تحقیق مقاله متالوژی نیکل

متالوژی نیکل :

نیکل فلزی است حدود 160 سال قدمت دارد ( 1804) لیکن بصورت آلیاژ از دیرزمان وجود داشته بدون آنکه به ماهیت آن توجه شده باشد . نزدیک 100 سال است که به عنوان فلز آلیاژ کننده برای مس بکار برد8ه می شوذد . ضمناً اولین بار در سال 1880 برای آلیاژ کردن فولاد بکار برده شد ( فولاد N ) همچنین به منظور درست کردن آلیاژ نقره نو یا آلیکا ( ZN-CU-NI ) مورد استفاده قرارمی گیرد. تا سال 1850 تنها دو کشور اطریش و آلمان تولید کننده نیکل بودندبعدها کشورهای اسکاندیناوی و  Neukaledonien نیز این فلزرا تولید کردند . کشورهایی که درحال حاضر سنگ معدن غنی هستند به قرار زیر می باشند :

کانادا :                                 56%                     ( Sudburg )

روسیه :                                 2/32%

کوبا :                                      8/7%

توکالدونین  :                              2/6 %  

امروزه 90 در صد از نیکل تولید شده توسط یک کمپانی کانادایی صادر می شود . ( Inter National – Nichols  - company   I.N.CO    )  

سنگهای معدنی نیکل

سنگهای معدنی نیکل را می توان به سه دسته تقسیم کرد :

1-سنگ معدن سولفیدی که  به نوع SUDBURg     موسوم می باشد و تقریباٌ 90 % از نیکل تولید شده از این نوع سنگ معدن بدست می آید که بطور متوسط دارای 5-1 درصد Ni و 5/4 – 5/1 درصد cu   است . نیکل در این سنگ معدن به صورت)  ( NiFeمی باشد این سنگ معدن کالکوپیریت و پیروتیت نیز به همراه دارد . توسط آرایش مغناطیسی و یا فلوتاسیون جز به جزء می توان از سنگ معدنی با 6/2 درصد cu  و 2 درصد Ni  یک سنگ معدن تغلیظ شده مس با 28 درصد مس 1 درصد نیکل و یک سنگ معدن تغلیظ شده آهن بدست آورد .

2-سنگ معدن اکسیدی ( سیلیکاتی ) : این نوع سنگ معدن ها معمولاٌ دارای مس نمی باشد . و دارای 10-1 درصد نیکل هستند به طور کلی 7 درصد از سنگ معادن استخراج شده را تشکیل می دهند عموماٌ دارای ترکیب زیر می باشند :

1-10 5 Ni   ,  0.1 -0.5 % co  ,  60.16 Fe  , 12-24% Mgo  , 26-44 5 Sio 2, 0-1 % cal , 1-1.5 % Alo  , cr , Mn  , 15-+30 % H2O

3- سنگ معدن آرسینیکی :

شامل :

Rotnicke Lkies Niceolite  NiAs 

Wei  Nickelkies  Ramelsbergit NiAs2

خواص فیزیکی فلز نیکل :

نقطه ذوب

1455

نقطه غبار

7/58

چگالی

91 /8

وزن اتمی

7 58

شبکه

مکعبی با سطوح مرکز دارد .

اکویوالس الکتریکی

09 1

پتانسیل نرمال

Volt 22 /0 -0

قابلیت هدایت الکتریسیته (زیمنس)

53 /16

قابلیت هدایت حرارت در c 0 مساویست با 21 /0 cal/cm.s.grad

قابلیت هدایت حرارت در c 500 مساویست با 148 /0

خاصیت مغناطیسی دارد ( البته کمتر از آهن ).

استفاده از سنگ معدن های سولفیدی برای تهیه مات نیکل

بطوریکه در ابتدا گفته شد سنگهای سولفیدی را می توان توسط آرایش مغناطیسی وفلوتاسیون جزء جزء تغلیظ نمود .

تشویه :

سنگ معدن های سولفیدی ، تشویه ناقص می شوند تا اینکه مقداری از گوگرد که به آهن متصل است جدا شود و اکسید آهن بدست آمده در موقع تهیه مات خام (Rohstein ) با سیلسیم اکسید تولید سرباره نماید . روی هم رفته مقدار گوگرد از 2 % به 10 % تقلیل داده می شود . برای تهیه مات خام نیکل در کوره های استوانه ای که شارژ کوره باید تکه ای باشد از دستگاه دیویت لوید استفاده می شود وبرای تهیه مات خام نیکل در کوره های شعله ای که شارژ می بایستی خود باشد دستگاه تشویه طبقه ای ویا طریقه طبقه متلاطم مورد استفاده قرار می گیرد .

