalnego w wodzie amoniakalnej . W minerale znaleziono również tlenki żelaza i manganu. Juan i Fausto kalcynowali „ziemię” węglem drzewnym i uzyskali metal, który zaproponowali nazwać „wolframem”, a sam minerał – „wolframitem”. W ten sposób hiszpańscy chemicy d'Elguiar jako pierwsi opublikowali informacje o odkryciu nowego pierwiastka.

Później okazało się, że po raz pierwszy tlenek wolframu został znaleziony nie w „zjadaczu cyny” – wolframicie, ale w innym minerale.

W 1758 szwedzki chemik i mineralog Axel Fredrik Cronstedt odkrył i opisał niezwykle ciężki minerał (CaWO 4 , później nazwany scheelitem), który nazwał Tung Sten, co po szwedzku oznacza „ciężki kamień”. Kronstedt był przekonany, że ten minerał zawiera nowy, jeszcze nieodkryty pierwiastek.

W 1781 roku wielki szwedzki chemik Karl Scheele rozłożył „ciężki kamień” kwasem azotowym, odkrywając oprócz soli wapniowej „żółtą ziemię”, niepodobną do białej „ziemi molibdenowej”, którą po raz pierwszy wyizolował trzy lata temu . Ciekawe, że jeden z braci d "Elguillard pracował w tym czasie w swoim laboratorium. Scheele nazwał metal "wolframem", od nazwy minerału, z którego po raz pierwszy wyizolowano żółty tlenek. Ten sam pierwiastek miał więc dwie nazwy.

W 1821 r. von Leonhard zaproponował nazwanie minerału CaWO 4 schelitem.

Nazwę wolfram można znaleźć w Łomonosowie; Sołowjow i Hess (1824) nazywają to wolframium, Dvigubsky (1824) - wolframium.

Nawet na początku XX wieku. we Francji, Włoszech i krajach anglosaskich element „wolfram” oznaczono jako Tu (od wolframu). Dopiero w połowie ubiegłego wieku powstał współczesny symbol W.

Wolfram w przyrodzie. Rodzaje depozytów.

Wolfram jest dość rzadkim pierwiastkiem, jego clarke (zawartość procentowa w skorupie ziemskiej) wynosi 1,3-10-4% (57 miejsce wśród pierwiastków chemicznych).

Wolfram występuje głównie w postaci wolframianów żelaza i manganu lub wapnia, a czasami ołowiu, miedzi, toru i pierwiastków ziem rzadkich.

Najczęściej występującym mineralnym wolframitem jest stały roztwór wolframianów żelaza i manganu (Fe, Mn)WO 4 . Są to ciężkie, twarde kryształy o barwie od brązowej do czarnej, w zależności od tego, który pierwiastek dominuje w ich składzie. Jeśli jest więcej manganu (Mn:Fe> 4:1), to kryształy są czarne, ale jeśli dominuje żelazo (Fe:Mn> 4:1), to są brązowe. Pierwszy minerał nazywa się hübnerytem, drugi - ferberytem. Wolframite jest paramagnetycznym i dobrym przewodnikiem elektryczności.

Spośród innych minerałów wolframu, schelit, wolframian wapnia CaWO 4 ma znaczenie przemysłowe. Tworzy kryształy, lśniące jak szkło, o jasnożółtej, czasem prawie białej barwie. Scheelite nie jest namagnesowany, ale ma inną charakterystyczną cechę - zdolność do luminescencji. Po oświetleniu promieniami ultrafioletowymi fluoryzuje w ciemności na jasny niebieski kolor. Domieszka molibdenu zmienia kolor blasku schelitu: staje się bladoniebieski, a czasem nawet kremowy. Ta właściwość schelitu, używana w eksploracji geologicznej, służy jako funkcja wyszukiwania, która pozwala wykryć złoża mineralne.

