Как добывают вольфрам

Вольфрам является химическим элементом, которому присвоен 74 атомный номер в Периодической системе Менделеева. В нормальных условиях нахождения представляет собой твердый переходный металл блестящего серебристо-серого цвета.

Из всех, известных на сегодня металлов, вольфраму присущи уникальные свойства, которые заключаются, в первую очередь, в наиболее высокой температуре кипения, равной температуре в Солнечной фотосфере – 5555 0 С, а также плавления – 3422 0 С. При этом всем, вольфрам обладает низшим коэффициентом теплового расширения, максимальной твердостью и плотностью, в 1,7 раза превышающей плотность свинца. В отличие от меди, элемент №74 втрое хуже способен проводить электричество, не смотря на что, все равно является хорошим проводником.

Благодаря своим уникальным свойствам, сфера использования вольфрама достаточно широка. Так, его используют при производстве специальных контейнеров, в которых хранятся отходы ядерного производства, поскольку металл способен удерживать вредоносные лучи.

Вольфрам под ногами, Китай на горизонте

Его добавляют в сплавы, которые являются отличным материалом для изготовления различных медицинских инструментов (например, хирургических). Применяется также в химической промышленности и лакокрасочной промышленности.

Лакокрасочные материалы, произведенные на основе вольфрама, устойчивы к разного рода повреждениям и разрушениям, а также сохраняют свой первозданный внешний вид под воздействием губительных солнечных лучей. Всем известных ламп накаливания, рентгеновских аппаратов, вакуумных печей, элементы которых функционируют под воздействием крайне высоких температур, никогда бы не существовало, если бы не был открыт вольфрам. Кроме самого металла, также активно используются и его соединения, например оксид вольфрама, применяемый в производстве карбидов и галогенидов. Это далеко не полный список сфер человеческой деятельности, в которых может быть использован вольфрам.

Месторождения вольфрама

В чистом виде в природе не встречается. Как правило, он входит в состав окисленных сложных соединений, которые образованы трехокисью вольфрама вместе с оксидами железа и марганца или кальция. Встречаются случаи, когда в составе соединений присутствуют оксиды свинца, меди, тория или других компонентов, редко встречающихся в недрах земли. Минералы вольфрама можно обнаружить в виде небольших вкраплений в гранитных породах.

Абсолютное количество вольфрамовых месторождений формируются магматическим или гидротермальным путем. Т.е. во время понижения температуры магмы идет процесс дифференциальной кристаллизации, в связи с чем шеелит и вольфрамит зачастую находятся в виде жил, в тех местах, в которых магма просачивалась в трещины земной коры. Таким образом, основным нахождением залежей металла являются молодые горные цепи – Альпы, Гималаи, Тихоокеанский пояс. Однако, крупнейшими месторождениями вольфрама также славятся Казахстан, Китай, Канада и Америка. Также присутствуют его залежи и на территории Боливии, Португалии, Южной Корее, России.

Получение вольфрама

Добыча вольфрама

Бурный всплеск развития добычи вольфрама приходится на начало 20 века. Это связано с его востребованностью при производстве ламп накаливания и быстрорежущей стали.

Добыча данного металла осуществляется в несколько этапов. Изначально он синтезируется из отходов руд триоксида вещества, затем обрабатывается под воздействием температуры, приравниваемой к 700 0 С, в результате чего на выходе получается чистое вещество в виде пыли, которую переплавляют в водороде при 3000 0 С. После этого, вольфрам готов к дальнейшему применению.

Производство металла очень сложный технологический процесс, поскольку вольфрам плохо поддается плавлению и обработке в целом. По шкале твердости Мооса вольфраму присвоена 9 позиция.

Производство вольфрама в России было начато в 1911 году. Тогда государство выпускало до 100 тонн концентрата ежегодно. Русский вольфрам добывался, преимущественно, на небольших месторождениях, расположенных на Урале и в восточном Забайкалье.

