Свойства никеля и его применение. Никель и сплавы никеля: химический состав, свойства, применение. Где применяется никель

Никель – пластичный металл серебристо-белого цвета с характерным блеском. Относится к тяжелым цветным металлам. Никель ценная легирующая добавка. В природе в чистом виде никель не встречается, обычно входит в состав руд. Чистый никель (Nickel/Никель), Nickel 200 и Nickel 201 , добывают путем специальных технологий.

В соединении с другими металлами никель способен образовывать твердые и прочные никелевые сплавы:

• никель-медный сплав (Monel/Монель) – сплав на медной основе с никелем в качестве легирующей добавки. В составе обычно до 67% никеля и до 38% меди. К этой группе сплавов относят: Monel 400 , Monel 401, Monel 404, Monel R-405 , Monel K-500 и др.
• никель-хромовый сплав (Inconel/Инконель) – аустенитный жаропрочный сплав. К этой группе относят: Inconel 600 , Inconel 601 , Inconel 617 , Inconel 625 , Inconel 690 , Inconel 718 , Inconel 725 , Inconel X-750 и др.
• никель-железо-хромовый сплав (Inconloy/Инколой) – возможно добавление в сплав молибдена, меди, титана. К этой группе относят: Incoloy 20, Incoloy 800 , Incoloy 800H , Incoloy 800HT , Incoloy 825 , Incoloy 925 и др.
• никель-молибденовый сплав (Hastelloy/Хастеллой) – возможно присутствие в составе хрома, железа и углерода. К этой группе относят: Hastelloy C-4 , Hastelloy C-22 , Hastelloy C-276 , Hastelloy B-2 и др.

Свойства никеля

Никель – ферромагнетик, точка Кюри – 358°C, температура плавления – 1455°C, температура кипения – 2730-2915°C. Плотность – 8,9 г/см 3 , коэффициент теплового расширения -13,5∙10 −6 K −1. На воздухе компактный никель – стабилен, а высокодисперсный – пирофорен.

Никель обладает такими свойствами, как:

• пластичность и ковкость;
• прочность при высоких температурных режимах;
• устойчивость к окислению в воде и на воздухе;
• твердость и достаточная вязкость;
• высокая коррозионная стойкость;
• ферромагнетик;
• хороший катализатор;
• хорошо полируется.

Поверхность никеля покрыта тонким слоем оксида NiO, защищающим металл от окисления.

Преимущества и недостатки

Главные плюсы никеля и сплавов - жаропрочность, жаростойкость и повышенная механическая прочность (давление до 440 МПа). К достоинствам также можно отнести эксплуатацию в раскаленных концентрированных щелочных и кислотных растворах. Помимо этого никель способен сохранять магнитные свойства при пониженных температурах.

Главным недостатком никеля является значительное снижение показателей термоЭДС при быстром охлаждении после отжига (до 600°C). Также к минусам никеля можно отнести тот факт, что в природе чистый никель не встречается. Его получают путем дорогих технологий, что сказывается на его стоимости.

Область применения

Основная сфера применения никеля – металлургия. В ней он задействован в производстве высоколегированных нержавеющих сталей. Добавляя в расплав железа никель, металлурги получают прочные и пластичные сплавы, которые обладают повышенной коррозионной стойкостью и устойчивостью к высоким температурам. Стоит отметить, что никелевые сплавы сохраняют свои качества при многократном длительном нагревании.

Благодаря этим свойствам нержавеющая и термостойкая никелевая сталь применяется:

• в пищевой и химической промышленности;
• в нефтехимической промышленности и строительстве;
• в медицине и фармацевтике;
• в авиа- и машиностроении;
• в изготовлении подводных кабелей;
• в изготовлении нагревательных элементов промышленного оборудования;
• в производстве постоянных магнитов;
• в производстве станков и специального оборудования;
• в изготовлении интерьерных элементов зданий;
• в мебельной промышленности;
• в изготовлении бытовых приборов и домашней утвари;

Благодаря своей пластичности и легкости в ковке из никеля получают очень тонкие изделия, например, полосы, ленты и листы из никеля. Также никель активно используют в производстве проволоки и прутков.

Никель

НИ́КЕЛЬ -я; м. [нем. Nickel] Химический элемент (Ni), серебристо-белый тугоплавкий металл с сильным блеском (применяется в промышленности).

◁ Ни́келевый, -ая, -ое. Н. рудник. Н-ая руда. Н-ые сплавы. Н-ое покрытие.

ни́кель

(лат. Niccolum), химический элемент VIII группы периодической системы. Название от немецкого Nickel - имя злого духа, якобы мешавшего горнякам. Серебристо-белый металл; плотность 8,90 г/см 3 , t пл 1455°C; ферромагнитен (точка Кюри 358°C). Очень стоек к действию воздуха, воды. Главные минералы - никелин, миллерит, пентландит. Около 80% никеля идёт на никелевые сплавы. Применяют также для производства аккумуляторов, химической аппаратуры, для антикоррозионных покрытий (никелирование), как катализатор многих химических процессов.

