متالوژی نیکل

نیکل فلزی است حدود ۱۶۰ سال قدمت دارد ( ۱۸۰۴) لیکن بصورت آلیاژ از دیرزمان وجود داشته بدون آنکه به ماهیت آن توجه شده باشد . نزدیک ۱۰۰ سال است که به عنوان فلز آلیاژ کننده برای مس بکار برد۸ه می شوذد . ضمناً اولین بار در سال ۱۸۸۰ 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 ۱۸۵۰ 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 : ۵۶% ( Sudburg )
روسیه : ۲/۳۲%
کوبا : ۸/۷%
توکالدونین : ۲/۶ %

امروزه ۹۰ 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 :
۱-سنگ معدن سولفیدی که به نوع SUDBURg موسوم می باشد و تقریباٌ ۹۰ % از نیکل تولید شده از این نوع سنگ معدن بدست می آید که بطور متوسط دارای ۵-۱ درصد Ni و ۵/۴ – ۵/۱ 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 ۶/۲ درصد cu و ۲ درصد Ni یک سنگ معدن تغلیظ شده مس با ۲۸ درصد مس ۱ درصد نیکل و یک سنگ معدن تغلیظ شده آهن بدست آورد .

۲-سنگ معدن اکسیدی ( سیلیکاتی ) : این نوع سنگ معدن ها معمولاٌ دارای مس نمی باشد . و دارای ۱۰-۱ درصد نیکل هستند به طور کلی ۷ درصد از سنگ معادن استخراج شده را تشکیل می دهند عموماٌ دارای ترکیب زیر می باشند :
۱-۱۰ ۵ 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

۳- سنگ معدن آرسینیکی :
شامل :
Rotnicke Lkies Niceolite NiAs
Wei Nickelkies Ramelsbergit NiAs2

خواص فیزیکی فلز نیکل :
نقطه ذوب ۱۴۵۵
نقطه غبار ۷/۵۸
چگالي ۹۱ /۸
وزن اتمي ۷ ۵۸
شبكه مكعبي با سطوح مركز دارد .
اكويوالس الكتريكي ۰۹ ۱
پتانسيل نرمال Volt 22 /0 -0
قابليت هدايت الكتريسيته (زيمنس) ۵۳ /۱۶

قابليت هدايت حرارت در c 0 مساويست با ۲۱ /۰ cal/cm.s.grad
قابليت هدايت حرارت در c 500 مساويست با ۱۴۸ /۰
خاصيت مغناطيسي دارد ( البته كمتر از آهن ).
استفاده از سنگ معدن هاي سولفيدي براي تهيه مات نيكل
بطوريكه در ابتدا گفته شد سنگهاي سولفيدي را مي توان توسط آرايش مغناطيسي وفلوتاسيون جزء جزء تغليظ نمود .

تشويه :
سنگ معدن هاي سولفيدي ، تشويه ناقص مي شوند تا اينكه مقداري از گوگرد كه به آهن متصل است جدا شود و اكسيد آهن بدست آمده در موقع تهيه مات خام (Rohstein ) با سيلسيم اكسيد توليد سرباره نمايد . روي هم رفته مقدار گوگرد از ۲ % به ۱۰ % تقليل داده مي شود . براي تهيه مات خام نيكل در كوره هاي استوانه اي كه شارژ كوره بايد تكه اي باشد از دستگاه ديويت لويد استفاده مي شود وبراي تهيه مات خام نيكل در كوره هاي شعله اي كه شارژ مي بايستي خود باشد دستگاه تشويه طبقه اي ويا طريقه طبقه متلاطم مورد استفاده قرار مي گيرد .

ذوب مات خام نيكل
براي تهيه مات خام نيكل كليه قوانيني كه براي تهيه مات مس به كار برده مي شد بكار برده مي شود در اثر ذوب كردن سنگ معدن تغليظ شده وبدست آوردن مات خام مقدار نيكل ومس در مات خام به مقدار ( Ni + Cu % 25 -10 ) مي رسد ضمناً سرباره اي كه داراي مقدار بسيار كمي نيكل است جدا مي شود . در درجه حرارتي كه مات خام ذوب مي شود فقط تركيب Ni3 S2 وجود دارد زيرا NiS در اثر جدا كردن گوگرد متلاشي مي شود . در سيستم Cu-S يك منطقه نقص انحلال وجود دارد . ذوب كردن مات خام نيكل مي تواند مثل مس يا در كوره استوانه اي ويا در كوره شعله اي انجام شود .