Z reguły złoża rud wolframu związane są z obszarami rozmieszczenia granitów. Duże kryształy wolframitu lub schelitu są bardzo rzadkie. Zwykle minerały są przeplatane tylko w starożytnych skałach granitowych. Średnie stężenie wolframu w nich wynosi tylko 1-2%, więc raczej trudno go wydobyć. W sumie znanych jest około 15 własnych minerałów wolframu. Wśród nich są rasoit i stolcyt, które są dwiema różnymi odmianami krystalicznymi wolframianu ołowiu PbWO 4 . Inne minerały to produkty rozkładu lub wtórne postacie pospolitych minerałów wolframitu i schelitu, takie jak ochra wolframowa i hydrowolfram, który jest uwodnionym tlenkiem wolframu utworzonym z wolframitu; russelit to minerał zawierający tlenki bizmutu i wolframu. Jedynym minerałem wolframowym beztlenkowym jest wolfram WS 2, którego główne zasoby skoncentrowane są w USA. Zazwyczaj zawartość wolframu w rozwiniętych osadach zawiera się w zakresie od 0,3 do 1,0% WO 3 .

Wszystkie złoża wolframu są pochodzenia magmowego lub hydrotermalnego. Gdy magma ochładza się, zachodzi krystalizacja różnicowa, więc schelit i wolframit są często znajdowane jako żyły, w których magma przeniknęła przez szczeliny w skorupie ziemskiej. Większość złóż wolframu koncentruje się w młodych pasmach górskich - Alpach, Himalajach i pasie Pacyfiku. Według US Geological Survey z 2003 r. (U.S. Geological Surveys) około 62% światowych rezerw wolframu znajduje się w Chinach. Znaczące złoża tego pierwiastka odkryto także w USA (Kalifornia, Kolorado), Kanadzie, Rosji, Korea Południowa, Boliwia, Brazylia, Australia i Portugalia.

Światowe rezerwy rud wolframu szacuje się na 2,9 106 ton w przeliczeniu na metal. Największe rezerwy mają Chiny (1,8 106 ton), na drugim miejscu jest Kanada i Rosja (odpowiednio 2,6 105 i 2,5 105 ton). Stany Zjednoczone są na trzecim miejscu (1,4 105 ton), ale obecnie prawie wszystkie amerykańskie złoża są odkładane. Znaczące rezerwy posiadają między innymi Portugalia (rezerwy 25 000 ton), Korea Północna (35 000 ton), Boliwia (53 000 ton) i Austria (10 000 ton).

Roczna światowa produkcja rud wolframu wynosi 5,95·10 4 ton w przeliczeniu na metal, z czego 49,5·10 4 ton (83%) wydobywa się w Chinach. Rosja produkuje 3400 ton, Kanada - 3000 ton.

King Island w Australii produkuje 2000–2400 ton rudy wolframu rocznie. W Austrii scheelite jest wydobywany w Alpach (prowincje Salzburg i Steiermark). Wspólne złoże wolframu, złota i bizmutu (kopalnie Kanung i złoże Calzas w Jukonie) jest rozwijane w północno-wschodniej Brazylii, z szacowanymi rezerwami złota na 1 milion uncji i 30 000 ton tlenku wolframu. Światowym liderem w rozwoju surowców wolframowych są Chiny (pola Jianshi (60% chińskiej produkcji wolframu), Hunan (20%), Yunnan (8%), Guangdong (6%), Guangzhi i Mongolia Wewnętrzna (2%). każdy) i inne). Wielkość rocznej produkcji w Portugalii (złoże Panashira) szacuje się na 720 ton wolframu rocznie. W Rosji główne złoża rud wolframu znajdują się w dwóch regionach: na Dalekim Wschodzie (złoże Lermontovskoye, 1700 ton koncentratu rocznie) oraz na Północnym Kaukazie (Kabardyno-Bałkaria, Tyrnyauz). Zakład w Nalczyku przetwarza rudę na tlenek wolframu i parawolframian amonu.

