Добыча никеля и влияние этого процесса на экологию

Никелевая руда была известна еще до ее официального открытия. В течение 17 века на территории нынешней восточной Германии велась активная добыча медной руды. Совместно с ней в месторождениях часто попадалась другая порода — несмотря на схожие свойства, все попытки ее переработки в медь оканчивались неудачей. Единственное применение минералу нашли на производстве стекла, в качестве красителя.

Из-за этого горняки прозвали бесполезную на тот момент руду Kupfernickel — от слов kupfer (медь) и nikkel (обманный, озорной, двуличный). Долгое время порода считалась второсортной. В 18 веке, благодаря развитию минералогии, руда привлекла интерес исследователей. В 1751 году изучением ее свойств занялся шведский специалист Кронштедт.

В ходе опытов ему удалось восстановить из окисла неизвестный металл, по характеристикам схожий с железом. Очищенное вещество было с серебристо-белым оттенком, твердым и пластичным. Благодаря устоявшемуся названию оно было описано как никель.

Свойства никеля

В ходе дальнейших исследований удалось установить другие свойства никеля, благодаря которым он и получил широкое распространение в промышленности. Этому способствовало широкое распространение в залежах по всему миру — вклад в изучение вносили минерологи и химики разных стран. Благодаря этому вскоре после официального описания элемента его характеристики были хорошо известны.

Металлические

В качестве ископаемого, добываемого совместно с рудой, никель был интересен в первую очередь как металл. Ему присущи стандартные параметры:

• характерный оттенок и блеск;
• залегание в минералсодержащих породах — сульфидах и силикатах;
• подверженность окислению;
• твердость и прочность.

Никель причисляют к тяжелым цветным металлам — наряду с медью, свинцом и оловом.

Физические

Одна из основных характеристик, которую установили еще в первые годы открытия и исследований, — высокая пластичность и ковкость никеля. Также установили другие характеристики:

• притягивается магнитом (ферромагнетик);
• высокая жаростойкость;
• высокая устойчивость к коррозии;
• теплопроводность, уменьшающаяся при нагревании;
• температура плавления — 1455 °С;
• удельное электрическое сопротивление 0.0684 мкОМ.

Свойства позволяют применять никель в производстве нержавеющей стали и реактивов. Также благодаря жаропрочности он служит основой сплавов для аэрокосмической промышленности.

Продукт переработки

Сталь и сплавы

Благодаря своим уникальным свойствам: пластичности, жаростойкости, устойчивости к химическим воздействиям и не взаимодействию с кислородом, металл очень ценится металлургами. Большая часть производимого никеля расходуется на производство нержавеющей стали.

Достаточно значительное количество используется на получение сплавов с медью, железом и хромом. Именно они, благодаря своей жаростойкости широко востребованы при производстве газотурбинных и реактивных установок в самолётостроении, ракетостроении, космонавтике, атомной энергетике.

Не стоит забывать и о таком важном процессе, как никелирование поверхностей, применяемом для защиты поверхностей и придания им характерного внешнего вида.

С помощью кобальта производится легирование сталей, что в значительной степени повышает их твёрдость и прочность. Именно эти марки сталей идут на изготовление 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.

Классификация

В зависимости от потребностей определенной производственной сферы применения применяют никель той или иной марки. Они отличаются содержанием металла и видом сырья.

1. Первичный никель. Характеризуется высоким содержанием — 99,99 и 93,93 % для марок НО, Н1. Его получают в ходе электролиза и выпускают в пластинах или полосах. Также может быть получен в ходе переплава или рафинирования — в этом случае поставляется слитками, обрезами или гранулами. Маркируется цифрами от 2 до 4.
2. Полуфабрикатный. Представляет собой листы, прутья, проволоку. Согласно стандарту, содержание никеля также высокое, сопоставимо с первичным, однако маркируется он уже буквами НП. Может выпускаться в стержневом виде (анодный никель, марки НПА1 и 2).
3. Модификации анодных марок, на поверхности которых не образуется пленка. Классифицируется как непассивирующийся, обладает специальным обозначением — НПАН.

Также в процессе получения могут добавляться кремень или марганец. Обычно выпускается в виде проволоки. Добавленные элементы заносят в маркировку — НКО и НМц соответственно.

