Применение и сортамент сплавов

Бор в небольших количествах (доли%) вводят в сталь и некоторые сплавы для улучшения их механических свойств и прокаливаемость; уже присадка к стали 0,001-0,003% Бор повышает ее прочность (обычно в сталь вводят бор в виде ферробора, то есть сплава железа с 10-20% бора). Поверхностное насыщение стальных деталей бором (до глубины 0,1-0,5 мм) улучшает не только механические свойства, но и стойкость стали против коррозии. Благодаря способности изотопа ¹⁰В поглощать тепловые нейтроны, его применяют для изготовления регулирующих стержней ядерных реакторов, служащих для прекращения или замедления реакции деления. Бор в виде газообразного BF₃ используют в счетчиках нейтронов. (При взаимодействии ядер ¹⁰В с нейтронами образуются заряженные α-частицы, которые легко регистрировать; число же α-частиц равно числу нейтронов, поступивших в счетчик: ¹⁰₅В + ¹₀n = ⁷₃Li + ⁴₂α). Сам бор и его соединения - нитрид BN, карбид B₄C₃, фосфид ВР и другие - применяют как диэлектрики и полупроводниковые материалы. Обширное применение находят борная кислота и ее соли (прежде всего бура), бориды и другие. BF₃ - катализатор некоторых органических реакций.

Кроме того бор входит в состав ряда лигатур с никелем, хромом, марганцем, титаном, ванадием, цирконием, кальцием и т. д.

Бор применяют для микролегирования стали в виде ферробора, состав которого приведен в табл. 23, а также в виде комплексных сплавов.

Борсодержащее сырье

Наиболее важное промышленное значение имеют минералы кернит NaB4О7·2H2О и бура Na2В4O7·10Н2О с максимальным содержанием В2О3 соответственно 40—50 и 30—35 %, а также улексит NaCaB5О9 8Н2О и колеманит Са2В6О11·5Н2О. Для месторождений, важнейшим из которых является Индерское (Казахстан) характерны ашаритовые (MgBO2·OH) и гидроборацитовые (CaMgB6O11·6H2O) руды, содержащие 35—50 % В2О3, а также донбуритовые руды. Руды Индерского месторождения имеют следующий состав, %: 8–30 В₂О₃; 1,5–13 SiO₂; 15–25 CaO; 10–30 MgO; 2–5 FeO; 2–6 Na₂O; 2–3 C; 5–10 S; ≤0,01 Р. Из этой руды получают концентраты, борную кислоту (Н₃ВО₃), борный ангидрит (В₂О₃), диборат кальция (СаО∙В₂О₃∙2Н₂О), октаборат натрия (Na₂B₈O₁₃) и выплавляют ферроборал и ферросиликоборал. В табл. 17.2 приведен химический состав рудных концентратов, применяемых для выплавки сплавов бора. Для плавки чистых и богатых бором лигатур используют химически чистый (—98% В2О3) и технический (85—94 % В203) борный ангидрид, техническую борную кислоту (55—57 % В203) и борат кальция. При выплавке ферробора марок ФБ-2 и ФБ-3 вместо „алюминиевого порошка используют стружку вторичного алюминия, железо вводят в виде железной руды или железной окалины, в качестве флюса применяют свежеобожженную молотую известь.

По условиям образования месторождения бора подразделяются на эндогенные, эндогенно-экзогенные и экзогенные.Эндогенные месторождения бора связаны с известковыми и магнезиальными бороносными скарнами. Среди борных минералов в известковоскарных месторождениях преобладают боросиликаты – датолит (CaB(OH)[SiO4]) и данбурит (CaB2[Si2O8]); в магнезиально-скарновых – бораты – суанит (Mg2B2O5), котоит (Mg3(BO3)2)

К эндогенно-экзогенным относятся вулканогенно-осадочные месторождения, формирующиеся в слабопроточных и бессточных озерах вблизи вулканов в условиях аридного климата. Борные минералы представлены боратами Ca, Na и Na-Ca: колеманитом, тинкалом, конитом, бурой, кернитом и др.

Экзогенные месторождения бора связаны с залежами морских калийно-магниевых солей (галогенные) или с процессами их выветривания

(элювиальные). Основные минералы бора – калиборит, гидроборацит, преображенскит, борацит, улексит, ашарит и др. В России экзогенные месторождения не имеют промышленного значения.

Кроме рудных месторождений источником бора могут являться воды минеральные, пластовые нефтяных и газовых месторождений.

По условиям образования, минеральному составу, технологическим свойствам борные руды подразделяются на боросиликатные, боратовые, комплексные борато-магнетитовые и олово-борные.

Наиболее крупные и богатые скопления боратовых руд в природе связаны с месторождениями вулканогенно-осадочного типа, которые обеспечивают 90% мировой добычи бора. Руды легкообогатимые, комплексные, из них извлекают также бентониты, цеолиты, серу, сурьму,стронций, галит и др. В России они пока не выявлены.

Основное промышленное значение в Российской Федерации имеют боросиликатные и комплексные борато-магнетитовые руды, связанные с эндогенными месторождениями скарнового типа.

Разработка боросиликатных месторождений, в отличие от боратов, требует сложных и затратных схем производства:

- подготовка горной массы к выемке ведётся буровзрывным способом;

- после крупного дробления руда подвергается усреднению в карьере и непосредственно на фабрике;

-обогащение руды производится по суспензионно-магнитно-флотационной схеме;

-флотация ведется по схеме прямого селективного выделенияборосиликатных минералов в содовой среде;

-полученный концентрат идёт на производство борной кислотысернокислотным способом.