НИКЕЛЬ

НИ́КЕЛЬ (лат. Niссolum), Ni, химический элемент с атомным номером 28, атомная масса 58,69. Химический символ элемента Ni произносится так же, как и название самого элемента. Природный никель состоит из пяти стабильных нуклидов (см. НУКЛИД) : 58 Ni (67,88 % по массе), 60 Ni (26,23 %), 61 Ni (1,19 %), 62 Ni (3,66 %) и 64 Ni (1,04 %). В периодической системе Д. И. Менделеева никель входит в группу VIIIВ и вместе с железом (см. ЖЕЛЕЗО) и кобальтом (см. КОБАЛЬТ) образует в 4-м периоде в этой группе триаду близких по свойствам переходных металлов. Конфигурация двух внешних электронных слоев атома никеля 3s 2 p 6 d 8 4s 2 . Образует соединения чаще всего в степени окисления +2 (валентность II), реже - в степени окисления +3 (валентность III) и очень редко в степенях окисления +1 и +4 (валентности соответственно I и IV).
Радиус нейтрального атома никеля 0,124 нм, радиус иона Ni 2+ - от 0,069 нм (координационное число 4) до 0,083 нм (координационное число 6). Энергии последовательной ионизации атома никеля 7,635, 18,15, 35,17, 56,0 и 79 эВ. По шкале Полинга электроотрицательность никеля 1,91. Стандартный электродݑː٠потенциал Ni 0 /Ni 2+ –0,23 B.
Простое вещество никель в компактном виде - блестящий серебристо-белый металл.
История открытия
Уже с 17 в. рудокопам Саксонии (Германия) была известна руда, которая по внешнему виду напоминала медные руды, но меди при выплавке не давала. Ее называли купферникель (нем. Kupfer - медь, а Nickel - имя гнома, подсовывавшего горнякам вместо медной руды пустую породу). Как оказалось впоследствии, купферникель - соединения никеля и мышьяка, NiAs. История открытия никеля растянулась почти на полвека. Первым вывод о присутствии в купферникеле нового «полуметалла» (то есть, по тогдашней терминологии, простого вещества, промежуточного по свойствам между металлами и неметаллами) сделал шведский металлург А. Ф. Кронстедт (см. КРОНСТЕДТ Аксель Фредрик) в 1751 году. Однако более двадцати лет это открытие оспаривалось и господствовала точка зрения, что Кронстедт получил не новое простое вещество, а какое-то соединение с серой то ли железа, то ли висмута, то ли кобальта, то ли какого-то другого металла.
Только в 1775 г., через 10 лет после смерти Кронстедта, швед Т. Бергман выполнил исследования, позволявшие заключить, что никель - это простое вещество. Но окончательно никель как элемент утвердился только в начале 19-го века, в 1804 году, после скрупулезных исследований немецкого химика И. Рихтера (см. РИХТЕР Иеремия Вениамин) , который для очистки провел 32 перекристаллизации никелевого купороса (сульфата никеля) и в результате восстановления получил чистый металл.
Нахождение в природе
В земной коре содержание никеля составляет около 8·10 -3 % по массе. Возможно, громадные количества никеля - около 17·10 19 т - заключены в ядре Земли, которое, по одной из распространенных гипотез, состоит из железоникелевого сплава. Если это так, то Земля примерно на 3 % состоит из никеля, а среди составляющих планету элементов никель занимает пятое место - после железа, кислорода, кремния и магния. Никель содержится в некоторых метеоритах, которые по составу представляют собой сплав никеля и железа (так называемые железоникелевые метеориты). Разумеется, как практический источник никеля такие метеориты значения не имеют. Важнейшие минералы никеля: никелин (см. НИКЕЛИН) (современное название купферникеля) NiAs, пентландит (см. ПЕНТЛАНДИТ) [сульфид никеля и железа состава (Fe,Ni) 9 S 8 ], миллерит (см. МИЛЛЕРИТ) NiS, гарниерит (см. ГАРНИЕРИТ) (Ni, Mg) 6 Si 4 O 10 (OH) 2 и другие никельсодержащие силикаты. В морской воде содержание никеля составляет примерно 1·10 -8 –5·10 -8 %
Получение
Значительную часть никеля получают из сульфидных медно-никелевых руд. Из обогащенного сырья сначала готовят штейн - сульфидный материал, содержащий, кроме никеля, еще и примеси железа, кобальта, меди и ряда других металлов. Методом флотации (см. ФЛОТАЦИЯ) получают никелевый концентрат. Далее штейн обычно подвергают обработке для отделения примесей железа и меди, а затем обжигают и образовавшийся оксид восстанавливают до металла. Существуют и гидрометаллургические методы получения никеля, в которых для его извлечения из руды используют раствор аммиака (см. АММИАК) или серной кислоты (см. СЕРНАЯ КИСЛОТА) . Для дополнительной очистки черновой никель подвергают электрохимическому рафинированию.
Физические и химические свойства
Никель - ковкий и пластичный металл. Он обладает кубической гранецентрированной кристаллической решеткой (параметр а=0,35238 нм). Температура плавления 1455°C, температура кипения около 2900°C, плотность 8,90 кг/дм 3 . Никель - ферромагнетик (см. ФЕРРОМАГНЕТИК) , точка Кюри (см. КЮРИ ТОЧКА) около 358°C
На воздухе компактный никель стабилен, а высокодисперсный никель пирофорен (см. ПИРОФОРНЫЕ МЕТАЛЛЫ) . Поверхность никеля покрыта тонкой пленкой оксида NiO, которая прочно предохраняет металл от дальнейшего окисления. С водой и парами воды, содержащимися в воздухе, никель тоже не реагирует. Практически не взаимодействует никель и с такими кислотами, как серная, фосфорная, плавиковая и некоторыми другими.
Металлический никель реагирует с азотной кислотой, причем в результате образуется нитрат никеля(II) Ni(NO 3) 2 и выделяется соответствующий оксид азота, например:
3Ni + 8HNO 3 = 3Ni(NO 3) 2 + 2NO + 4H 2 O
Только при нагревании на воздухе до температуры выше 800°C металлический никель начинает реагировать с кислородом с образованием оксида NiO.
Оксид никеля обладает основными свойствами. Он существует в двух полиморфных модификациях: низкотемпературной (гексагональная решетка) и высокотемпературной (кубическая решетка, устойчива при температуре выше 252°C). Имеются сообщения о синтезе оксидных фаз никеля состава NiO 1,33-2,0 .
При нагревании никель реагирует со всеми галогенами (см. ГАЛОГЕНЫ) с образованием дигалогенидов NiHal 2 . Нагревание порошков никеля и серы приводит к образованию сульфида никеля NiS. И растворимые в воде дигалогениды никеля, и нерастворимый в воде сульфид никеля могут быть получены не только «сухим», но и «мокрым» путем, из водных растворов.
С графитом никель образует карбид Ni 3 C, c фосфором - фосфиды составов Ni 5 P 2 , Ni 2 P, Ni 3 P. Никель реагирует и с другими неметаллами, в том числе (при особых условиях) с азотом. Интересно, что никель способен поглощать большие объемы водорода, причем в результате образуются твердые растворы водорода в никеле.
Известны такие растворимые в воде соли никеля, как сульфат NiSO 4 , нитрат Ni(NO 3) 2 и многие другие. Большинство этих солей при кристаллизации из водных растворов образует кристаллогидраты, например, NiSO 4 .7Н 2 О, Ni(NO 3) 2 .6Н 2 О. К числу нерастворимых соединений никеля относятся фосфат Ni 3 (PO 4) 2 и силикат Ni 2 SiO 4 .
При добавлении щелочи к раствору соли никеля(II) выпадает зеленый осадок гидроксида никеля:
Ni(NO 3) 2 + 2NaOH = Ni(OH) 2 + 2NaNO 3
Ni(OH) 2 обладает слабоосновными свойствами. Если на суспензию Ni(OH) 2 в щелочной среде воздействовать сильным окислителем, например, бромом, то возникает гидроксид никеля(III):
2Ni(OH) 2 + 2NaOH + Br 2 = 2Ni(OH) 3 + 2NaBr
Для никеля характерно образование комплексов. Так, катион Ni 2+ с аммиаком образует гексаамминовый комплекс 2+ и диакватетраамминовый комплекс 2+ . Эти комплексы с анионами образуют синие или фиолетовые соединения.
При действии фтора F 2 на смесь NiCl 2 и КСl возникают комплексные соединения, содержащие никель в высоких степенях окисления: +3 - (K 3 ) и +4 - (K 2 ).
Порошок никеля реагирует с оксидом углерода(II) СО, причем образуется легко летучий тетракарбонил Ni(CO) 4 , который находит большое практическое применение при нанесении никелевых покрытий, приготовлении высокочистого дисперсного никеля и т. д.
Характерна реакция ионов Ni 2+ с диметилглиоксимом, приводящая к образованию розово-красного диметилглиоксимата никеля. Эту реакцию используют при количественном определении никеля, а продукт реакции - как пигмент косметических материалов и для других целей.
Применение
Основная доля выплавляемого никеля расходуется на приготовление различных сплавов. Так, добавление никеля в стали позволяет повысить химическую стойкость сплава, и все нержавеющие стали обязательно содержат никель. Кроме того, сплавы никеля характеризуются высокой вязкостью и используются при изготовлении прочной брони. Сплав железа и никеля, содержащий 36-38% никеля, обладает удивительно низким коэффициентом термического расширения (это - так называемый сплав инвар), и его применяют при изготовлении ответственных деталей различных приборов.
При изготовлении сердечников электромагнитов широкое применение находят сплавы под общим названием пермаллои (см. ПЕРМАЛЛОЙ) . Эти сплавы, кроме железа, содержат от 40 до 80 % никеля. Общеизвестны применяемые в различных нагревателях нихромовые спирали, которые состоят из хрома (10-30 %) и никеля. Из никелевых сплавов чеканятся монеты. Общее число различных сплавов никеля, находящих практическое применение, достигает нескольких тысяч.
Высокая коррозионная стойкость никелевых покрытий позволяет использовать тонкие никелевые слои для защиты различных металлов от коррозии путем их никелирования. Одновременно никелирование придает изделиям красивый внешний вид. В этом случае для проведения электролиза используют водный раствор двойного сульфата аммония и никеля (NH 4) 2 Ni(SO 4) 2 .
Никель широко используют при изготовлении различной химической аппаратуры, в кораблестроении, в электротехнике, при изготовлении щелочных аккумуляторов, для многих других целей.
Специально приготовленный дисперсный никель (так называемый никель Ренея) находит широкое применение как катализатор самых разных химических реакций. Оксиды никеля используют при производстве ферритных материалов и как пигмент для стекла, глазурей и керамики; оксиды и некоторые соли служат катализаторами различных процессов.
Билогическая роль
Никель относится к числу микроэлементов (см. МИКРОЭЛЕМЕНТЫ) , необходимых для нормального развития живых организмов. Однако о его роли в живых организмах известно немного. Известно, что никель принимает участие в ферментативных реакциях у животных и растений. В организме животных он накапливается в ороговевших тканях, особенно в перьях. Повышенное содержание никеля в почвах приводят к эндемическим заболеваниям - у растений появляются уродливые формы, у животных - заболевания глаз, связанные с накоплением никеля в роговице. Токсическая доза (для крыс) - 50 мг. Особенно вредны летучие соединения никеля, в частности, его тетракарбонил Ni(CO) 4 . ПДК соединений никеля в воздухе составляет от 0,0002 до 0,001 мг/м 3 (для различных соединений).