В некоторых отраслях промышленности применение никеля с лучшими характеристиками необоснованно и оборачивается излишними затратами на сырье и изготовление продукции. Поэтому для изготовления обычных сплавов и заготовок применяют более недорогие разновидности.

Технология переработки никелевых руд

Технология переработки никелевых руд отличается сложностью и многоступенчатостью. Подчас 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.

В никель

Для того чтобы получить из руды никель, первоначальное сырьё проходит целый ряд этапов переработки:

• Прежде всего, руду очищают от влаги и гнилостей. Для этого её подвергают дроблению, затем сушат и спекают в печах.
• Полученные в результате первого этапа флюсы и гипс разбавляют коксом и всю полученную массу переплавляют в штейн (промежуточный металлургический продукт).
• В результате плавки образуется штейн и шлак. Шлак направляют в отвал. А штейн продувают в конвекторе.
• После чего получается белый никелевый штейн и опять же шлак, часть которого снова отправляется на переплавку, а другая часть используется для выработки угарного газа.
• Белую массу, содержащую значительное количество никеля опять же дробят и измельчают, чтобы затем направить на обжиг.
• Закись никеля восстанавливают, используя древесный уголь.
• Окончательным этапом получения нужного химического элемента Niявляется электролитическое рафинирование.

Никель

В кобальт

Для получения кобальта из никелевых руд, их предварительно растворяют с помощью серной кислоты, аммиака или воды. Иногда используют пирометаллургические процессы.

Затем с помощью хлорных соединений получают гидроокиси кобальта или с помощью электроэкстракции выделяют кобальт на катодах в процессе электролиза. Чтобы получить высокочистый металл, раствор предварительно тщательным образом очищают от примесей: меди, железа, свинца и никеля.

Добыча металла в разных странах

Никель распространен на территории всего мира, как железо, кремний или магний. Несмотря на обилие залежей на каждом континенте, лидерами по добыче становятся страны с развитым промышленным комплексом. Это обусловлено особенностью обработки исходной никельсодержащей руды для получения металла в чистом виде.

Сам по себе пригодный для производства металл не встречается — для получения необходимо перерабатывать сульфаты, силикаты и оксиды. Рациональнее всего размещать предприятия в непосредственной близости от места добычи. Например, несмотря на обилие залежей на территории Кубы, в число лидеров по добыче страна не входит.

Крупнейшими предприятиями считаются:

• российский «Норильский никель» — пятая часть мировой добычи;
• канадская компания Vale Inco Ltd;
• китайская Jinchuan Group Co. Ltd;
• австралийская корпорация BHP Billion.

Меньшее количество добывают в Бразилии, Греции, Украине. Количество открытых и действующих месторождений по всему миру насчитывает более 400.

В России залежи сосредоточены в Таймырском округе, на Урале и в Мурманской области. Работы по добыче начались в 19 веке, в период развития металлообработки. Первые рудники были открыты на Среднем Урале — также в ходе разработки медных месторождений. Считалось, что там находятся основные залежи никельсодержащей руды — этому способствовало обнаружение еще нескольких крупных жил.

В ходе интенсивной разработки разведанных ресурсов запасы были истощены. В конце столетия добыча никеля в России переживала упадок — до начала освоения новых залежей. В начале следующего века новые метода геологической разведки позволили обнаружить никель в других областях. В период с 1933 по 1942 гг. были запущены несколько крупных предприятий, регулярно поставлявших партии обработанного никеля для нужд промышленности.

Крупные месторождения Восточной Сибири

Березовское месторождение сидеритовых руд (юг Читинской области), разведанные запасы руды 438 млн т, содержание железа 36,6—50,6 %. Проектная мощность — 10 млн т руды в год. Права на разработку проданы в 2005 году китайской .

Бакчарское железорудное месторождение (Томская область), балансовые запасы руды 90 млрд т. Права на разработку принадлежат администрации Томской области.

Эльгинское месторождение каменного угля (республика Якутия), балансовые запасы 2,1 млрд т каменного угля, оценка стоимости — $75 млрд. Права на разработку принадлежат ОАО «Эльгауголь», разработка не ведется.

