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来源:科学揭秘 作者:小慧 时间:2020-09-25 12:23:26

 钨

钨是一种金属元素,元素符号是W,具有硬度高,熔点高,常温下不受空气侵蚀;主要用途为制造灯丝和高速切削合金钢、超硬模具,也用于光学仪器,化学仪器。中国是世界上最大的钨储藏国。

钨的原子序数是74,相对原子质量为183.85,原子半径为137皮米,密度为19.35克/每立方厘米,属于元素周期表中第六周期(第二长周期)的VIB族。钨在自然界主要呈六价阳离子,其离子半径为0.68×10-10(-10上标)m。由于W6+(6+上标)离子 半径小,电价高,极化能力强,易形成络阴离子,因此钨主要以络阴离子形式[WO4]2-(4下标2-上标),与溶液中的Fe2+、Mn2+、Ca2+(三个2+上标)等阳离子结合形成黑钨矿或白钨矿沉淀。经过冶炼后的钨是银白色有光泽的金属,熔点极高,硬度很大,蒸气压很低,蒸发速度也较小,化学性质也比较稳定。

有色金属

钨是一种有色金属。通常人们根据金属的颜色和性质把金属分成两大类:黑色金属和有色金属。黑色金属主要指铁、锰、铬及其合金,如钢、生铁、铁合金、铸铁等。黑色金属以外的金属称为有色金属。钨则属于有色金属范畴。有色合金的强度和硬度一般比纯金属高,电阻比纯金 属大,电阻温度系数小,具有良好的综合机械性能。因此,作为一种有色金属,钨的强度和硬度非常高。由于这种特性,具有硬度高、耐磨性强的钨硬质合金被大规模应用于切削工具、矿山工具中。

难熔金属

钨是熔点最高的难熔金属。一般熔点高于1650℃并有一定储 量的金属以及熔点高于锆熔点(1852℃)的金属称为难熔金属。典型的难熔金属有钨、钽、钼、铌、铪、铬、钒、锆和钛。作为一种难熔金属,钨最重要的优点是有良好的高温强度,对熔融碱金属和蒸气有良好的耐蚀性能,钨只有在1000℃以上才出现氧化物挥发和液相氧化物。但是,它同时也具有塑性-脆性转变温度较高,在室温下难以塑性加工的缺点。以钨为代表的难熔金属在冶金、化工、电子、光源、机械工业等部门得到了广泛应用。

稀有金属

钨是一种稀有金属。稀 有金属通常指在自然界中含量较少或分布稀散的金属。钨是一种分布较广泛的元素,几乎遍见于各类岩石中,但含量较低。钨在地壳中的含量为0.001%,在花 岗岩中含量平均为1.5×10-6,这种特性导致其提取难度非常大,通常只能用有机溶剂萃取法及离子交换法分离提取。随着科学技术的进步与冶金工艺、设备和分析检测技术的发展以及稀有金属生产规模的扩大,使得钨的纯度不断提高,性能不断改进,品种不断增多,从而扩大了钨的应用领域。我国钨矿资源丰富,钨的 产量和出口总量均占世界第一。

战略金属

钨是一种战略金属。众所周知,稀有金属是国家的重要战略资源,而钨是典型的稀有金属,具有极为重要的用途。它是当代高科技新材料的重要组成部分,一系列电子光学材料、特殊合金、新型功能材料及有机金属化合物等均需使用独特性能的钨。用量虽说不 大,但至关重要,缺它不可。因而广泛用于当代通讯技术、电子计算机、宇航开发、医药卫生、感光材料、光电材料、能源材料和催化剂材料等。