Тридцатые годы принято считать периодом становления сырьевой базы вольфрамовой промышленности. Именно на этот период припадает активное строительство горных предприятий во многих регионах – Средняя Азия, Урал, восточное Забайкалье и др. А спустя десять лет была начата эксплуатация месторождений молибденит-шеелитовых руд Тырныауза (Северный Кавказ) и вольфрамитовых руд Холтосона (западное Забайкалье).

Середина 20 века ознаменовалась освоением месторождений металла на территории Казахстана, Средней Азии, на Дальнем Востоке. А во второй половине столетия сырьевая база вольфрамовой промышленности в СССР включала в свою структуру несколько десятков коренных месторождений, классифицирующихся по трем промышленным типам:

• кварцево-вольфрамитовые жилы и жильные зоны;
• пластообразные, жилообразные, неправильной формы залежи скарново-шеелитовых и грейзено-вольфрамитовых руд;
• штокверки и жильно-штокверковые зоны.

Всего в мире ежегодно производится порядка 49-50 тысяч тонн вольфрама. При этом Китай занимает первое место. Производство вольфрама в России составляет 3,5 тысяч тонн в год. Меньше всего вольфрама выпускается в Австрии – всего 0,5 тысяч тонн.

Сегодня производители вольфрама сосредоточены во многих уголках света: в Канаде («Кантунг»), Южной Корее («Сандон»), Австрии («Кинг»), США («Пайн-Крик»), Португалии («Панашкейра») и многих других. Также, среди популярных предприятий, занимающихся производством вольфама, стоит отметить Тырныаузский горно-металлургический комбинат (Кабардино-Балканская ACCP), Джидинский ГОК (Бурятская ACCP), Приморский ГОК и Иультинский ГОК (РСФСР).

Источник: mining-prom.ru

Вольфрам: добыча и производство вольфрама

Вольфрам — название элемента на немецком, которое переводится как «волчьи сливки». Наименование обусловлено химической реакцией, которая возникала при получении олова — металл частично утрачивался, преобразуясь в пенистый шлак, будто волк пожирает добычу. В некоторых языках, в том числе и в английском, прижилась шведская интерпретация tungsten. Этот элемент отличается уникальными свойствами и используется в различных сферах производства.

Структура

Структура кристалла металла представляет собой объемноцентрированную кубическую решетку с отличительным механизмом хрупко-вязкого перехода. Атомы размещаются в центре и по вершинам, то есть одна ячейка вмещает две частицы.

Свойства

Вольфрам — это металл светло-серого цвета с характерным блеском, напоминает платину. Особенность данного элемента заключается в тугоплавкости. Стоит отметить ряд и иных важных свойств.

Физические

Так, металл отличается самой высокой температурой плавления в 3420 °C и кипения в 5555 °C. Также для него характерно следующее:

• плотность вольфрама без примесей составляет 19,25 г/см³;
• имеет повышенную устойчивость к изменениям в вакууме;
• оценка твердости по Бринеллю выражается значением 488 кг/мм²;
• высокая тепло- и электропроводность;
• парамагнетик;
• поддается ковке при температуре в 1,6 тысячи градусов по Цельсию.

Металл по достоинству признается как один из самых тяжелых и твердых.

Оптические

Что касается оптической характеристики, то вольфрам по принятому типу считается изотропным. При рассмотрении по плеохроизму — не плеохроирует. Также он не является флюоресцентным.

Кристаллографические

Металл относят к пространственной категории Im3m с кубической сингонией и гексаоктаэдральной точечной группой.

Классификация

Классификация вольфрама по Никелю-Штрунцу проводится на основе химического состава элемента. В десятом издании металлу было присвоено значение 1.AE.05.

Седьмым изданием Dana группа вольфрам определена как 1.1.38.1.

Происхождение

Как правило, металл в естественной среде представляет собой окисленные сложные соединения с:

• железом;
• марганцем;
• кальцием;
• свинцом;
• медью,

и рядом иных редкоземельных элементов.

В промышленном производстве используется вольфрамит — соединение вольфрамата железа и марганца. Также значение имеет шеелит — вольфрам и кальций.

