Obecná charakteristika kovů. Získávání vysoce čistých kovů Obecné fyzikální vlastnosti kovů
Umožňuje šetřit energetické zdroje (koks, uhlí) a získat větší výkon hotové výrobky ze surovin, zkrátit výrobní cyklus při současném zvýšení kvality a zlepšení ekologického stavu atmosféry. Jedná se o metalurgii, konkrétně o redukci kovů pomocí vodíku.
Prehistorie aneb Vpřed do minulosti pro čisté kovy
Hutnictví provází lidstvo již od doby bronzové a železné. Dokonce 14 století před naším letopočtem. E. starověcí lidé tavili železo metodou pece. Principem bylo redukovat železnou rudu uhlím při relativně nízké teplotě 1000 °C. V důsledku toho dostali kritsa - železnou houbu, pak byla kována, aby se získal polotovar, ze kterého byly vyrobeny předměty pro domácnost a zbraně.
Již ve 14. století začaly vznikat primitivní pece a vysoké pece, které položily základ moderním hutním procesům: vysoká pec, otevřená nístěj a konvertor. Hojnost uhlí a železných rud tyto metody na dlouhou dobu stmelila jako hlavní. Zvyšující se požadavky na kvalitu výrobků, úsporu zdrojů a ekologickou nezávadnost však vedly k tomu, že se již v polovině 19. století začaly vracet ke kořenům: využívat přímou redukci čistých kovů. První moderní taková instalace se objevila v roce 1911 ve Švédsku a vyráběla malé dávky kovů vyráběných za pomoci vodíku o čistotě 99,99 %. V té době byly jedinými spotřebiteli výzkumné laboratoře. V roce 1969 byla otevřena továrna v Portlandu (USA) produkující až 400 tisíc tun čistých kovů. A již v roce 1975 bylo touto metodou vyrobeno ve světě 29 milionů tun oceli.
Nyní takové výrobky očekává nejen letectví, přístrojový průmysl, podniky vyrábějící lékařské nástroje a elektroniku, ale také mnoho dalších. Tato technologie získala zvláštní výhodu v metalurgii neželezných kovů, ale v blízké budoucnosti také „vodíkové železné metalurgii“.
Čisté kovy kovy s nízkým obsahem nečistot. V závislosti na stupni čistoty existují kovy vysoké čistoty (99,90-99,99 %), kovy vysoké čistoty nebo chemicky čisté (99,99-99,999 %), kovy zvláštní čistoty nebo spektrálně čisté, ultračisté kovy (nad 99,999 % ).
Velký Sovětská encyklopedie. - M.: Sovětská encyklopedie. 1969-1978 .
Podívejte se, co jsou „čisté kovy“ v jiných slovnících:
čisté kovy- Kovy s nízkým obsahem nečistot (< 5 мас. %). Выделяют м. повыш. чистоты (от 99,90 до 99,99 %) и особой чистоты (от 9,999 до 99,9999 %). Тематики металлургия в целом EN pure metals … Technická příručka překladatele
Kovy nebo slitiny s nízkým obsahem nečistot. Podle stupně čistoty se rozlišují kovy srov. čistota, nebo technicky čistá (99,0 99,90 %). zvýšit čistota (99,90 99,99 %), vysoká čistota nebo chemicky čistá (99,99 99,999 %). speciální...... Velký encyklopedický polytechnický slovník
čisté kovy- kovy s nízkým obsahem nečistot (< 5 мас. %). Выделяют металлы повышенной чистоты (от 99,90 до 99,99 %) и особой чистоты (от 9,999 до 99,9999%); Смотри также: Металлы щелочные металлы ультрачистые металлы тяжелые металлы …
ČISTÉ KOVY- viz stupeň čistoty kovu nebo slitiny... Hutnický slovník
Jednoduché látky, které mají za normálních podmínek charakteristické vlastnosti: vysokou elektrickou a tepelnou vodivost, záporný teplotní koeficient elektrické vodivosti a schopnost dobře odrážet elektromagnetické vlny… …
- (z řeckého metallon, původně důl, ruda, důl), jednoduché in va, které za normálních podmínek mají charakteristické vlastnosti: vysokou elektrickou a tepelnou vodivost, negativní teplotní koeficient. elektrická vodivost, dobrá schopnost...... Fyzická encyklopedie
ultračisté kovy- vysoce čisté, ultračisté kovy, ve kterých hmotnostní podíl nečistot nepřesahuje 1 10 3 %. Hlavní fáze technologie výroby ultračistých kovů: získávání čistých chemických sloučenin, jejich obnova na... ... encyklopedický slovník v metalurgii
Vysoce čisté kovy, zejména čisté kovy, kovy, jejichž celkový obsah nečistot nepřesahuje 1․10 3 % (hmotn.). Hlavní fáze technologie chemické výroby: získávání čistých chemických sloučenin, jejich obnova do... ... Velká sovětská encyklopedie
radioaktivní kovy- kovy, které zaujímají místa v periodické tabulce prvků s atomovým číslem větším než 83 (Bi), emitující radioaktivní částice: neutrony, protony, částice alfa, beta nebo gama kvanta. V přírodě se vyskytují: At, Ac, Np, Pa, Po... Encyklopedický slovník hutnictví
přechodné kovy- prvky Ib a VIIIb podskupiny periodické tabulky. Vnitřní obaly atomů přechodných kovů jsou vyplněny pouze částečně. Existuje d kovů, ve kterých dochází k postupnému plnění 3d (od Se do Ni), 4d (od Y do ... ... Encyklopedický slovník hutnictví
Pokud v periodické tabulce prvků D.I. nakreslíme úhlopříčku od berylia k astatu, pak vlevo dole podél úhlopříčky budou kovové prvky (patří sem také prvky bočních podskupin, zvýrazněné modře) a vpravo nahoře - nekovové prvky (zvýrazněny žlutě). Prvky umístěné v blízkosti diagonály - polokovy nebo metaloidy (B, Si, Ge, Sb atd.) mají duální charakter (zvýrazněny růžově).