Энциклопедический словарь . 2009 .

Синонимы :

Смотреть что такое "никель" в других словарях:

НИКЕЛЬ - (симв. Ni), металл с атомным весом 58,69, порядковый номер 28, принадлежит вместе с кобальтом и железом к VIII группе и 4 му ряду периодической системы Менделеева. Уд. в. 8,8, t° плавления 1 452°. В своих обычных соединениях Н.… … Большая медицинская энциклопедия

- (символ Ni), серебристо белый металл, ПЕРЕХОДНЫЙ ЭЛЕМЕНТ, открытый в 1751 г. Его основные руды: сульфидные никеле железные руды (пентландит) и ар сенид никеля (никелин). У никеля сложный процесс очищения, включающий дифференцированное разложение… … Научно-технический энциклопедический словарь

- (нем. Nickel). Металл серебристо белого цвета, в чистом виде не встречается. В последнее время употребляется на выделку столовой и кухонной посуды. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н., 1910. НИКЕЛЬ нем. Nickel … Словарь иностранных слов русского языка

Никель - представляет собой относительно твердый серовато белый металл с температурой плавления 1453 град. С. Он является ферромагнетиком, отличается ковкостью, пластичностью, прочностью, а также стойкостью к коррозии и окислению. Никель в основном… … Официальная терминология

Никель относится к переходным металлам первого длинного периода и в периодической системе Д.И. Менделеева располагается в VIIIA подгруппе вместе с железом и кобальтом.

Никель кристаллизуется в кубической гранецентрированной решетке с периодом при комнатной температуре, равным 0,352387 нм. Атомный диаметр никеля – 0,248 нм. Плотность никеля (8,897 г/см 3) почти такая же, как у меди, и в два раза превышает плотность титана, так что никель относят к числу тяжелых цветных металлов.

Физические свойства никеля приведены в табл. 7. Скрытая теплота плавления никеля примерно такая же, как у магния, и несколько больше, чем у алюминия. Его удельная теплоемкость сравнительно невелика и лишь немного превышает теплоемкость меди. Удельная электро- и теплопроводность никеля меньше, чем у меди и алюминия, но значительно превышает электро- и теплопроводность титана и многих других переходных металлов. Модули упругости у никеля примерно такие же, как у железа.

Никель – ферромагнитный металл, но его ферромагнетизм выражен значительно меньше, чем у железа и кобальта. Точка Кюри для никеля составляет 358 ˚С, выше этой температуры никель переходит в парамагнитное состояние.

Чистый никель – металл серебристого цвета. При высокотемпературном окислении никеля образуются два оксидных слоя: внутренний – светло-зеленый и внешний – темно-зеленый. Два этих слоя состоят из оксида, но отличаются количеством кислорода.

Никель характеризуется более высокой коррозионной стойкостью в атмосферных условиях по сравнению с другими техническими металлами, что обусловлено образованием на его поверхности тонкой и прочной защитной пленки. Никель обладает достаточной устойчивостью не только в пресной, но и в морской воде. Минеральные кислоты, особенно азотная, сильно действуют на никель. Щелочные и нейтральные растворы солей на никель влияют незначительно даже при нагревании, в кислых растворах солей он корродирует довольно сильно. В концентрированных растворах щелочей никель устойчив даже при высоких температурах.

Никель при комнатной температуре не взаимодействует с сухими газами, но присутствие влаги заметно повышает скорость его коррозии в этих средах. Никель, загрязненный кислородом, склонен к водородной болезни.

Сырье для получения никеля

В настоящее время никелевые заводы перерабатывают в основном два типа руд, резко различающихся по химическому составу и свойствам: окисленные никелевые и сульфидные медно-никелевые. Значение этих руд для отечественной никелевой промышленности и за рубежом различно. В России из года в год возрастает доля никеля, получаемого из сульфидных руд, а в зарубежных странах, наоборот, все большее значение приобретают окисленные руды.

Окисленные никелевые руды представляют собой горные породы вторичного происхождения, состоящие в основном из гидратированных магнезиальных силикатов, алюмосиликатов и оксида железа. Никелевые минералы в них составляют незначительную часть рудной массы. Наиболее часто никель находится в виде бунзеита (NiO), гарниерита [(Ni, Mg)O · SiO 3 · nH 2 O] или ревденскита . Кроме никеля полезным компонентом этих руд является кобальт, содержание которого обычно в 15…25 раз меньше содержания никеля. Иногда в окисленных рудах присутствует в небольших количествах медь (0,01…0,02 %).

Пустая порода, составляющая основную массу руды, представлена глиной Al 2 O 3 · 2SiO 2 · 2H 2 O, тальком 3MgO · 4SiO 2 · 2H 2 O, другими силикатами, бурым железняком Fe 2 O 3 · nH 2 O, кварцем и известняком.

Окисленные никелевые руды отличаются исключительным непостоянством состава по содержанию как ценных компонентов, так и пустой породы. Эти колебания состава наблюдаются даже в массиве одного месторождения. Возможные пределы концентраций компонентов руды характеризуются следующими цифрами, %: Ni – 0,7…4; Co – 0,04…0,16; SiO 2 – 15…75; Fe 2 O 3 – 5…65; Al 2 O 3 – 2…25; Cr 2 O 3 – 1…4; MgO – 2…25; CaO – 0,5…2; конституционная влага – до 10…15.

По внешнему виду окисленные никелевые руды похожи на глину. Для них характерны пористое, рыхлое строение, малая прочность кусков, высокая гигроскопичность. Рациональных методов обогащения таких руд до сих пор не найдено, и они после соответствующей подготовки непосредственно поступают в металлургическую переработку.

В сульфидных рудах никель присутствует главным образом в виде пентландида, представляющего изоморфную смесь сульфидов никеля и железа переменного соотношения, и частично в форме твердого раствора в пирротине.

Основным спутником никеля в сульфидных рудах является медь, содержащаяся главным образом в халькопирите. Из-за высокого содержания меди эти руды называют медно-никелевыми. Кроме никеля и меди в них обязательно присутствуют кобальт, металлы платиновой группы, золото, серебро, селен и теллур, а также сера и железо. Таким образом, сульфидные медно-никелевые руды являются полиметаллическим сырьем очень сложного химического состава. При их металлургической переработке в настоящее время извлекают 14 ценных компонентов.

Химический состав сульфидных медно-никелевых руд следующий, %: Ni – 0,3…5,5; Cu – 0,2…1,9; Co – 0,02…0,2; Fe – 30…40; S – 17…28; SiO 2 – 10…30; MgO – 1…10; Al 2 O 3 – 5…8. По структуре медно-никелевые руды могут быть сплошными, жильными и вкрапленными. Чаще встречаются два последних типа руд. В зависимости от глубины залегания руду добывают как открытым, так и подземным способом.

В отличие от окисленных никелевых руд медно-никелевые руды характеризуются высокой механической прочностью, негигроскопичны и могут подвергаться обогащению.

Основным способом обогащения сульфидных медно-никелевых руд является флотация. Иногда флотационному обогащению предшествует магнитная сепарация, направленная на выделение пирротина в самостоятельный концентрат. Возможность проведения магнитной сепарации обусловлена относительно высокой магнитной восприимчивостью пирротина.

Выделение пирротинового концентрата при обогащении руды улучшает качество первичного никелевого концентрата вследствие вывода из него значительной части железа и серы и упрощает его последующую металлургическую переработку. Однако при получении пирротинового концентрата возникает необходимость в обязательной его переработке с целью извлечения никеля, серы и платиноидов.

Флотационное обогащение медно-никелевых руд может быть коллективным или селективным. При коллективной флотации за счет отделения пустой породы получают медно-никелевый концентрат. Однако и селективная флотация не обеспечивает полного разделения меди и никеля. Продуктами селекции в этом случае будут медный концентрат с относительно небольшим содержанием никеля и никелево-медный концентрат, отличающийся от руды более высоким отношением Ni: Cu.

Таким образом, в зависимости от принятой схемы обогащения сульфидных медно-никелевых руд можно получать коллективные медно-никелевые, медные, никелевые и пирротиновые концентраты, состав которых приведен в табл. 8.

Способы получения никеля

Сульфидные руды и окисленные руды перерабатывают различными способами – пиро- и гидрометаллургическими.

