Как изготавливается штабик вольфрама: технология обработки

Химический элемент — вольфрам.

Перед тем как описать производство вольфрама, необходимо совершить короткий экскурс в историю. Название этого металла переводится с немецкого как «волчьи сливки», происхождение термина уходит в позднее Средневековье.

При получении олова из различных руд было замечено, что в некоторых случаях оно теряется, переходя в пенистый шлак, «словно волк пожирает свою добычу».

Метафора прижилась, дав название позднее полученному металлу, в настоящее время оно используется во многих языках мира. Но в английском, французском и некоторых других языках вольфрам называется по-другому, от метафоры «тяжелый камень» (по-шведски tungsten). Шведское происхождение слова связано с опытами знаменитого шведского химика Шееле, впервые получившего окись вольфрама из руды, впоследствии названной его именем (шеелит).

Шведский химик Шееле, открывший вольфрам.

Промышленное производство металлического вольфрама можно разделить на 3 этапа:

  • обогащение руды и получение вольфрамового ангидрита;
  • восстановление до порошкового металла;
  • получение монолитного металла.

Обогащение руды

В свободном состоянии в природе вольфрам не встречается, присутствует лишь в составе различных соединений.

Руды, содержащие эти соединения, очень бедны, присутствие оксида вольфрама в наиболее богатых из них не превышает 3%. Для промышленного получения вольфрама требуется предварительное обогащение. Среди множества руд, содержащих вольфрам, промышленное значение имеют две группы:

  • вольфрамиты
  •  шеелиты

Эти руды часто имеют в составе в незначительных количествах и другие вещества (золото, серебро, олово, ртуть и др.), несмотря на очень низкое содержание дополнительных минералов, порой попутное извлечение их при обогащении экономически целесообразно.

  1. Обогащение начинается с дробления и измельчения породы. Затем материал поступает на дальнейшую обработку, методы который зависят от типа руды. Обогащение вольфрамитовых руд обычно производится гравитационным методом, суть которого — в использовании совокупно действующих сил земного притяжения и центробежной силы, минералы разделяются по химико-физическим свойствам — плотности, размерам частиц, смачиваемости. Так отделяется пустая порода, а до требуемой чистоты концентрат доводится с помощью магнитной сепарации. Содержание вольфрамита в полученном концентрате составляет от 52 до 85%.
  2. Шеелит, в отличие от вольфрамита, не является магнитным минералом, поэтому магнитная сепарация к нему не применяется. Для шеелитовых руд алгоритм обогащения иной. Основным методом служит флотация (процесс разделения частиц в водной суспензии) с последующим использованием электростатической сепарации. Концентрация шеелита может на выходе составлять до 90%. Руды бывают и комплексными, содержащими вольфрамиты и шеелиты одновременно. Для их обогащения используются методы, сочетающие в себе гравитационные и флотационные схемы.

    Если необходимо дальнейшее очищение концентрата до установленных норм, применяют различные процедуры в зависимости от типа примесей. Для снижения примеси фосфора шеелитовые концентраты обрабатывают на холоде соляной кислотой, одновременно при этом удаляются кальцит и доломит. Для удаления меди, мышьяка, висмута применяют обжиг с последующей обработкой кислотами. Существуют и другие методы очистки.

Для того чтобы перевести вольфрам из концентрата в растворимое соединение, используется несколько различных методов.

  1. Например, спекают концентрат с избытком соды, получая таким способом вольфрамит натрия.
  2. Может использоваться и другой метод — выщелачивание: вольфрам извлекают содовым раствором под давлением при высокой температуре с последующей нейтрализацией и осаждением.
  3. Еще один способ — обработка концентрата газообразным хлором. При таком процессе образуется хлорид вольфрама, который затем отделяется от хлоридов других металлов методом возгонки. Полученный продукт можно превратить в окисел вольфрама или пустить непосредственно на переработку в элементарный металл.

Основным результатом различных методов обогащения является получение триоксида вольфрама. Далее, именно он идет на производство металлического вольфрама. Из него же получают карбид вольфрама, который является главной составляющей многих твердых сплавов. Существует еще один продукт непосредственной переработки вольфрамовых рудных концентратов — ферровольфрам. Он обычно выплавляется для нужд черной металлургии.

Восстановление вольфрама

Полученный триоксид вольфрама (вольфрамовый ангидрит) на следующем этапе необходимо восстановить до состояния металла. Восстановление чаще всего производится широко применяемым водородным методом. В печь подается движущаяся емкость (лодочка) с триоксидом вольфрама, температура по ходу движения повышается, навстречу подается водород. По мере восстановления металла происходит увеличение насыпной плотности материала, объем загрузки емкости уменьшается более чем вдвое, поэтому на практике используется прогон в 2 этапа, через разные типы печей.