发展历史

钨是属于有色金属,也是重要的战略金属,钨矿在古代被称为“重石”。1781年由瑞典化学家卡尔·威廉·舍勒发现白钨矿,并提取出新的元素酸-钨酸,1783年被西班牙人德普尔亚发现黑钨矿也从中提取出钨酸,同年,用碳还原三氧化钨第一次得到了钨粉,并命名该元素。钨在地壳中的含量为0.001%。已发现的含钨矿物有20种。钨矿床一般伴随着花岗质岩浆的活动而形成。经过冶炼后的钨是银白色有光泽的金属,熔点极高,硬度很大。钨是熔点最高的金属。

18世纪50年代,化学家曾发现钨对钢性质的影响。然而,钨钢开始生产和广泛应用是在19世纪末和20世纪初。

1900年在巴黎世界博览会上,首次展出了高速钢。因此,钨的提取工业从此得到了迅猛发展。这种钢的出现标志了金属切割加工领域的重大技术进步。钨成为最重要的合金元素。

1900年,俄国发明家А.Н.Ладыгин首先建议在照明灯泡中应用钨。在1909年Кулидж制定基于粉末冶金法,采用压力加工的工艺方法之后,钨才有可能在电真空技术中得到广泛的应用。

1927——1928年采用以碳化钨为主成分研制出硬质合金,这是钨的工业发展史中的一个重要阶段。这些合金各方面的性质都超过了最好的工具钢,在现代技术中得到了广泛的使用。

化学性质

钨是稀有高熔点金属,可提高钢的高温硬度,属于元素周期表中第六周期(第二长周期)的ⅥB族。钨是一种银白色金属,外形似钢。钨的熔点高,蒸气压很低,蒸发速度也较小。钨的化学性质很稳定,常温时不跟空气和水反应,不加热时,任何浓度的盐酸、硫酸、硝酸、氢氟酸以及王水对钨都不起作用,当温度升至80°—100°C 时,上述各种酸中,除氢氟酸外,其它的酸对钨发生微弱作用。常温下,钨可以迅速溶解于氢氟酸和浓硝酸的混合酸中,但在碱溶液中不起作用。有空气存在的条件下,熔融碱可以把钨氧化成钨酸盐,在有氧化剂(NaNO3、NaNO2、KClO3、PbO2)存在的情况下,生成钨酸盐的反应更猛烈。高温下能与氧,氟,氯、溴、碘、碳、氮、硫等化合,但不与氢化合。

同位素

自然界里出现的有五种钨的同位素,它们的半衰期均非常长,因此可以被看作是稳定同位素。所有这些同位素均可以通过α衰变蜕化为铪。能够测量到的半衰期是180W,其半衰期为1.8×1018年,其它同位素没有被观测到自然衰变,强迫退化的半衰期:182W, T1/2> 8.3 年,184W, T1/2> 29 年,185W, T1/2> 13 年,186W, T1/2> 27 年。它们的半衰期仅是理论值。平均每年在一克180W中发生两次α衰变。此元素已发现4种同位素,有三种可能有轻微放射性,它们分别是182W、186W、183W。

钨有27种人造放射性同位素,其中最稳定的是181W,其半衰期为121.2天,185W的半衰期为75.1天,188W的半衰期为69.4天,178W的半衰期为21.6天。其它放射性同位素的半衰期均在24小时以下,其中大多数少于8分钟。

种类

主要的钨矿有十几种,中国主要有两种;黑钨矿(锰和铁的钨酸盐)和白钨矿(钨酸钙矿)。

1.黑钨矿(FeMn)WO4。颜色有暗灰色、淡红褐、淡褐黑、发褐及铁褐等颜色。半金属光泽、金属光泽及树脂光泽。通常为叶片状、弯曲片状、粒状和致密状;也有的呈厚板状、尖柱状等单斜晶系晶体,常与白色石英一起以脉络的形式充填在花岗岩及其附近的岩石裂缝中。硬度5-5.5,比重7.1-7.5。参差状断口。性脆,有弱磁性。黑钨矿是炼钨和制造钨酸盐类的主要原料。传统工艺使用碱熔法。