تهيه مات نيكل از مات خام نيكل
تهيه مات نيكل از مات خام نيكل چنين است كه نيكل ومس را از آهن جدا مي كنند . آهن كه بصورت FeS وجود دارد به FeO تبديل شده ودر اثر اضافه كردن SiO2 بصورت سرباره در آورده مي شود . مات خام وارد كنورتر مي شود . اين كنورتر كاملاً شبيه كنوتر هايي است كه در تهيه مس خام به كار برده مي شدند وبراي اينكه كار بطور مداوم انجام شود مات خام ماب وارد كنورتر شده ودر آنجا دميده مي شود . جداره كنورتر بازي است ( ماگنتيت )چون مات از لحاظ فلزات مورد نظر فقير بوده سرباره زيادي توليد مي گردد . لذا كوره مرتباً بايد شارژ شود . مواد سوختني در كنوتر S ,Fe مي باشند واكسيد شدن FeS در وهله اول انجام مي گيرد . كه بصورت سرباره سيليكاتي خارج مي شود . چنانچه Ni ,Cu نيز اكسيده بشوند به علت وجود FeS (به مقدار زياد ) فوراً گوگرده مي گردند :
Cu2O+FeS = Cu2S+FeO

۳NiO+ 3FeS+O2=Ni3S2+3FeO+So2
مواد تشكيل دهنده مات نيكل بدست آمده به قرار زير است :
۷۵- ۷۸%Ni+Cu,20% S,0.3-0.5%Fe
نتيجتاً مواد بدست آمده عبارتند از :NI3S2,Cu2S

تهيه نيكل ومس از مات :چنانچه در مبحث مس گفته شد در مرحله دوم دميدن در كنورتر واكنش هاي تشويه وفعل وانفعال انجام مي شوند.
مقدار فشار So2 براي تهيه مس در حرارت ۷۳۰ درجه سانتيگراد مساوي است با يك اتمسفر وبراي تهيه Pb در حرارت ۸۷۰ درجه سانتيگراد برابر يك اتمسفر مي باشد در حاليكه براي تهيه نيكل در c 1527 tahv SoS برابر است با ۵ – ۱۰ . ۱۵ اتمسفر . از طرفي چون در تمام محيط يك حلاليت نيكل در گوگرد وجود دارد روي اين اصل عمل تشويه وفعل وانفعال نمي تواند انجام شود .

براي تهيه تيكل ومس از مات بايد دو موضوع را در نظر گرفت :
۱ ـ تهيه نيكل ومس با هم كه اين آلياژ را فلز مونل Monl-Metall مي نامند .
۲ ـ تهيه مس ونيكل به طور جداگانه .

تهيه نيكل ومس با هم :اين آلياژ Ni-Cu به فلز مونل موسوم است براي تهيه آن ، مات نيكل ومس را پس از خرد كردن تشويه كامل نموده وبا زغال چوب نرم مخلوط كرده آنگاه در كوره هاي شعله اي يا كوره هاي الكتريكي قوسي احياء مي نمايند . بدين ترتيب مس ونيكل با هم توليد كريستالهاي مخلوط مي كنند .فلز مونل به طور متوسط در حدود Ni 70 ـ ۶۰ درصد وCu 29 ـ ۲۷ درصد وكمتر از ۵ درصد Mn,Si,Fe دارا مي باشد .تهيه فلز مونل بسيار اقتصادي مي باشد چون مستقيماً از سنگ معدن بدست مي آيد وداراي خواص فيزيكي وشيميايي خوبي است به طوريكه راحت ريخته گري مي شود ، قابليت چكش خواري خوبي دارد در مقابل عوامل شيميايي خارجي پايدار است ودر مقابل آب دريا واسيد سولفوريك وكلرواسيد فلوريدريك وNaOH,NH3 نيز پايدار است . بدين جهات اين آلياژ موارد مصرف بسياري پيدا كرده است از جمله وسائل خانگي ، پمپها و… نكته قابل توجه اين است كه در مات مورد مصرف ، نبايد مقدار فلزات قيمتي زياد باشد زيرا فلزات قيمتي از بين خواهند رفت .