Jak je vidět z obrázku, převážnou většinu prvků tvoří kovy.
Svou chemickou povahou jsou kovy chemickými prvky, jejichž atomy předávají elektrony z vnějších nebo předvnějších energetických hladin a vytvářejí kladně nabité ionty.
Téměř všechny kovy mají relativně velké poloměry a malý počet elektronů (od 1 do 3) na vnější energetické úrovni. Kovy se vyznačují nízkými hodnotami elektronegativity a redukčními vlastnostmi.
Nejtypičtější kovy se nacházejí na začátku period (počínaje druhou), poté zleva doprava kovové vlastnosti slábnou. Ve skupině shora dolů se kovové vlastnosti zvyšují s rostoucím poloměrem atomů (v důsledku nárůstu počtu energetických hladin). To vede ke snížení elektronegativity (schopnosti přitahovat elektrony) prvků a zvýšení redukčních vlastností (schopnosti darovat elektrony jiným atomům v chemických reakcích).
Typický kovy jsou s-prvky (prvky skupiny IA od Li po Fr. prvky skupiny PA od Mg po Ra). Obecný elektronový vzorec jejich atomů je ns 1-2. Vyznačují se oxidačním stavem + I a + II.
Malý počet elektronů (1-2) ve vnější energetické hladině typických kovových atomů znamená, že tyto elektrony se snadno ztrácejí a vykazují silné redukční vlastnosti, jak se odráží v nízkých hodnotách elektronegativity. To znamená omezené chemické vlastnosti a metody získávání typických kovů.
Charakteristickým znakem typických kovů je tendence jejich atomů vytvářet kationty a iontové chemické vazby s nekovovými atomy. Sloučeniny typických kovů s nekovy jsou iontové krystaly „metalanionu nekovu“, například K + Br -, Ca 2+ O 2-. Kationty typických kovů obsahují i sloučeniny s komplexními anionty - hydroxidy a soli, například Mg 2+ (OH -) 2, (Li +)2CO 3 2-.
Kovy skupiny A, které tvoří amfoterní diagonálu v periodické tabulce Be-Al-Ge-Sb-Po, stejně jako kovy s nimi sousedící (Ga, In, Tl, Sn, Pb, Bi) nevykazují typické kovové vlastnosti. Obecný elektronový vzorec jejich atomů ns 2 n.p. 0-4 zahrnuje větší rozmanitost oxidačních stavů, větší schopnost zadržovat vlastní elektrony, postupné snižování jejich redukční schopnosti a vznik oxidační schopnosti, zejména ve vysokých oxidačních stavech (typickým příkladem jsou sloučeniny Tl III, Pb IV, Bi v) . Podobné chemické chování je charakteristické pro většinu (d-prvků, tj. prvků B-skupin periodické tabulky ( typické příklady- amfoterní prvky Cr a Zn).
Tento projev dualitních (amfoterních) vlastností, jak kovových (základních), tak nekovových, je dán povahou chemické vazby. V pevném stavu obsahují sloučeniny atypických kovů s nekovy převážně kovalentní vazby (ale méně silné než vazby mezi nekovy). V roztoku se tyto vazby snadno rozbijí a sloučeniny se disociují na ionty (zcela nebo částečně). Například kovové gallium se skládá z molekul Ga 2 v pevném stavu, chloridy hliníku a rtuti (II) AlCl 3 a HgCl 2 obsahují silně kovalentní vazby, ale v roztoku AlCl 3 disociuje téměř úplně a HgCl 2 - na; ve velmi malé míře (a následně na ionty HgCl + a Cl -).
Obecné fyzikální vlastnosti kovů
Díky přítomnosti volných elektronů ("elektronového plynu") v krystalové mřížce vykazují všechny kovy následující charakteristické obecné vlastnosti:
1) Plastický- schopnost snadno měnit tvar, natahovat se do drátu a rolovat do tenkých plátů.
2) Kovový lesk a neprůhlednost. To je způsobeno interakcí volných elektronů se světlem dopadajícím na kov.
3) Elektrická vodivost. Vysvětluje se směrovým pohybem volných elektronů ze záporného pólu na kladný pod vlivem malého potenciálového rozdílu. Při zahřívání se elektrická vodivost snižuje, protože Se zvyšující se teplotou zesilují vibrace atomů a iontů v uzlech krystalové mřížky, což komplikuje směrový pohyb „elektronového plynu“.
