Способы получения вольфрама кратко

Обновлено: 04.07.2024

СТРУКТУРА

Кристалл вольфрама имеет объемноцентрированную кубическую решетку. Кристаллы вольфрама на холоду отличаются малой пластичностью, поэтому в процессе прессования порошка они практически почти не изменяют своей основной формы и размеров и уплотнение порошка происходит главным образом путем относительного перемещения частиц.

В объемно-центрированной кубической ячейке вольфрама атомы располагаются по вершинам и в центре ячейки, т.е. на одну ячейку приходится два атома. ОЦК-структура не является плотнейшей упаковкой атомов. Коэффициент компактности равен 0,68. Пространственная группа вольфрама Im3m.

СВОЙСТВА

Вольфрам — блестящий светло-серый металл, имеющий самые высокие доказанные температуры плавления и кипения (предполагается, что сиборгий ещё более тугоплавок, но пока что об этом твёрдо утверждать нельзя — время существования сиборгия очень мало). Температура плавления — 3695 K (3422 °C), кипит при 5828 K (5555 °C). Плотность чистого вольфрама составляет 19,25 г/см³. Обладает парамагнитными свойствами (магнитная восприимчивость 0,32·10−9). Твердость по Бринеллю 488 кг/мм², удельное электрическое сопротивление при 20 °C — 55·10−9 Ом·м, при 2700 °C — 904·10−9 Ом·м. Скорость звука в отожжённом вольфраме 4290 м/с. Является парамагнетиком.

Вольфрам является одним из наиболее тяжелых, твердых и самых тугоплавких металлов. В чистом виде представляет собой металл серебристо-белого цвета, похожий на платину, при температуре около 1600 °C хорошо поддается ковке и может быть вытянут в тонкую нить.

ЗАПАСЫ И ДОБЫЧА

Кларк вольфрама земной коры составляет (по Виноградову) 1,3 г/т (0,00013 % по содержанию в земной коре). Его среднее содержание в горных породах, г/т: ультраосновных — 0,1, основных — 0,7, средних — 1,2, кислых — 1,9.

Процесс получения вольфрама проходит через подстадию выделения триоксида WO₃ из рудных концентратов и последующем восстановлении до металлического порошка водородом при температуре около 700 °C. Из-за высокой температуры плавления вольфрама для получения компактной формы используются методы порошковой металлургии: полученный порошок прессуют, спекают в атмосфере водорода при температуре 1200—1300 °C, затем пропускают через него электрический ток. Металл нагревается до 3000 °C, при этом происходит спекание в монолитный материал. Для последующей очистки и получения монокристаллической формы используется зонная плавка.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ

Вольфрам встречается в природе главным образом в виде окисленных сложных соединений, образованных трехокисью вольфрама WO₃ с оксидами железа и марганца или кальция, а иногда свинца, меди, тория и редкоземельных элементов. Промышленное значение имеют вольфрамит (вольфрамат железа и марганца nFeWO₄ * mMnWO₄ — соответственно, ферберит и гюбнерит) и шеелит (вольфрамат кальция CaWO₄). Вольфрамовые минералы обычно вкраплены в гранитные породы, так что средняя концентрация вольфрама составляет 1—2 %.

Наиболее крупными запасами обладают Казахстан, Китай, Канада и США; известны также месторождения в Боливии, Португалии, России, Узбекистане и Южной Корее. Мировое производство вольфрама составляет 49—50 тысяч тонн в год, в том числе в Китае 41, России 3,5; Казахстане 0,7, Австрии 0,5. Основные экспортёры вольфрама: Китай, Южная Корея, Австрия. Главные импортёры: США, Япония, Германия, Великобритания.
Также есть месторождения вольфрама в Армении и других странах.

ПРИМЕНЕНИЕ

Тугоплавкость и пластичность вольфрама делают его незаменимым для нитей накаливания в осветительных приборах, а также в кинескопах и других вакуумных трубках.
Благодаря высокой плотности вольфрам является основой тяжёлых сплавов, которые используются для противовесов, бронебойных сердечников подкалиберных и стреловидных оперенных снарядов артиллерийских орудий, сердечников бронебойных пуль и сверхскоростных роторов гироскопов для стабилизации полёта баллистических ракет (до 180 тыс. об/мин).