Największym konsumentem wolframu jest Europa Zachodnia – jej udział w światowym rynku wynosi 30%. Ameryka Północna i Chiny odpowiadają za po 25% całkowitej konsumpcji, podczas gdy Japonia od 12 do 13%. Zapotrzebowanie na wolfram w krajach WNP szacowane jest na 3000 ton metalu rocznie.

Ponad połowa (58%) całego zużytego metalu jest wykorzystywana do produkcji węglika wolframu, prawie jedna czwarta (23%) - w postaci różnych stopów i stali. Do produkcji „walcowanego” wolframu (żarniki do żarówek, styki elektryczne itp.) stanowi 8% produkowanego wolframu, a pozostałe 9% jest wykorzystywane do produkcji pigmentów i katalizatorów.

Przetwórstwo surowców wolframowych.

Ruda pierwotna zawiera około 0,5% tlenku wolframu. Po flotacji i oddzieleniu składników niemagnetycznych pozostaje skała zawierająca około 70% WO 3 . Wzbogacona ruda (i utleniony złom wolframu) jest następnie ługowana węglanem lub wodorotlenkiem sodu:

4FeWO 4 + O 2 + 4Na 2 CO 3 = 4NaWO 4 + 2Fe 2 O 3 + 4CO 2

6MnWO 4 + O 2 + 6Na 2 CO 3 = 6Na 2 WO 4 + 2Mn 3 O 4 + 6CO 2

WO 3 + Na 2 CO 3 \u003d Na 2 WO 4 + CO 2

WO 3 + 2NaOH \u003d Na 2 WO 4 + H 2 O

Na 2 WO 4 + CaCl 2 \u003d 2NaCl + CaWO 4 Ї.

Powstały roztwór jest wolny od zanieczyszczeń mechanicznych, a następnie przetwarzany. Początkowo wolframian wapnia wytrąca się, po czym następuje jego rozkład kwasem chlorowodorowym i rozpuszczenie powstałego WO3 w wodnym amoniaku. Czasami oczyszczanie pierwotnego wolframianu sodu prowadzi się za pomocą żywic jonowymiennych. Produktem końcowym procesu jest parawolframian amonu:

CaWO 4 + 2HCl \u003d H 2 WO 4 Ї + CaCl 2

H 2 WO 4 \u003d WO 3 + H 2 O

WO 3 + 2NH 3 · H 2 O (stęż.) \u003d (NH 4) 2 WO 4 + H 2 O

12(NH 4) 2 WO 4 + 14HCl (bardzo rozrzedzony) \u003d (NH 4) 10 H 2 W 12 O 42 + 14NH 4 Cl + 6 H 2 O

Innym sposobem izolowania wolframu ze wzbogaconej rudy jest traktowanie chlorem lub chlorowodorem. Metoda ta opiera się na stosunkowo niskiej temperaturze wrzenia chlorków i tlenochlorków wolframu (300°C). Metoda służy do uzyskania bardzo czystego wolframu.

Koncentrat wolframitu można stapiać bezpośrednio z węglem lub koksem w komorze łuku elektrycznego. W ten sposób wytwarza się żelazowolfram, który jest wykorzystywany do produkcji stopów w przemyśle stalowym. Do stopionej stali można również dodać czysty koncentrat schelitu.

Około 30% światowego zużycia wolframu pochodzi z przetwarzania surowców wtórnych. Zanieczyszczony złom węglika wolframu, wióry, trociny i sproszkowane pozostałości wolframu są utleniane i przekształcane w parawolframian amonu. Do produkcji tych samych stali wykorzystuje się złom stali szybkotnących (do 60-70% całego wytopu). Złom wolframu z lamp żarowych, elektrod i odczynników chemicznych praktycznie nie podlega recyklingowi.

Głównym produktem pośrednim w produkcji wolframu jest parawolframian amonu (NH 4) 10 W 12 O 41 · 5H 2 O. Jest to również główny transportowany związek wolframu. Kalcynując parawolframian amonu, otrzymuje się tlenek wolframu(VI), który jest następnie traktowany wodorem w temperaturze 700–1000°C w celu uzyskania proszku metalicznego wolframu. W wyniku spiekania z proszkiem węglowym w temperaturze 900-2200°C (proces nawęglania) otrzymuje się węglik wolframu.