4) Tepelná vodivost. Je to způsobeno vysokou pohyblivostí volných elektronů, díky které se teplota rychle vyrovnává nad hmotností kovu. Nejvyšší tepelnou vodivost má vizmut a rtuť.
5) Tvrdost. Nejtvrdší je chrom (řeže sklo); nejměkčí alkalické kovy – draslík, sodík, rubidium a cesium – se řežou nožem.
6) Hustota.Čím menší je atomová hmotnost kovu a čím větší je poloměr atomu, tím je menší. Nejlehčí je lithium (ρ=0,53 g/cm3); nejtěžší je osmium (ρ=22,6 g/cm3). Kovy s hustotou menší než 5 g/cm3 jsou považovány za „lehké kovy“.
7) Body tání a varu. Nejtavitelnějším kovem je rtuť (t.t. = -39°C), nejvíce žáruvzdorným kovem je wolfram (t.t. = 3390°C). Kovy s teplotou tání nad 1000 °C jsou považovány za žáruvzdorné, pod – nízkotavné.
Obecné chemické vlastnosti kovů
Silná redukční činidla: Me 0 – nē → Me n +
Řada napětí charakterizuje srovnávací aktivitu kovů v redoxních reakcích ve vodných roztocích. 
I. Reakce kovů s nekovy
1) S kyslíkem:
2Mg + O2 → 2MgO
2) Se sírou:
Hg + S → HgS
3) S halogeny:
Ni + Cl 2 – t° → NiCl 2
4) S dusíkem:
3Ca + N 2 – t° → Ca 3 N 2
5) S fosforem:
3Ca + 2P – t° → Ca 3 P 2
6) S vodíkem (reagují pouze alkalické kovy a kovy alkalických zemin):
2Li + H2 → 2LiH
Ca + H2 -> CaH2
II. Reakce kovů s kyselinami
1) Kovy v elektrochemické napěťové řadě do H redukují neoxidační kyseliny na vodík:
Mg + 2HCl -> MgCl2 + H2
2Al+ 6HCl → 2AlCl3 + 3H 2
6Na + 2H3P04 -> 2Na3P04 + 3H2
2) S oxidačními kyselinami:
Když kyselina dusičná jakékoli koncentrace a koncentrovaná kyselina sírová interagují s kovy Vodík se nikdy neuvolňuje! 
Zn + 2H2SO4(K) → ZnSO4 + SO2 + 2H20
4Zn + 5H2SO4(K) → 4ZnSO4 + H2S + 4H20
3Zn + 4H2SO4(K) → 3ZnSO4 + S + 4H20
2H 2 SO 4 (k) + Cu → Cu SO 4 + SO 2 + 2H 2 O
10HNO3 + 4Mg → 4Mg(NO3)2 + NH4NO3 + 3H20
4HNO 3 (k) + Cu → Cu (NO 3) 2 + 2NO 2 + 2H 2 O
III. Interakce kovů s vodou
1) Aktivní (alkalické kovy a kovy alkalických zemin) tvoří rozpustnou bázi (alkálie) a vodík:
2Na + 2H20 -> 2NaOH + H2
Ca+ 2H20 -> Ca(OH)2 + H2
2) Kovy střední aktivity jsou oxidovány vodou při zahřátí na oxid:
Zn + H 2 O – t° → ZnO + H 2
3) Neaktivní (Au, Ag, Pt) - nereagují.
IV. Vytěsnění méně aktivních kovů aktivnějšími kovy z roztoků jejich solí:
Cu + HgCl2 → Hg+ CuCl2
Fe+ CuSO 4 → Cu+ FeSO 4
V průmyslu často nepoužívají čisté kovy, ale jejich směsi - slitiny, ve kterém jsou prospěšné vlastnosti jednoho kovu doplněny prospěšnými vlastnostmi druhého. Měď má tedy nízkou tvrdost a je nevhodná pro výrobu strojních součástí, zatímco slitiny mědi a zinku ( mosaz) jsou již poměrně tvrdé a jsou široce používány ve strojírenství. Hliník má vysokou tažnost a dostatečnou lehkost (nízká hustota), ale je příliš měkký. Na jeho základě je připravena slitina s hořčíkem, mědí a manganem - dural (dural), který bez ztráty užitečné vlastnosti hliník, získává vysokou tvrdost a stává se vhodným pro stavbu letadel. Slitiny železa s uhlíkem (a přísadami jiných kovů) jsou široce známé litina A ocel.
Volné kovy jsou restaurátoři. Některé kovy však mají nízkou reaktivitu kvůli skutečnosti, že jsou potaženy povrchový oxidový film, v různé míře odolné vůči chemickým činidlům, jako je voda, roztoky kyselin a zásad.
Například olovo je vždy pokryto oxidovým filmem, jeho přechod do roztoku vyžaduje nejen vystavení činidlu (například zředěné kyselině dusičné), ale také zahřívání. Oxidový film na hliníku zabraňuje jeho reakci s vodou, ale ničí ho kyseliny a zásady. Uvolněný oxidový film (rez), vznikající na povrchu železa ve vlhkém vzduchu, nebrání další oxidaci železa.