Сульфид вольфрама WS₂ применяется как высокотемпературная (до 500 °C) смазка. Некоторые соединения вольфрама применяются как катализаторы и пигменты. Монокристаллы вольфраматов (вольфраматы свинца, кадмия, кальция) используются как сцинтилляционные детекторы рентгеновского излучения и других ионизирующих излучений в ядерной физике и ядерной медицине.

Дителлурид вольфрама WTe₂ применяется для преобразования тепловой энергии в электрическую (термо-ЭДС около 57 мкВ/К). Искусственный радионуклид 185 W используется в качестве радиоактивной метки при исследованиях вещества. Стабильный 184 W используется как компонент сплавов с ураном-235, применяемых в твердофазных ядерных ракетных двигателях, поскольку это единственный из распространённых изотопов вольфрама, имеющий низкое сечение захвата тепловых нейтронов (около 2 барн).

Вольфрам считается самым тугоплавким из известных металлов. Впервые был получен в 18 веке, но промышленное использование началось гораздо позже, с развитием технологии производства.

Основные характеристики

Как самый тугоплавкий металл, вольфрам имеет специфические свойства:

Температура плавления вольфрама — примерно соответствует температуре солнечной короны — 3422 °С.
Вместе с этим, плотность чистого вольфрама ставит его в один ряд с наиболее плотными металлами. Его плотность практически равна плотности золота — 19,25 г/см 3 .
Теплопроводность вольфрама зависит от температуры и составляет от 0,31 кал/см·сек·°С при 20°С до 0,26 кал/см·сек·°С при 1300°С.
Теплоемкость также близка к золоту и составляет 0.15·10 3 Дж/(кг·К).

Металл имеет кубическую объемноцентрированную кристаллическую решетку. Несмотря на высокую твердость, вольфрам в нагретом состоянии очень пластичен и ковок, что позволяет изготавливать из него тонкую проволоку, имеющую широкое применение.

Имеет серебристо-серый цвет, который не меняется на открытом воздухе, поскольку вольфраму присуща высокая химическая стойкость, а с кислородом он реагирует только при температуре выше красного каления.

Химические свойства элемента, как правило, начинают проявляться при нагреве выше нескольких сотен градусов. В обычных условиях он не взаимодействует с большинством известных кислот, кроме смеси плавиковой и азотной кислот.
В присутствии определенных окислителей может реагировать с расплавами щелочей. При этом для начала реакции требуется нагрев до температуры 400 — 500 °С, а далее реакция идет бурно, с выделением тепла.

Некоторые соединения, особенно карбид вольфрама, обладают очень высокой твердостью и находят применение в металлургическом производстве для обработки твердых сплавов.

Приведенные характеристики вольфрама определяют специфику областей применения металла, как в чистом виде, так и в составе различных сплавов и химических соединений.
Вольфрам входит в состав многих жаростойких сплавов в качестве легирующей добавки для повышения твердости, температуры плавления и коррозионной стойкости.
Близость плотности и теплоемкости вольфрама и золота теоретически может служить для подделки золотых слитков, однако это легко можно выявить при измерении электрического сопротивления и при переплавке золотого слитка.

Получение вольфрама

В чистом, самородном виде металл в природе не встречается. Большинство месторождений образовано оксидами. Содержание соединений в пересчете на чистый металл в рудном месторождении составляет 0.2 — 2%.
Химическая стойкость и высокая температура плавления допускают получение вольфрама из руды только при использовании специфических методик.

В основе большинства методов промышленного получения вольфрама лежит восстановление металла из его оксида. Первая стадия производства состоит в обогащении вольфрамосодержащей руды. Затем при помощи операций выщелачивания и восстановления получают оксид WO₃, который восстанавливают до чистого металла в атмосфере водорода. Температура процесса составляет около 700 °С.

В результате реакции получается тонкодисперсный металлический порошок. Высокая температура плавления не позволяет оформить металл в виде слитков, поэтому порошок вольфрама сначала прессуют под высоким давлением, а затем спекают в среде водорода, используя нагрев до температуры 1300 °С. Через полученные бруски пропускают мощный электрический ток. В результате высокого переходного сопротивления между зернами металла происходит нагрев и плавление заготовки.

Очистку полученного слитка производят методом зонной плавки, подобно технологии получения сверхчистых полупроводников. Производство вольфрама по данной технология позволяет получить металл высокой степени чистоты без дополнительных операций очистки.