W 2002 r. cena parawolframianu amonu, głównego handlowego związku wolframu, wynosiła około 9000 USD za tonę w przeliczeniu na metal. W ostatnie czasy nastąpiła tendencja spadkowa cen produktów wolframowych ze względu na dużą podaż z Chin i krajów byłego ZSRR.

W Rosji wyroby wolframowe są produkowane przez: Skopinski Zakład Hydrometalurgiczny „Metallurg” (obwód Riazański, koncentrat wolframu i bezwodnik), Zakład Władykaukaz „Pobedit” (Osetia Północna, proszek i wlewki wolframu), Zakład Hydrometalurgiczny Nalczyk (Kabardyno-Bałkaria, wolfram metalowy) , węglik wolframu ), Kirovgradska fabryka stopów twardych (obwód swierdłowski, węglik wolframu, proszek wolframu), Elektrostal (obwód moskiewski, parawolframian amonu, węglik wolframu), Czelabiński Zakład Elektrometalurgiczny (żelazowolfram).

Właściwości prostej substancji.

Wolfram metaliczny ma jasnoszary kolor. Po węglu ma najwyższą temperaturę topnienia ze wszystkich proste substancje. Jego wartość określa się w zakresie 3387-3422°C. Wolfram posiada doskonałe właściwości mechaniczne w wysokich temperaturach oraz najniższy współczynnik rozszerzalności spośród wszystkich metali. Temperatura wrzenia wynosi 5400–5700°C. Wolfram jest jednym z najcięższych metali o gęstości 19250 kg/m 3 . Przewodność elektryczna wolframu w temperaturze 0°C wynosi około 28% przewodności elektrycznej srebra, które jest najbardziej przewodzącym elektrycznie metalem. Czysty wolfram jest dość łatwy w obróbce, ale zwykle zawiera zanieczyszczenia węgla i tlenu, co nadaje metalowi dobrze znaną twardość.

Wolfram ma bardzo wysoki moduł rozciągania i ściskania, bardzo wysoką odporność na pełzanie cieplne, wysoką przewodność cieplną i elektryczną, wysoki współczynnik emisji elektronów, który można dodatkowo poprawić poprzez stopowanie wolframu z niektórymi tlenkami metali.

Wolfram jest odporny chemicznie. Kwas chlorowodorowy, siarkowy, azotowy, fluorowodorowy, woda królewska, wodny roztwór wodorotlenku sodu, amoniak (do 700 °C), pary rtęci i rtęci, powietrze i tlen (do 400 °C), woda, wodór, azot, tlenek węgla (do 800 ° C), chlorowodór (do 600 ° C) nie wpływa na wolfram. Amoniak zmieszany z nadtlenkiem wodoru, płynną i wrzącą siarką, chlor (powyżej 250°C), siarkowodór w temperaturach do czerwoności, gorąca woda królewska, mieszanina kwasu fluorowodorowego i azotowego, azotany, azotyny, chloran potasu, dwutlenek ołowiu reagują z wolframem, azotynem sodu, gorącym kwasem azotowym, fluorem, bromem, jodem. Węglik wolframu powstaje w wyniku oddziaływania węgla z wolframem w temperaturach powyżej 1400 ° C, tlenek - przez oddziaływanie z parą wodną i dwutlenkiem siarki (w temperaturze czerwonego ciepła), dwutlenek węgla (powyżej 1200 ° C), tlenki glinu, magnezu i tor.

Właściwości najważniejszych związków wolframu.

Do najważniejszych związków wolframu należą jego tlenek, chlorek, węglik i parawolframian amonu.

