Никель и кобальт: добыча, свойства, применение

Физические и химические свойства

Никель и кобальт – металлы с похожими свойствами, оба из группы железных металлов. Они серебристо-белые, твёрдые, легко плавятся и хорошо противостоят коррозии.

Физические свойства:

• Температура плавления: никель плавится при 1455 °C, а кобальт – при 1495 °C;
• Температура кипения: у никеля – 2913 °C, у кобальта – 2927 °C;
• Плотность: оба металла имеют схожую плотность – около 8,9 г/см³.

Они проводят электричество, но не так хорошо, как медь и серебро. Легко обрабатываются, их можно ковать, штамповать и сплавлять с другими металлами.

Химически оба металла устойчивы к воздействию воздуха и воды при обычных условиях, но при нагреве вступают в реакции. Они образуют оксиды (например, оксид никеля и кобальта) и растворяются в кислотах, образуя соли. Никель и кобальт также могут взаимодействовать с другими веществами и образовывать соединения с разными свойствами.

Оба металла обладают магнитными свойствами: кобальт сохраняет магнитные качества при более высоких температурах, чем никель. Эти металлы широко используются в промышленности, например, для создания сплавов, катализаторов, аккумуляторов и магнитов.

Способы добычи никелевых руд

Основными залежами никелевых руд являются сульфидные медно-никелевые, кобальт-никелевые, силикатные никелевые и ферроникелевые месторождения. Второстепенное значение имеют:

• сульфидно-арсенидные жильные месторождения комплексного характера содержания минералов;
• конкреции дна озёр, океанов, а также почв, содержащие в своём составе железомарганцевую руду;
• медно-колчеданные залежи.

По своему характеру происхождения месторождения подразделяются на магматические и литосферные залежи. Вторые исторически подвергались длительному физическому воздействию в процессе выветривания пород. Эти факторы накладывают определённый отпечаток на способы добычи никелевых руд.

Открытый

В случае неглубокого залегания минерала, как правило, прибегают к открытому способу добычи. На склонах горных массивов формируют уступы, используя при необходимости бурильные установки шарошечного типа. Погрузка породы на автотранспорт осуществляется экскаваторами. Как обычно, массу вскрышных материалов размещают на внутренних или внешних отвалах.

При сравнительно низкой стоимости данный метод извлечения полезных ископаемых связан со значительным неблагоприятным воздействием на окружающую местность и требует привлечения существенных людских и технических ресурсов, особенно на первых этапах разработки.

Закрытый

Разработка месторождений никеля, расположенных на большой глубине, требует создания разветвленной сети подземных горных выработок. Строительство шахтных стволов, штолен, штреков и добычных камер сопряжено с высокими капитальными вложениями и необходимостью использования:

• специализированной проходческой техники;
• высокопроизводительного добычного оборудования;
• сложных систем безопасности и вентиляции.

Особую сложность представляют горно-геологические условия эксплуатации: риск внезапных горных ударов, выделение метановоздушных смесей, возможные выбросы породы и газа.

Кобальт в большинстве случаев извлекается попутно при разработке никелевых месторождений, медно-колчеданных залежей, полиметаллических рудных тел. Технологическая схема добычи кобальтосодержащего сырья аналогична никелевой, но требует дополнительных операций сепарации на стадии переработки.

Технология переработки никелевых руд

Технология переработки никелевых руд отличается сложностью и многоступенчатостью. Зачастую часть сырья приходится возвращать к предыдущим этапам процесса. В значительной степени она определяется процентным содержанием нужного минерала в исходном сырье.

Так:

• богатые никелем руды (свыше 1% в составе) сразу отправляются на плавку;
• более бедные – рядовые, подвергаются обогащению;
• силикатные железистые руды проходят гидрометаллургический передел;
• силикатные магнезиальные руды идут на пирометаллургический передел;
• имеются также сложные комбинированные схемы, с помощью которых перерабатывают окисленные и смешанные руды.

Никель

Производство никеля из руды представляет собой многоступенчатый процесс. На первом этапе сырьё подвергают дроблению, сушке и обжигу для удаления влаги и посторонних примесей. Затем подготовленную руду смешивают с коксом и переплавляют в шахтных печах, получая промежуточный продукт – никелевый штейн.

После конвертирования штейна образуется белый никелевый штейн, который измельчают и направляют на обжиг. Полученную закись никеля восстанавливают древесным углём. Завершающей стадией производства является электролитическое рафинирование, позволяющее получить чистый металл. Побочные продукты процесса – шлаки и угарный газ – частично возвращаются в производственный цикл или утилизируются.

Кобальт

Процесс получения кобальта начинается с выщелачивания рудного сырья, для чего применяют серную кислоту, аммиачные растворы или обычную воду. В некоторых случаях целесообразно использовать пирометаллургические методы переработки.

На следующем этапе применяют два основных способа выделения кобальта:

• Осаждение гидроокисей с использованием хлорсодержащих реагентов;
• Электрохимическое осаждение на катодах при электролизе.

Ключевым условием получения высококачественного кобальта является тщательная предварительная очистка раствора от посторонних металлов – меди, железа, свинца и никеля, что достигается с помощью селективного осаждения или экстракции.

Продукт переработки

Металлы высоко ценятся в промышленности благодаря своей пластичности, жаростойкости и исключительной коррозионной устойчивости.

