Металлы и человек - Михаил Васильев

Никель оказался близким родственником железа. Химическая активность его невелика. В отсутствие влаги при обычных условиях он заметно не реагирует ни с кислородом, ни с серой, ни с галогенами. Только нагретый до температуры в 500 градусов он начинает окисляться на воздухе. Способен поглощать большие количества водорода.

Химики открывали все новые свойства никеля, а инженеры никак не могли найти ему применения, и поэтому в первой половине XIX века он считался драгоценным металлом. Только ювелиры имели с ним дело. От получивших его химиков он пришел в сверкающие витрины, в соседство с золотом и драгоценными камнями. Как ни странно, но применялся он в том же сплаве с цинком и медью, который открыли еще древние китайские мастера.

С середины прошлого века никель начали использовать для изготовления монет и противокоррозионных покрытий. Это была уже полезная служба металла.

Три службы одного металла.

А затем инженеры сделали попытку породнить никель с железом. Оказалось, что добавки никеля значительно улучшают качество сталей. Мы уже говорили о никелевых сталях, имеющих самое разнообразное применение. Но сначала их предназначали для изготовления брони. Так, во второй половине XIX века из ювелирного никель стал военным металлом.

Облагораживающее действие присадок никеля вызвало повышенную потребность в этом металле, и начало быстро расти его производство.

Всего 110 лет назад, в 1850 году, во всем мире было выплавлено едва 100 тонн никеля, а уже в 1875 году производство никеля поднялось до 600 тонн. Но этот подъем не сравнить с последующим прыжком: в 1918 году было выплавлено 47 тысяч тонн этого металла. Подавляющее большинство — около 90 процентов его — дала Канада, обладающая крупнейшими залежами никелевых руд. В 1943 году было произведено (без СССР) 167 тысяч тонн этого металла.

На территории нашей Родины еще в 60-х годах прошлого столетия инженер Данилов организовал производство сплава железа с никелем — ферроникеля. Из вагранок, в которых он производил плавку, ему удалось получить ферроникель с содержанием никеля до 30 процентов. При рафинировании в тиглях содержание никеля поднималось до 70 процентов. Однако падение цен на этот металл остановило начатое производство.

Только после Октябрьской революции была организована в нашей стране никелевая промышленность. Первым был спроектирован и построен Уфалейский никелевый завод. С учетом его опыта проектировались и строились новые заводы.

В настоящее время наша страна обладает мощной никелевой промышленностью. Да и понятно: нашей стране нужно много никеля. И изготовление мелких разменных монет — это отнюдь не главная статья расхода этого металла. Значительно больше его идет на производство легированных сталей, мельхиора и монель-металла — важных сплавов никеля с цветными металлами, на никелирование — покрытие металлических изделий для защиты от коррозии и придания красивого внешнего вида, на изготовление легких щелочных аккумуляторов и катализаторов для химической промышленности.

Тоже не простые процессы!

В железных метеоритах, которых немало уже накопилось в ученых коллекциях многих стран, содержится до 8,5–9 процентов никеля. Инженеры были бы просто счастливы, если бы на Земле были залежи металла с таким природным содержанием легирующей добавки. К сожалению, не часто встречаются и руды, содержащие такой процент никеля, не говоря уже о чистом металле.

Однако никель отнюдь не редкий металл. В земной коре его содержится, по-видимому, около 0,02 процента, то есть больше, чем, например, меди. Однако соединения никеля более рассеяны, чем соединения меди.

Металлурги различают две основные группы никелевых руд: окисленные, в которых никель находится в соединении с кислородом, и сульфидные, содержащие соединения никеля с серой. Большая часть разведанных на земном шаре месторождений никеля — 80 процентов — приходится на долю сульфидных руд. Как правило, в сульфидных рудах никеля содержится медь, причем ее нередко столько же, сколько никеля, а то и больше. Кроме того, в них ему всегда сопутствуют кобальт, платина, иридий, палладий и другие редкие металлы. В окисленных рудах обычно содержится железо. Его содержание в несколько раз превосходит содержание никеля.

Вот из таких-то руд и приходится вырабатывать никель. Делают это на разных заводах в разных странах по-разному — в зависимости и от типа руды, и от содержания в ней никеля, и просто от сложившихся традиций.