Tlenek wolframu (VI) WO 3 jest jasnożółtą substancją krystaliczną, zmieniającą kolor na pomarańczowy po podgrzaniu, temperatura topnienia 1473 ° C, temperatura wrzenia - 1800 ° C. Odpowiedni kwas wolframowy jest niestabilny, dwuwodzian wytrąca się w roztworze wodnym, tracąc jedną cząsteczkę wody w temperaturze 70– 100 ° C, a drugi - w 180-350 ° C. Gdy WO 3 reaguje z alkaliami, powstają wolframiany.

Aniony kwasów wolframowych mają tendencję do tworzenia polizwiązków. Podczas reakcji ze stężonymi kwasami powstają mieszane bezwodniki:

12WO 3 + H 3 PO 4 (gotować, stęż.) = H 3

Gdy tlenek wolframu wchodzi w interakcję z metalicznym sodem, powstaje niestechiometryczny wolframian sodu, który nazywa się „brązem wolframowym”:

WO3+ x Na = Na x WO3

Podczas redukcji tlenku wolframu wodorem w momencie izolacji powstają uwodnione tlenki o mieszanym stopniu utlenienia – „błękit wolframu” WO 3– n(OH) n , n= 0,5–0,1.

WO 3 + Zn + HCl® („niebieski”), W 2 O 5 (OH) (brązowy)

Tlenek wolframu (VI) produkt pośredni w produkcji wolframu i jego związków. Jest składnikiem niektórych ważnych przemysłowo katalizatorów uwodorniania i pigmentów do ceramiki.

Wyższy chlorek wolframu WCl 6 powstaje w wyniku oddziaływania tlenku wolframu (lub wolframu metalicznego) z chlorem (a także z fluorem) lub czterochlorkiem węgla. Różni się od innych związków wolframu niską temperaturą wrzenia (347°C). Na swój sposób Natura chemiczna chlorek jest chlorkiem kwasowym kwasu wolframowego, dlatego podczas interakcji z wodą powstają niepełne chlorki kwasowe, a podczas interakcji z zasadami tworzą się sole. W wyniku redukcji chlorku wolframu glinem w obecności tlenku węgla powstaje karbonylek wolframu:

WCl 6 + 2Al + 6CO \u003d Ї + 2AlCl 3 (w eterze)

Węglik wolframu WC otrzymuje się w reakcji sproszkowanego wolframu z węglem w atmosferze redukującej. Twardość, porównywalna z diamentem, determinuje zakres jego zastosowania.

Wolframian amonu (NH 4) 2 WO 4 jest stabilny tylko w roztworze amoniaku. W rozcieńczonym kwasie solnym wytrąca się parawolframian amonu (NH 4) 10 H 2 W 12 O 42, który jest głównym produktem pośrednim wolframu na rynku światowym. Parawolframian amonu łatwo rozkłada się po podgrzaniu:

(NH 4) 10 H 2 W 12 O 42 \u003d 10NH 3 + 12WO 3 + 6H 2 O (400 - 500 ° C)

Zastosowanie wolframu

Zastosowanie czystego metalu i stopów zawierających wolfram opiera się głównie na ich ogniotrwałości, twardości i odporności chemicznej. Czysty wolfram jest używany do produkcji włókien do żarówek elektrycznych i lamp katodowych, do produkcji tygli do odparowywania metali, do styków dystrybutorów zapłonu samochodowego, w tarczach lamp rentgenowskich; jako uzwojenia i elementy grzejne w piecach elektrycznych oraz jako materiał konstrukcyjny do pojazdów kosmicznych i innych pracujących w wysokich temperaturach. Stale szybkotnące (17,5–18,5% wolframu), stellit (na bazie kobaltu z dodatkiem Cr, W, C), hastaloy (stal nierdzewna na bazie niklu) i wiele innych stopów zawierają wolfram. Ferrotungsten (68–86% W, do 7% Mo i żelazo), który jest łatwo otrzymywany przez bezpośrednią redukcję koncentratów wolframitu lub schelitu, jest podstawą do produkcji narzędzi i stopów żaroodpornych. „Pobedit” to bardzo twardy stop zawierający 80-87% wolframu, 6-15% kobaltu, 5-7% węgla, niezbędny w obróbce metali, w górnictwie i przemyśle naftowym.