ذوب مات خام نیکل

برای تهیه مات خام نیکل کلیه قوانینی که برای تهیه مات مس به کار برده می شد بکار برده می شود در اثر ذوب کردن سنگ معدن تغلیظ شده وبدست آوردن مات خام مقدار نیکل ومس در مات خام به مقدار ( Ni + Cu % 25 -10 ) می رسد ضمناً سرباره ای که دارای مقدار بسیار کمی نیکل است جدا می شود . در درجه حرارتی که مات خام ذوب می شود فقط ترکیب Ni3 S2 وجود دارد زیرا NiS در اثر جدا کردن گوگرد متلاشی می شود . در سیستم Cu-S یک منطقه نقص انحلال وجود دارد . ذوب کردن مات خام نیکل می تواند مثل مس یا در کوره استوانه ای ویا در کوره شعله ای انجام شود .

تهیه مات نیکل از مات خام نیکل

تهیه مات نیکل از مات خام نیکل چنین است که نیکل ومس را از آهن جدا می کنند . آهن که بصورت FeS وجود دارد به FeO تبدیل شده ودر اثر اضافه کردن SiO2 بصورت سرباره در آورده می شود . مات خام وارد کنورتر می شود . این کنورتر کاملاً شبیه کنوتر هایی است که در تهیه مس خام به کار برده می شدند وبرای اینکه کار بطور مداوم انجام شود مات خام ماب وارد کنورتر شده ودر آنجا دمیده می شود . جداره کنورتر بازی است ( ماگنتیت )چون مات از لحاظ فلزات مورد نظر فقیر بوده سرباره زیادی تولید می گردد . لذا کوره مرتباً  باید شارژ شود . مواد سوختنی در کنوتر S ,Fe می باشند واکسید شدن FeS در وهله اول انجام می گیرد . که بصورت سرباره سیلیکاتی خارج می شود . چنانچه Ni ,Cu نیز اکسیده بشوند به علت وجود FeS (به مقدار زیاد ) فوراً گوگرده می گردند :

Cu2O+FeS   = Cu2S+FeO

        3NiO+ 3FeS+O2=Ni3S2+3FeO+So2

مواد تشکیل دهنده مات نیکل بدست آمده به قرار زیر است :

75- 78%Ni+Cu,20% S,0.3-0.5%Fe

نتیجتاً مواد بدست آمده عبارتند از :NI3S2,Cu2S        

تهیه نیکل ومس از مات :چنانچه در مبحث مس گفته شد در مرحله دوم دمیدن در کنورتر واکنش های تشویه وفعل وانفعال انجام می شوند.

مقدار فشار So2 برای تهیه مس در حرارت 730 درجه سانتیگراد مساوی است با یک اتمسفر وبرای تهیه Pb در حرارت 870 درجه سانتیگراد برابر یک اتمسفر می باشد در حالیکه برای تهیه نیکل در c 1527 tahv  SoS برابر است با 5 – 10 . 15 اتمسفر . از طرفی چون در تمام محیط یک حلالیت نیکل در گوگرد وجود دارد روی این اصل عمل تشویه وفعل وانفعال نمی تواند انجام شود .

برای تهیه تیکل ومس از مات باید دو موضوع را در نظر گرفت :

1 تهیه نیکل ومس با هم که این آلیاژ را فلز مونل Monl-Metall می نامند .

2 تهیه مس ونیکل به طور جداگانه .

تهیه نیکل ومس با هم :این آلیاژ Ni-Cu به فلز مونل موسوم است برای تهیه آن ، مات نیکل ومس را پس از خرد کردن تشویه کامل نموده وبا زغال چوب نرم مخلوط کرده آنگاه در کوره های شعله ای یا کوره های الکتریکی قوسی احیاء می نمایند . بدین ترتیب مس ونیکل با هم تولید کریستالهای مخلوط می کنند .فلز مونل به طور متوسط در حدود Ni 70 60 درصد وCu 29 27 درصد وکمتر از 5 درصد Mn,Si,Fe دارا می باشد .تهیه فلز مونل بسیار اقتصادی می باشد چون مستقیماً از سنگ معدن بدست می آید ودارای خواص فیزیکی وشیمیایی خوبی است به طوریکه راحت ریخته گری می شود ، قابلیت چکش خواری خوبی دارد در مقابل عوامل شیمیایی خارجی پایدار است ودر مقابل آب دریا واسید سولفوریک وکلرواسید فلوریدریک وNaOH,NH3 نیز پایدار است . بدین جهات این آلیاژ موارد مصرف بسیاری پیدا کرده است از جمله وسائل خانگی ، پمپها و... نکته قابل توجه این است که در مات مورد مصرف ، نباید مقدار فلزات قیمتی زیاد باشد زیرا فلزات قیمتی از بین خواهند رفت .

