Получение вольфрама

Вольфрам выпускают в виде порошка и компактного металла. Порошок получают восстановлением вольфрамового ангидрида водородом или углеродом.

Восстановление вольфрама водородом

Имеет несколько промежуточных стадий, отмечаемых образованием нестехиометрических окислов— твердых растворов (табл.). Все реакции эндотермичны, константы равновесия их увеличиваются с температурой, и она значительно их ускоряет.

Таблица. Равновесие в системе W—О—Н при температуре 750° С

Реакция Состав газов, % (объемы.)  
   
WO3+0,1 H2= W2,9+0,1Н2O 89 11 8,1
2,9+0,18H2 = WО2,72+0,18Н2О 83 17 4,9
WO2,72 + 0,72Н2= WO2 + 0,72H2 50 50 1,0
WO2+2H2=W+2H2O 17 83 0,21

Приходит учитывать также размеры частиц порошка, которые при перегреве укрупняются. Для производства компактного металла и сплавов методами порошковой металлургии нужны частицы вольфрама различной крупности. Эти требования и служат основой выбора условий восстановления. Укрупнению кристаллов, на сложном механизме которого мы здесь не останавливаемся, способствуют высокие быстро нарастающие температуры, влажность водорода и малая скорость его

Получение вольфрама

Рис. Трубчатая вращающаяся печь для восстановления вольфрамового ангидрида водородом:

1 — стальная труба; 2 — корпус и электронагреватель; 3 — стальные дырчатые диски, замедляющие продвижение материала; 4 — загрузочный бункер; 5 — привод; 6 — разгрузочное устройство; 7 — камера подачи водорода

подачи. Выбранный режим восстановления могут нарушить примеси, поэтому он должен соответствовать переработке концентратов постоянного состава. Восстановление проводят в трубчатых печах, обогревающих сразу несколько труб из жаростойкой стали электрическим током или газом. Вольфрамовый ангидрид помещают в никелевые лодочки, постепенно продвигаемые навстречу току водорода. Лодочка последовательно попадает в зоны все более высоких температур и более сухого водорода, а затем постепенно остывает. Для окончательного охлаждения служит холодильник в разгрузочном конце трубы. Передел имеет одну или две стадии и проводится в одной или двух последовательно действующих печах: окислы сначала нагревают до 750° С, а затем до 900° С. Двустадийное восстановление менее производительно и сопровождается большими механическими потерями, но позволяет точнее регулировать крупность. Иногда применяют также прямоточное движение лодочек и газа, позволяющее понизить парциальное давление паров воды в первой стадии, ускорить ее и получить более мелкий порошок. На больших заводах вместо труб применяют

муфели прямоугольного сечения или трубчатые вращающиеся печи. В последних устанавливают дырчатые диски, соединенные стальным уголком. Это устройство задерживает излишне быстрое перемещение тяжелого порошка и способствует контакту его с газами (рис.). Крупнозернистый вольфрам для производства некоторых твердых сплавов восстанавливают в керамических муфелях, нагреваемых до 1200° С.

Водород и получают электролизом воды в электролизерах с железными или никелевыми электродами, разделенными перегородками, электролитом служит раствор щелочи:

2O + 4е = 2Н2 + 4OН; E0 = — 0,83 В,

4OН — 4е = 2O2 + 2Н2O; Е0= 0,40 В

2O = 2Н2 + O2 + ΔZ0298,

ΔZ0298= ([0,4- ( — 0,83)] 4•23060):1000 = 473 кДж = 0,131 кВт•ч.

Действительные затраты энергии выше из-за перенапряжения при выделении газов и тепловых потерь. Перегородка позволяет разделить водород и кислород; однако неполно и водород требует очистки. Примесь кислорода восстанавливают при температуре 350° С, пропуская газ над катализатором из медной губки, смеси ее с порошками железа и никеля или над палладием. Для увеличения поверхности катализатор наносят на инертную прокладку из асбеста или шамота. Пары воды улавливают! силикагелем — гранулами сухой кремнекислоты или цеолитом — алюмосиликатом натрия. Поглотитель периодически регенерируют сушкой, включая электронагреватель. Избыток водорода при восстановлении в 8—10 раз больше необходимого расхода. После выхода из печей его оборачивают, предварительно удалив основную массу влаги в холодильнике, а остаток ее в осушителе. В водороде должно быть не более 0,02 мг/л паров воды, очистку контролируют точкой росы: она должна быть не выше — 50° С.

Восстановление вольфрама углеродом

Применение этого более простого и дешевого способа возможно, если получение и очистка водорода затруднительны, а присутствие примеси карбидов не вызывает возражений потребителя. В качестве восстановителя применяют газовую сажу.

Восстановление вольфрама по реакции проводят при температуре 1500° С в электрических трубчатых печах с трубой из графита, служащей одновременно нагревателем. Смесь WO3 с сажей брикетируют или набивают в графитовые патроны, которые продвигают через печь. Таким путем можно получить мелкий порошкообразный вольфрам, пригодный для производства твердых сплавов.

Вольфраматы натрия или кальция удается восстанавливать, минуя стадии переработки их в вольфрамовый ангидрид, например:

CaWО4 + 3С = СаО + W + 3СО,

Na2WO3 + 3С + СО2 = W + Na23 + 3СО.

Соли натрия удаляют промывкой водой, а окись кальция — на концентрационных столах. Порошки, полученные этим способом, пригодны только для легирования сталей или для получения углеродистых технических сплавов с другими металлами.

Статья на тему Получение вольфрама