Окисленная никелевая руда, землистая мягкая масса, содержащая большое количество влаги, не может сразу подвергаться плавке в шахтной печи. Она засыпет, задушит пламя, не даст пройти сквозь свою сыпучую массу газам горения. Поэтому ее сначала брикетируют или изготовляют никелевый агломерат. О том, как изготовляется агломерат, мы уже рассказывали в одной из предыдущих глав.

Агломерат плавится затем в шахтной печи. Получают из печи никелевый штейн, состоящий в основном из никеля, железа и серы. Штейн подвергают бессемеровскому переделу, в процессе которого выгорает главным образом железо. Полученный из конвертора продукт (он содержит примерно 75 процентов никеля и доли процента железа, остальное — сера) подвергают обжигу в многоподовых механических печах, очень похожих на те печи, в которых обжигают сульфидные медные руды. Полученные огарки размалывают в шаровых мельницах и обжигают вторично во вращающихся трубчатых печах. В процессе обжига выгорает сера и образуется чистый окисел никеля. Его смешивают с древесным углем и плавят в электрической дуговой печи.

Полученный никель или разливают в формы, или подвергают грануляции. Это осуществляется следующим способом. Металл тоненькой струйкой выливают в бетонированный бассейн, куда непрерывно подается холодная вода. Стремительно охлаждающийся и застывающий металл разрывается внутренними напряжениями на небольшие куски. Их просушивают и запаковывают в деревянные бочки.

Но ведь мы говорили, что большая часть никеля нужна нам для легирования железа. Следует ли во всех случаях получать чистый никель? Вряд ли. Металлургов отлично устроил бы во многих случаях содержащий значительный процент никеля сплав этого металла с железом.

Такой сплав получают переплавкой никелевого агломерата в доменной печи. Правда, полученный никелистый чугун получается не дешевым, так как никелевые руды не содержат столько железа, сколько его имеется, например, в магнитном железняке. И все-таки оказалось, что бедные никелевые руды, содержащие меньше одного процента никеля, выгоднее перерабатывать указанным способом в доменных печах, чем перерабатывать на чистый никель. К тому же при такой плавке никелевой руды в металл переходит и кобальт и значительная часть содержащегося в ней хрома. Таким образом целый ряд полезных легирующих металлов оказывается в составе этого чугуна, из которого и получают природно легированный металл, такой же качественный, как металл железно-никелевых метеоритов.

Это второй способ переработки никелевых руд.

Третий способ — электроплавка богатых окисных руд в дуговых печах. Восстановителем и здесь обычно служит древесный уголь. Получается ферроникель — сплав 50–75 процентов никеля с железом. По следующей переплавкой и рафинированием этого сплава можно получить электролитический никель, содержащий 99,97 процента чистого металла.

Окисленные никелевые руды можно подвергнуть и прямому восстановлению во вращающихся печах. При этом можно размолотую руду смешивать с восстановителем и нагревать в длинной вращающейся трубе до температуры 1250–1400 градусов. В полурасплавленной массе шлака и происходит восстановление железа и никеля. Железо и никель образуют кусочки — крицы — размером от 3 до 30 мм. Их отделяют от шлаков после размола механическим и магнитным сепарированием.

При переработке этим способом никелевых руд, содержащих менее 1 процента никеля и от 10 до 20 процентов железа, получают крицы, содержащие около 3–7 процентов никеля — как раз то же самое количество, что и в железных метеоритах.

Окисленные руды никеля можно перерабатывать и способами гидрометаллургии. При этом руду обрабатывают или раствором серной кислоты, или раствором аммиака. Путем ряда дальнейших операций из раствора получают чистый металл.

Все перечисленные способы относились к окисленным рудам, а ведь их значительно меньше, чем сульфидных.

Сульфидные руды также плавят в шахтных печах. Рудную мелочь и пыль предварительно перерабатывают в агломерат. Из шахтных печей получают штейн, содержащий около 9 процентов никеля, несколько меньшее количество меди и почти 25 процентов серы.

Впрочем, чаще такую плавку на штейн ведут в отражательных печах или даже в электропечах.