При производстве сплавов, все составляющие добавляются еще перед стадией прессования порошка, поскольку в дальнейшем это сделать уже невозможно. В процессе прессовки, спекания и дальнейшей обработки заготовки (прессование, прокатка) обеспечивается равномерное распределение примесей в сплаве.

Обработка вольфрама производится при температурах около полутора тысяч градусов. При таком нагреве металл становится очень пластичным и допускает ковку, штамповку. Тонкая проволока для спиралей ламп накаливания изготавливается методом волочения. При этом кристаллы металлы располагаются вдоль проволоки, повышая ее прочность. Поскольку к спиралям ламп предъявляются высоки требования по однородности, вольфрамовый провод дополнительно подвергают операциям электрохимического полирования.

Применение вольфрама

Большинство областей применения вольфрама используют такие его качества, как высокая температура плавления, плотность и пластичность. Вольфрам незаменим в следующих областях:

Чистый вольфрам, это единственный металл, который применяется в нитях накаливания осветительных ламп, радиолампах, кинескопах и прочих электровакуумных приборах;
В чистом виде и в составе сплавов используется при производстве сердечников подкалиберных бронебойных снарядов и пуль;
Высокая плотность вольфрама позволяет изготавливать роторы малогабаритных гироскопов ракетной техники и космических аппаратов;
Изготовление неплавящихся электродов при аргонно-дуговой сварке;
Устройства защиты от ионизирующих излучений из вольфрама эффективнее, чем традиционные свинцовые. Использование вольфрама экономически выгодно, несмотря на более высокую стоимость, чем у свинца. Это вызвано тем, что расход вольфрама при тождестве технических характеристик изделия намного меньше.
Изделия из вольфрама не нуждаются в защите от коррозии благодаря низкой химической активности при нормальных температурных условиях.

Сверла из вольфрама

Победитовые напайки крепятся к рабочим кромкам инструмента при помощи пайки медью. В качестве флюса используется бура.

Карбид вольфрама используется в ювелирных изделиях, в частности, в кольцах. Высокая твердость материала позволяет сохранить блеск изделия в течение всего срока службы.

Победит изготавливают порошковым методом, используя для скрепления кристаллом карбида вольфрама кобальт.

Сплавы на основе вольфрама

Сплавы вольфрама возможно получить исключительно методом порошковой металлургии. Это вызвано большой разницей температур плавления входящих в состав сплава металлов. Порошки исходных составляющих после смешивания прессуются, а затем подвергаются спеканию. В результате капиллярных сил более легкоплавкие металлы заполняют пространство между зернами вольфрама, образуя монолитный сплав. На границах зерен образуются твердые растворы компонентов сплава.

Наибольшее распространение получили сплавы вольфрама с медью, железом и никелем. Самые распространенные сплавы ВНЖ и ВНМ включают в себя вольфрам — никель — железо и вольфрам — никель — медь.

Для достижения особых характеристик в состав могут входить также серебро, хром, кобальт и молибден.

Вольфрамовые сплавы находят применение для изготовления деталей и устройств, в которых важна высокая плотность при малых габаритных размерах. Это всевозможные противовесы, маховики, грузы центробежных регуляторов, сердечники пуль и снарядов.

Известно не очень много марок вольфрама. В первую очередь, это технически чистый вольфрам — ВЧ.

Используемые в промышленности марки вольфрама обычно включают в себя некоторые добавки. Материал, легированный лантаном, обозначается как ВЛ, иттрием — ВИ. Указанные легирующие добавки еще более улучшают механические и технологические качества металла.

Сплавы с рением — ВР5, ВР20 — используются в производстве высокотемпературных термопар.

Легирование торием повышает эмиссионные свойства вольфрама, что особенно важно при изготовлении катодов мощных электровакуумных ламп. Данная добавка также улучшает способность к зажиганию электрической дуги при аргонно-дуговой сварке.

Сплавы вольфрама с медью и серебром используются для изготовления контактов сильноточной коммутационной аппаратуры. Медь и серебро при высокой электропроводности не обладают высокой механической прочностью. При прохождении высоких токов возможно расплавление контактных групп. Контакты из вольфрамовых сплавов свободны от этих недостатков, не смотря на несколько большее электрическое сопротивление.

Высокая плотность сплавов позволят использовать их для изготовления контейнеров для хранения радиоактивных веществ, экранов для защиты от γ-излучения.