  1. На первой стадии из триоксида вольфрама образуется диоксид, на второй из диоксида получают чистый вольфрамовый порошок.
  2. Затем порошок просеивают через сетку, крупные частицы дополнительно перемалывают для получения порошка с заданным размером зерен.

Иногда для восстановления вольфрама используют углерод. Этот метод несколько упрощает производство, но требует более высоких температур. Кроме того, уголь и содержащиеся в нем примеси вступают в реакцию с вольфрамом, образуя различные соединения, приводящие к загрязнению металла. Есть ряд других методов, применяющихся в производстве по всему миру, но по совокупности параметров восстановление водородом имеет наиболее высокую применимость.

Получение монолитного металла

Если первые две стадии промышленного производства вольфрама хорошо известны металлургам и применяются очень давно, то для получения монолита из порошка потребовалась разработка особой технологии. Большинство металлов получают простой плавкой и затем отливают в формы, с вольфрамом ввиду главного его свойства — тугоплавкости — такая процедура невозможна. Метод получения компактного вольфрама из порошка, предложенный в начале XX века американцем Кулиджем, с различными вариациями применяется и в наше время. Суть метода — порошок превращается в монолитный металл под воздействием электрического тока. Вместо обычной плавки для получения металлического вольфрама приходится проходить несколько этапов. На первом из них порошок прессуют в специальные бруски-штабики. Затем эти штабики подвергаются процедуре спекания, причем делается это в две стадии:

    1. Сначала при температуре до 1300ºС штабик предварительно спекается для увеличения его прочности. Процедура осуществляется в специальной герметичной печи с непрерывной подачей водорода. Водород применяют для дополнительного восстановления, он проникает в пористую структуру материала, и при дополнительном воздействии высокой температуры между кристаллами спекаемого штабика создается чисто металлический контакт. Штабик после этого этапа значительно упрочняется, теряя в размерах до 5%.
    2. Затем приступают к основной стадии — сварке. Этот процесс проводится при температуре до 3 тысºC. Штабик закрепляется зажимными контактами, и через него пропускается электрический ток. На этом этапе также применяется водород — он нужен для предотвращения окисления. Сила тока применяется очень высокая, для штабиков сечением 10х10 мм требуется ток около 2019 А, а для сечения 25х25 мм — около 2019 А. Напряжение при этом используется сравнительно небольшое, от 10 до 20 В. Для каждой партии монолитного металла вначале сваривается пробный штабик, с его помощью производят калибровку режима сварки. Продолжительность сварки зависит от размеров штабика и составляет обычно от 15 минут до часа. Этот этап, как и первый, тоже приводит к уменьшению размера штабика.

Плотность и зернистость полученного металла зависят от первоначальной зернистости штабика и от максимальной температуры сварки. Потеря размеров после двух этапов спекания составляет до 18% по длине. Окончательная плотность составляет 17–18,5 г/см².

Для получения вольфрама высокой очистки применяют различные присадки, испаряющиеся в процессе сварки, например окислы кремния и щелочных металлов. По мере нагрева эти присадки улетучиваются, увлекая вместе с собой другие примеси. Этот процесс способствует дополнительной очистке. При использовании правильного температурного режима и отсутствии следов влаги в водородной атмосфере при спекании с помощью таких присадок степень очистки вольфрама можно довести до 99,995%.

Производство изделий из вольфрама

Полученный из первоначальной руды после описанных трех этапов производства монолитный вольфрам обладает уникальным набором свойств. Помимо тугоплавкости, ему присущи очень высокая стабильность геометрических размеров, сохранение прочности при высоких температурах и отсутствие внутреннего напряжения. Вольфрам также имеет хорошую пластичность и ковкость. Дальнейшее производство чаще всего заключается в вытягивании проволоки. Это технологически относительно несложные процессы.

  1. Заготовки поступают в ротационно-ковочную машину, где происходит обжатие материала.
  2. Затем методом волочения получают проволоку различного диаметра (волочение — это протягивание прута на специальном оборудовании через сужающиеся отверстия). Так можно получить тончайшую вольфрамовую проволоку с суммарной степенью деформации 99,9995%, при этом прочность ее может достигать 600 кг/мм².