Pod vlivem koncentrovaný kyseliny se tvoří na kovech udržitelného oxidový film. Tento jev se nazývá pasivace. Takže koncentrovaně kyselina sírová kovy jako Be, Bi, Co, Fe, Mg a Nb se pasivují (a pak nereagují s kyselinou) a v koncentrované kyselině dusičné - kovy A1, Be, Bi, Co, Cr, Fe, Nb, Ni, Pb , Th a U.
Při interakci s oxidačními činidly v kyselých roztocích se většina kovů přeměňuje na kationty, jejichž náboj je určen stabilním oxidačním stavem tohoto prvku ve sloučeninách (Na +, Ca 2+, A1 3+, Fe 2+ a Fe 3+)
Redukční aktivita kovů v kyselém roztoku se přenáší řadou napětí. Většina kovů je převedena do roztoku pomocí kyseliny chlorovodíkové a zředěné kyseliny sírové, ale Cu, Ag a Hg - pouze s kyselinou sírovou (koncentrovanou) a dusičnou a Pt a Au - s „regia vodkou“.
Koroze kovů
Nežádoucí chemickou vlastností kovů je jejich aktivní destrukce (oxidace) při kontaktu s vodou a pod vlivem kyslíku v ní rozpuštěného. (kyslíková koroze). Například je široce známá koroze železných výrobků ve vodě, v důsledku čehož se tvoří rez a výrobky se rozpadají na prášek.
Ke korozi kovů dochází i ve vodě v důsledku přítomnosti rozpuštěných plynů CO 2 a SO 2; vzniká kyselé prostředí a vytěsňují se kationty H+ aktivní kovy ve formě vodíku H2 ( vodíková koroze).
Oblast kontaktu mezi dvěma odlišnými kovy může být obzvláště korozivní ( kontaktní koroze). Galvanický pár se vyskytuje mezi jedním kovem, například Fe, a jiným kovem, například Sn nebo Cu, umístěným ve vodě. Tok elektronů jde od aktivnějšího kovu, který je v napěťové řadě vlevo (Re), k méně aktivnímu kovu (Sn, Cu) a aktivnější kov je zničen (korodován).
Právě kvůli tomu pocínovaný povrch plechovek (železo potažené cínem) při skladování ve vlhkém prostředí a neopatrné manipulaci reziví (žehlička se po objevení i malého škrábnutí rychle zbortí a žehlička se tak dostane do kontaktu s vlhkostí). Naopak pozinkovaný povrch železného kbelíku dlouho nerezaví, protože i když dojde k poškrábání, nekoroduje železo, ale zinek (aktivnější kov než železo).
Odolnost proti korozi pro daný kov se zvyšuje, když je potažen aktivnějším kovem nebo když jsou roztaveny; Potažení železa chromem nebo vytvoření slitiny železa a chrómu tedy eliminuje korozi železa. Pochromované železo a ocel obsahující chrom ( nerezová ocel), mají vysokou odolnost proti korozi.
elektrometalurgie, tj. získávání kovů elektrolýzou tavenin (u nejaktivnějších kovů) nebo roztoků solí;
pyrometalurgie, tj. získávání kovů z rud při vysokých teplotách (například výroba železa ve vysokopecním procesu);
hydrometalurgie, tj. oddělování kovů z roztoků jejich solí aktivnějšími kovy (například výroba mědi z roztoku CuSO 4 působením zinku, železa nebo hliníku).
Nativní kovy se někdy vyskytují v přírodě (typické příklady jsou Ag, Au, Pt, Hg), ale častěji se kovy vyskytují ve formě sloučenin ( kovové rudy). Kovy se v zemské kůře hojně vyskytují: od nejběžnějších - Al, Na, Ca, Fe, Mg, K, Ti) po nejvzácnější - Bi, In, Ag, Au, Pt, Re.
VAKUOVÁ DESTILACE ŽÁRUVZDORNÝCH KOVŮ 4. OBDOBÍ (Mn, Cr, Fe, Ni, Co)
Nejvíce žáruvzdorné a málo těkavé kovy, které jsou v současné době podrobeny destilaci, jsou mangan, chrom, železo, nikl a kobalt. Všechny tyto kovy jsou součástí nejdůležitějších technických slitin.
Mechanické a fyzikální vlastnosti slitin na bázi železa, niklu a dalších specifikovaných prvků, zejména vlastnosti různých žáruvzdorných slitin, jsou do značné míry určovány čistotou výchozích materiálů Je dobře známo, že nekovové vměstky a množství nečistot tvořících tavitelná eutektika. prudce zhorší mnoho vlastností slitin: tažnost, tepelná odolnost, odolnost proti korozi atd. Zvláště škodlivé nečistoty ve všech těchto kovech jsou olovo, vizmut, kadmium, síra, fosfor, dusík a kyslík V tomto ohledu výroba čistých kovů 4. období je mimořádný zájem jak z hlediska studia jejich vlastností, tak i pro studium vlivu legujících přísad na změny vlastností slitin Čisté kovy jsou potřeba ve vakuové technice pro výrobu elektrod, pro anody X -paprskové trubice a pro výrobu některých částí iontových zařízení téměř neinteraguje s rtuťovými parami. Čisté železo má vysokou magnetickou permeabilitu, což umožňuje jeho použití k odstínění magnetických polí. Vysoce čistý nikl je nezbytný pro povlakování různých žáruvzdorných kovů. Významné množství čistých kovů 4. období spotřebuje chemický průmysl na výrobu různých sloučenin. Podrobné informace o vlivu nečistot na vlastnosti předmětných kovů lze nalézt v monografiích.
