книги / Металлургия цветных металлов

стружкой, образуя пары Til4. На накаленной проволоке эти пары разлагаются, образуя кристаллы чистого тита­ на и освобождая йод.

Аппарат, показанный на рис. 115, дает в сутки около 1 0 кг чистого титана.

Вопросы для самопроверки

1. Назовите хлориды примесей более и менее летучих, чем TiCI4.

FeCl3, AICI3, SiCl4, VC14.

2 . Какие примеси увеличивают твердость и хрупкость титана?

Fe, Al, N, С, О.

3. Чем восстанавливают титан из ТЮ14 и ТЮ2? Mg, Na, Са, СаС2.

РАЗДЕЛ III

МЕТАЛЛУРГИЯ ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ

ГЛАВА ДЕСЯТАЯ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Тугоплавкие металлы раньше считали редкими эле­ ментами, однако во второй четверти нашего века некото­ рые из них стали незаменимыми материалами новой тех­ ники и применяются теперь ежегодно в количествах по­ рядка десятков тысяч тонн.

Условно принятые общие признаки тугоплавких ме­ таллов— высокие температуры плавления (выше 1650°С), и преимущественное применение в сплавах с железом — позволяют отнести в эту группу промышлен­ ной классификации вольфрам, молибден, ванадий, цир­ коний, тантал, ниобий, марганец и хром.

Наряду с ростом выплавки спецсталей все более воз­ растает самостоятельное значение тугоплавких метал­ лов— применение их в чистом виде либо в качестве осно­ вы сплавов. Пока это наиболее выражено для вольфрама и молибдена, металлургия которых излагается в нашем кратком курсе.

Вольфрам

По внешнему виду вольфрам похож на сталь, в по­ рошке он темно-серого цвета. Главные отличительные свойства этого металла: высокая плотность, тугоплав­ кость и твердость.

По прочности на растяжение вольфрам сходен с за­ каленной сталью. Механические свойства металла зиачи-

тельно зависят от его обработки: после ковки или про­ катки твердость и прочность возрастают.

Чистый вольфрам в горячем состоянии пластичен и ковок —легко вытягивается в проволоку толщиной в де­ сятые доли миллиметра и прокатывается в тонкие листы.

По изобретению Н. А. Лодыгина (1900 г.), вольфра­ мовая проволока — до сих пор наиболее пригодный ма­ териал для нитей электрических и электронных ламп. Надо заметить, что всякое применение или обработка вольфрама при высоких температурах возможны только в среде инертного газа или в вакууме — на воздухе он быстро окисляется.

Другие потребители чистого вольфрама немногочис­ ленны, в основном он применяется в составе сплавов. Около 50% добываемого вольфрама идет на производст­ во специальных сталей, в том числе быстрорежущих. Ин­ струменты из быстрорежущей стали, например резцы и фрезы, позволяют обрабатывать металлы с большими скоростями. Выделяющееся при этом тепло не снижает твердости и износоустойчивости инструментов, даже если они разогреваются до 650° С. Вместе с вольфрамом в быстрорежущие стали вводят хром, никель, ванадий и кобальт.

Применение инструментов из быстрорежущих сталей открыло возможности резкого увеличения производитель­ ности обработки металлов резанием.

Еще тверже вольфрама его карбид WC, по твердости он мало уступает алмазу и служит основой для изготов­ ления сверхтвердых сплавов.

Карбид вольфрама — серый неплавкий порошок; спла­ вы из него получают металлокерамическим способом: смесь карбида с порошком кобальта прессуют в форме нужного инструмента, а затем спекают в среде водорода при температуре около 1400° С. Кобальт служит связую­ щим материалом, в сплаве его 5—15%• Иногда в подоб­ ные сплавы вводят еще и карбиды титана, тантала, ниобия.

Твердые сплавы на основе карбида вольфрама сохра­ няют режущие свойства до температур около 1100° С. Из них делают резцы, сверла, фрезы, головки буров и воло­ ки Для вытягивания проволоки.

Сплавы вольфрама, кобальта и хрома — стеллиты, со­ держащие 3—15% W, 25—35% Сг, 45—65% Со и 0,5—

2,7% С, не только тверды, но и жаропрочны, износоустой­ чивы, стойки против коррозии. Стеллиты наплавляют электродугой на ответственные рабочие детали машин, например на клапаны авиационных моторов, штампы, ло­ пасти турбин, зубья экскаваторных ковшей.

Вольфрамовые и вольфрамокобальтовые стали имеют высокие магнитные свойства, из них делают постоянные магниты.