طريقه اورفورد (Orford ) : اين طريقه به نام سروكف
( Kpopfund Badendchmelzen= to peandbottom) Smelting
نيز معرف مي باشد . روش عمل به ترتيب زير است كه مذاب مات نيكل ومس با سولفيد سديم در يك بوته ضمن خنك شدن توليد دو طبقه مي كنند كه سولفيد مس وسديم به علت چگالي كمتر در بالا قرار گرفته ودر قسمت پايين Bottom سولفيد نيكل قرار مي گيرد . در سيستم سه تائي Ni3S2- Cu2S-Na2S سيستم كناري Ni3S2-NA2S داراي يك منطقه نقص انحلال بزرگي است كه به مقدار زيادي وارد سيستم سه تائي مي شود در صورتي كه سيستم دوتائي Cu2S-Na2S فاقد منطقه نقص انحلال است .

روي اين اصل براي بدست آوردن Ni3S2 خالص بايد اين عمل ذوب كردن چندين مرتبه تكرار شود . مذاب قسمت بالا داراي ۴۵ ـ ۴۰ درصد Cu و۵درصد Ni است بقيه به طور كلي سولفيد سديم مي باشد . اين سولفيد سديم موجود در موقع دميدن مس در كنورتر توليد سئلفات سديم مي كند كه دو مرتبه براي طريقه اورفورد از آن استفاده مي شود . ماده غني از نيكل را در كف Bottom جمع شده است خرد كرده در آب شستشو مي دهند تا مقدار سولفيد سديم اي كه همراه آن است شستشو شود .سپس ماده خرد شده را در دستگاه دويت اويد تشويه نموده ماده تشويه شده را با زغال در كوره شعله اي ذوب كرده بدين ترتيب نيكل خام توليد مي كنند كه به صورت آند ريخته مي شود وبعداً در الكتروليز تصفيه مي گردد .

۱ ـ طريقه كربونيل با فشار زياد :(Hochdruch- Carbonyl) :
در حرارت ۲۴۰ درجه سانتيگراد وفشار ۲۰۰ اتمسفر نيكل موجود در مات به Ni(Co)4 تبديل مي شود .البته بدون تشويه ويا خارج كردن مس ويا احياء قبلي .ضمناً سنگهاي معدني تشويه شده را نيز مي توان در اين طريقه به كار برد . جسم باقي مانده كه Cu2S بوده وكاملاً نيكل آن خارج شده است وداراي تمام فلزات قيمتي است كه در مات وجود داشته اند براي تهيه مس بكار برده مي شود .در اين طريقه در اثر فشار زياد ، آهن هم توليد كربونيل آهن Fe( Co)5 مي كند كه با كربونيل نيكل به صورت مايع به دست مي آيند .جدا كردن Fe(Co)5 از NI(Co)4 توسط تقطير جزء جزء انجام مي گيرد . فلز نيكل نيز در اين طريقه توسط متلاشي كردن حرارتي Ni(Co)4 بدست مي آيد :بر خلاف طريقه قبل كربونيل نيكل در محفظه اي كه از خارج گرم مي شود پاشيده شده كه در نتيجه نيكل بصورت پودر بدست مي آيد . نيكل بدست آمده دارا ي
۹ /۹۹ % نيكل ودر حدود ۲ ۰ / ۰ % آهن و۵ ۰ /۰ % كربن و۲ ۰ ۰ ۰ /۰ % گوگرد مي باشد .

۲ ـ طريقه اي كه در (INCO ) بكار برده مي شود : مات نيكل بدست آمده در محفظه اي ريخته شده وبه آهستگي ( در حدود ۱۵ روز ) تا حرارت ۵۱۰ درجه سانتيگراد خنك مي شود . روي اين اصل ابتدا Cu2S كريستاليزه مي شود وآنگاه نيكل سولفيده . توسط اسياب كردن وآرايش ، اين سولفيد ها را مي توان به طور كامل جدا نمود .