Nejrozšířenějším způsobem čištění žáruvzdorných kovů 4. periody je chemické navázání nečistot v důsledku redoxních procesů (často úpravou vodíkem), s následným odplyněním a destilací nečistot při tavení ve vakuu. Zpracování roztavených kovů ve vakuu se za posledních 5-10 let rozšířilo. Používá se nejen pro čisté kovy, ale také pro oceli a další slitiny. Aniž bychom mohli podrobně pokrýt příslušná díla, v nichž rozsah uvažované problematiky dalece přesahuje rámec tohoto tématu, omezíme se pouze na popis prací o destilaci specifikované kovy a pro oddestilování kovových nečistot. Podrobné informace o vakuovém tavení kovů a odstraňování plynových nečistot lze nalézt v řadě sborníků článků a monografií.
Z kovů uvažovaných v tomto odstavci jsou železo, nikl a kobalt zahrnuty do podskupiny železa VIII. skupiny periodické tabulky prvků. Jako hlavní nečistoty v těchto kovech jsou kromě příbuzných prvků měď, křemík, mangan, chrom, hliník, uhlík, fosfor, síra a plyny (N 2, 0 2, H 2). Vzhledem k podobnosti vlastností příbuzných prvků je stupeň čištění od nich během destilace nízký, ale malé příměsi těchto kovů mají malý vliv na vlastnosti hlavního prvku. Všechny čisté kovy podskupiny železa jsou tvárné při pokojové teplotě a ještě nižší a nikl je tvárný až do teploty kapalného helia (4,2°K). Zvýšení obsahu plynu a některých kovových nečistot však může vést ke zvýšení teploty přechodu kovů z tvárného do křehkého stavu. Železo obsahující > 0,005 % 0 2 se tak stává křehkým při 20 °C. Kobalt má nižší tažnost než železo nebo nikl, což může být důsledkem jeho nedostatečné čistoty. Všechny tři uvažované kovy mají podobné hodnoty tlaku par. Jejich destilace se obvykle provádí při teplotách 20-50 °C nad bodem tání, i když všechny sublimují ve vakuu při teplotách > 1100 °C.
Na rozdíl od kovů podskupiny železa jsou vysoce čistý chrom a mangan při pokojové teplotě křehké. I malé koncentrace nečistot jako uhlík, síra, dusík a kyslík prudce zhoršují jejich mechanické vlastnosti. U nejčistšího chromu se teplota přechodu z křehkého do plastického stavu blíží 50 °C. Tuto teplotu je však možné snížit dalším čištěním kovu.
V současnosti se má za to, že hlavním důvodem křehkosti chrómu při pokojové teplotě je přítomnost dusíku a kyslíku v množství ^0,001 %. Teplota, při které se chrom přeměňuje do plastického stavu, prudce stoupá s přídavkem hliníku, mědi, niklu, manganu a kobaltu. Je možné, že velkého účinku čištění chrómu od dusíku lze dosáhnout jeho destilací v izolovaném objemu.
Mangan je křehký v celém rozsahu existence α-fáze (do 700°C), zatímco vysokoteplotní fáze (β- a γ-Μπ) jsou značně plastické. Důvody křehkosti α-Μn nebyly dostatečně prozkoumány.
Chrom a mangan mají významné tlaky par pod svými body tání. Chrom sublimuje ve vakuu znatelnou rychlostí nad 1200 °C. Protože teplota tání chromu je asi 1900 °C, není možné jej roztavit ve vakuu kvůli sublimaci. Obvykle se tavení původního kovu nebo kondenzátu provádí v inertním plynu při tlaku vyšším než 700 mm Hg. Umění. Mangan se destiluje jak sublimací, tak z kapalné fáze.
Typicky může destilace všech příslušných kovů poskytnout kondenzáty o čistotě ~99,99 %. Vysoce účinné čištění je však možné pouze při použití kondenzátorů s teplotním spádem. Destilaci chrómu a manganu podrobně studoval především Kroll a v laboratoři autorů.
Destilaci manganu ve vakuu poprvé popsali Tiede a Birnbrauer. Geiler tento proces podrobně studoval a zkoumal řadu vlastností výsledného vysoce čistého manganu. Destilace byla provedena v křemenné trubici dlouhé 600 mm a průměru 100 mm. Mangan se odpařil v magnezitovém kelímku a kondenzoval na jiném podobném kelímku. Kov byl zahříván proudy vysoká frekvence. Odpařování bylo prováděno při teplotě ~ 1250 °C ve vakuu 1-2 mm Hg. Umění. Tak jako zdrojový materiál Použili jsme aluminotermický kov o čistotě ~99 % a technický mangan (~96–98 %). Výsledky jednoduché destilace jsou uvedeny v tabulce. 48. Výtěžek čistého kovu byl -50 % hmotnosti náplně. Při zadaných parametrech procesu a zatížení 2,7 kg bylo za 5 hodin získáno 0,76 kg čistého kovu. V Geylerově instalaci nebyla vyloučena možnost interakce mezi kovem a materiálem potrubí, a proto byl v řadě experimentů destilát kontaminován křemíkem.
Obecné shrnutí
Žáruvzdorné kovy - vanad, chrom, niob, tantal, molybden a wolfram se donedávna používaly především pro legování slitin na bázi kovů jako je železo, nikl, kobalt, hliník, měď a ve velmi omezené množství v jiných průmyslových odvětvích, jako je žárovkový a chemický průmysl.
Pro legování stačilo mít kovy obsahující 1-2% nečistot. Žáruvzdorné kovy s takovým obsahem nečistot jsou extrémně křehké a nejsou vhodné pro použití jako konstrukční materiály. Tažnost žáruvzdorných kovů se však zvyšuje se zvyšující se jejich čistotou a problém jejich použití jako konstrukčních materiálů se stal zcela reálným po vývoji metod výroby těchto kovů s velmi nízkým obsahem nečistot.
Žáruvzdorné kovy se obvykle získávají redukcí jejich solí nebo oxidů aktivními kovy nebo vodíkem a také elektrolýzou.
Vanad se získává redukcí svého pentoxidu vápníkem nebo chloridem vanadičným hořčíkem nebo vápníkem. Nejčistší vanad se získává jodidovou metodou a také elektrolytickou rafinací v roztavených solích.
Jednoduchým způsobem, jak získat dostatečně čistý chrom, je jeho elektrolytické vysrážení z vodných roztoků. Elektrolytický chrom však obsahuje poměrně značné množství kyslíku a vodíku. Velmi čistý chrom se získává jodidovou metodou, dále vakuovou destilací a hydrogenační rafinací technicky čistého chromu.
Niob se v přírodě obvykle vyskytuje společně s tantalem. Proto při získávání těchto kovů v jejich čisté formě je nutná jejich pečlivá separace. Po separaci se čistý tantal získá redukcí jeho fluorotantalátu sodíkem nebo jinými aktivními kovy. Niob se získává z karbidu nebo oxidu niobu, který vzniká při oddělení tantalu a niobu. Niob lze také získat elektrolýzou fluoroniobátu draselného a redukcí chloridu niobičného vodíkem. Pro konečné čištění se tantal a niob roztaví ve vysokém vakuu.
Molybden a wolfram se získávají redukcí jejich vyčištěných oxidů, chloridů nebo amonných solí vodíkem.
Je třeba poznamenat, že po extrakci z rud je většina žáruvzdorných kovů ve formě prášku nebo houby. K jejich získání v kompaktní formě se proto používají metody práškové metalurgie, obloukové tavení a v poslední době velmi účinné tavení elektronovým svazkem.
Fyzické a Chemické vlastnostičisté žáruvzdorné kovy
Zde uvažované žáruvzdorné kovy patří do podskupin VA (vanad, niob a tantal) a VIA (chrom, molybden a wolfram).
Některé fyzikální vlastnosti čistých žáruvzdorných kovů jsou uvedeny v tabulce. 25.
Mezi další fyzikální vlastnosti čistých žáruvzdorných kovů je třeba poznamenat relativně malý průřez pro záchyt tepelných neutronů: niob 1,1, molybden 2,4, chrom 2,9 a wolfram 4,7 barn. Nejčistší wolfram a molybden při teplotách blízkých absolutní nule jsou supravodiče.
To platí i pro vanad, niob a tantal, jejichž přechodové teploty do supravodivého stavu jsou 5,9 a 4,5 °K, v tomto pořadí.
Chemické vlastnosti čistých žáruvzdorných kovů jsou velmi odlišné. Chrom je odolný vůči vzduchu a vodě při pokojové teplotě. Se stoupající teplotou se zvyšuje aktivita chrómu, který se přímo spojuje s halogeny, dusíkem, uhlíkem, křemíkem, borem a řadou dalších prvků a hoří v kyslíku.
Vanad je chemicky aktivní. S kyslíkem, vodíkem a dusíkem začíná interagovat již při teplotách nad 300°C. Vanad reaguje s halogeny přímo při zahřátí na 150-200°C.
Molybden je stabilní na vzduchu a kyslíku při pokojové teplotě, ale při zahřátí nad 400° C začíná intenzivně oxidovat. S vodíkem chemicky nereaguje, ale slabě jej pohlcuje. Molybden aktivně interaguje s fluorem při běžných teplotách, začíná interagovat s chlorem při 180 ° C a téměř nereaguje s parami jódu.
Wolfram je také stabilní na vzduchu a kyslíku při pokojové teplotě, ale silně oxiduje při zahřátí nad 500° C. Wolfram nereaguje s vodíkem až do bodu tání. Reaguje s fluorem při pokojové teplotě, s chlorem při teplotách nad 300 °C a velmi obtížně reaguje s jodovými parami.
Z uvažovaných kovů se nejvyšší korozní odolností vyznačuje čistý tantal a niob. Jsou stabilní v kyselině chlorovodíkové, sírové, dusičné a dalších a poněkud méně stabilní v alkáliích. V mnoha prostředích se čistý tantal ve své chemické odolnosti blíží platině. Charakteristickým rysem tantalu a niobu je jejich schopnost absorbovat velké množství vodíku, dusíku a kyslíku. Při zahřátí nad 500 °C tyto kovy na vzduchu intenzivně oxidují.
Pro možnost použití žáruvzdorných kovů při zvýšených teplotách má zvláštní význam jejich sklon k oxidaci. Z uvažovaných kovů má vysokou odolnost proti oxidaci pouze čistý chrom. Všechny ostatní žáruvzdorné kovy intenzivně oxidují při teplotách nad 500-600° C. Vysoká odolnost chrómu vůči oxidaci je dána tvorbou hustého žáruvzdorného oxidového filmu na jeho povrchu, který chrání kov před další oxidací. Na povrchu jiných žáruvzdorných kovů se netvoří žádné ochranné oxidové filmy.
Oxidy molybdenu a vanadu jsou velmi tavitelné (jejich teploty tání jsou 795 a 660 °C) a těkavé. Oxidy niobu, tantalu a wolframu mají relativně vysoké teploty tání (1460, 1900 a 1470 °C), ale jejich specifické objemy výrazně převyšují specifické objemy odpovídajících kovů. Z tohoto důvodu oxidové filmy, i při velmi malé tloušťce, praskají a odlupují se od kovu, což umožňuje přístup kyslíku k jeho čistému povrchu.
Mechanické vlastnostičisté žáruvzdorné kovy a vliv nečistot na tyto vlastnosti
Protože všechny popsané žáruvzdorné kovy mají mřížku centrovanou na tělo, mají jejich mechanické vlastnosti řadu znaků charakteristických pro kovy s takovouto strukturou. Mechanické vlastnosti žáruvzdorných kovů (pevnost v tahu, tažnost, tvrdost) silně závisí na přítomnosti nečistot v nich. Negativní dopad i nepatrného množství nečistot na jejich plastické vlastnosti je extrémně velký.
Rozhodující roli při změně mechanických vlastností kovů zaměřených na tělo hrají intersticiální nečistoty, jako je uhlík, dusík, kyslík a vodík, vstupující do intersticiálních prostorů.
V molybdenu taveném v obloukové peci lze tedy snížit obsah uhlíku na 0,01 % a obsah plynu lze snížit na velmi malé hodnoty, například kyslík na 1 ppm. Takovou tyč lze bez destrukce ohnout na teplotu asi -50°C, ale při nárazové zkoušce se zlomí.
Zónovým tavením lze obsah uhlíku v molybdenu snížit z 0,01 na 0,002 % a níže. Při rázové zkoušce si zónově vyčištěné tyče zachovávají svou tažnost až do -140 °C. Z toho jasně vyplývá, že tažnost molybdenu (stejně jako jiných žáruvzdorných kovů) je funkcí jejich čistoty s ohledem na intersticiální nečistoty. Molybden a další žáruvzdorné kovy zbavené těchto nečistot snadno odolávají zpracování za studena (válcování, lisování a další podobné operace).
Stupeň čištění molybdenu od kyslíku má velmi silný vliv na teplotu přechodu do křehkého stavu: při 0,01 % O2 je plus 300 °C, při 0,002 % O2 - plus 25 °C a při 0,0001 % O2 - minus 196° S.
V současné době se pěstují velké monokrystaly molybdenu o délce cca 500 mm a průřezu 25x75 mm (metodou zónového tavení s ohřevem elektronovým paprskem). Tyto monokrystaly dosahují vysoké materiálové čistoty s celkovým obsahem intersticiálních nečistot nižším než 40 ppm. Takové monokrystaly nejčistšího molybdenu se vyznačují velmi vysokou plasticitou až do teploty kapalného helia.
Monokrystal molybdenu lze bez destrukce ohnout o 180 stupňů z monokrystalu molybdenu o průměru 12 mm, deformací za studena lze vyrobit drát o průměru 30 mikronů a délce 700-800 m nebo fólii o tloušťce; 50 mikronů, které mohou být podrobeny lisování za studena s odsávacím krytem, který je velmi důležitý pro získání řady kritických částí elektrických vakuových zařízení.
Podobnou metodou se získávají monokrystaly dalších žáruvzdorných kovů - wolframu, vanadu, niobu, tantalu. Wolfram se v současnosti vyrábí zónovým tavením elektronovým paprskem ve formě monokrystalů o průměru asi 5 mm a délce asi 250 mm s vysokou hustotou a čistotou (99,9975 % W). Tento wolfram je plastický i při teplotě -170°C.
Monokrystaly wolframu získané tavením elektronovým paprskem snesou dvojnásobný ohyb při pokojové teplotě, což ukazuje na velmi nízkou teplotu přechodu tohoto kovu z tvárného do křehkého stavu. U běžného wolframu je začátek přechodu do křehkého stavu při teplotách nad 700 °C.
Monokrystaly wolframu snadno odolávají zpracování za studena a v současnosti se používají k výrobě drátů, tyčového materiálu, plechů a dalších polotovarů. Monokrystalický niob může být deformován při pokojové teplotě až do 90% stlačení a zachovává si poměrně vysokou tažnost při teplotě kapalného dusíku (-194°C). Monokrystal tantalu, stlačený z 80 %, má také při výrobě drátu stále dostatečnou tažnost.
Vynikající tažnost, minimální mechanické zpevnění, vysoká odolnost proti korozi a dobrá stabilita jsou charakteristické pro vysoce čisté žáruvzdorné kovy získané ve formě monokrystalů zónovým tavením elektronovým paprskem. Vanad, niob a tantal ve formě polykrystalických ingotů tavení elektronovým paprskem nebo monokrystalů vyčištěných zónovým tavením nekřehnou ani při velmi hlubokém ochlazení.
Aplikace čistých žáruvzdorných kovů
Využití čistých žáruvzdorných kovů (a v budoucnu se budou evidentně používat pouze v této podobě) se vyvíjí ve dvou hlavních směrech: 1) pro nadzvuková letadla, řízené střely, střely a kosmické lodě; 2) pro elektronická zařízení. V obou případech jsou požadovány nejčistší kovy, které mají velmi vysokou tažnost, které, jak jsme viděli výše, se dosahuje hloubkovým čištěním žáruvzdorných kovů od intersticiálních nečistot.
Žáruvzdorné oceli a slitiny na bázi niklu a kobaltu, které mohou pracovat při teplotách 650-870 °C, již nesplňují požadavky nadzvukové letecké a raketové techniky. Jsou požadovány materiály s dostatečnou dlouhodobou pevností při teplotách nad 1100°C. Takovými materiály jsou čisté žáruvzdorné kovy (nebo slitiny na nich založené), schopné plastické deformace.
Pro výrobu potahů pro nadzvuková letadla a střely jsou zapotřebí plechy z čistého molybdenu a niobu, které mají větší specifickou pevnost než tantal a wolfram, až do 1300 °C.
Části proudových, raketových a proudových turbín pracují v horších podmínkách. Pro výrobu těchto dílů pracujících při teplotách do 1370°C je vhodné použít čistý molybden a niob, ale při více vysoké teploty Vhodný je pouze tantal a wolfram. Pro práci při teplotách nad 1370°C je největší zájem o čistý tantal a jeho slitiny, které mají při takových teplotách poměrně vysokou tažnost a tepelnou odolností nejsou horší než wolfram.
V nejvíce tvrdé podmínky díly plynové turbíny práce. Pro takové díly je nejvhodnější čistý niob a slitiny na jeho bázi, které mají přijatelnou odolnost proti oxidaci.
Nejčistší žáruvzdorné kovy nacházejí různé aplikace v elektronické a vakuové technologii. Tantal je dobrý getr a je široce používán při výrobě elektronek. Niob se používá v elektrické vakuové technologii pro výrobu anod, mřížek, trubek a dalších dílů. Molybden a wolfram se používají v elektrických vakuových zařízeních a rádiových trubicích pro výrobu vláken, elektrod, háčků, přívěsků, anod a mřížek.
Vysoce čisté a neporézní monokrystaly wolframu se používají jako ohřívače katody v elektrických vakuových zařízeních, pro elektrické kontakty, ve vakuových spínačích, ve vstupech do vakuových instalací - kde je nepřítomnost plynů důležitým faktorem.
Čisté žáruvzdorné kovy vyrobené pomocí tavení elektronovým paprskem najdou přímé uplatnění při výrobě miniatur elektronická zařízení. Zajímavé jsou povlaky z čistých žáruvzdorných kovů získané nástřikem nebo tepelným rozkladem sloučenin žáruvzdorných kovů.
Čistý vanad a niob díky nízkému obsahu průřez se úspěšně používají záchyty tepelných neutronů nukleární energie. Vanad se používá k výrobě tenkostěnných trubek pro jaderné reaktory, pláště palivových článků, protože není legován uranem a má dobrou tepelnou vodivost a dostatečnou odolnost proti korozi.
Čistý niob neinteraguje s roztaveným sodíkem a vizmutem, které se často používají jako chladicí kapaliny, a netvoří křehké sloučeniny s uranem.
Čistý tantal se pro svou vysokou odolnost proti korozi používá k výrobě částí chemických zařízení pracujících v kyselém agresivním prostředí, například při výrobě umělých vláken. V poslední době je zde tantal často nahrazován čistým niobem, který je levnější a v přírodě hojnější. Čistý chrom má podobné aplikace. Tyto příklady zdaleka nevyčerpávají stále se rozšiřující oblasti použití nejčistších žáruvzdorných kovů.
07.02.2020
Před nákupem policových regálů v Kyjevě by měl podnikatel porozumět jejich typům, účelu a nákupním nuancím. Podívejme se na všechny hlavní a...
07.02.2020
Než popadnete z pultu první prodlužovačku, na kterou narazíte, a zaplatíte za ni peníze, musíte sami přijít na to, zda je zařízení vhodné z hlediska délky kabelu, počtu zásuvek,...
06.02.2020
Geotextilie nebo geotextilie určené na zahradní cesty jsou biologicky čistý materiál. Vytvářejí ho tenké lisované nitě. V krajinářském designu...