Сталь и сплавы

Основная часть мирового производства этого металла идет на изготовление нержавеющих сталей.  Особое значение имеют никелевые сплавы с медью, железом и хромом, которые благодаря своей термостойкости незаменимы в авиа- и ракетостроении, энергетике и космической технике. Широко применяется и никелирование – процесс нанесения защитного покрытия на металлические поверхности.

Кобальт играет ключевую роль в металлургии как легирующая добавка, значительно повышающая твердость и износостойкость сталей. Эти свойства делают кобальтовые стали идеальным материалом для производства высокоточного металлорежущего инструмента.

Аппараты для химической и пищевой промышленности

Никелевая сталь, обладающая термостойкостью и длительное время не подвергающаяся коррозии, находит широкое применение в химической индустрии. Значительное количество применяемых в отрасли резервуаров, цистерн, котлов, тиглей, труб, деталей машин и механизмов содержат в своём составе этот удивительный металл. Из него выпускают тару для химических реагентов. Кроме того, сам минерал достаточно часто применяется в качестве катализатора химических процессов.

Также содержащие никель материалы применяются при изготовлении ёмкостей для хранения и переработки значительного количества пищевых продуктов.

Оборудование для атомных электростанций

Современные ядерные энергетические установки содержат в корпусах своих реакторов и в трубопроводах сплавы на основе железа и никеля. Также в качестве материалов для оборудования атомных электростанций нашли применение суперсплавы на никелевой основе. Они широко известны под названиями:

• инконель – никель-хромовый жаропрочный сплав,
• хастеллой – сплав, обладающий высокой коррозийной стойкостью.

Приборы радиолокации

Изделия из никеля и его сплавов находят широкое применение в изготовлении приборов и электронных компонентов:

• Никелевые трубы широко востребованы в навигационных устройствах, системах дистанционного контроля, телевидении.
• Сплавы из никеля применяются в конструкциях антенных узлов, устройствах спутниковой связи и при изготовлении элементов электросвязи.

Статистические данные

По данным Геологической службы USGS, общий мировой запас никеля на начало 2024 года составлял около 100 млн тонн. Наибольшие запасы находятся на территории Доминиканы, ЮАР, США, Канады, Индонезии, Филиппин, Австралии, России и Новой Каледонии.

GlobalData в своих отчетах за 2024 год публикует данные о том, что мировая добыча кобальта превысила 300 тыс. тонн за год. Около 60% производится в Демократической Республике Конго. Лидерами по запасам кобальта являются Конго (6 млн тонн), Австралия, Куба, Филиппины, Канада, Замбия и Россия (250 тыс. тонн).

Предполагается, что к 2030 году производство кобальта превысит 400 тыс. тонн в год. К этому сроку в различных странах откроется более 25 новых месторождений. Однако в 2025 году выпуск данных металлов может значительно превысить рыночный спрос, что создаст профицит и приведет к снижению цен на металлы.

География и особенности добычи никеля и кобальта в России

На территории РФ основные запасы никелевых руд расположены в нескольких регионах (Мурманская область – Мончегорское месторождение, Средний Урал – Елизаветинское, Норильский район Красноярского края – Талнахское). Абсолютным монополистом внутри страны является «Норильский никель», который использует месторождения не только в Красноярском крае, но и на Кольском полуострове и Таймыре (это более 70% всех запасов в стране).

Переработка руды производится в основном на Талнахской ОФ. На Надеждинском металлургическом комбинате перерабатываются никелевые и пирротиновые концентраты ТОФ и небольшие объемы НОФ. Для складирования отходов используют собственные хвостохранилища (например, «Лебяжье»). 

В Мурманской области добывается около 13% металла. Курирует добычу дочернее предприятие «Норникеля» — «Кольская ГМК». На Урале добычей и переработкой никеля занимались «Южуралникель», «Режникель» и «Уфалейникель».

Однако все вышеперечисленные предприятия сократили или прекратили свою деятельность, не сумев должным образом отреагировать на рыночные изменения. Кризис также был связан с низким содержанием никеля в добываемых рудах и потребностью в модернизации производственных линий.

Руководитель Центра природопользования и геоэкологии УрО РАН Александр Семячков отмечает, что на Среднем Урале есть перспективные месторождения (такие как Серовское, Кунгурское и Парушинское). Они требуют вложений, развития и привлечения внимания бизнеса. Эксперт также предполагает, что спрос на никель и его сплавы останется высоким в ближайшие годы как внутри страны, так и за ее пределами.
 
Российское производство кобальта увеличилось более чем на 5% в 2024 году благодаря развитию атомной энергетики (на основе данных Росстата). Лидером по добыче и производству кобальта в Российской Федерации также является «Норникель», который входит в пятерку крупнейших мировых производителей. 

Обработка кобальта осуществляется преимущественно на Заполярной обогатительной фабрике (руды, добытые на Кольской ГМК). Однако, несмотря на увеличение объемов производства и увеличенный внутренний спрос, компания испытывает трудности с реализацией продукции из-за санкций в отношении российского кобальта.

Никель и кобальт – важнейшие металлы с уникальными свойствами, такими как высокая коррозионная стойкость и термостойкость. Они активно используются в производстве нержавеющих сталей, аккумуляторов и в аэрокосмической отрасли. Ключевыми странами-производителями являются Россия, Австралия и Демократическая Республика Конго. В России основные месторождения находятся в Норильске и Мурманске, и несмотря на экономические трудности и санкции, спрос на эти металлы остается высоким. В будущем их значение в промышленности будет только увеличиваться.

Обсудить новости промышленности можно в нашем чате в Telegram.