Плавка на штейн сульфидных руд и концентратов

Руды с суммарным содержанием больше 2–5 % меди и никеля считают богатыми, их плавят без предварительного обогащения.

Руды и концентраты содержат одни и те же минералы, поэтому к ним могут быть применены после необходимой подготовки одни и те же способы переработки.

При нагревании руды до 400–600 ˚С еще до начала плавления халькопирит и никельсодержащие сульфиды разлагаются:

6(NiS, FeS) → 2Ni 3 S 2 + 6FeS + S 2 ,
4CuFeS 2 → 2Cu 2 S + 4FeS + S 2 ,
2Fe 7 S 8 → 14FeS + S 2 .

В результате этих реакций сложная совокупность минералов превращается в смесь простых сульфидов: Ni 3 S 2 , FeS и Cu 2 S.

При температурах, необходимых для плавления шлака, состоящего из окислов пустой породы и флюсов, сульфиды меди, никеля и железа неограниченно растворимы друг в друге; они образуют медно-никелевый штейн, отделяемый от шлака в виде более тяжелого жидкого слоя.

Если часть серы при плавке окислена или удалена предварительным обжигом, распределение меди, никеля и железа между штейном и шлаком будет зависеть от сродства этих металлов к кислороду и сере. В условиях плавки сродство к сере, определяющее возможность перехода металла в штейн, у меди больше, чем у никеля, а у никеля больше, чем у железа. Сродство тех же металлов к кислороду убывает в обратной последовательности. При недостатке серы для сульфидирования всех металлов сначала будет переходить в штейн медь, затем никель и, наконец, часть железа. Чем больше железа перейдет в штейн, тем больше полнота сульфидирования меди и никеля, но штейн, разбавленный сернистым железом, будет бедным. Для полного перевода никеля в штейн при плавке руды или концентрата не стремятся к полному шлакованию железа, оставляя часть его в штейне.

Кобальт по сродству к сере и кислороду занимает промежуточное положение между железом и никелем.

Расплавленный штейн продувают в конвертере, добавляя кварц; железо, окисляясь, шлакуется кремнеземом.

Основной продукт конвертерного передела – медно-никелевый файнштейн – представляет собой сплав сульфидов меди и никеля, содержащий 1–3 % железа.

Кобальт при продувке частично шлакуется вместе с железом.

Конвертерный шлак иногда направляют в отдельный передел для извлечения кобальта. Благородные металлы концентрируются почти полностью в файнштейне.

Охлажденный файнштейн дробят, измельчают и подвергают флотации. При этом получают два концентрата: никелевый, состоящий почти из чистого Ni 3 S 2 , и медный, содержащий Cu 2 S; последний перерабатывают на медь обычным медным концентратом плавкой на штейн и продувкой в конвертере.

Никелевый концентрат обжигают, окисляя его по реакции

Полученный таким образом серый порошок закиси никеля, содержащий окислы кобальта и платиновые металлы, восстанавливают углем в электропечах до металла, который разливают в аноды.

Никелевые аноды подвергают электролитическому рафинированию, попутно извлекая из электролита кобальт и остаток меди, а из шлама – платиноиды.

Богатые крупнокусковые медно-никелевые руды плавят на штейн в шахтных печах, если пустая порода этих руд не слишком тугоплавка. В ряде случаев для руд, содержащих много окиси магния или другие тугоплавкие составляющие, приходится прибегать к электроплавке.

Флотационные концентраты и мелкие фракции богатых руд плавят в отражательных или электрических печах; при высоком содержании серы в этих материалах применяют предварительный обжиг.

Выбор способа плавки во многом зависит от состава сырья и местных экономических условий, в частности от наличия того или иного топлива и цены на электроэнергию.

Гидрометаллургический способ переработки сульфидных руд

По этому способу измельченную руду или концентрат обрабатывают раствором аммиака и (NH 4) 2 SO 4 в автоклавах под избыточным давлением воздуха около 506,7 кн/м 2 (7ат). Медь, никель и кобальт переходят в раствор в виде комплексных аммиачных солей, например по реакции

NiS + 2O 2 + 6NH 3 = Ni(NH 3) 6 SO 4 .

Энергичное окисление сульфидов сопровождается выделением тепла, избыток которого отводят холодильниками, поддерживая в автоклаве температуру 70–80 ºС, сера, входящая в состав концентрата, при этом окисляется до S 2 O3 2− , S 3 O 6 2− и SO 4 2− , а железо выпадает в осадок в виде гидроокиси и основных сульфатов.

Отфильтрованный раствор кипятят для осаждения меди по реакции

Cu 2+ + 2S 2 O 3 2− = CuS + SO 4 2− + S + SO 2 .

После этого частично оставшуюся в растворе медь осаждают сероводородом, а очищенный от нее раствор, содержащий никель и кобальт, обрабатывают в автоклаве водородом при давлении около 2,5 Мн/м 2 (25 ат) и температуре около 200 ºС.

Сначала осаждается основная масса никеля

Ni(NH3) 6 2+ + H 2 = Ni + 2NH 4 + + 4NH 3

в виде частиц крупностью от 2 до 80 мкм. Отфильтровав осадок, остаток никеля и кобальт выделяют из раствора сероводородом.

При дальнейшей обработке осадка сульфидов кислородом и аммиаком в автоклаве растворяется кобальт. Нерастворимый осадок, содержащий преимущественно сульфид никеля, возвращают на основное выщелачивание, а из раствора действием водорода под давлением выделяют кобальт.

Схема сложна и требует дорогой аппаратуры; однако она позволяет извлекать из комплексных концентратов до 95 % Ni, около 90 % Сu и 50–75 % Со.

Плавка окисленных руд на штейн

Наиболее распространенный в настоящее время способ переработки окисленных никелевых руд плавкой на штейн основан на различии сродства железа и никеля к кислороду и сере.

Никель путем сульфидирования переводится в штейн – сплав Ni 3 S 2 и FeS; основная масса железа удаляется со шлаком:

6FeS + 6NiO = 6FeO + 2Ni 3 S 2 + S 2 ,
2FeO + SiO 2 = FeSiO 4 .

Окисленные руды не содержат серы, поэтому ее приходится вводить, добавляя при плавке пирит или гипс. Гипс, восстанавливаясь до сернистого кальция, сульфидирует железо и никель. Действие гипса при плавке более сложно, чем действие пирита, однако во многих случаях все же пользуются гипсом, а не пиритом, так как гипс дешевле пирита и не дает
железистых шлаков.

Наиболее выгодно при переработке окисленных никелевых руд применять местный кобальтсодержащий пирит, в котором очень мало меди и нет благородных металлов.

Никелевый штейн, полученный в результате плавки руды с пиритом или гипсом, содержит до 60 % Fe, которое далее отделяют от никеля продувкой жидкого штейна в конвертере. При конвертировании происходит избирательное окисление железа и шлакование его добавляемым в конвертер кварцем – получается практически чистый от железа никелевый файнштейн. Конвертерный шлак богат никелем, поэтому он является оборотным продуктом – его возвращают в рудную плавку либо направляют на отдельную переработку для извлечения кобальта.

Файнштейн разливают в изложницы, затем измельчают и обжигают намертво:

2Ni 3 S 2 + 7O 2 = 6NiO + 4SO 2 .

Закись никеля смешивают с малосернистым восстановителем, например с нефтяным коксом, и плавят в электрической печи при 1500 ºС, получая жидкий никель.

Никель отливают в аноды для электролитического рафинирования либо гранулируют, сливая его тонкой струей в воду.

Плавка окисленных руд на никелистый чугун (ферроникель)

Богатые окисленные руды иногда плавят в электрических печах с углем, восстанавливая из них все железо, никель и кобальт в природнолегированный чугун.

Подобную плавку сравнительно бедных руд проводят и в доменных печах, однако она имеет ограниченное применение.

Несмотря на преимущественное использование никеля в специальных сталях, выплавка его в виде сплава с железом не всегда приемлема: в сплав переходят кобальт, марганец, хром и другие примеси, случайные сочетания которых не всегда позволяют использовать ценные свойства этих металлов.

Кричный способ переработки окисленных руд

По этому способу руду, смешанную с углем, нагревают в трубчатых вращающихся печах при температуре около 1050 ºС, позволяющей восстановить вместе с никелем и кобальтом только часть железа. Восстановленные металлы получаются в виде зерен, смешанных с полурасплавленным шлаком. Охлажденный шлак дробят и извлекают из него кричный сплав электромагнитом. Способ не получил широкого распространения по тем же причинам, что и предыдущий, – из-за невозможности отдельного использования кобальта.

