Никелевые катоды

Никелевый катод как форма поставки первичного никеля

Никелевый катод — это продукт электролитического рафинирования никеля, получаемый непосредственно на катоде электролизной ванны. Именно катодный лист является базовой товарной формой первичного никеля, принятой в мировой и российской практике металлоснабжения. Наряду с гранулами и слитками, катодные листы поставляются как сырьё для переплавки, легирования, гальванического производства и порошковой металлургии.

Никель — пластичный ковкий металл серебристо-белого цвета. На воздухе при комнатной температуре его поверхность покрывается тонкой оксидной плёнкой NiO, которая эффективно защищает металл от дальнейшего окисления. Никель ферромагнитен — эта способность сохраняется до точки Кюри (358 °С), выше которой металл теряет ферромагнитные свойства. Он хорошо паяется твёрдыми и мягкими припоями, поддаётся любым видам сварки.

Никель является незаменимым легирующим компонентом: он повышает вязкость, химическую стойкость и жаропрочность сталей и сплавов. Ни одна аустенитная нержавеющая сталь не обходится без никеля в составе.

Производство никелевых катодов: электрорафинирование

Основной промышленный метод получения первичного никеля высокой чистоты — электролитическое рафинирование (электрорафинирование). Черновой никель подвешивают в электролите на основе сульфата никеля с добавкой серной кислоты и подключают как анод. На катодной основе осаждается никель высокой степени чистоты. Благородные металлы и нерастворимые примеси осыпаются на дно ванны в виде анодного шлама, а растворимые примеси остаются в электролите и периодически выводятся из него на стадии очистки.

Результат процесса — катодный лист с характеристической дендритной (ёлочной) поверхностью. Кромки катодных листов высших марок (Н-0, Н-1у, Н-1) обрезаются с четырёх сторон: именно края листа содержат повышенную концентрацию примесей вследствие краевых эффектов электролиза. Для марки Н-2 обрезаются только дендритные и губкообразные кромки.

Марки Н-2, Н-3 и Н-4 могут производиться также путём огневого рафинирования и переплава отходов никеля, что отражает более широкий спектр применяемого сырья при снижении требований к чистоте.

Марки никелевых катодов по ГОСТ 849-2018

Действующий в России межгосударственный стандарт на первичный никель — ГОСТ 849-2018, введённый в действие с 1 июня 2019 г. взамен ГОСТ 849-2008. Стандарт устанавливает требования к химическому составу, формам изготовления, упаковке и приёмке первичного никеля.

Химический состав никелевых катодов по маркам

Приведённые ниже данные соответствуют ГОСТ 849-97 (предшественник действующего стандарта; ключевые нормы химического состава в ГОСТ 849-2018 имеют ту же основу):

Знак «—» означает, что примесь данным стандартом не регламентирована. Полный перечень регламентируемых примесей (включая Zn, Sb, Sn, Cd, As, Al, Mg, Mn, Si, P, C) приведён в таблице 2 ГОСТ 849-97 / ГОСТ 849-2018.

Особая роль марки Н-0: минимальное содержание кобальта

Марка Н-0 отличается от прочих не столько общей суммой Ni+Co (≥99,9%), сколько предельно низким допуском по кобальту — не более 0,005%. Это существенно ниже, чем у Н-1у (≤0,10%) и Н-1 (≤0,10%). Н-0 применяется в производстве кобальтосодержащих сплавов, где кобальт в шихте должен учитываться с высокой точностью, а его неконтролируемое присутствие в никеле-сырье недопустимо. По согласованию с потребителем доля кобальта в Н-0 может быть снижена до 0,02% при изготовлении кобальтосодержащих сплавов с жёсткой дозировкой.

Биржевые марки: Н-1у и Н-1

Марки Н-1у и Н-1 зарегистрированы на Лондонской бирже металлов (LME) и принимаются к поставке на биржу. Это означает, что они соответствуют международным требованиям по чистоте первичного никеля и могут использоваться как биржевой расчётный актив. Именно Н-1 является основной производственной маркой, наиболее широко используемой в металлургии.

Влияние примесей на технологические свойства никеля

Качество и пригодность никелевого катода для конкретного производства напрямую определяются составом примесей. Между марками существуют принципиальные различия, которые важно учитывать при выборе сырья.

Сера: главная причина горячеломкости

Сера практически не растворяется в твёрдом никеле и образует с ним сульфидную эвтектику Ni–Ni₃S₂, температура плавления которой составляет 645 °С. При горячей обработке давлением (прокатке, ковке, штамповке) эта легкоплавкая фаза оказывается на границах зёрен в жидком или полужидком состоянии, что вызывает горячеломкость — разрушение металла по границам зёрен при деформации в горячем состоянии. Для никеля, подвергаемого горячей прокатке, допустимое содержание серы — не более 0,015%.

Висмут, сурьма, свинец и цинк

Висмут, сурьма, свинец и цинк — четыре примеси, которые существенно ухудшают пластичность и технологичность никеля. Механизм воздействия аналогичен сере: легкоплавкие соединения с этими элементами локализуются на границах зёрен и снижают межзёренную прочность. Для никеля, предназначенного для горячей деформации, допустимое содержание свинца и висмута — не более 0,002% каждого. Именно поэтому ГОСТ 849 нормирует эти примеси с особой строгостью в марках Н-0, Н-1у и Н-1.

Кобальт: специфический случай

Кобальт не ухудшает технологические свойства никеля: он повышает его жаропрочность и твёрдость. Однако при производстве сплавов строгого химического состава присутствие кобальта в шихте должно точно учитываться в расчёте баланса. Поэтому для ряда применений используют марку Н-0 с гарантированно низким содержанием кобальта, тогда как для легирования нержавеющих сталей марка Н-1 вполне приемлема.

