Seminar pri predmetu

Procesna metalurgija neželeznih kovin

Nikelj

Mentor: izr. prof. dr. Jožef Medved Avtor: Luka Kelhar

Nikelj

Splošne lastnostiNikelj je srebrno obarvana, visoko sijoča kovina, je relativno trda, dobro se jo da obdelovati, je magnetna in prevodna. Simbol je Ni, vrstno število 28, glede na kemijsko vrsto pa ga uvrščamo med prehodne kovine. Gostota niklja znaša 8908 kg/m3, tališče ima pri 1455°C, vrelišče pa pri 2916°C. Spada med magnetne in električno prevodne kovine.

Je ena od le štirih elementov, ki so magnetni, na ali bliizu sobni temperaturi,preostale tri so železo, kobalt in gadolinij. Njegova Curie temperatura je 355 ° C, kar pomeni, da je nad to temperaturo nemagneten.

Nikljev atom ima dve elektronski konfiguraciji; 4s2 3d8 in 4s1 3d9. Nikelj, ki s enahaja v naravi je sestavljen iz 5 stabilnih izotopov; 58Ni, 60Ni, 61Ni, 62Ni in 64Ni. 58Ni je najbolj bogat (68,077% niklja).

ZgodovinaKer so v preteklosti rude niklja zlahka zamenjali za rude srebra, je bilo njeno odkritje relativno pozno. Vendar pa prve uporabe niklja, segajo do 3500 pred našim štetjem. Kitajski rokopisi nakazujejo, da je bil " white copper" (cupronikelj, znan kot baitung),uporabljen že med 1700 in 1400 pred našim štetjem. Ta beli baker so izvažali v Veliko Britanijo že v 17. stoletju, vendar vsebnost niklja v zlitini ni bila odkrita vse do leta 1822.

V srednjeveški Nemčiji, je bil najden rdeč mineral, ki spominja na bakrene rude. Vendar rudarji niso mogli izvleči vsega bakra iz minerala, zato so ga zaradi vsebnosti bakra klicali Kupfernickel (Kupfer je nemška beseda za baker). Dandanes to rudo poznamo kot nickelin ali nikolit. Leta 1751 je Baron Axel Fredrik Cronstedt poskušal izvleči iz kuproniklja baker in pridobil belo kovino-nikelj.

Po odkritju, je bil edini vir za nikelj redka ruda kupronikelj, vendar pa se je od 1824 naprej pridobival tudi kot stranski produkt proizvodnje kobalt modrega. Prva obsežna proizvajalka niklja je bila Norveška, kjer so izkoriščali z nikljem bogato rudo pirotit od leta 1848 naprej. Uvedba niklja v proizvodnjo jekla, leta 1889 je močno povečala povpraševanje po kovini.Med letoma 1875 in 1915 je bila glavna dobaviteljica niklja Nova Kaledonija. Odkritja velikih zalog v Sudbury bazenu (Kanada) leta 1883, v Norilsk-Talnakh (Rusija) in v Reef Merensky (Južna Afrika) pa je omogočilo množično proizvodnjo niklja.

Nikelj je bil sestavni del kovancev od sredine 19. stoletja. V Združenih državah Amerike, je bil izraz "nikelj" ali "nick", prvotno uporabljen za baker-nikeljev cent, kjer je nikelj nadomestil baker( 12% niklja),V kasnejših letih (1865), se je odstotek niklja v nekaterih kovancih povečal na 25%. Skoraj čisti kovanci iz niklja, so bile prvič uporabljeni leta 1881 v Švici, kasneje pa še v Kanadi(največji proizvajalki), kjer so izdelali kovance iz 99,9% niklja, zaradi česar so bili kovanci praktično magneti. V vojnem obdobju 1942-1945, je bila večina niklja(kovancev) iz Kanade in ZDA uporabljena v vojne namene.V 21. stoletju, je z naraščanjem cen niklja večina držav odnehala z izdelavo nikljevih novceh. Izjema je še nikljev kovanec za 5 centov v ZDA.

Nahajališča

Glavna nahajališča niklja so v Rusiji, Kanadi, Avstraliji in na Kubi. Približno 40% svetovne proizvodnje niklja se dostavi v Evropo, sledita ji Azija in Amerika. Zaradi naraščajoče proizvodnje jekla na Kitajskem se poraba niklja na letni ravni strmo zvišuje. Petino svetovne proizvodnje niklja beleži Kitajska. Zaradi premajhnih lastnih virov niklja je uvoz neizogiben. Svetovna količina proizvodnje niklja se je od 1970 več kot podvojila. Skladišča proizvajalca Norisk Nickel, imajo velik vpliv na ponudbo niklja, saj je to največji proizvajalec na svetu.