2.白钨矿CaWO4。颜色为灰白色,也有黄褐、绿和淡红色等。油脂光泽。它属正方晶系,形成双锥状的假八面体或板状晶体,晶面有时可见斜条纹,其中插生双晶者较为常见。也有的晶体呈皮壳状、肾状、粒状和致密块状。硬度4.5-5;比重5.9-6.2。性脆,贝壳状或参差状断口。受荧光灯照射时,白钨矿可发出美丽的浅蓝色荧光。白钨矿产于中国江西大余、修水、湖南汝城、安化、临武、河南栾川、云南文山等地。多成砂矿,

以上钨矿物可用重选(摇床、跳汰等)、浮选、溜槽、淘重砂法等方法得到黑钨精矿或白钨精矿。

技术发展

钨是1781年由瑞典化学家舍勒发现的。到20世纪初期,由于其一系列应用的开发,如1900年在巴黎世界博览会首次展出以钨作为合金元素的高速钢以及采用钨丝制作的灯泡;1927-1928年研制成碳化钨基烧结硬质合金等,钨冶金工业开始得以产生和发展。

为了适应用户对钨制品日益提高的质量需求,降低成本,减少对环境的污染,钨冶金技术得到长足的进步,新的先进技术全面取代传统的技术。主要体现在以下方面:

在钨矿物原料分解方面,早期产业化的苏打压煮法发展成为不仅能高效处理白钨精矿、低品位白钨中矿,同时能够处理黑白钨混合矿;在理论 研究得到突破的基础上,NaOH(氢氧化钠)分解法由只能处理低钙黑钨精矿发展成为能处理包括白钨精矿、难选钨中矿在内的各种钨矿物原料的通用技术。当然,随着发展逐步淘汰了NaOH熔合法、苏打烧结法、盐酸分解法等效率低、环境污染严重的传统方法。同时也降低了对选矿的要求,大幅度提高了资源利用率。

在纯钨化合物制取方面,粗Na2WO4溶液的强碱性阴离子交换法净化并转型工艺以及流程短、成本低、产品质量高等特点在很大范围内取代了经典的镁盐净化-传统化学法转型工艺。与之想对应的季铵盐萃取法净化并转型由实验室研发开始走向产业化,呈现了可喜的前景。选择性沉淀法从钨酸盐溶液中除钼、锡、锑、砷等高效净化除杂技术的研发成功并广为应用,大幅度提高了钨制品的纯度和钨冶金过程对原料的适应能力。

在金属钨粉制取方面,在20世纪70年代,先进的蓝钨氢还原法取代了黄钨氢还原法,到20世纪末,紫钨氢还原法又进一步取代了蓝钨氢还原法,使产出钨粉的物理性能控制达到更先进的水平,进一步全面提高了钨粉的质量。

与此同时,多种处理钨冶金二次资源技术的研发成功,使钨二次资源的利用不论是在技术水平上还是回收利用率上都大幅度提高。

科学技术是第一生产力,钨资源作为重要的战略物资是全世界重要的资源,必须合理循环的利用。

资源分布

钨在地壳中的自然储量620万吨,可开采储量290万吨。中国是产钨大国,钨资源储量520万吨,为国外30个产钨国家总储量(130万吨)的3倍多,产量及出口量均居世界第一。湖南、江西、河南三省的钨资源储量居全国的前三位,其中湖南、江西两省的钨资源储量占全国的55.48%。湖南以白钨为主,江西以黑钨为主,其黑钨资源占全国黑钨资源总量的42.40%。

中国的钨矿大体上分布于中国南岭山地两侧的广东东部沿海一带,尤其是以江西的南部为最多,储量约占全世界的二分之一以上。此外,江西的(赣南)大余、修水、湖南的汝城、安化、临武、资兴、荼陵、河南栾川、福建宁化、以及广西、广东、甘肃、云南等地。

国外钨矿的主要产地是加拿大、俄罗斯、美国、朝鲜、蒙古等国。

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