Формы поставки первичного никеля по ГОСТ 849-2018

ГОСТ 849-2018 устанавливает несколько форм изготовления первичного никеля. Выбор формы определяется технологией потребляющего производства.

Целые катодные листы

Нерезаные катодные листы — исходная форма, которую получают непосредственно на электролизном производстве. Их размеры определяются конструкцией электролизной ванны и согласовываются между изготовителем и потребителем. Листы высших марок (Н-0, Н-1у, Н-1) поставляются с обрезанными с четырёх сторон кромками. Типичные максимальные размеры нерезаных листов — не более 1030×870 мм при толщине до 12 мм, масса одного листа — от 15 до 60 кг в зависимости от производителя и толщины.

Важно: наличие на поверхности цветов побежалости, следов правки, масла или краски браковочным признаком не является. Расслоение пластин не допускается только для марок Н-0 и Н-1у.

Резаные пластины (чипсы)

Из катодных листов марок Н-1у и Н-1 нарезают стандартные пластины — 100×100 мм и 25×25 мм. Именно в этой форме никель наиболее удобен для загрузки в титановые анодные корзины при гальваническом никелировании. Резаные пластины упаковываются в металлические бочки массой до 250 кг.

Гранулы

Гранулированный никель (марка Н-3) используется преимущественно в порошковой металлургии и при производстве аккумуляторов. Упаковка — цельнометаллические контейнеры массой нетто около 6,3 т.

Слитки и обрезь

Слитки изготавливаются путём переплава никеля (марки Н-2, Н-3, Н-4) или обрези кромок катодных листов. Масса слитка по стандарту — не более 25 кг. Слитки не должны содержать шлаковых и инородных включений; заусенцы удаляются. Обрезь кромок катодных листов марок Н-0, Н-1у и Н-1 по согласованию сторон может поставляться без переплава как никель марок Н-2, Н-3 или Н-4.

Применение никелевых катодов в промышленности

Первичный никель в катодной форме — универсальное металлургическое сырьё. Направления применения существенно различаются по требуемой чистоте и, следовательно, по марке катодного никеля.

Легирование нержавеющих и конструкционных сталей

Около 70% мирового потребления никеля приходится на производство нержавеющих и других легированных сталей. Никель стабилизирует аустенитную структуру, повышает коррозионную стойкость, вязкость и хладостойкость стали. В электросталеплавильном производстве катодный никель (как правило, марки Н-1 или Н-2) вводится в шихту при выплавке. Для выплавки особо ответственных жаропрочных сплавов может применяться марка Н-0 — с целью жёсткого контроля содержания кобальта.

Производство никелевых сплавов и полуфабрикатов

Катодный никель служит основой для выплавки жаропрочных, коррозионностойких и прецизионных никелевых сплавов. Из катодов также производят полуфабрикаты марок НП1–НП4 по ГОСТ 492-73 (листы, полосы, ленты, прутки, трубы) методами горячей и холодной обработки давлением. Листовой никель марки НП1 (≥99,9% Ni) применяется для изделий специального назначения, а НП2 (≥99,5% Ni) — в приборо- и машиностроении.

Гальванические покрытия: никелирование

В гальванотехнике катодный никель марок Н-1у и Н-1 в форме резаных пластин (25×25 мм, 100×100 мм) засыпается в титановые анодные корзины и служит растворимым анодом. В процессе электролиза никель переходит в раствор и осаждается на катодной детали в виде защитно-декоративного или функционального покрытия. Высокая чистота анодного никеля напрямую влияет на качество покрытия: примеси меди, свинца и цинка приводят к пористости и снижению блеска осадка. Подробнее об анодных материалах для никелирования — на странице никелевых анодов.

Аккумуляторы и химический катализ

Никель входит в состав электродов никель-кадмиевых, никель-металлгидридных и никель-железных аккумуляторов. В химической промышленности никель в форме гранул или порошков, получаемых из катодов, используется как катализатор реакций гидрирования и ряда других процессов.

Порошковая металлургия

Из катодного никеля (как правило, марки Н-3 в форме гранул) получают никелевые порошки различной дисперсности для производства спечённых изделий, твёрдых припоев, функциональных покрытий и изделий электронной промышленности.

Приёмка партии: что проверяет потребитель

ГОСТ 849-2018 регламентирует обязательный объём контроля при приёмке партии катодного никеля.

Контроль поверхности

Каждый катодный лист, полоса или слиток подвергается осмотру поверхности. Для резаных пластин контролируется не менее 10% от массы партии. Допустимые поверхностные дефекты (цвета побежалости, следы правки, масло, краска) браковочным признаком не являются. Недопустимо расслоение — только для марок Н-0 и Н-1у.

Химический анализ

Для проверки химического состава от партии отбирают не менее 2% катодных листов по массе (но не менее трёх листов), не менее 1% слитков и не менее 0,1% гранул. При неудовлетворительных результатах проводят повторный анализ удвоенной выборки. Методы анализа — в соответствии с ГОСТ серии 13047.

Сопроводительная документация

Каждая партия сопровождается документом о качестве (сертификатом), в котором указываются марка, химический состав по результатам анализа, форма изготовления, масса партии и номер стандарта. Для экспортных партий могут дополнительно определяться кислород, водород и азот (по согласованию сторон).

Упаковка и транспортирование

Нерезаные катодные листы обвязываются стальной лентой в пачки массой до 1,5 т. Резаные пластины расфасовываются в металлические бочки (до 250 кг), которые группируются на поддонах по четыре штуки. Гранулы отгружаются в цельнометаллических контейнерах объёмом около 6,3 т нетто. Транспортирование — всеми видами крытого транспорта в соответствии с действующими правилами перевозок.