Technologia wytwarzania włókien wolframowych i jej historia.

Od 1878 r., kiedy Swan zademonstrował w Newcastle ośmio- i szesnastoświecowe lampy na węgiel drzewny, które wynalazł, trwają poszukiwania bardziej odpowiedniego materiału do wytwarzania włókien. Pierwsza lampa na węgiel drzewny miała sprawność zaledwie 1 lumen/wat, która została zwiększona w ciągu następnych 20 lat dzięki dwuipółkrotnym modyfikacjom metod obróbki węgla drzewnego. W 1898 r. moc świetlna takich żarówek wynosiła 3 lumeny/wat. W tamtych czasach włókna węglowe ogrzewano przepuszczając prąd elektryczny w atmosferze ciężkich oparów węglowodorów. Podczas pirolizy tego ostatniego, powstały węgiel wypełniał pory i nierówności nici, nadając jej jasny metaliczny połysk.

Wolfram zaczął być stosowany w żarówkach w 1904 roku i zastąpił wszystkie inne metale jako takie do 1911 roku. Konwencjonalna żarówka z żarnikiem wolframowym ma blask 12 lumenów / wat, a lampy działające pod wysokim napięciem - 22 lumenów / wat. Nowoczesne świetlówki z katodą wolframową mają sprawność około 50 lumenów/wat.

W 1904 firma Siemens-Halske próbowała zastosować proces ciągnienia drutu opracowany dla tantalu do bardziej ogniotrwałych metali, takich jak wolfram i tor. Sztywność i brak plastyczności wolframu uniemożliwiały płynny przebieg procesu. Jednak później, w latach 1913-1914, okazało się, że stopiony wolfram można walcować i ciągnąć za pomocą procedury częściowej redukcji. Łuk elektryczny przepuszczano pomiędzy prętem wolframowym a częściowo stopioną kroplą wolframu umieszczoną w tyglu grafitowym pokrytym od wewnątrz proszkiem wolframowym i umieszczonym w atmosferze wodoru. W ten sposób otrzymano małe krople stopionego wolframu o średnicy około 10 mm i długości 20–30 mm. Chociaż z trudem można było już z nimi pracować.

W latach 1906-1907 opracowano znany proces ekstruzji, który stosowano do początku lat 1910. Bardzo drobno zmielony czarny proszek wolframu wymieszano z dekstryną lub skrobią, aż utworzyła się plastyczna masa. Ciśnienie hydrauliczne przepychało tę masę przez cienkie sita diamentowe. Otrzymana w ten sposób nić była wystarczająco mocna, aby można ją było nawinąć na szpulki i wysuszyć. Następnie nici pocięto na „szpilki do włosów”, które zostały podgrzane w atmosferze gazu obojętnego do gorącej temperatury w celu usunięcia resztek wilgoci i lekkich węglowodorów. Każda „szpilka do włosów” była mocowana w zacisku i podgrzewana w atmosferze wodoru do jasnego blasku poprzez przepuszczanie prądu elektrycznego. Doprowadziło to do ostatecznego usunięcia niepożądanych zanieczyszczeń. W wysokich temperaturach pojedyncze małe cząstki wolframu stapiają się i tworzą jednolite, stałe metalowe włókno. Te nici są elastyczne, choć kruche.

Na początku XX wieku Yust i Hannaman opracowali inny proces, który wyróżnia się oryginalnością. Włókno węglowe o średnicy 0,02 mm pokryto wolframem przez ogrzewanie go w atmosferze wodoru i par sześciochlorku wolframu. Powleczona w ten sposób nić została podgrzana do jasnego blasku w wodorze pod zmniejszonym ciśnieniem. W tym przypadku powłoka wolframowa i rdzeń węglowy zostały całkowicie połączone ze sobą, tworząc węglik wolframu. Powstała nić była biała i krucha. Następnie włókno zostało podgrzane w strumieniu wodoru, który oddziaływał z węglem, pozostawiając zwarte włókno z czystego wolframu. Nici miały te same właściwości, co uzyskane w procesie ekstruzji.