Гидрометаллургия окисленных руд

По одному из этих способов, известному в литературе под названием кубинского, измельченную руду подвергают восстановительному обжигу в механических многоподовых печах в среде генераторного газа. При 600–700 ºС никель и кобальт восстанавливаются до металлов, а железо – только до закиси. Далее руду выщелачивают раствором аммиака в присутствии углекислоты и кислорода воздуха. Никель образует растворимые в воде аммиакаты по реакции

2Ni + 12NH 3 + 2CO 2 + O 2 = 2Ni(NH 3) 6 CO 3 .

После отделения пустой породы сгущением и промывкой раствор обрабатывают острым паром. В результате удаления избытка аммиака протекает гидролиз с выделением в осадок основных карбонатов никеля:

2Ni(NH 3) 6 CO 3 + H 2 O = NiCO 3 Ni(OH) 2 + CO 2 + 12NH 3 .

Аммиак из газов поглощают водой и вновь направляют на выщелачивание. Закись никеля спекают на агломерационных машинах и в виде спека поставляют на сталеплавильные заводы.

Данный металл серебристо-серого цвета относится к переходным - он обладает и щелочными, и кислотными свойствами. Основными достоинствами металла считаются ковкость, пластичность, а также высокие антикоррозийные показатели. Где и каким образом используется никель - читайте ниже.

Благодаря присутствию оксидной пленки на поверхности, металл наделен способностью отлично противостоять коррозии. К тому же покрытие из данного металла надежно защищает от окисления детали и предметы, изготовленные из других материалов. Именно поэтому никель широко используется в современной промышленности.

К тому же, элемент имеет не только антикоррозийные свойства. Он отлично противостоит воздействию различных щелочей. Благодаря этому, его применяют для защиты всевозможных алюминиевых, железных и чугунных деталей, предназначенных для эксплуатации в агрессивных средах. В том числе для изготовления самолетных лопастей, цистерн для перевозки опасных веществ и другого оборудования для химической промышленности.

Если говорить о других сферах нашей жизни, где использование никеля сегодня поставлено на широкую ногу, то стоит упомянуть производство:

• протезов и брекетов для нужд медицины;
• аккумуляторов;
• химических реактивов;
• "белого золота" в ювелирной промышленности;
• обмотки для струн музыкальных инструментов.

Сплавы

Благодаря антикоррозийным свойствам, элемент повсеместно применяется для производства различных сплавов из железа, меди, титана, олова, молибдена и т. д. На это расходуется свыше 80 процентов от общего объема добываемого во всем мире Ni, месторождения которого находятся на территории России (Урал, Мурманская и Воронежская области, Норильский район) ЮАР, Канады, Греции, Албании и других государств. Ni применяется для изготовления нержавеющей стали. Сплавы с железом используются практически во всех отраслях современной промышленности, а также при строительстве любых гражданских или промышленных объектов.

В результате различного процентного сочетания с медью получают сплавы монели, константин и другие. Они применяются для изготовления монет, резервуаров для хранения серной, хлорной или фосфорной кислоты, запасных частей и деталей машин (клапанов, теплообменников, втулок, пружин, лопастей крыльчаток), предназначенных для использования в режиме повышенных нагрузок.

Сплавы с добавлением хрома - нихромы - жаропрочны поэтому используются для изготовления конструктивных элементов газовых турбин, деталей реактивных двигателей, оборудования для ядерных реакторов.

В процессе добавления молибдена получают сплавы, стойкие к воздействию кислот и других агрессивных составов (сухому хлору).

Сплавы с участием алюминия, железа, меди и кобальта - алник и магнико - обладают свойствами постоянных магнитов и применяются при изготовлении различных радиоизмерительных приборов и электротехники.

Изделия из инвара - сплава с добавлением железа (Ni - 35 процентов, Fe - 65%) обладают свойством практически не растягиваться при нагревании.

Другие области применения

Одной из наиболее распространенных областей, где сегодня используется никель в промышленности, является никелирование, то есть нанесение тонкого слоя никеля (толщина варьируется от 12 до 36 микрометров) на поверхность других металлов при помощи гальванического метода. Таким способом проходит антикоррозийная обработка:

• металлических труб;
• посуды;
• столовых предметов;
• смесителей и кранов для кухни или ванной комнаты;
• мебельной фурнитуры и других декоративных изделий.

Обработанные таким образом предметы будут в течение продолжительного срока надежно защищены от воздействия влаги, а также, благодаря не тускнеющему со временем серебристому покрытию, сохранят презентабельный внешний вид.

Подробности Категория: Просмотров: 4652

НИКЕЛЬ , Ni, химический элемент VIII группы периодической системы, принадлежащий к триаде т. н. железных металлов (Fe, Со, Ni). Атомный вес 58,69 (известны 2 изотопа с атомным весом 58 и 60); порядковый номер 28; обычная валентность Ni равна 2, реже - 4, 6 и 8. В земной коре никель более распространен, чем кобальт, составляя около 0,02% ее по весу. В свободном состоянии никель встречается только в метеорном железе (иногда до 30%); в геологических образованиях он содержится исключительно в виде соединений - кислородных, сернистых, мышьяковистых, силикатов и т. п. (см. Никелевые руды).

Свойства никеля . Чистый никель - серебристо-белый металл с сильным блеском, не тускнеющим на воздухе. Он тверд, тугоплавок и легко полируется; при отсутствии примесей, (особенно серы) он весьма гибок, ковок и тягуч, способен развальцовываться в очень тонкие листы и вытягиваться в проволоку диаметром менее 0,5 мм. Кристаллическая форма никеля - куб. Удельный вес 8,9; литые изделия имеют удельный вес ~8,5; прокаткой он м. б. увеличен до 9,2. Твердость по Мосу ~5, по Бринеллю 70. Предельное сопротивление на разрыв 45-50 кг/мм 2 , при удлинении 25-45%; модуль Юнга Е 20 = (2,0-2,2)х10 6 кг)см 2 ; модуль сдвига 0,78·10 6 кг/см 2 ; коэффициент Пуассона μ =0,3; сжимаемость 0,52·10 -6 см 2 /кг; температура плавления никеля по позднейшим наиболее точным определениям равна 1455°С; температура кипения - в пределах 2900-3075°С.

Линейный коэффициент термического расширения 0,0000128 (при 20°С). Теплоемкость: удельная 0,106 cal/г, атомная 6,24 cal (при 18°С); теплота плавления 58,1 cal/г; теплопроводность 0,14 cal см/см 2 сек. °С (при 18°С). Скорость звукопередачи 4973,4 м/сек. Удельное электрическое сопротивление никеля при 20°С равно 6,9-10 -6 Ω-см с температурным коэффициентом (6,2-6,7)·10 -3 . Никель принадлежит к группе ферромагнитных веществ, но магнитные свойства его уступают таковым железа и кобальта; для никеля при 18°С предел намагничения J m = 479 (для железа J m = 1706); точка Кюри 357,6°С; магнитная проницаемость как самого никеля, так и его ферросплавов значительна (см. ниже). При обыкновенной температуре никель вполне устойчив по отношению к атмосферным влияниям; вода и щелочи, даже при нагревании, на него не действуют. Никель легко растворяется в разбавленной азотной кислоте с выделением водорода и значительно труднее - в НСl, H 2 SO 4 и концентрированная HNО 3 . Будучи накален на воздухе, никель окисляется с поверхности, но лишь на незначительную глубину; в нагретом состоянии он легко соединяется с галоидами, серой, фосфором и мышьяком. Рыночными сортами металлического никеля являются следующие: а) обыкновенный металлургический никель, получаемый восстановлением из его окислов при помощи угля, содержит обычно от 1,0 до 1,5% примесей; б) ковкий никель, получаемый из предыдущего переплавлением с добавкой около 0,5% магния или марганца, содержит примесь Mg или Мn и почти не содержит серы; в) никель, приготовленный по способу Монда (через никелькарбонил) - наиболее чистый продукт (99,8-99,9% Ni). Обычными примесями в металлургическом никеле являются: кобальт (до 0,5%), железо, медь, углерод, кремний, окислы никеля, сера и окклюдированные газы. Все эти вещества, за исключением серы, мало влияют на технические свойства никеля, понижая лишь его электропроводность и несколько повышая твердость. Сера (присутствующая в форме сульфида никеля) резко уменьшает ковкость и механическую прочность никеля, особенно при повышенной температуре, что замечается даже при содержании <0,005% S. Вредное влияние серы объясняется тем, что сульфид никеля, растворяясь в металле, дает хрупкий и низкоплавкий (температура плавления около 640°С) твердый раствор, образующий прослойки между кристаллитами чистого никеля.