طریقه اورفورد (Orford ) : این طریقه به نام سروکف

( Kpopfund  Badendchmelzen= to peandbottom) Smelting

نیز معرف می باشد . روش عمل به ترتیب زیر است که مذاب مات نیکل ومس با سولفید سدیم در یک بوته ضمن خنک شدن تولید دو طبقه می کنند که سولفید مس وسدیم به علت چگالی کمتر در بالا قرار گرفته ودر قسمت پایین Bottom سولفید نیکل قرار می گیرد . در سیستم سه تائی Ni3S2- Cu2S-Na2S سیستم کناری Ni3S2-NA2S دارای یک منطقه نقص انحلال بزرگی است که به مقدار زیادی وارد سیستم سه تائی می شود در صورتی که سیستم دوتائی Cu2S-Na2S فاقد منطقه نقص انحلال است . روی این اصل برای بدست آوردن Ni3S2 خالص باید این عمل ذوب کردن چندین مرتبه تکرار شود . مذاب قسمت بالا دارای 45 40 درصد Cu و5درصد Ni است بقیه به طور کلی سولفید سدیم می باشد . این سولفید سدیم موجود در موقع دمیدن مس در کنورتر تولید سئلفات سدیم می کند که دو مرتبه برای طریقه اورفورد از آن استفاده می شود . ماده غنی از نیکل را در کف Bottom جمع شده است خرد کرده در آب شستشو می دهند تا مقدار سولفید سدیم ای که همراه آن است شستشو شود .سپس ماده خرد شده را در دستگاه دویت اوید تشویه نموده ماده تشویه شده را با زغال در کوره شعله ای ذوب کرده بدین ترتیب نیکل خام تولید می کنند که به صورت آند ریخته می شود وبعداً در الکترولیز تصفیه می گردد .

1 طریقه کربونیل با فشار زیاد :(Hochdruch- Carbonyl) :

در حرارت 240 درجه سانتیگراد وفشار 200 اتمسفر نیکل موجود در مات به Ni(Co)4 تبدیل می شود .البته بدون تشویه ویا خارج کردن مس ویا احیاء قبلی .ضمناً سنگهای معدنی تشویه شده را نیز می توان در این طریقه به کار برد . جسم باقی مانده که Cu2S بوده وکاملاً نیکل آن خارج شده است ودارای تمام فلزات قیمتی است که در مات وجود داشته اند برای تهیه مس بکار برده می شود .در این طریقه در اثر فشار زیاد ، آهن هم تولید کربونیل آهن Fe( Co)5 می کند که با کربونیل نیکل به صورت مایع به دست می آیند .جدا کردن Fe(Co)5 از NI(Co)4 توسط تقطیر جزء جزء انجام می گیرد . فلز نیکل نیز در این طریقه توسط متلاشی کردن حرارتی Ni(Co)4 بدست می آید :بر خلاف طریقه قبل کربونیل نیکل در محفظه ای که از خارج گرم می شود پاشیده شده که در نتیجه نیکل بصورت پودر بدست می آید . نیکل بدست آمده دارا ی

9 /99 % نیکل ودر حدود 2 0 / 0 % آهن و5 0 /0 % کربن و2 0 0 0 /0 % گوگرد می باشد .

2 طریقه ای که در (INCO ) بکار برده می شود : مات نیکل بدست آمده در محفظه ای ریخته شده وبه آهستگی ( در حدود 15 روز ) تا حرارت 510 درجه سانتیگراد خنک می شود . روی این اصل ابتدا Cu2S کریستالیزه می شود وآنگاه نیکل سولفیده . توسط اسیاب کردن وآرایش ، این سولفید ها را می توان به طور کامل جدا نمود . چنانچه در این طریقه بدست آوردن فلزات قیمتی نیز مورد نظر باشد در ابتدا نظیر طریقه مونل مقدار گوگرد مات را تا آن مقدار کاهش می دهند که تولید آلیاژ مس ونیکل بکند ( این آلیاژ فلزات قیمتی را در خود جمع آوری ) برای جدا کردن کریستالهای بدست آمده از آلیاژ مزبور ، جسم بدست آمده در یک آرایش کننده مغناطیسی ، آلیاژ نامبرده که محتوی فلزات قیمتی است وخاصیت مغناطیسی  دارد جدا می شود ومات ومس ونیکل به جای مانده را توسط فلوتاسیون ار یکدیگر جدا می کنند که این دو کنسنتره هر کدام برای فلز موجود در آن به کار برده می شوند .

تصفیه الکترولیزی نیکل

مواد اولیه برای تصفیه الکترولیزی نیکل می توانن هم به صورت فلز باشند وهم به صورت سولفید که در مراحل حرارتی تهیه نیکل ، تلغیظ شده اند . تصفیه الکترولیزی نیکل که فلز خام نیکل به صورت آند ریخته می شود از خیلی قدیم مرسوم می باشد .در صورتیکه تصفیه الکترولیزی آندها ی سولفیدی ( مات نیکل ) از چند سال قبل چه از لحاظ صنعتی وچه از نظر اقتصادی مورد استفاده قرار گرفته است .جدا کردن ورسوب دادن نیکل بر روی کاتد مشکلتر از مس می باشد با در نظر گرفتن اینکه اختلاف پتانسیل نرمال ( [V] 23 /-) منفی تر است . از مس ( ‌‍[V] 34 /0 +) هنگام حل شدن آندی ، مس محتوی آند حل گردیده وروی کاتد می نشیند ( چون دارای پتانسیل مثبت تری است ) با این تصویر برای تهیه نیکل خالص بایستی مس حل شده را قبل از اینکه به کاتد برسد از الکترولیت خارج نمائیم .

بدین جهت است که بایستی محفظه آند وکاتد از یکدیگر مجرا باشند .

طریقه هوینت