Вольфрам начали использовать для нитей накала электрических ламп еще до разработки способа производства ковкого вольфрама. Русский ученый Лодыгин, ранее запатентовавший принцип применения нити накала для лампы, в 2019 годах предложил использовать в качестве такой нити скрученную в спираль вольфрамовую проволоку. Как же получали вольфрам для подобных проволок? Сначала приготовляли смесь вольфрамового порошка с каким-либо пластификатором (например парафином), затем из этой смеси выпрессовывали тонкую нить через отверстие заданного диаметра, просушивали и прокаливали в водороде. Получалась довольно хрупкая проволока, прямолинейные отрезки которой прикрепляли к электродам лампы. Были попытки получить компактный металл и другими методами, однако, во всех случаях хрупкость нитей оставалась критически высокой. После работ Кулиджа и Финка изготовление вольфрамовой проволоки обрело прочную технологическую базу, и промышленное применение вольфрама стало стремительно нарастать.

Лампа накаливания, изобретенная русским ученым Лодыгиным.

Мировой рынок вольфрама

Объемы производства вольфрама составляют около 50 тыс. т в год. Лидером в производстве, как и в потреблении, является Китай, производит эта страна примерно 41 тыс. т в год (Россия, для сравнения, производит 3,5 тыс. т). Важным фактором в настоящее время является переработка вторичного сырья, обычно это лом карбида вольфрама, стружки, опилки и остатки порошкового вольфрама, такая переработка обеспечивает около 30% мирового потребления вольфрама.

Нити из сгоревших ламп накаливания практически не перерабатываются.

Мировой рынок вольфрама в последнее время демонстрирует спад спроса на вольфрамовые нити. Это обусловлено развитием альтернативных технологий в области освещения — люминесцентные и светодиодные лампы агрессивно заменяют обычные лампы накаливания как в быту, так и в промышленности. По прогнозам специалистов, применение вольфрама в этом секторе в ближайшие годы будет снижаться на 5% в год. Спрос же на вольфрам в целом не снижается, падение применимости в одном секторе компенсируется ростом в других, в том числе инновационных отраслях.

Похожие статьи

Прессование необходимо для того, чтобы получить заготовки определённой формы, обладающие некоторой прочностью.

Прессование порошка вольфрама в штабики проводят в стальных прессформах.

Давление, производимое на порошок при прессовании, распределяется неравномерно по объёму заготовки. Особенно это сказывается на заготовках большой высоты. Поэтому прессование штабиков осуществляют в направлении их наименьшей высоты.

Штабики прессуют в прессформах следующим образом.

Рис. 10. Пресс-форма для прессования штабиков вольфрама из порошков.

1 – боковые пластины (щёки); 2 – торцевые вкладыши; 3 – пуансон; 4 – соединительные штифты (шпильки); 5 – нижняя подкладка.

Распределение слоёв порошка в спрессованном брикете такое, что чем ближе к пуансону, тем плотнее порошок, причём порошок расположен дугой в результате трения о стенки. По горизонтальным разрезам у слоя, прилегающего к движущемуся пуансону, периферийные части плотнее, чем средние, а у слоя, наиболее удалённого от пуансона, – наоборот.

Для устранения расслоения в порошок добавляют смазывающее вещество (глицерин в спирте, парафин в бензине). Эти вещества, выдавливаясь при прессовании на стенки прессформы и смазывая их, уменьшают трение частиц о стенки, что способствует равномерному прессованию.

Давление на 1см2 штабика составляет 2,5¸5,0 тонн.

Штабики имеют плотность 12¸13 г/см3, что соответствует остаточной пористости 30¸40%.

Сократить остаточную пористость прессованием не удаётся, т.к. вольфрамовые порошки на холоду не деформируют, и дальнейшее повышение давления может привести к расслоению штабика.

Спекание (3)

Спекание вольфрамовых штабиков проводят в 2 стадии:

1 стадия – низкотемпературное спекание, цель которого повысить прочность штабика и его электропроводность.

2 стадия – высокотемпературное спекание, целью которого является получение компактного металла, обладающего структурой, наиболее благоприятной для механической обработки.

Низкотемпературное спекание

Его проводят в муфельных или трубчатых печах при температуре 1150¸1300°C в атмосфере водорода, с выдержкой штабиков в горячей зоне печи до 2 часов.

Иногда низкотемпературное спекание осуществляют в две стадии: в начале при 850¸900°C с целью удаления летучих веществ (глицерин, спирт), а затем уже при 1150¸1300°C.

Во время спекания водород диффундирует в поры штабика, восстанавливает тонкие плёнки окислов, создаётся чисто металлический контакт между кристаллами штабика.

Линейная усадка после спекания – 2¸3%. Муфель (или труба) электропечи выполнен из алунда (Al2O3), который не размягчается до температуры 1600°C, нагреватель – спираль из молибденовой проволоки.

Спрессованные штабики укладывают в никелевые или стальные лодочки (противни), на дно которых насыпают тонкий слой вольфрамового порошка. В лодочку укладывают от 20 до 50 штабиков.