Обычно кристаллы минерала вкраплены в породы, в связи с чем средняя концентрация металла составляет не более 2 %.

Запасы и добыча

Наибольшие объемы запасов вольфрама в:

Определены местонахождения также в России и ряде других стран. Промышленное производство данного элемента заключается в трех стадиях:

1. На первой осуществляется обогащение руды, что позволяет получить ангидрит.
2. Второй этап обеспечивает восстановление вольфрама до порошкового состояния.
3. На третьей стадии металл оформляется в монолит.

Стоит рассмотреть процесс в деталях.

Обогащение руды

Итак, вольфрам в природе не встречается в качестве отдельного элемента. Он всегда является составляющей разнообразных соединений. При этом самые богатые руды содержат в себе не более 3 % вольфрама. Поэтому изначально проводится обогащение:

1. Порода дробится и измельчается.
2. Материал обрабатывается с учетом типа руды.
3. С использованием гравитационного метода осуществляется обогащение. Принцип построен на применении двух сил: центробежной и земного притяжения. Таким образом, обеспечивается разделение минералов по размеру, плотности и смачиванию, что позволяет избавиться от пустой породы.
4. Проводится магнитная сепарация вольфрамита для обеспечения чистоты концентрата.

Еще один вид соединения с производственным назначением — шеелит — очищается по-другому.

Так как он не относится к группе магнитных минералов, сепарация к нему не может быть применена. Поэтому обогащение осуществляется за счет флотации, подразумевающей разделение частиц в водной суспензии. После обработки проводится электростатическая сепарация. Концентрация шеелита в итоге может достигать 90 %.

Руда также может содержать в себе два соединения вольфрама сразу. При данных обстоятельствах используются совмещенные методы обработки с применением флотационных и гравитационных способов.

При необходимости в большем очищении в дополнении применяется ряд инструментов, которые определяются с учетом типа примеси. К примеру, если нужно уменьшить количество фосфора в концентрате, прибегают к обработке в холоде соляной кислотой. Второй вариант с обжигом и дальнейшим использованием кислот позволяет удалить медь и мышьяк.

Если нужно достичь формы растворимого соединения, методы могут быть такими:

• проводят спекание концентрации с избытком соды;
• осуществляют выщелачивание путем извлечения вольфрама содовым раствором при высокой температуре и под давлением;
• обрабатывают газообразным хлором для получения хлорида вольфрама с последующим отделением возгонкой для переработки в элементарный металл.

В результате использования стандартных методов обогащения можно получить триоксид вольфрама, который и применяется в процессе производства металла. Также из данного соединения получается карбид вольфрама — именно он является основой большинства твердых сплавов.

Восстановление вольфрама

Итак, после получения триоксида вольфрама следующий этап производства заключается в восстановлении до состояния металла. Как правило, этот процесс подразумевает необходимость в водородном методе:

1. В печь помещается емкость с соединением.
2. Емкость все время движется, при этом происходит повышение температуры.
3. Подается водород по направлению к триоксиду.

В процессе восстановления повышается насыпная плотность, объем загрузки снижается в два раза. В связи с этим прогон проводится в два этапа, с использованием различных печей.

Первый этап предполагает образование диоксида из триоксида вольфрама.

На втором получается чистый порошок, который просеивают через сетку с отделением крупных частиц для дополнительного перемалывания.

В некоторых случаях для восстановления применяется углерод, который отчасти упрощает процесс, но для производства необходимо наличие высоких температур. Основной недостаток данного метода — реакция угля и иных примесей с вольфрамом, что становится причиной загрязнения материала. Есть и другие способы, но водородный вариант имеет наибольшую применимость.

Получение монолитного металла

Предшествующие стадии производства реализуются уже давно, но для выработки слитков была необходима специальная технология. Из-за основного свойства металла — тугоплавкости — невозможно использование стандартного метода с плавкой и отливкой формы.