W 1909 amerykański Coolidge zdołał uzyskać ciągliwy wolfram bez użycia wypełniaczy, ale tylko przy pomocy rozsądnej temperatury i obróbki mechanicznej. Głównym problemem przy otrzymywaniu drutu wolframowego było szybkie utlenianie się wolframu w wysokich temperaturach oraz obecność struktury ziarna w powstałym wolframie, co prowadziło do jego kruchości.

Nowoczesna produkcja drutu wolframowego to złożony i precyzyjny proces technologiczny. Surowcem jest sproszkowany wolfram otrzymywany przez redukcję parawolframianu amonu.

Proszek wolframowy używany do produkcji drutu musi być wysokiej czystości. Zazwyczaj proszki wolframu różnego pochodzenia miesza się w celu uśrednienia jakości metalu. Miesza się je w młynach iw celu uniknięcia utleniania metalu nagrzanego przez tarcie do komory wprowadzany jest strumień azotu. Następnie proszek jest prasowany w stalowych formach na prasach hydraulicznych lub pneumatycznych (5–25 kg/mm2). Jeśli stosuje się zanieczyszczone proszki, wypraska jest krucha i dodaje się całkowicie utlenialne spoiwo organiczne, aby wyeliminować ten efekt. W kolejnym etapie następuje wstępne spiekanie prętów. Gdy wypraski są ogrzewane i chłodzone w strumieniu wodoru, poprawiają się ich właściwości mechaniczne. Wypraski są nadal dość kruche, a ich gęstość wynosi 60–70% gęstości wolframu, dlatego pręty poddaje się spiekaniu w wysokiej temperaturze. Pręt jest zaciśnięty między stykami chłodzonymi wodą, a w atmosferze suchego wodoru przepływa przez niego prąd, który ogrzewa go prawie do temperatury topnienia. W wyniku ogrzewania wolfram spieka się, a jego gęstość wzrasta do 85-95% krystalicznej, jednocześnie zwiększa się wielkość ziarna i rosną kryształy wolframu. Po tym następuje kucie w wysokiej temperaturze (1200–1500°C). W specjalnym aparacie pręty przechodzą przez komorę, która jest ściskana młotkiem. Przy jednym przejściu średnica pręta zmniejsza się o 12%. Podczas kucia kryształy wolframu wydłużają się, tworząc strukturę włóknistą. Po kuciu następuje ciągnienie drutu. Pręty są smarowane i przepuszczane przez sito z diamentu lub węglika wolframu. Stopień ekstrakcji zależy od przeznaczenia otrzymanych produktów. Uzyskana średnica drutu wynosi około 13 µm.

Biologiczna rola wolframu

ograniczony. Jego sąsiad z grupy, molibden, jest niezbędny w enzymach zapewniających wiązanie azotu atmosferycznego. Wcześniej wolfram był używany w badaniach biochemicznych jedynie jako antagonista molibdenu, tj. zastąpienie molibdenu przez wolfram w aktywnym centrum enzymu doprowadziło do jego dezaktywacji. Z kolei enzymy dezaktywowane po zastąpieniu wolframu molibdenem znaleziono w mikroorganizmach termofilnych. Wśród nich są dehydrogenazy mrówczanowe, oksydoreduktazy aldehydowo-ferredoksynowe; oksydoreduktaza formaldehydowo-ferredo-ksynowa; hydrataza acetylenowa; reduktaza kwasu karboksylowego. Struktury niektórych z tych enzymów, takich jak oksydoreduktaza aldehydowo-ferredoksynowa, zostały już określone.