Применение никеля . Основная масса металлургического никеля идет на изготовление ферроникеля и никелевой стали. Крупным потребителем никеля является также производство различных специальных сплавов (см. ниже) для электропромышленности, машиностроения и химического аппаратуростроения; эта область применения никеля за последние годы показывает тенденцию к усиленному росту. Из ковкого никеля готовят лабораторные аппараты и посуду (тигли, чашки), кухонную и столовую посуду. Большие количества никеля расходуются для никелирования железных, стальных и медных изделий и в производстве электрических аккумуляторов. Из химически чистого никеля изготовляются ламповые электроды для радиотехнической аппаратуры. Наконец восстановленный чистый никель в виде порошка является наиболее употребительным катализатором при всевозможных реакциях гидрирования (и дегидрирования), например, при гидрогенизации жиров, ароматических углеводородов, карбонильных соединений и т. д.

Никелевые сплавы . Качественный и количественный состав применяемых никелевых сплавов весьма разнообразен. Техническое значение имеют сплавы никеля с медью, железом и хромом (в самое последнее время также с алюминием), - часто с добавкой третьего металла (цинка, молибдена, вольфрама, марганца и др.) и с определенным содержанием углерода или кремния. Содержание никеля в этих сплавах варьирует от 1,5 до 85%.

Сплавы Ni-Cu образуют твердый раствор при любом соотношении компонентов. Они стойки по отношению к щелочам, разбавленной H 2 SО 4 и нагреву до 800°С; антикоррозионные свойства их растут с увеличением содержания Ni. Из сплава 85% Cu+15% Ni изготовляются оболочки для пуль, из сплава 75% Си + 25% Ni - мелкая разменная монета. Сплавы с 20-40% Ni служат для изготовления труб в конденсационных установках; такие же сплавы употребляются для облицовки столов в кухнях и буфетах и для изготовления штампованных орнаментальных украшений. Сплавы с 30-45% Ni идут на производство реостатной проволоки и стандартных электрических сопротивлений; сюда относятся например, никелин и константан. Сплавы Ni-Cu с высоким содержанием Ni (до 70%) отличаются большой химической устойчивостью и широко применяются в аппарато- и машиностроении. Наибольшим распространением пользуется монель-металл.

Сплавы Ni-Cu-Zn достаточно стойки по отношению к органическим кислотам (уксусной, винной, молочной); при содержании около 50% меди они объединяются под общим названием нейзильбера . Более богатый медью аппаратурный сплав амбарак содержит 20% Ni, 75% Сu и 5% Zn; по устойчивости он уступает монель-металлу. Сплавы типа бронзы или латуни, содержащие в своем составе никель, называют иногда также никелевой бронзой.

Сплавы Ni-Cu-Mn , содержащие 2-12% Ni, под названием манганина употребляются для электрических сопротивлений; в электроизмерительных приборах применяется сплав из 45-55% Ni, 15-40% Мn и 5-40% Сu.

Сплавы Ni-Cu-Сг стойки по отношению к щелочам и кислотам, за исключением НСl.

Сплавы Ni-Cu-W за последнее время получили большое значение как ценные кислотоупорные материалы для химической аппаратуры; при содержании 2-10% W и не свыше 45% Сuони хорошо вальцуются и весьма устойчивы к горячей H 2 SO 4 . Наилучшими качествами обладает сплав состава: 52% Ni, 43% Сu, 5% W; допустима небольшая примесь Fe.

Сплавы Ni-Cr . Хром растворяется в никеле до 60%, никель в хроме до 7%; в сплавах промежуточного состава имеются кристаллические решетки обоих типов. Эти сплавы стойки по отношению к влажному воздуху, щелочам, разбавленным кислотам и к H 2 SО 4 ; при содержании 25% Сг и более, они устойчивы и против HNO 3 ; добавка ~2% Ag делает их легко вальцующимися. При 30% никеля сплав Ni-Cr вполне лишен магнитных свойств. Сплав, содержащий 80-85% Ni и 15-20% Сг, наряду с высоким электрическим сопротивлением весьма устойчив к окислению при высоких температурах (выдерживает нагревание до 1200°С); он применяется в электрических печах сопротивления и хозяйственных нагревательных приборах (электрические утюги, жаровни, плиты). В США из Ni-Cr изготовляются литые трубы для высоких давлений, применяемые в заводской аппаратуре.

Сплавы Ni-Mo обладают высокой кислотоупорностью (при >15% Мо), но не получили распространения вследствие их дороговизны.

Сплавы Ni-Mn (с 1,5-5,0% Мn) стойки по отношению к щелочам и влаге; техническое применение их ограничено.

Сплавы Ni-Fe образуют непрерывный ряд твердых растворов; они составляют обширную и технически важную группу; в зависимости от содержания углерода они носят характер либо стали, либо чугуна. Обычные сорта никелевой стали (перлитовой структуры) содержат 1,5-8% Ni и 0,05- 0,50% С. Присадка никеля делает сталь очень вязкой и значительно повышает ее предел упругости и ударное сопротивление на изгиб, не нарушая ковкости и свариваемости. Из никелевой стали готовят ответственные детали машин, например передаточные валы, оси, шпиндели, цапфы, зубчатые сцепления и т. п., а также многие детали артиллерийских конструкций; сталь с 4-8% Ni и <0,15% С хорошо поддается цементации. Введение никеля в чугуны(>1,7% С) способствует выделению углерода (графита) и разрушению цементита; никель повышает твердость чугуна, его сопротивление на растяжение и изгиб, способствует равномерному распределению твердости в отливках, облегчает механическую обработку, придает мелкозернистость и уменьшает образование пустот в литье. Никелистый чугун применяется как щелочеупорный материал для химической аппаратуры; наиболее пригодны для этой цели чугуны с содержанием 10-12% Ni и ~1 % Si. Сталеподобные сплавы с более высоким содержанием никеля (25-46% Ni при 0,1-0,8% С) имеют аустенитовую структуру; они очень стойки к окислению, к действию горячих газов, щелочей и уксусной кислоты, обладают высоким электрическим сопротивлением и весьма малым коэффициентом расширения. Эти сплавы почти не магнитны; при содержании Ni в пределах 25-30% они вполне утрачивают магнитные свойства; магнитная проницаемость их (в полях низкой напряженности) растет с увеличением содержания никеля и м. б. еще повышена специальной термической обработкой. К сплавам этой категории относятся: а) ферроникель (25% Ni при 0,3-0,5% С), идущий на изготовление клапанов моторов и других машинных частей, работающих при повышенной температуре, а также немагнитных частей электрических машин и реостатной проволоки; б) инвар ; в) платинит (46% Ni при 0,15% С) применяется в электролампах вместо платины для впаивания проводов в стекло. Сплав пермаллой (78% Ni при 0,04% С) имеет магнитную проницаемость μ = 90000 (в поле напряженностью 0,06 гаусса); предел намагничения I m = 710. Некоторые сплавы этого типа идут на изготовление подводных электрических кабелей.