Суть применяемого способа — превращение порошка в металл с использованием электрического тока. Процесс проходит в несколько этапов:

1. Металлический порошок спрессовывается.
2. При температуре 1,3 тысячи градусов Цельсия брусок спекается для повышения прочности. Процедура проводится в герметичной печи, куда непрерывно подается водород, который необходим для эффективного восстановления. Он проникает в материал, что обеспечивает создание металлического контакта. В итоге прочность повышается значительно, размер бруска при этом уменьшается до 5 %.
3. Основной этап — сварка. Осуществляется при температуре 3 тысячи градусов Цельсия путем пропуска через брусок электрического тока. Водород в таком случае также обязателен, так как он позволяет избежать окисления. Сила тока определяется с учетом сечения бруска: 10 на 10 миллиметров — 2,5 тысячи ампер, 25 на 25 миллиметров — 9 тысяч ампер. Подаваемое напряжение варьируется от 10 до 20 вольт.

Чтобы получить материал высокой очистки, применяются присадки, которые испаряются при сварке, убирая при этом иные примеси. К примеру, используются окислы щелочных металлов. Если соблюдается температурный режим, можно допиться степени очистки в 99,995 %.

Производство изделий из вольфрама

Монолитный вольфрам характеризуется рядом свойств:

• тугоплавкость;
• отсутствие внутреннего напряжения.
• высокая пластичность;
• ковкость.

• в качестве нагревательных элементов в печах сопротивления;
• для защиты от ионизирующего излучения;
• как основа для тяжелых сплавов;
• для электродов аргонно-дуговой сварки;
• в вакуумных трубках;
• в контейнерах для отходов ядерного производства.

Как показывает практика, в большинстве случаев производство продолжается вытягиванием проволоки, которая активно используется при производстве ламп накаливания.

Мировой рынок вольфрама

Совокупная величина годового производства металла ограничена 50 тысячами тонн. Основная часть приходится на Китай — 41 тысяча тонн. Он же является и главным экспортером. Для сравнения, объемы производства в России ограничены 3,5 тысячами тонн.

При этом добыча металла составляет около 70 % мирового потребления. Треть приходится на вторичную переработку. Обычно в качестве сырья используется лом карбида вольфрама.

Текущие тенденции мирового рынка свидетельствуют об уменьшении объемов спроса на вольфрамовые нити. Подобная статистика обосновывается развитием альтернативных технологий при производстве осветительных приборов. Лампы накаливания активно заменяются приборами, построенными по другой схеме.

Источник: uglevodorody.ru

Вольфрам: свойства, способы добычи и применение

Светло-серый металл, обладающий очень высокой твёрдостью, тугоплавкостью и тяжестью – это вольфрам. Вдобавок к этому он имеет очень высокую химическую стойкость.

Добыча вольфрамовых руд

Содержание вольфрама в земной коре составляет чуть более одной десятитысячной доли процента, что делает его достаточно редким природным ископаемым. В чистом виде он не встречается, поэтому для его добычи используют такие минералы, как вольфрамиты и шеелит. Это вольфрамовые руды, имеющие в своём составе кроме основного металла целый ряд примесей.

В шахтах

Подземный способ добычи руд, содержащих вольфрам, заключается в последовательном обрушении горизонтальных слоёв шахты с дальнейшим накоплением материала в отработанных блоках (так называемое «магазинирование»). Затем собранная выработка грузится на транспорт и извлекается на поверхность.

В карьерах

В них добыча вольфрамовых руд выполняется открытым способом. Путём обваливания внешнего грунта с погружением его на транспортные системы и отправкой на переработку.

Процессы получения вольфрама

Так как ископаемые минералы содержат достаточное количество примесей, то для получения непосредственно самого вольфрама приходится применять трёхэтапную технологию:

• Обогащение добытых руд с целью образования раствора или осадка нужной концентрации. В этот процесс входят гравитация, флотация, магнитная или электростатическая сепарация. Итогом становится получение 60% концентрата вольфрамового ангидрита WO3.
• Химическое соединение высокой чистоты получают за счёт реакции восстановления под воздействием водорода или углерода. Для получения вольфрамового порошка этого бывает достаточно.
• Но, чтобы изготовить компактные твёрдые слитки – штабики, более удобные для дальнейшей переработки, применяют прессование и спекание. Чтобы они хорошо поддавались ковке, их подвергают высокотемпературному воздействию.