Структура

Структура кристалла металла представляет собой объемноцентрированную кубическую решетку с отличительным механизмом хрупко-вязкого перехода. Атомы размещаются в центре и по вершинам, то есть одна ячейка вмещает две частицы.

Свойства

Вольфрам — это металл светло-серого цвета с характерным блеском, напоминает платину. Особенность данного элемента заключается в тугоплавкости. Стоит отметить ряд и иных важных свойств.

Физические

Так, металл отличается самой высокой температурой плавления в 3420 °C и кипения в 5555 °C. Также для него характерно следующее:

плотность вольфрама без примесей составляет 19,25 г/см³;
имеет повышенную устойчивость к изменениям в вакууме;
оценка твердости по Бринеллю выражается значением 488 кг/мм²;
высокая тепло- и электропроводность;
парамагнетик;
поддается ковке при температуре в 1,6 тысячи градусов по Цельсию.

Металл по достоинству признается как один из самых тяжелых и твердых.

Оптические

Что касается оптической характеристики, то вольфрам по принятому типу считается изотропным. При рассмотрении по плеохроизму — не плеохроирует. Также он не является флюоресцентным.

Кристаллографические

Металл относят к пространственной категории Im3m с кубической сингонией и гексаоктаэдральной точечной группой.

Классификация

Классификация вольфрама по Никелю-Штрунцу проводится на основе химического состава элемента. В десятом издании металлу было присвоено значение 1.AE.05.

Седьмым изданием Dana группа вольфрам определена как 1.1.38.1.

Происхождение

Как правило, металл в естественной среде представляет собой окисленные сложные соединения с:

железом;
марганцем;
кальцием;
свинцом;
медью,

и рядом иных редкоземельных элементов.

В промышленном производстве используется вольфрамит — соединение вольфрамата железа и марганца. Также значение имеет шеелит — вольфрам и кальций.

Обычно кристаллы минерала вкраплены в породы, в связи с чем средняя концентрация металла составляет не более 2 %.

Запасы и добыча

Наибольшие объемы запасов вольфрама в:

Определены местонахождения также в России и ряде других стран. Промышленное производство данного элемента заключается в трех стадиях:

На первой осуществляется обогащение руды, что позволяет получить ангидрит.
Второй этап обеспечивает восстановление вольфрама до порошкового состояния.
На третьей стадии металл оформляется в монолит.

Стоит рассмотреть процесс в деталях.

Обогащение руды

Итак, вольфрам в природе не встречается в качестве отдельного элемента. Он всегда является составляющей разнообразных соединений. При этом самые богатые руды содержат в себе не более 3 % вольфрама. Поэтому изначально проводится обогащение:

Порода дробится и измельчается.
Материал обрабатывается с учетом типа руды.
С использованием гравитационного метода осуществляется обогащение. Принцип построен на применении двух сил: центробежной и земного притяжения. Таким образом, обеспечивается разделение минералов по размеру, плотности и смачиванию, что позволяет избавиться от пустой породы.
Проводится магнитная сепарация вольфрамита для обеспечения чистоты концентрата.

В итоге содержание искомого металла может составлять в среднем 65 % и максимум 85 %.

Еще один вид соединения с производственным назначением — шеелит — очищается по-другому.

Так как он не относится к группе магнитных минералов, сепарация к нему не может быть применена. Поэтому обогащение осуществляется за счет флотации, подразумевающей разделение частиц в водной суспензии. После обработки проводится электростатическая сепарация. Концентрация шеелита в итоге может достигать 90 %.

Руда также может содержать в себе два соединения вольфрама сразу. При данных обстоятельствах используются совмещенные методы обработки с применением флотационных и гравитационных способов.

При необходимости в большем очищении в дополнении применяется ряд инструментов, которые определяются с учетом типа примеси. К примеру, если нужно уменьшить количество фосфора в концентрате, прибегают к обработке в холоде соляной кислотой. Второй вариант с обжигом и дальнейшим использованием кислот позволяет удалить медь и мышьяк.

Если нужно достичь формы растворимого соединения, методы могут быть такими:

проводят спекание концентрации с избытком соды;
осуществляют выщелачивание путем извлечения вольфрама содовым раствором при высокой температуре и под давлением;
обрабатывают газообразным хлором для получения хлорида вольфрама с последующим отделением возгонкой для переработки в элементарный металл.