Металлокерамические сплавы вольфрама с медью и серебром сочетают высокую электропроводность с изно­ соустойчивостью; они пригодны для контактов, требую­ щих частых размыканий электрического тока и потому искрящих: рабочих частей рубильников, выключателей, телеграфных аппаратов и других подобных устройств.

Молибден

По внешнему виду и высоким механическим свойст­ вам молибден сходен с вольфрамом; он также весьма тверд и прочен при растяжении. Электропроводность и теплопроводность молибдена несколько ниже, чем воль­ фрама. В горячем состоянии без доступа воздуха молиб­ ден легко поддается обработке давлением и вытягива­ ется в тонкую проволоку.

Металл сохраняет прочность до температур, близких к 1000° С. Из него делают детали электровакуумных при­ боров— крючки для нитей накала в электролампах, ано­ ды рентгеновских трубок, нагреватели высокотемператур­ ных печей, аноды генераторных ламп и кенотронов.

Молибденовые стали, на которые затрачивается около 90% производимого молибдена, характеризуются повы­ шенной прочностью, сопротивляемостью износу и удар­ ным нагрузкам. Особенно ценна жаропрочность молибде­ новых сталей — большая, чем вольфрамовых, при равных присадках металлов. В быстрорежущих сталях молибден может заменять вольфрам. Стали, легированные молиб­ деном, применяются для изготовления брони и оружия — это броневые, орудийные и ружейные стали.

В сочетании с никелем, кобальтом и хромом молиб­ ден входит в состав кислотоупорных и жаростойких сталей.

Чистый молибден и сплавы на его основе сохраняют прочность при высоких температурах; они служат для из­ готовления деталей реактивных двигателей и ракет.

Металлокерамические твердые сплавы на основе кар­ бида молибдена Мо2С в сочетании с карбидом титана TiC, связанные никелем и хромом, подобны таким же сплавам карбида вольфрама, но менее распространены в технике.

Вопросы для самопроверки

1. Какие тугоплавкие металлы входят в состав бы­ строрежущих и магнитных сталей?

Zr, V, Mo, W, Nb, Та.

2 . Из чего делают нити элетроламп и подвески для этих нитей?

Mo, W.

3. Какие тугоплавкие металлы входят в состав бро­ невых, орудийных и ружейных сталей?

W, Мо.

ГЛАВА ОДИННАДЦАТАЯ

МЕТАЛЛУРГИЯ ВОЛЬФРАМА

§ 63. Химические свойства вольфрама

Вольфрам в периодической системе находится в од­ ной группе с кислородом и серой, но в другой, побочной подгруппе. Максимальная положительная валентность вольфрама — шесть, и она наиболее устойчива. Наряду с этим во внешнем слое атома у него два электрона, ко­ торые обусловливают низшую валентность — два. Воль­ фрам менее металличен, чем молибден и хром.

Природный вольфрам с атомной массой 183,86 со­ стоит из пяти изотопов: W180, W182, W183, W184, W186.

В элементарном состоянии вольфрам впервые выде­ лили в 1783 г. X. X. и Ф. Д. Эльхуяр, а промышленное применение его началось только в XX в., когда было об­ наружено влияние добавок вольфрама на свойства ста­ лей.

Вследствие весьма высокой температуры кипения вольфрам практически нелетуч, чем и объясняется при­ годность его для изготовления нитей накала. Обратимо­ го электрохимического потенциала в водных растворах вольфрам не имеет из-за нестойкости иона низшей ва­ лентности, разлагающего воду. Вольфрам не взаимодей­ ствует даже с концентрированными сильными кислотами; только смесь HNO3 и HF растворяет его благодаря комплексообразованию.

На воздухе вольфрам начинает окисляться при крас­ ном калении, а в тонком порошкообразном состоянии он пирофорен — способен самовозгораться.

Наиболее устойчивый высший окисел W03, называе­ мый вольфрамовым ангидридом, имеет кислотные свой­ ства. С водой он дает труднорастворимую вольфрамовую кислоту H2W 04 —желтое мелкокристаллическое вещест­ во, легко растворимое в щелочах и аммиаке с образова-

и др., в воде нерастворимы.

Вольфрамовый ангидрид можно восстановить до ме­ талла углеродом при 750° С по реакции

W 03 + ЗС = W + ЗСО.

Металл получается в виде серого порошка, загрязнен­ ного примесью карбидов WC и W2C. Водородом воль­ фрам востанавливается также легко, но без побочного образования других соединений.