Однако, и это ещё не всё. Для получения столь востребованных изделий, какими являются металлические прутки, вольфрам при температуре порядка 1500 0 C обрабатывают на ротационно-ковочной машине.

Для выпуска проволоки из вышеупомянутых прутков их подвергают волочению, сначала нагрев до 1000 0 C, а затем постепенно остудив до 400 0 C. После чего готовую проволоку отжигают, полируют и травят электролитическим способом.

Соединения вольфрама

Самыми распространёнными соединениями вольфрама являются его оксиды, хлориды, карбиды.

Оксид вольфрама, содержащий в своём составе два атома кислорода, является кристаллом тёмно-коричневого цвета. Трёх кислородный вольфрам представляет собой порошок лимонного цвета.

Вольфрамовые карбиды – соединения вольфрама с углеродом – нашли очень широкое применение в ряде отраслей промышленности благодаря своей твёрдости. Это, прежде всего композитные материалы и твёрдые сплавы типа победита, а также смеси карбидов: вольфрама, тантала и титана.

Сплав вольфрама и рения используется в изготовлении термопар, позволяющих измерять температуру свыше 2000 0 C. Правда, в химически неагрессивных средах.

В качестве высокотемпературной смазки употребляется сульфид вольфрама.

Некоторые соединения вольфрама используются в качестве пигментных красителей и катализаторов химических реакций. Вольфрамовая кислота применяется как адсорбент и катализатор при производстве бензина. Монокристаллы из вольфраматов управляют потоками ионизирующих излучений, столь востребованных в медицине и ядерной физике.

Хранение и транспортировка

Условия хранения и транспортировки порошкообразного вольфрама и продукции, содержащей его в своём составе (штабиков, пластин, прутков, проволоки, электродов) определятся требованиями соответствующих государственных стандартов и технических условий, находящих своё отражение в документации на изготавливаемые изделия.

Так как концентрат вольфрама не токсичен, взрывобезопасен и не представляет пожарной опасности, то его хранение и транспортировка не представляют значительной сложности. Проблему представляет лишь его возможность пылеобразования и необходимость защиты изделий от внешних механических воздействий и агрессивных сред.

Поэтому вольфрамовый порошок необходимо упаковывать в специализированные контейнеры или двойные мешки массой не более 50 кг, наружный слой которых должен быть изготовлен из синтетической ткани или полипропилена, внутренний – из бумаги или полиэтилена. Для длительного хранения мешки формируют в транспортные пакеты. Перевозку концентрата производят в открытом подвижном составе, а хранение выполняется в упакованном виде на территории закрытых складских помещений.

Вольфрамовые электроды для хранения и перевозки упаковывают в картонные коробки с пенопластовыми или плотными бумажными ложементами. Затем коробки укладывают в деревянные ящики, защищённые водонепроницаемой бумагой, с дальнейшим уплотнением ватой или бумагой. Электроды, в отличие от концентрата, необходимо перемещать в крытом транспорте.

Аналогичные меры защиты применяют и для сохранности и перемещения других изделий из этого металла.

Продукция переработки

Благодаря своим уникальным свойствам, – прежде всего твёрдости и тугоплавкости, вольфрам с самого момента своего открытия нашёл широкую сферу применения. В качестве тугоплавкого материала он широко используется в металлургии. Хотя и другие отрасли не могут обходиться без столь ценного материала.

Осветительные приборы

Благодаря малой электропроводности и низкой скорости испарения, в своё время вольфрамовые нити накаливания позволили совершить технический переворот во всей индустрии создания электрических осветительных приборов, а также начали использоваться при изготовлении электронно-вакуумных приборов.

Снаряды

Высокий уровень плотности этого материала, доходящий до 19,3 г/см 3 , наряду с прочностью, предоставил в распоряжение оружейников отличное средство разрушения брони. Сегодня вольфрам – один из основных химических элементов, входящих в состав тяжёлых сплавов сердечников бронебойных пуль и снарядов.