Технология получения боропродуктов очень трудоемкая. Нигде в мире борная кислота подобным способом не производится. Себестоимость полученной боропродукции выше, чем у зарубежных аналогов.

Основной областью применения боропродуктов является производство специальных сортов стекла, стекловолокна, эмалей, глазури, керамики (бура техническая, борный ангидрид, борная кислота, борат кальция). В сельском хозяйстве бура техническая используется для производства удобрений, гербицидов, инсектицидов. Кроме того, боропродукты применяются в производстве моющих средств (перборат натрия, бура техническая) и в медицине (борная кислота, бура пищевая). Нитрид и карбид бора используются для производства абразивных и полупроводниковых материалов, тугоплавких сверхтвердых сплавов, в качестве поглотителей нейтронов в ядерных реакторах.

Помимо этого, бор используется в производстве постоянных магнитов на базе трехкомпонентного сплава неодима, железа и бора; электрических трансформаторов, в персональных стереосистемах и плеерах для компакт-дисков; сканирующих устройствах. Перспективной областью является производство аморфных железокремний-борных сплавов, применяемых для изготовления сердечников трансформаторов.

По условиям образования, минеральному составу, технологическим

свойствам борные руды подразделяются на боросиликатные, боратовые,

комплексные борато-магнетитовые и олово-борные.

Наиболее крупные и богатые скопления боратовых руд в природе

связаны с месторождениями вулканогенно-осадочного типа, которые

обеспечивают 90% мировой добычи бора. Руды – легкообогатимые,

комплексные, из них извлекают также бентониты, цеолиты, серу, сурьму,

стронций, галит и др.

Основные запасы боратов в мире размещены в Турции и США.

Запасы в США представлены, в основном, тинкалом и кернитом, а в

Турции – колеманитом.

Месторождение Крамер (США), расположенное в центре пустыни

Мохаве приблизительно в 160 км к северо-востоку от Лос-Анжелеса, является

одним из крупнейших борных месторождений мира. С начала своей эксплуатации (1926 г.) и по настоящее время месторождение рассматривается

как ведущий мировой поставщик борного сырья.

Месторождение приурочено к озерным отложениям миоценового

возраста. Главное рудное тело месторождения, залегающее среди сине-серых

глинистых сланцев на глубинах от 40 (северный и западный фланги) до 340 м

(южный фланг), представляет пластовую залежь мощностью от 24 до 90 м (в

среднем около 45-60 м), имеющую площадь около 2 км 2 . Она состоит из

согласных пластов и прослоев мощностью до 10 см, а также линз, желваков и

включений буры, кернита и тинкалконита; реже встречаются сирлезит, улексит и проберит. Эти пласты и прослои разделены тонкими слоями монтмориллонитовой глины и вулканического туфа. На участках богатых руд

среднее содержание В 2 О 3 составляет 25-30% и более. После добычи в карьере руда измельчается, просеивается и растворяется с получением насыщенной жидкости и ее фильтрацией. В результате кристаллизации этой жидкости образуются рафинированные кристаллы декагидрата и пентагидрата буры.

В Турции находится более двух третей мировых разведанных запасов

бора. Основные месторождения бора расположены в западной части страны в

провинциях Эскишехир, Балыкесир, Кютахья и Бурса. Добыча бора в Турции

находится под контролем государственной компании Eti Mine Works G.M.

Самое крупное из известных в настоящее время месторождений борного сырья

− Кырка (Сарикайа) − находится в провинции Эскишехир в 240 км от Анкары.

Оно связано с плиоценовыми озерными отложениями. Озерные карбонатно- глинистые отложения с прослоями вулканического пеплового материала занимают площадь около 10 км 2 , залегая на породах фундамента − туфах и лавах основного и кислого состава. Озерные отложения повсеместно

перекрыты массивными известняками неогена мощностью в десятки метров. В рудном поле Кырка в настоящее время добывается около 450 тыс. т преимущественно натрово-боратовых руд; они поставляются на завод в Бандирме, где получают различные борные соединения, включая борную кислоту, декагидрат и пентагидрат буры.

В Южной Америке значительные запасы бора имеются в Аргентине: в

провинции Сальта (месторождения Tincalayu и Sijes), а также в провинции

Жужуй (пересыхающие озера Salars Cauchari и Diabillo). Основные минералы

− колеманит, гидроборацит, кернит, тинкаль и улексит.

Запасами минералов бора располагает Китай, где обнаружено более 100

залежей боратов в 14 провинциях. При этом 80% всех месторождений

сосредоточено в северо-восточной провинции Ляонин и западной Цинхай. По

некоторым источникам китайские запасы легкодоступных борных руд будут

исчерпаны в 2013 г.

Запасы боратов имеются также в ряде других стран, в частности в

Боливии, Чили. В последнее время достаточно крупные месторождения бора

выявлены в Косово.

Таблица 17.2. Химический состав, %, концентратов борсодержащих материалов

Руду перед плавкой обжигают во вращающихся печах при ~700°С для удаления кристаллизационной влаги, резко снижающей технико-экономические показатели процесса (рис. 5), и измельчают до 10—20 мм.