Nie zidentyfikowano poważnych skutków narażenia na wolfram i jego związki na ludzi. Długotrwałe narażenie na wysokie dawki pyłu wolframowego może powodować pylicę płuc, chorobę wywoływaną przez wszystkie ciężkie proszki, które dostają się do płuc. Najczęstszymi objawami tego zespołu są kaszel, problemy z oddychaniem, astma atopowa, zmiany w płucach, których objawy słabną po zaprzestaniu kontaktu z metalem.

Materiały online: http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/tungsten/

Jurij Krutiakow

Literatura:

Colin J. Smithells Wolfram, M., Metallurgizdat, 1958
Agte K., Wacek I. Wolfram i molibden, M., Energia, 1964
Figurovsky N.A. Odkrycie pierwiastków i ich pochodzenie nosi nazwę uj. M., Nauka, 1970
Popularna biblioteka pierwiastków chemicznych. M., Nauka, 1983
US Geological Survey Miners Yearbook 2002
Lvov N.P., Nosikov A.N., Antipov A.N. Enzymy zawierające wolfram, vol. 6, 7. Biochemia, 2002

Światowa produkcja wolframu wynosi około 32 tys. ton rocznie. Od początku naszego stulecia wielokrotnie przeżywała gwałtowne wzrosty i równie gwałtowne spadki. Z wykresu wynika, że szczyty na krzywej produkcji dokładnie odpowiadają kulminacyjnym momentom pierwszej i drugiej wojny światowej. A teraz wolfram jest metalem czysto strategicznym

Schemat światowej produkcji wolframu (w tysiącach ton) w pierwszej połowie XX wieku.
Ze stali wolframowej i innych stopów zawierających wolfram lub jego węgliki wykonuje się opancerzenie czołgów, pociski torped i pociski, w większości ważne szczegóły samoloty i silniki.

Wolfram jest niezbędnym składnikiem najlepsze marki stal narzędziowa. Ogólnie metalurgia pochłania prawie 95% całego wydobytego wolframu. (Charakterystyczne jest to, że szeroko wykorzystuje się nie tylko czysty wolfram, ale przede wszystkim tańszy ferrotwolfram - stop zawierający 80% W i około 20% Fe; pozyskiwany jest w elektrycznych piecach łukowych).

Stopy wolframu mają wiele niezwykłych właściwości. Tak zwany metal ciężki (z wolframu, niklu i miedzi) jest używany do produkcji pojemników, w których przechowywane są substancje radioaktywne. Jego działanie ochronne 40% wyższy niż ołów. Stop ten jest również stosowany w radioterapii, ponieważ zapewnia wystarczającą ochronę przy stosunkowo niewielkiej grubości ekranu.

Stop węglika wolframu z 16% kobaltem jest tak twardy, że może częściowo zastąpić diament podczas wiercenia studni.

Pseudostopy wolframu z miedzią i srebrem są doskonałym materiałem na przełączniki i przełączniki prądu elektrycznego o wysokim napięciu: mają sześciokrotnie dłuższą żywotność niż konwencjonalne styki miedziane.

Zastosowanie wolframu we włosach lamp elektrycznych zostało omówione na początku artykułu. Niezbędność wolframu w tym obszarze tłumaczy się nie tylko jego ogniotrwałością, ale także plastycznością. Z jednego kilograma wolframu ciągnie się drut o długości 3,5 km, tj. ten kilogram wystarcza na wyprodukowanie żarówek na 23 000 60-watowych żarówek. To dzięki tej właściwości światowy przemysł elektryczny zużywa tylko około 100 ton wolframu rocznie.

W ostatnie lata związki chemiczne wolframu nabrały wielkiego praktycznego znaczenia. W szczególności heteropolikwas fosfowolframowy stosowany jest do produkcji lakierów i jasnych, odpornych na światło farb. Roztwór wolframianu sodu Na2WO4 nadaje tkaninom ognioodporność i wodoodporność, a wolframiany metali ziem alkalicznych, kadmu i pierwiastków ziem rzadkich stosuje się do produkcji laserów i farb świecących.

Przeszłość i teraźniejszość wolframu dają wszelkie powody, by uważać go za metal ciężko pracujący.