Ocene kažejo, da se letno reciklira približno 4,5 milijonov ton odpadkov, ki vsebujejo nikelj. Tako se pokrije skoraj 25% svetovnega povpraševanja po niklju.

Pridobivanje

Nikelj se pridobiva z ekstraktivno metalurgijo. Nikelj se pridobi iz rude s klasičnim praženjem in postopki redukcije, ki prinašajo več kot 75% čistost. Za uporabo v nerjavečem jeklu ponavadi 75% čisti nikelj zadostuje.

Večina sulfidnih rud je bila tradicionalno obdelana z pirometalurškimi tehnikami. Napredki v hidrometalurgiji pa so v novejšem času omogočili proces flotacije (ločevanje Ni in Fe glede na gostoto). Nadaljnja obdelava poteka prek procesa Sherritt-Gordon. Najprej se odstrani baker z dodajanjem vodikovega sulfida, pri čemer nastali koncentrat vsebuje samo kobalt in nikelj. Nato se uporablja solventno ekstrakcijo za ločevanje kobalta in niklja, s končno koncentracijo niklja več kot 99%.

Čiščenje nikljevih oksidov za pridobitev najčistejšega niklja poteka preko procesa Mond, ki poveča delež niklja na več kot 99,99%. Ta postopek je bil v industrijski rabi patentiran že pred začetkom 20. stoletja.

Uporaba

Svetovna uporaba niklja za aplikacije je naslednja: 60% niklja, za izdelavo jekla, 14% v zlitine nikelj-baker in nikelj srebro, 9% za nikljeve superzlitine(npr. Inconel), 6 % za plaščenje površin, 3% za likalnike niklja, 3% v toplotno in elektro uporne zlitine(Nichrome), 2% nikljeve medi in brone, 3% v vseh drugih aplikacijah.

Nikelj se uporablja v številnih industrijskih in potrošniških izdelkih, npr: nerjaveče jeklo, magneti AlNiCo, kovanci, baterije za ponovno polnjenje, električne strune za kitaro, mikrofoni, in posebne zlitine. Uporablja se tudi na oblogah in kot zelen odtenek v steklu. Sestava AlNiCo zlitin za magnete je običajno 8-12% Al, 15-26% Ni, 5-24% Co, do 6% Cu, do 1% Ti, ostalo je Fe. Razvoj teh magnetov se je začel leta 1931, ko so odkrili, da imajo zlitine železa, niklja in aluminija dvakrat boljše magnetene lastnosti od najboljših magnetnih jekla tistega časa. AlNiCo magneti se dandanes nadomeščajo z magneti redkih zemelj.

Zaradi svoje odpornosti na korozijo, se je nikelj občasno uporabljal kot nadomestek za dekorativno srebro.

Nikelj je tudi magnetostrikcijski material, kar pomeni, da, se v prisotnosti magnetnega polja, material skrči v dolžino. Ta negativna magnetostrikcija je reda 50 ppm.Uporablja se tudi kot vezivo v utrjenem WC(wolfram karbid) in sicer od šest do 12%(utežnih). Nikelj lahko naredi WC magneten in korozivno odporen, vendar na račun manjše

trdote. Nikelj se obdeluje predvsem pri izdelavi legiranega jekla in pri ostalih proti rji odpornih zlitinah. Preko dve tretjini proizvodnje niklja se izteka preko tega področja. Pri gradnji letal se uporabljajo specialne zlitine niklja za proizvodnjo turbinskih listov ali druge kritične sestavne dele motorja. Nikelj se uporablja tudi pri izdelavi kovancev, kot nadomestilo za srebro in v akumulatorjih. Gradbena industrija je poleg avtomobilske pomemben porabnik različnih vrst legiranega jekla. Prav gradbeni bum na Kitajskem skrbi za naraščajočo potrebo. V velikih mestih na Kitajskem zelo hitro rastejo visoki nebotičniki pri gradnji katerih so zaradi svoje posebne sestave nujno potrebne zlitine jekla. Visoke cene niklja utrjujejo trend nagibanja k manjši vsebnosti niklja v zlitinah kot tudi k razvoju plemenitenja jekla brez uporabe niklja.

Toksičnost kovineIzpostavljenost kovini ne sme presegati 0,05 mg / cm ³. Zaposleni v industriji niklja ne smejo preseči 40 ur dela na teden. Dimi in prahovi nikelj-sulfidnega prahu so rakotvorni, kot posebno nevaren in strupen plin velja omeniti Nikelj karbonil, Ni(CO)4. Nikelj karbonil je tudi eksploziven na zraku. Občutljivi posamezniki lahko kažejo alergijo na nikelj, saj vpliva na njihovo kožo(dermatitis). Nikelj je pomemben vzrok za kontakne alergije, deloma zaradi njegove uporabe v nakitu, za uhane. Alergija se pojavi v obliki srbeče, rdeče kože. Zato se dandanes na veliko uhanih že pojavlja napis, da so brez niklja.