Сульфиды WS2 и WS3 известны, и их можно синтези­ ровать; однако сродство к сере у вольфрама меньше, чем

Ккислороду, поэтому его сульфиды нестойки на воздухе,

ав воде медленно гидролизуются, например

WS3 + 4Н20 -► H2W 04 + 3H2S.

§ 64. Сырье для получения вольфрама

Промышленное значение имеют два минерала: воль­ фрамит— изоморфная смесь вольфраматов железа и марганца (xFeW0 4 • t/MnWC^) и шеелит — вольфрамат кальция CaW04.

Вольфрамовые руды содержат до 1—1,5%, чаще 0,3—0,5 WO3; они образуют жилы в кварцитах или залегают на границе контакта гранитных пород и извест­ няков. При выветривании коренных руд получаются рос­ сыпи.

Вольфраму сопутствует в рудах олово в виде касси­ терита, а также минералы молибдена, висмута, мышьяка и меди. Главная масса пустой породы состоит из кварца.

Вольфрамитовые руды обогащают гравитационным и магнитным способами, а щеелитовые — флотацией.

Гравитационное обогащение

Гравитационное обогащение основано на различии скоростей оседания из пульпы твердых частиц минера­ лов, имеющих различные плотности. Например, плотность вольфрамита колеблется в пределах 7,1—7,9 кг/м3, а кварца 2,6 кг/м3. Понятно, что при равных или близких размерах частицы первого быстрее оседают в воде, чем второго.

ны, работающие по принципу пульсации жидкости; они подразделяются на поршневые и пульсаторы.

Поршневая отсадочная машина (рис. 116) имеет ка­ меры, каждая из которых разделена не доходящей до дна перегородкой на два отделения — поршневое и отса­ дочное. В первом находится поршень 1, приводимый в движение от эксцентрика 2, а во втором — неподвижное решето. Машина имеет несколько последовательно уста­ новленных камер, решето в каждой из них опущено по сравнению с предыдущим примерно на 1 0 0 мм.

На каждом решете лежит постель из измельченного магнетита или мелких металлических шариков. Матери­ ал постели должен иметь плотность, промежуточную между плотностями разделяемых минералов. Отсадку крупных классов (8 — 1 0 мм) можно проводить без по­ стели.

Пульпа руды подается в первую камеру и, пройдя по­ следовательно все остальные, сливается в желоб 7 Дей­ ствием поршней, совершающих 100—300 ходов в минуту с амплитудой 0,5— 8 см, в порах постели создается пуль­ сирующий поток воды. При этом быстро оседающие тя­ желые зерна минералов собираются в нижних частях камеры 4 и отсюда периодически выгружаются; более легкие зерна минералов уносятся горизонтальным пото­ ком пульпы. Производительность машин этого типа 10—

(справа). Вода входит в пульсатор по трубе 3 и попада­ ет под резиновую диафрагму 4. Преодолевая сопротив­ ление пружины 5, она отжимает клапан 6 и проникает в машину; затем вследствие мгновенного падения давле­ ния клапан перекрывается. Таким образом создается по­ стоянно направленный пульсирующий поток воды, в ко­ тором и происходит отсадка; частота пульсации достига­ ет 600 импульсов в минуту.

К достоинствам пульсирующих машин следует от­ нести высокое качество отсадки при малых затратах энергии, а также отсутствие механического привода.

Высокочастотные отсадочные машины работают при числе вибраций 1500—2000, а иногда и 3000—4000 в ми­ нуту. Комбинированные высокочастотные машины соче-

тают действие поршня с вибрацией сига; они дают хо­ рошие результаты при обогащении шламовых (тонких) фракций руд.

Гравитационное обогащение проводится также на концентрационных столах (рис. 118), рабочую поверх­ ность которых —деку покрывают линолеумом, холстом,

Рис. 117. Пульсирующая отсадочная машина:

/ — постель; 2 — сито; 3 — труба для подачи й о д ы ; 4 — диафрагма; 5 — пру­

жина; 6 — клапан

резиной или цементом. Кроме того, дека имеет нарифление из деревянных планок. Деку устанавливают на ста­ нине с поперечным наклоном до 9 град, к горизонтали.

Пульпа руды, содержащая частицы приблизительно одинаковой крупности, подается в загрузочный ящик и вытекает из него на стол плоской струей.

Особым механизмом деке сообщается возвратно-по­ ступательное движение в продольном направлении, име­ ющее характер односторонних резких толчков с ампли­ тудой 12—30 мм и частотой 230—300 Н минуту. При этом каждая частица испытывает действие потока воды, сносящего ее поперек деки, и толчков, отбрасывающих