В результате использования стандартных методов обогащения можно получить триоксид вольфрама, который и применяется в процессе производства металла. Также из данного соединения получается карбид вольфрама — именно он является основой большинства твердых сплавов.

Восстановление вольфрама

Итак, после получения триоксида вольфрама следующий этап производства заключается в восстановлении до состояния металла. Как правило, этот процесс подразумевает необходимость в водородном методе:

В печь помещается емкость с соединением.
Емкость все время движется, при этом происходит повышение температуры.
Подается водород по направлению к триоксиду.

В процессе восстановления повышается насыпная плотность, объем загрузки снижается в два раза. В связи с этим прогон проводится в два этапа, с использованием различных печей.

Первый этап предполагает образование диоксида из триоксида вольфрама.

На втором получается чистый порошок, который просеивают через сетку с отделением крупных частиц для дополнительного перемалывания.

В некоторых случаях для восстановления применяется углерод, который отчасти упрощает процесс, но для производства необходимо наличие высоких температур. Основной недостаток данного метода — реакция угля и иных примесей с вольфрамом, что становится причиной загрязнения материала. Есть и другие способы, но водородный вариант имеет наибольшую применимость.

Получение монолитного металла

Предшествующие стадии производства реализуются уже давно, но для выработки слитков была необходима специальная технология. Из-за основного свойства металла — тугоплавкости — невозможно использование стандартного метода с плавкой и отливкой формы.

Суть применяемого способа — превращение порошка в металл с использованием электрического тока. Процесс проходит в несколько этапов:

Металлический порошок спрессовывается.
При температуре 1,3 тысячи градусов Цельсия брусок спекается для повышения прочности. Процедура проводится в герметичной печи, куда непрерывно подается водород, который необходим для эффективного восстановления. Он проникает в материал, что обеспечивает создание металлического контакта. В итоге прочность повышается значительно, размер бруска при этом уменьшается до 5 %.
Основной этап — сварка. Осуществляется при температуре 3 тысячи градусов Цельсия путем пропуска через брусок электрического тока. Водород в таком случае также обязателен, так как он позволяет избежать окисления. Сила тока определяется с учетом сечения бруска: 10 на 10 миллиметров — 2,5 тысячи ампер, 25 на 25 миллиметров — 9 тысяч ампер. Подаваемое напряжение варьируется от 10 до 20 вольт.

Чтобы получить материал высокой очистки, применяются присадки, которые испаряются при сварке, убирая при этом иные примеси. К примеру, используются окислы щелочных металлов. Если соблюдается температурный режим, можно допиться степени очистки в 99,995 %.

Производство изделий из вольфрама

Монолитный вольфрам характеризуется рядом свойств:

тугоплавкость;
отсутствие внутреннего напряжения.
высокая пластичность;
ковкость.

в качестве нагревательных элементов в печах сопротивления;
для защиты от ионизирующего излучения;
как основа для тяжелых сплавов;
для электродов аргонно-дуговой сварки;
в вакуумных трубках;
в контейнерах для отходов ядерного производства.

Как показывает практика, в большинстве случаев производство продолжается вытягиванием проволоки, которая активно используется при производстве ламп накаливания.

Мировой рынок вольфрама

Совокупная величина годового производства металла ограничена 50 тысячами тонн. Основная часть приходится на Китай — 41 тысяча тонн. Он же является и главным экспортером. Для сравнения, объемы производства в России ограничены 3,5 тысячами тонн.

При этом добыча металла составляет около 70 % мирового потребления. Треть приходится на вторичную переработку. Обычно в качестве сырья используется лом карбида вольфрама.

Текущие тенденции мирового рынка свидетельствуют об уменьшении объемов спроса на вольфрамовые нити. Подобная статистика обосновывается развитием альтернативных технологий при производстве осветительных приборов. Лампы накаливания активно заменяются приборами, построенными по другой схеме.

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:

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.

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%.
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.

Например, спекают концентрат с избытком соды, получая таким способом вольфрамит натрия.
Может использоваться и другой метод — выщелачивание: вольфрам извлекают содовым раствором под давлением при высокой температуре с последующей нейтрализацией и осаждением.
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.

На первой стадии из триоксида вольфрама образуется диоксид, на второй из диоксида получают чистый вольфрамовый порошок.
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 2500 А, а для сечения 25х25 мм — около 9000 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 1890 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.

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.

Читайте также: