Вольфрам: свойства, способы добычи и применение

Добыча вольфрамовых руд

Содержание вольфрама в земной коре составляет чуть более одной десятитысячной доли процента, что делает его достаточно редким природным ископаемым. В чистом виде он не встречается, поэтому для его добычи используют такие минералы, как вольфрамиты и шеелит. Это вольфрамовые руды, имеющие в своём составе кроме основного металла целый ряд примесей.

В шахтах

Подземный способ добычи руд, содержащих вольфрам, заключается в последовательном обрушении горизонтальных слоёв шахты с дальнейшим накоплением материала в отработанных блоках (так называемое «магазинирование»). Затем собранная выработка грузится на транспорт и извлекается на поверхность.

В карьерах

В них добыча вольфрамовых руд выполняется открытым способом. Путём обваливания внешнего грунта с погружением его на транспортные системы и отправкой на переработку.

Процессы получения вольфрама

Так как ископаемые минералы содержат достаточное количество примесей, то для получения непосредственно самого вольфрама приходится применять трёхэтапную технологию:

• Обогащение добытых руд с целью образования раствора или осадка нужной концентрации. В этот процесс входят гравитация, флотация, магнитная или электростатическая сепарация. Итогом становится получение 60% концентрата вольфрамового ангидрита WO₃.
• Химическое соединение высокой чистоты получают за счёт реакции восстановления под воздействием водорода или углерода. Для получения вольфрамового порошка этого бывает достаточно.
• Но, чтобы изготовить компактные твёрдые слитки – штабики, более удобные для дальнейшей переработки, применяют прессование и спекание. Чтобы они хорошо поддавались ковке, их подвергают высокотемпературному воздействию.

Однако, и это ещё не всё. Для получения столь востребованных изделий, какими являются металлические прутки, вольфрам при температуре порядка 1500⁰C обрабатывают на ротационно-ковочной машине.

Для выпуска проволоки из вышеупомянутых прутков их подвергают волочению, сначала нагрев до 1000⁰ C, а затем постепенно остудив до 400⁰ C. После чего готовую проволоку отжигают, полируют и травят электролитическим способом.

Соединения вольфрама

Самыми распространёнными соединениями вольфрама являются его оксиды, хлориды, карбиды.

Оксид вольфрама, содержащий в своём составе два атома кислорода, является кристаллом тёмно-коричневого цвета. Трёх кислородный вольфрам представляет собой порошок лимонного цвета.

Вольфрамовые карбиды – соединения вольфрама с углеродом – нашли очень широкое применение в ряде отраслей промышленности благодаря своей твёрдости. Это, прежде всего композитные материалы и твёрдые сплавы типа победита, а также смеси карбидов: вольфрама, тантала и титана.

Сплав вольфрама и рения используется в изготовлении термопар, позволяющих измерять температуру свыше 2000⁰C. Правда, в химически неагрессивных средах.

В качестве высокотемпературной смазки употребляется сульфид вольфрама.

Некоторые соединения вольфрама используются в качестве пигментных красителей и катализаторов химических реакций. Вольфрамовая кислота применяется как адсорбент и катализатор при производстве бензина. Монокристаллы из вольфраматов управляют потоками ионизирующих излучений, столь востребованных в медицине и ядерной физике.

Хранение и транспортировка

Условия хранения и транспортировки порошкообразного вольфрама и продукции, содержащей его в своём составе (штабиков, пластин, прутков, проволоки, электродов) определятся требованиями соответствующих государственных стандартов и технических условий, находящих своё отражение в документации на изготавливаемые изделия.

Так как концентрат вольфрама не токсичен, взрывобезопасен и не представляет пожарной опасности, то его хранение и транспортировка не представляют значительной сложности. Проблему представляет лишь его возможность пылеобразования и необходимость защиты изделий от внешних механических воздействий и агрессивных сред.

Поэтому вольфрамовый порошок необходимо упаковывать в специализированные контейнеры или двойные мешки массой не более 50 кг, наружный слой которых должен быть изготовлен из синтетической ткани или полипропилена, внутренний – из бумаги или полиэтилена. Для длительного хранения мешки формируют в транспортные пакеты. Перевозку концентрата производят в открытом подвижном составе, а хранение выполняется в упакованном виде на территории закрытых складских помещений.

Вольфрамовые электроды для хранения и перевозки упаковывают в картонные коробки с пенопластовыми или плотными бумажными ложементами. Затем коробки укладывают в деревянные ящики, защищённые водонепроницаемой бумагой, с дальнейшим уплотнением ватой или бумагой. Электроды, в отличие от концентрата, необходимо перемещать в крытом транспорте.

Аналогичные меры защиты применяют и для сохранности и перемещения других изделий из этого металла.

Продукция переработки

Благодаря своим уникальным свойствам, – прежде всего твёрдости и тугоплавкости, вольфрам с самого момента своего открытия нашёл широкую сферу применения. В качестве тугоплавкого материала он широко используется в металлургии. Хотя и другие отрасли не могут обходиться без столь ценного материала.

Осветительные приборы

Благодаря малой электропроводности и низкой скорости испарения, в своё время вольфрамовые нити накаливания позволили совершить технический переворот во всей индустрии создания электрических осветительных приборов, а также начали использоваться при изготовлении электронно-вакуумных приборов.

Снаряды

Высокий уровень плотности этого материала, доходящий до 19,3 г/см³, наряду с прочностью, предоставил в распоряжение оружейников отличное средство разрушения брони. Сегодня вольфрам – один из основных химических элементов, входящих в состав тяжёлых сплавов сердечников бронебойных пуль и снарядов.

Электроды

Неплавящиеся электроды из вольфрама используются как сварочный материал для процесса, выполняемого с использованием газов. Гелий или аргон защищают место соединения от атмосферного воздействия, а электрод в это время выдерживает значительную температуру и длительный срок эксплуатации. Это позволяет создавать оптимальные условия работы, избегая ненужных затрат.

Нахождение в природе

Месторождения

Геологическое строение земной коры таково, что наибольшие залежи вольфрамовых руд расположены в районах Альп, Гималаев, горных цепей региона Тихого океана. Это территории Казахстана (крупнейшее месторождение – Верхние Кайракты), Китая (наиболее продуктивное месторождение – Жианьши), Канады (месторождение Тангстен) и США (значительные запасы разведаны в месторождении Клаймакс).

Также имеются районы сосредоточения вольфрамитов и шеелитов на территории Боливии, Португалии, Великобритании, Турции, России, Узбекистана, Южной Кореи, Австралии.

В космосе

Прогресс не стоит на месте, а земные ресурсы распределены крайне неравномерно и достаточно ограничены. Освоение космического пространства, позволившее взять пробы с поверхностей ряда небесных тел близлежащих объектов Солнечной системы, дают все основания предполагать наличие огромного количества полезных ископаемых на астероидах, кометах и планетах.

Что открывает очень заманчивые перспективы их будущего освоения. Предполагается, что именно на астероидах содержится огромное количество минералов, причём очень высокой концентрации. В том числе и вольфрам. В связи с тем, что часть этих небесных тел вращаются в близости от Земли, перспективы их освоения становятся очень и очень заманчивыми.

Правительства целого ряда стран, международные космические сообщества и частные агентства активно формируют правовую базу, разрабатывают программы, отправляют миссии. Так Люксембург первым принял закон, разрешающий частную добычу полезных ископаемых в космосе. Активность в этом вопросе проявляют не только ведущие космические державы мира, но и Япония, Индия, Австралия, Израиль. Проводятся активные исследования поверхности Луны, Марса, Венеры.

Пока трудно ставить какую-либо оценку этим усилиям, так как на этом пути стоит множество организационных, технических и финансовых проблем. Хотя многие специалисты считают возможной добычу вольфрама в космосе в 21 веке.

Мировые запасы

Мировые подтверждённые запасы вольфрама составляют 2,6 млн. т. Выявленные ресурсы составляют 12,5 млн. т. Прогнозные ресурсы оцениваются в 9,5 млн. т. Свыше 60 стран мира обладают месторождениями данного металла:

• Китай – 7,5 млн. т.
• Казахстан – 3,1 млн. т.
• Россия – 3 млн. т.
• Канада – 1,7 млн. т.
• США – 0,8 млн. т.
• Австралия – 0,7 млн. т.
• Боливия – 0,5 млн. т.

Надо отметить, что целый ряд стран мирового сообщества обладает месторождениями, непригодными для освоения, вследствие своей нерентабельности. В то время как пять ведущих имеют на своих территориях более 70% осваиваемых запасов.

Страны, добывающие вольфрам

Абсолютным лидером по добыче и экспорту вольфрама на мировом рынке является Китай. Доля этого государства составляет – 82,7% (70 тыс. т) по данным 2019 года. Значительно меньше производят:

• Вьетнам – 4,8 тыс. т.
• Монголия – 1,9 тыс. т.
• Россия – 1,5 тыс. т.
• Боливия – 1,2 тыс. т.

Очевидно, что европейские страны уступили этот сегмент рынка металлов своим азиатским конкурентам, так объём их добычи в 2019 году резко снизился. Австрия, Португалия и Испания совместно произвели в 2019 году 2,14 тыс. т., а Великобритания полностью прекратила добычу, удовлетворяя свои запросы импортом металла.