ZanimivostiŠvedski kemik Axel Cronstedt je niklj odkril leta 1751.Meteoriti vsebujejo tudi nikelj in sicer 1,3%, zemeljska skorja le 0,0089%Prvi rudarju so menili, da je nikelj preklet.Nujno je potreben za človeški organizem, nahaja se v ovsenih kosmičih, čokoladi, lešnikih. Nadzoruje delovanje membran, hormonov in encimov.

Literatura• http://en.wikipedia.org/wiki/Nickel• http://www.google.si/imgres?q=Kupfernickel&um=1&hl=sl&client=firefox-

a&sa=N&rls=org.mozilla:en-US:official&biw=1440&bih=771&tbm=isch&tbnid=-DZX4O5Li4HLHM:&imgrefurl=http://www.fkk.ac.th/library/webe-library/science/namo/Tarangtad/data/subNi.htm&docid=3HmbX5U8Zmm1cM&imgurl=http://www.fkk.ac.th/library/webe-library/science/namo/Tarangtad/data/Niccolite%28NiAs%29.jpe&w=295&h=264&ei=TO_kTvqfA8Sx8QO9utHwAw&zoom=1&iact=rc&dur=267&sig=106477692858985195150&page=1&tbnh=136&tbnw=162&start=0&ndsp=31&ved=1t:429,r:7,s:0&tx=55&ty=73

• http:// www.eramet.fr/us/PRODUCTION_GALLERY_CONTENT/IMAGES/Nos_metiers/Nickel/ Technology_UK/DONIAMBO_PROCESS850.gif

• http:// en.wikipedia.org/wiki/File:Nickel_kugeln.jpg • http://www.google.si/imgres?q=use+of+nickel&um=1&hl=sl&client=firefox-a&rls=org.mozilla:en-

US:official&biw=1440&bih=771&tbm=isch&tbnid=pgkyMPmJ8Euc-M:&imgrefurl=http://www.fastcompany.com/blog/kit-eaton/technomix/nickel-zinc-rechargeable-batteries-good-single-use-

ones&docid=B1j7ol-ugOwiuM&imgurl=http://farm4.static.flickr.com/3123/3112364109_0a58c8a825.jpg&w=400&h=324&ei=IP_kTsWzB5D48QO94Oz5Aw&zoom=1&iact=hc&vpx=669&vpy=282&dur=2572&hovh=202&hovw=250&tx=139&ty=77&sig=106477692858985195150&page=1&tbnh=126&tbnw=156&start=0&ndsp=28&ved=1t:429,r:10,s:0

• http://www.google.si/imgres?q=use+of+nickel&um=1&hl=sl&client=firefox-a&rls=org.mozilla:en-US:official&biw=1440&bih=771&tbm=isch&tbnid=VLssxiG4QvkaPM:&imgrefurl=http://www.vintageamps.com/plexiboard/viewtopic.php%3Ff%3D5%26t%3D77376&docid=jv2OWWh4e9oSBM&imgurl=http://i72.photobucket.com/albums/i168/LPCustom/DSC01274.jpg&w=800&h=600&ei=IP_kTsWzB5D48QO94Oz5Aw&zoom=1&iact=hc&vpx=491&vpy=286&dur=3826&hovh=194&hovw=259&tx=142&ty=94&sig=106477692858985195150&page=1&tbnh=126&tbnw=167&start=0&ndsp=28&ved=1t:429,r:9,s:0

• http://www.google.si/imgres?q=nickel&um=1&hl=sl&client=firefox-a&rls=org.mozilla:en-US:official&biw=1440&bih=771&tbm=isch&tbnid=ZjHtn88-0LqVKM:&imgrefurl=http://www.coinblogger.com/1950-d-jefferson-nickel-a-key-date/&docid=EpCIzvD32oOxKM&imgurl=http://www.coinblogger.com/wp-content/uploads/2008/12/jefferson-nickel-obverse.jpg&w=287&h=288&ei=6f_kTrGiD42f8gO7jOWVBA&zoom=1&iact=hc&vpx=615&vpy=274&dur=1079&hovh=225&hovw=224&tx=120&ty=145&sig=106477692858985195150&page=1&tbnh=138&tbnw=138&start=0&ndsp=31&ved=1t:429,r:10,s:0

• http://www.isa.org/InTechTemplate.cfm?Section=General_Information2&template=/ ContentManagement/ContentDisplay.cfm&ContentID=23361

• http://www.infobarrel.com/Interesting_Facts_About_Nickel_Ni