Получение хрома
Важнейшим промышленным минералом для получения хрома является хромистый железняк FeCr2O4, в котором хром связан с железом, но в большинстве случаев нет необходимости разделять железо и хром, поскольку, сплав феррохром подходит для решения многих промышленных задач.
Сплав феррохром получают в процессе восстановления хромистого железняка в электрических печах при высокой температуре:
FeCr2O4+4C = Fe+2Cr+4CO↑
Феррохром с низким содержанием углерода получают, используя в качестве восстановителя кремний.
Чистый хром получают восстанавливая оксид хрома (III) алюминием или кремнием:
Cr2O3+2Al = 2Cr+Al2O3 2Cr2O3+3Si = 4Cr+3SiO2
Алюмотермический способ получения хрома:
- тигель шихтуют предварительно подогретыми оксидом хрома (III) и алюминиевым порошком;
- поскольку, количества теплоты, выделяемой в процессе восстановления оксида Cr2O3 алюминием, недостаточно для самопроизвольного протекания процесса, в тигель добавляют окислитель, в качестве которого используют дихромат калия, пероксид бария или хромовый ангидрид;
- загруженную смесь поджигают, и на выходе реакции получают хром чистоты 97-99%, в зависимости от чистоты загруженной шихты.
Оксид хрома (Cr2O3) получают из хромистого железняка, подвергая его окислительному оплавлению в щелочной среде, после чего, получившийся хромат натрия обрабатывают серной кислотой или углекислым газом (в автоклавах при давлении 7-15 атмосфер):
4FeCr2O4+8Na2CO3+7O2 = 8Na2CrO4+2Fe2O3+8CO2↑ 2Na2CrO4+2H2SO4 = Na2Cr2O7+2NaHSO4+H2O или 2Na2CrO4+H2O+2CO2 = Na2Cr2O7+2NaHCO3
Получившийся бихромат натрия подвергают обезвоживанию, после чего восстанавливают серой или углем:
Na2Cr2O7+2C = Cr2O3+Na2CO3+CO↑
Сверхчистый хром получают промышленным электролизом концентрированного водного раствора оксида хрома CrO3(VI) в серной кислоте, при этом хром (99% чистоты) выделяется на алюминиевом катоде. Дальнейшая очистка полученного хрома от примесей азота и кислорода производится нагреванием металла в среде водорода при температуре 1500°C или перегонкой в глубоком вакууме.
Тонкие пленки хрома получают электролитическим способом, что используется в гальванопластике.
Применение хрома
Хром нашел широчайшее применение в народном хозяйстве. Современная мировая промышленность производит порядка 700 тысяч тонн хрома в год.
- хром широко применяют в производстве нержавеющих сталей (18% хрома и 8% никеля);
- феррохром с низким содержанием углерода используют в производстве хромовых сталей, обладающих высокой прочностью;
- из сталей, легированных хромом, изготавливают пружины, рессоры, подшипники, различные инструменты;
- хром используют в коррозионно-стойких покрытиях (хромирование изделий), увеличивающих срок эксплуатации и усиливающих износостойкость деталей машин и инструментов;
- хромирование с подслоем меди и никеля не только улучшает износостойкие качества изделия. но и придает красивый эстетический вид;
- хромовые покрытия обладают очень высокой отражательной способностью, уступая в этом компоненте только серебряным и алюминиевым покрытиям, поэтому, их широко используют в производстве зеркал и прожекторов.
- нихром (сплав никеля с хромом 20%) обладает высоким сопротивлением, поэтому, сильно нагревается при прохождении через них тока - из нихрома изготавливают различные нагревательные элементы;
- нихром, легированный кобальтом и молибденом, является очень жаростойким материалом - из таких сплавов изготавливают лопатки газовых турбин;
- хром, никель и молибден входят в состав металлокерамических изделий, из которых делают зубные протезы;
- различные соединения хрома используют в качестве разноцветных пигментов: зеленых, желтых и оранжевых;
- некоторые хроматы и дихроматы используются в качестве ингибиторов коррозии, как средства сохранения древесины, в качестве фунгицидов, катализаторов.