Сплавы Ni-Fe-Cr - также очень важная в техническом отношении группа. Хромоникелевая сталь , употребляемая в машино- и моторостроении, содержит обычно 1,2-4,2% Ni, 0,3-2,0% Сг и 0,12-0,33% С. Кроме высокой вязкости она обладает и значительной твердостью и сопротивляемостью износу; временное сопротивление на разрыв, в зависимости от характера термической обработки, колеблется между 50 и 200 кг/мм 2 ; идет на изготовление коленчатых валов и других деталей двигателей внутреннего сгорания, частей станков и машин, а также артиллерийской брони. В сталь для лопаток паровых турбин, с целью повышения твердости, вводится большое количество хрома (от 10 до 14%). Хромоникелевые стали с содержанием >25% Ni хорошо противостоят действию горячих газов и обладают минимальной текучестью: они могут подвергаться значительным усилиям в условиях высокой температуры (300-400°С), не обнаруживая остаточных деформаций; употребляются для изготовления клапанов к моторам, частей газовых турбин и конвейеров для высокотемпературных установок (например, печей для отжига стекла). Сплавы Ni-Fe-Cr, содержащие >60% Ni, служат для изготовления литых машинных деталей и низкотемпературных частей электрических нагревательных приборов. Как аппаратурный материал, сплавы Ni-Fe-Cr обладают высокими антикоррозионными свойствами и довольно устойчивы по отношению к HNО 3 . В химическом аппаратостроении пользуются хромоникелевой сталью, содержащей 2,5-9,5% Ni и 14-23% Сг при 0,1-0,4% С; она почти не магнитна, устойчива к HNО 3 , горячему аммиаку и к окислению при высоких температурах; присадка Мо или Сu повышает стойкость к горячим кислотным газам (SО 2 , НСl); повышение содержания Ni увеличивает способность стали к механической обработке и стойкости к H 2 SO 4 , но уменьшает стойкость к HNO 3 . Сюда относятся крупповские нержавеющие стали (V1M,V5M) и кислотоупорные стали (V2A, V2H и др.); термическая обработка их заключается в нагреве до ~ 1170°С и закалке в воде. В качестве щелочеупорного материала применяют никель-хромистый чугун (5-6% Ni и 5-6% Сг при содержании >1,7% С). Сплав нихром, содержащий 54-80% Ni, 10-22% Сг и 5-27% Fe, иногда с добавкой Сu и Мn, устойчив к окислению в пределах температур до 800°С и находит применение в нагревательных приборах (этим же названием иногда обозначают описанные выше сплавы Ni-Cr, не содержащие Fe).

Сплавы Ni-Fe-Mo предлагались как аппаратурный материал. Наивысшей кислотоупорностью и антикоррозионными свойствами обладает сплав из 55-60% Ni, 20% Fe и 20% Мо, при содержании < 0,2% С; присадка небольшого количества V еще более повышает кислотоупорность; Мn м. б. вводим в количестве до 3%. Сплав вполне устойчив по отношению к холодным кислотам (НСl, H 2 SO 4), за исключением HNO 3 , и к щелочам, но разрушается хлором и окислителями в присутствии кислот; он имеет твердость по Бринеллю >200, хорошо вальцуется, куется, отливается и обрабатывается на станках.

Сплавы Ni-Fe-Cu применяются в химической аппаратуре (сталь с 6-11% Ni и 16-20% Сu).

Сплавы Ni-Fe-Si . Для постройки кислотоупорной аппаратуры применяются кремненикелевые стали марки «дуримет» (Durimet), содержащие 20-25% Ni (или Ni и Сг в отношении 3:1) и ~ 5% Si, иногда с добавкой Сu. Они устойчивы к холодным и горячим кислотам (H 2 SО 4 , HNO 3 , СН 3 ·СООН) и соляным растворам, менее устойчивы к НСl; хорошо поддаются горячей и холодной механической обработке.

В сплавах Ni-AI имеет место образование химического соединения AINi, растворяющегося в избытке одного из компонентов сплава.

Техническое значение начинают приобретать сплавы, основой которых является система Ni-AI-Si . Они оказались весьма стойкими по отношению к HNО 3 и к холодной и горячей H 2 SО 4 , но механической обработке почти не поддаются. Таков, например, новый кислотоупорный сплав для литых изделий, содержащий около 85% Ni, 10% Si и 5% Аl (или Аl + Сu); его твердость по Бринеллю около 360 (отжигом при 1050°С снижается до 300).

Металлургия никеля . Главной областью применения никеля является производство специальных сортов стали. Во время войны 1914-18 гг. для этой цели расходовалось не менее 75% всего никеля; в нормальных же условиях ~65%. Никель широко применяется также в сплавах его с нежелезными (цветными) металлами, гл. обр. с медью (~ 15%). Остальное количество никеля идет: на изготовление никелевых анодов - 5%, ковкого никеля - 5% и разных изделий - 10%.

Центры производства никеля неоднократно перемещались из одних местностей земного шара в другие, что объяснялось наличием благонадежных рудных месторождений и общей экономической конъюнктурой. Промышленная выплавка никеля из руд началась в 1825-26 г. в Фалуне (Швеция), где был найден никель, содержащий серный колчедан. В 90-х годах прошлого века шведские месторождения оказались по-видимому практически исчерпанными. Лишь во время войны 1914-18 гг., в связи с повышением спроса на металлический никель, Швеция давала несколько десятков тонн этого металла (максимум 49 т в 1917 г.). В Норвегии производство началось в 1847-50 гг.

Главной рудой здесь являлись пирротины с содержанием в среднем 0,9-1,5% Ni. Производство в Норвегии в небольших размерах (максимум - около 700 т в год во время войны 1914-18 гг.) существует и по настоящее время. В середине прошлого века центр никелевой промышленности сосредоточился в Германии и Австро-Венгрии. Сначала она базировалась здесь исключительно на мышьяковистых рудах Шварцвальда и Гладбаха, а с 1901 года, и в особенности во время войны 1914-18 гг., на окисленных рудах Силезии (Франкенштейн). Разработка месторождений никелевых руд в Новой Каледонии началась в 1877 г. Благодаря использованию этих руд мировое производство никеля в 1882 г. достигло почти 1000 т. Добытая здесь руда перерабатывалась на месте лишь в ограниченных количествах, главная же ее масса отправлялась в Европу. Лишь в последние годы, вследствие повышенных транспортных тарифов, в Европу импортируются гл. обр. богатые штейны, содержащие 75-78% Ni, в количестве никеля около 5000 т в год. В настоящее время предположено получать металлический никель в Новой Каледонии, для чего обществом «Никель» сооружается рафинировочный завод, который будет пользоваться электрической энергией гидростанции на реке Ятэ. Никелевая промышленность в Канаде (Северная Америка) возникла в конце 80-х гг. прошлого столетия. До последнего времени здесь существовали две фирмы; одна английская - Mond Nickel Со. и другая американская - International Nickel Со. В конце 1928 года обе фирмы объединились в мощный мировой трест под названием International Nickel Company of Canada, поставляющий на рынок около 90% мировой производительности никеля и эксплуатирующий месторождения, расположенные вблизи г. Седбюри. Фирма Mond Nickel Со. проплавляет свои руды на заводе в Конистоне на штейн, который для дальнейшей переработки отправляется в Англию на завод в Клейдаке. Фирма International Nickel Со. выплавленный на заводе в Конперклифе штейн отправляет для получения металла на завод в Порт- Кольборн. Мировое производство никеля в последние годы достигает 40000 т.