Лом вольфрама

Электроды

Неплавящиеся электроды из вольфрама используются как сварочный материал для процесса, выполняемого с использованием газов. Гелий или аргон защищают место соединения от атмосферного воздействия, а электрод в это время выдерживает значительную температуру и длительный срок эксплуатации. Это позволяет создавать оптимальные условия работы, избегая ненужных затрат.

Нахождение в природе

Месторождения

Геологическое строение земной коры таково, что наибольшие залежи вольфрамовых руд расположены в районах Альп, Гималаев, горных цепей региона Тихого океана. Это территории Казахстана (крупнейшее месторождение – Верхние Кайракты), Китая (наиболее продуктивное месторождение – Жианьши), Канады (месторождение Тангстен) и США (значительные запасы разведаны в месторождении Клаймакс).

Также имеются районы сосредоточения вольфрамитов и шеелитов на территории Боливии, Португалии, Великобритании, Турции, России, Узбекистана, Южной Кореи, Австралии.

В космосе

Прогресс не стоит на месте, а земные ресурсы распределены крайне неравномерно и достаточно ограничены. Освоение космического пространства, позволившее взять пробы с поверхностей ряда небесных тел близлежащих объектов Солнечной системы, дают все основания предполагать наличие огромного количества полезных ископаемых на астероидах, кометах и планетах.

Что открывает очень заманчивые перспективы их будущего освоения. Предполагается, что именно на астероидах содержится огромное количество минералов, причём очень высокой концентрации. В том числе и вольфрам. В связи с тем, что часть этих небесных тел вращаются в близости от Земли, перспективы их освоения становятся очень и очень заманчивыми.

Правительства целого ряда стран, международные космические сообщества и частные агентства активно формируют правовую базу, разрабатывают программы, отправляют миссии. Так Люксембург первым принял закон, разрешающий частную добычу полезных ископаемых в космосе. Активность в этом вопросе проявляют не только ведущие космические державы мира, но и Япония, Индия, Австралия, Израиль. Проводятся активные исследования поверхности Луны, Марса, Венеры.

Пока трудно ставить какую-либо оценку этим усилиям, так как на этом пути стоит множество организационных, технических и финансовых проблем. Хотя многие специалисты считают возможной добычу вольфрама в космосе в 21 веке.

Мировые запасы

Мировые подтверждённые запасы вольфрама составляют 2,6 млн. т. Выявленные ресурсы составляют 12,5 млн. т. Прогнозные ресурсы оцениваются в 9,5 млн. т. Свыше 60 стран мира обладают месторождениями данного металла:

• Китай – 7,5 млн. т.
• Казахстан – 3,1 млн. т.
• Россия – 3 млн. т.
• Канада – 1,7 млн. т.
• США – 0,8 млн. т.
• Австралия – 0,7 млн. т.
• Боливия – 0,5 млн. т.

Надо отметить, что целый ряд стран мирового сообщества обладает месторождениями, непригодными для освоения, вследствие своей нерентабельности. В то время как пять ведущих имеют на своих территориях более 70% осваиваемых запасов.

Страны, добывающие вольфрам

Абсолютным лидером по добыче и экспорту вольфрама на мировом рынке является Китай. Доля этого государства составляет – 82,7% (70 тыс. т) по данным 2019 года. Значительно меньше производят:

• Вьетнам – 4,8 тыс. т.
• Монголия – 1,9 тыс. т.
• Россия – 1,5 тыс. т.
• Боливия – 1,2 тыс. т.

Очевидно, что европейские страны уступили этот сегмент рынка металлов своим азиатским конкурентам, так объём их добычи в 2019 году резко снизился. Австрия, Португалия и Испания совместно произвели в 2019 году 2,14 тыс. т., а Великобритания полностью прекратила добычу, удовлетворяя свои запросы импортом металла.

Источник: xn--80aegj1b5e.xn--p1ai