Получение молибдена
Главным минералом, содержащим молибден, является молибденит. Руду предварительно обогащают флотационным методом, а затем обжигают (900-1000°C), после чего, образовавшийся оксид отгоняют, проводят дополнительное очищение возгонкой или растворяют в водном растворе аммиака:
2MoS+7O2 → 2MoO3↑+4SO2↑ 7MoO3+6NH3+3H2O = (NH4)6Mo7O24
Получившийся оксид подвергают перекристаллизации с последующим разложением на воздухе, и только после этого, подготовленный оксид восстанавливают водородом до порошкообразного металла, который прессуют, а затем сплавляют в инертной атмосфере дуговой печи (1000°C) или делают слиток методами порошковой металлургии - холодных прессованием из тонких порошков формуется изделие, которое затем подвергается высокотемпературной обработке:
MoO3+3H2 → Mo+3H2O↑
Этапы технологического процесса метода порошковой металлургии:
- Формование изделия осуществляют холодным прессованием под высоким давлением (до 1000 Мпа) в металлических формах - порошок молибдена формуют в стальных пресс-формах;
- Формованное изделие подвергают спеканию при температуре в 70-90% от температуры плавления спекаемого спрессованного металлического порошка - предварительное спекание молибдена проводят при температуре 1000-1200°C;
- Процесс спекания осуществляют в инертной среде или в вакууме, дабы избежать окисления - молибденовые штабики нагревают в водородной среде при температуре 2200-2400°C;
- Получившийся молибденовый слиток подвергают ковке.
Применение молибдена
- молибден, как и хром, нашел широкое применение в металлургии в качестве разнообразных легирующих добавок, которые идут на создание твердых, износостойких, жаропрочных конструкционных сплавов;
- молибден обладает идентичным коэффициентом термического расширения с некоторыми сортами стекла (молибденовое стекло), поэтому, из молибдена изготавливают вводные электроды в стеклянные электровакуумные приборы и мощные источники света;
- поскольку, молибден обладает относительно малым сечением захвата тепловых нейтронов, его применяют, как конструкционный материал в ядерных реакторах;
- из молибденовых материалов, легированных титаном, ниобием, цирконием, вольфрамом, изготавливают различные детали авиационной техники, газовых турбин, элементы двигателей.
Получение вольфрама
Важнейшими природными минералами для получения вольфрама являются шеелит (CaWO4) и вольфрамит (FeWO4). Вольфрам получают из его оксида WO3, - руду подвергают предварительному обогащению методом флотации, после чего проводят ее щелочное (или кислотное) вскрытие, разлагая (200°C) концентрат содовым раствором в автоклавах при высоком давлении:
CaWO4+NaCO3 → Na2WO4+CaCO3↓
Также вольфрамовые концентраты получают термическим разложением в крепком растворе едкого натра или спекая с содой при высокой температуре (800°C-900°C):
CaWO4+NaCO3 → Na2WO4+CO2↑+CaO
Получаемый вольфрамат натрия выщелачивается водой, после чего, получившийся раствор подкисляется с целью осаждения вольфрамовой кислоты:
Na2WO4+2HCl = H2WO4↓+2NaCl
Вольфрамовую кислоту можно получить также кислотным вскрытием:
CaWO4+2HCl = H2WO4↓+CaCl2
Кислотный осадок подвергается фильтрации и обезвоживанию, после чего получившийся оксид восстанавливается водородом (850°C):
H2WO4 → WO3+H2O WO3+3H2 → W+3H2O
Сверхчистый вольфрам получают из оксида, подвергаемого предварительной очистке растворением в аммиаке, с последующей кристаллизацией паравольфрамата аммония и его разложением.
Электрические вольфрамовые нити для ламп накаливания получают из пластичных вольфрамовых штабиков, которые изготавливают методом порошковой металлургии, описанный выше - порошкообразный вольфрам, получаемый восстановлением оксида, прессуется и спекается в штабики в водородной среде при температуре 1400°C, после чего такие спрессованные штабики разогреваются до 3000°C путем пропускания через них электрического тока, в результате вольфрамовая заготовка приобретает высокую пластичность.
Электронно-лучевой плавкой в вакууме (3000-3500°C) получают крупнокристаллические слитки вольфрама и молибдена.
Применение вольфрама
- все знают, что из вольфрама изготовлены нити накаливания электрических лампочек;
- также вольфрамовые нити используются в катодах радиоламп и рентгеновских трубках;
- сплавы, легированные вольфрамом, обладают высокой твердостью, износостойкостью и жаропрочностью;
- сталь, содержащая 20% вольфрама, обладает способностью самозакаливаться - из таких сталей изготавливают лезвия режущих инструментов;
- введение 10% вольфрама в никель, повышает его коррозионную устойчивость в 12 раз;
- вольфрамовые термопары могут измерять температуру до 3000°C.