Переработка никелевых руд производится исключительно сухим путем. Гидрометаллургические способы, неоднократно рекомендовавшиеся для переработки руд, не нашли пока применения в практике. Эти способы в настоящее время иногда применяются лишь к переработке промежуточных продуктов (штейнов), получаемых в результате переработки руд сухим путем. Применение сухого пути к переработке никелевых руд (как сернистых, так и окисленных) характеризуется осуществлением одного и того же принципа постепенной концентрации ценных составляющих руды, в виде тех или иных продуктов, которые уже затем перерабатываются на металлы, подлежащие извлечению. Первая стадия такой концентрации пенных составляющих никелевый руд осуществляется рудной плавкой на штейн. В случае сернистых руд, последние плавятся в сыром или в предварительно обожженном состоянии в шахтных или пламенных печах. Окисленные руды плавятся и шахтных печах с добавкой в их шихту серу содержащих материалов. Штейн рудной плавки, роштейн , оказывается не пригодным для его непосредственной переработки на содержащиеся в нем ценные металлы, благодаря их сравнительно незначительной концентрации в этом продукте. В виду этого штейн рудной плавки подвергается дальнейшей концентрации или путем обжига его с последующей плавкой в шахтной печи, или путем окислительной плавки на поду пламенной печи, или в конвертере. Эти сократительные, или концентрационные, штейновые плавки, производимые на практике одно- или многократно, конечной своей целью имеют получение чистого наиболее концентрированного штейна (файнштейна ), состоящего лишь из сульфидов ценных металлов с некоторым количеством последних, находящихся в свободном состоянии. Файнштейны, получаемые на практике, бывают двух родов в зависимости от их состава. При переработке окисленных новокаледонских руд, не содержащих в себе других кроме никеля ценных металлов, файнштейн представляет сплав сульфида никеля (Ni 3 S 2) с некоторым количеством металлического никеля. В результате же переработки сернистых канадских руд, содержащих и никель и медь, получаемый файнштейн представляет сплав сульфидов меди и никеля с некоторым количеством этих металлов в свободном состоянии. В зависимости от состава файнштейна меняется и их переработка на чистые металлы. Наиболее простой является переработка файнштейна, содержащего один только никель; переработка медно-никелевого файнштейна сложнее и м.б. осуществлена различными путями. Переработка окисленных руд на штейн с серосодержащими добавками (гипсом) была предложена Гарниери в 1874 г. Переработка этих руд во Франкенштейне (Германия) производилась следующим образом. К рудной смеси, содержавшей 4,75 % Ni, прибавлялось 10% гипса или 7% ангидрита и 20% известняка; сюда же прибавлялось и некоторое количество плавикового шпата. Вся эта смесь тщательно перемешивалась, измалывалась и затем прессовалась в кирпичи, которые после высушивания проплавлялись в шахтной печи расходом кокса в 28-30% от веса руды. Суточная производительность шахтной печи доходила до25т руды. Сечение печи на уровне фурм равно 1,75 м 2 ; высота ее 5 м. Нижняя часть шахты на высоту 2 м имела ватер-жакеты. Шлаки сильно кислые; в них терялось 15% Ni. Состав роштейна: 30-31% Ni; 48-50% Fe и 14-15% S. Роштейн гранулировался, дробился, обжигался и переплавлялся в вагранке в смеси с 20% кварца и при расходе кокса в 12-14% от веса обожженного роштейна на концентрированный штейн следующего среднего состава: 65% Ni, 15% Fe и 20% S. Последний конвертировался на файнштейн: 77,75% Ni, 21% S, 0,25-0,30% Fe и 0,15-0,20% Сu. Тщательно измельченный файнштейн подвергается обжигу в пламенных печах (с ручным перегребанием или механическим) до полного удаления серы. В конце обжига к обжигаемой массе прибавляют некоторое количество NaNО 3 и Na 2 CО 3 не только для того, чтобы облегчить выгорание серы, но и для того, чтобы присутствующие иногда в штейне As и Sb перевести в сурьмяно- и мышьяковокислые соли, которые затем выщелачиваются водою из обожженного продукта. Полученная в результате обжига NiO подвергается восстановлению, для чего закись никеля смешивается с мукой и водой и из полученного теста формуют кубики, которые затем нагревают в тиглях или ретортах. Под конец восстановления температура поднимается до 1250°С, что способствует свариванию отдельных восстановленных частиц Ni в сплошную массу.

Фирма International Nickel Со. перерабатывает свои сернистые руды след. обр. Рудная плавка в зависимости от их крупности ведется либо в шахтных либо в пламенных печах. Кусковые руды подвергаются предварительному обжигу в кучах; продолжительность обжига от 8 до 10 месяцев. Обожженная руда плавится в смеси с некоторым количеством необожженной руды в шахтных печах. Флюсов не добавляется, т. к. руда самофлюсующаяся. Расход кокса 10,5% от веса рудной смеси. В сутки проплавляется в печи около 500 т руды. Штейн рудной плавки подвергается конвертированию на файнштейн. Конвертерный шлак частью возвращается в конвертер, частью идет в шихту рудной плавки. Состав руд и продуктов приведен в табл.:

Мелкая руда подвергается обжигу в Веджа печах до содержания серы в 10-11% и затем плавке в пламенной печи. Конвертерный шлак, содержащий 79,5% (Сu + Ni), 20% S и 0,30% Fe, перерабатывается процессом Орфорда, состоящим в переплавке файнштейна в присутствии Na 2 S. Последний вызывает расслаивание продуктов плавки на два слоя: верхний, представляющий сплав Cu 2 S + Na 2 S, и нижний, содержащий почти чистый сульфид никеля. Каждый из этих слоев перерабатывается на соответствующий металл. Верхний, медьсодержащий, слой по отделении от него Na 2 S подвергается конвертированию, а нижний, никелевый, слой подвергается хлорирующему обжигу, выщелачиванию (причем он освобождается от некоторого содержащегося в нем количества меди), и полученная т. о. закись никеля восстанавливается. Некоторое количество медно-никелевого файнштейна подвергается окислительному обжигу и последующей восстановительной плавке на медно-никелевый сплав, известный под названием Монель-металла.

Фирма Mond Nickel Со. свои руды обогащает; полученные концентраты подвергаются спекающему обжигу на машинах Dwight- Lloyd’a, агломерат с которых идет в шахтную печь. Штейн рудной плавки подвергается конвертированию, полученный файнштейн перерабатывается способом Mond ’а, для чего файнштейн дробится, обжигается и выщелачивается H 2 SО 4 для удаления большей части меди в виде CuSО 4 . Остаток, содержащий NiO с некоторым количеством меди, высушивается и поступает в аппарат, где он восстанавливается при 300°С водородом (водяной газ). Восстановленный, мелко раздробленный никель поступает в следующий аппарат, где он приводится в соприкосновение с СО; при этом образуется летучий карбонат никеля - Ni(CO) 4 , который переводится в третий аппарат, где поддерживается температура 150°С. При этой температуре Ni(CO) 4 разлагается на металлический Ni и СО. Получающийся этим путем металлический никель содержит 99,80% Ni.

Помимо указанных двух способов получения никеля из медно-никелевого файнштейна существует еще способ Hybinette, дающий возможность получать никель электролитическим путем. Электролитический никель содержит: 98,25% Ni; 0,75% Со; 0,03% Сu; 0,50% Fe; 0,10% С и 0,20% Рb.

Вопрос о производстве никеля в СССР имеет столетнюю историю. Уже в 20-х годах прошлого века были известны никелевые руды на Урале; одно время уральские месторождения никелевых руд, содержащие около 2% Ni, рассматривались как один из главных источников сырья для мировой никелевой промышленности. После открытия никелевых руд на Урале М. Даниловым, П. А. Демидовым и Г. М. Пермикиным был произведен целый ряд опытов по их переработке. В Ревдинске за 1873-77 гг. было получено 57,3 т металлического никеля. Но дальнейшее разрешение поставленной задачи было прекращено после открытия более богатых и мощных месторождений никелевых руд в Новой Каледонии. Вопрос об отечественном никеле был снова поставлен на разрешение под влиянием обстоятельств, вызванных войной 1914-18 гг. Летом 1915 года на Уфалейском заводе были произведены П. М. Бутыриным и В. Е. Васильевым опыты выплавки штейна в пламенной печи. В это же время велись опыты по извлечению никеля из Уфалейских руд в петербургском Политехническом институте Г. А. Кащенко под руководством проф. А. А. Байкова, а осенью 1915 г. велись пробные плавки в пламенной печи на заводе. Летом 1916 г. на Ревдинском заводе были произведены опыты выплавки медно-никелевых штейнов из бедных никелевых руд (0,86% Ni) и бедных медью колчеданов (1,5% Сu). Плавка велась в шахтной печи. В это же время в доменной печи проплавлялись ревдинские никельсодержащие бурые железняки на никелистый чугун (весь никель руды при этом концентрируется в чугуне), поставлявшийся по контракту с морским ведомством на его ленинградские заводы. Все перечисленные исследования вследствие целого ряда обстоятельств не получили в то время завершения в форме соответствующих заводских процессов. В последние годы проблема получения никеля из уральских руд снова встала на разрешение, и практическое осуществление ее, сообразно содержанию никеля в рудах, должно происходить в двух направлениях. Содержание никеля в уральских рудах - невысокое, и по нему руды делятся на два сорта: 1-й и 2-й. Руды 1-го сорта, пригодные для пирометаллургической переработки, в среднем содержат около 3% Ni; руды 2-го сорта - около 1,5% и ниже. Последние руды не м. б. подвергнуты переработке плавкой без предварительного их обогащения. Другая возможность переработки бедных никелевых руд - путь гидрометаллургический; он д. б. еще изучен. В настоящее время для переработки руд 1-го сорта на Урале строится завод.