Читайте также:

Чтобы изготовить жаропрочное изделие, которое будет эксплуатироваться в тяжёлых условиях, используют вольфрам. Он начинает плавиться при температуре 2019 градусов. Такое свойство становится незаменимым при производстве нитей накаливания, всевозможных сварочных электродов. Штабик вольфрама обладает высокой прочностью, а также высоким электрическим сопротивлением. Вольфрам стал основой жаропрочных сплавов и твёрдых металлов.

Технология изготовления изделия

Вольфрамовый штабик принято считать полуфабрикатом, так как он получается во время изготовления металла. Процесс получения продукта связан с нагреванием водорода, который образуется в огромных количествах. Спекание материала выполняется в несколько этапов.

Для нагревания используется атмосфера водорода — таким образом повышается прочность изделия. Водород защищает деталь от окисления. При определённой температуре материал выдерживается в печи около 30 минут. Затем готовый продукт помещают в холодильник. Здесь он попадает под холодную воду, после чего проводится его охлаждение с использованием сухого водорода. В результате деталь приобретает:

  • Красивый внешний вид.
  • Пористую структуру.
  • Прочную плёнку на поверхности.

Обработка вольфрама выполняется сварочным методом. Штабик зажимают между сварными контактами. Материал охлаждают водой и пропускают ток. В результате нагрева начинает происходить процесс плавления. Подача тока осуществляется электрическим трансформатором. В заводских условиях используется генератор.

В случае больших габаритов вольфрамового штабика, применяется стыковая сварка. Это повышает качество работы и уменьшает количество отходов. Важную роль при такой операции играет плотность материала. Очень сложно обрабатывать металл с низкой плотностью.

Производство методом ковки

Ковке подвергается только сваренный штабик. Его обработка проводится при высокой температуре. Он начинает деформироваться при температуре 2019 градусов. Операция выполняется на ковочной машине ротационного типа. После нагрева увеличивается пластичность материала, он легко обрабатывается.

Сегодня известно несколько видов вольфрама, отличающихся размером кристаллов, из которых состоит структура штабика. Большие кристаллы всегда располагаются на наружной поверхности. Мелкие кристаллы в основном встречаются в середине изделия.

Такая разница размеров во время ковочной обработки может стать причиной появления трещин, которые разрушают деталь. Чтобы такого не происходило, обрабатываются только прямоугольные штабики. Проковка таких изделий происходит со всех сторон, поэтому они отличаются высокой прочностью.

Области применения вольфрама

Обработка детали выполняется только при повышенной температуре. Поэтому из такого металла изготавливают:

  • Сварочные электроды.
  • Прутки.

Эти электроды не плавятся. Их используют для работы с высоколегированными сталями, а также различными металлическими сплавами.

Вольфрамовая проволока применяется для создания нагревательных спиралей в лампах накаливания. Из неё изготавливают термопары, определяющие значение высокой температуры.

Стадии обработки прутков

Если длина штабика не превышает 10−15 см, обработке подвергаются детали диаметром 7 мм. Для получения такого размера поднимают температуру до 2019 градусов. Дополнительным нагревателем выступает молибден.

Для получения изделия диаметром 4,5 мм рабочая температура уменьшается до 2019 °C. Сечение 2,75 мм получается при аналогичной температуре.

Все вольфрамовые прутки подразделяются на несколько групп. Они обозначаются:

  • ВТ.
  • ВЛ.
  • ВИ.
  • ВА.
  • ВЧ.

Для изготовления прутков ВТ, ВЛ, ВИ используется очень высокая температура. Она намного ниже при получении вольфрамовых изделий ВЧ и ВА.

Основой этого материала стали вольфрамовые слитки, изготовленные методом плавления. Горячая обработка таких слитков не делается. Это связано с их структурой, в которую входят грубые кристаллы. При горячей обработке металл начинает трескаться.

Такие слитки обрабатываются горячим прессованием. Степень прессования составляет 90%. Сначала деталь прессуют при температуре 2019 градусов. Затем температуру понижают до 2019 градусов и выполняют повторную операцию. Готовую заготовку отправляют на горячую ковку.

Распространенность на мировом рынке

Больше всего изделий из вольфрама производит Китай. В год он изготавливают 41 тысячу тонн материала. В России эта цифра не превышает 3,5 тысячи тонн. Для получения такого объёма в больших количествах используется вторичное сырье:

  • Остатки карбида вольфрама.
  • Стружка.
  • Порошковый материал.
  • Опилки.

Сегодня наблюдается уменьшение выпуска вольфрамовых нитей. Появилось много альтернативных технологий, касающихся освещения. Вместо обычных лампочек, устанавливают светодиодные лампы. Большой популярностью пользуются люминесцентные осветительные приборы.