Денисовское месторождение каменного угля (республика Якутия), разведанные запасы каменного угля 66 млн т. Права на разработку отдельных участков принадлежат Evraz Group.

Холодненское полиметаллическое месторождение свинца и цинка (республика Бурятия), разведанные запасы свинца и цинка 334 млн т, перспективные запасы 185 млн т. Права на разработку принадлежат .

Озерное месторождение цинка, разведанные запасы 104,96 млн т, перспективные запасы 23,2 млн т. Права на разработку принадлежат .

Удоканское медное месторождение (Читинская область), запасы меди 20 млн т (58 % медных резервов России) с содержанием 1,5 % меди в руде. Примерная оценка необходимых инвестиций в развитие — $1,5 млрд. Аукцион намечен на 2006 год, после утверждения поправок к закону «О недрах». Претенденты на месторождение — ГМК «Норильский никель», УГМК, РМК, Phelps Dodge.

Элегестское месторождение каменного угля (республика Тува), запасы оцениваются в 1 млрд т. Оценка инвестиций — $1-1,1 млрд в течение 5-6 лет. Начало добычи запланировано на 2006 год. Права на разработку принадлежат Объединенной промышленной корпорации.

Типы месторождений

Один из параметров, влияющих на объем добычи руды и затраты на обработку, — разновидность породы. Несмотря на идентичные свойства чистого металла, процесс его формирования в природе варьируется. К никелевым рудам относят:

1. Медно-никелевые руды, сульфиды. Преобладающий тип, требующий наименьшего количества энергии для переработки. Распространены на территории СНГ и Канады.
2. Силикаты, кобальт-никелевые. Располагаются в Индонезии, на Кубе. Также именно в таком виде добывали никель в начале развития отечественной добычи — на среднем Урале.
3. Медно-колчеданные и сульфидно-арсенидные руды. Считаются вторичными, так как никель во время добычи не является основным веществом.

Большое количество запасов никеля также залегает на океаническом дне. Поэтому к числу потенциальных лидеров относят также страны, имеющие ресурсы и доступ к соответствующему способу добычи. Однако количество запасов никеля на суше остается настолько большим, что лишние затраты на подобные методы считаются нецелесообразными.

Мировые запасы

Данные взятые из разных источников весьма противоречивы и очень сильно отличаются по годам, содержанию минерала, а также по уровню подтверждённой достоверности экспертными службами.

Выявленные ресурсы никелевых руд оцениваются в 190-210 млн. тонн. Из них большая часть с концентрацией никеля свыше 1% (130 млн. тонн), меньшая часть с концентрацией 0,2-1% (80 млн. тонн). Огромные залежи этого уникального минерала расположены на дне мирового океана (почти 700 млн. тонн), правда, обладающие средней концентрацией данного полезного ископаемого.

Трудно сказать какая из стран обладает наибольшими запасами никелевых руд. Одно можно с достаточной степенью уверенности утверждать, что в списке лидеров (стран, обладающих более 5 млн. тонн залежей этого ресурса) находятся: Австралия, Бразилия, Индонезия, Канада, Куба, Россия, Новая Каледония. Также значительными запасами (более 1 млн. тонн) обладают: Албания, Греция, территория бывшей Югославии, Украина, Казахстан, Гватемала, Колумбия, Буркина-Фасо, Бурунди, Кот-д,Ивуар, Мадагаскар, ЮАР, Китай, Филиппины, Папуа-Новая Гвинея.

Кобальт

Мировые запасы кобальта оцениваются примерно в 500 млн. тонн, из них разведанные запасы на 2005 год составляют почти 13 млн. тонн.

Способы добычи никеля

Разработка месторождений ведется несколькими методами. Выбор связан с типом руды, а также производственными затратами.

1. Открытый способ. Представляет собой карьер. При помощи станков из ступенчатых стен добывают руду, после чего ее при помощи экскаваторов и самосвалов вывозят на поверхность.
2. Закрытый. Происходит на глубине от километра и ниже. Отличается большей степенью опасности, большими тратами на технику и оборудование.
3. Добыча с морского дна. Самый затратный способ, с ограниченными возможностями обработки в месте добычи.

Шахты и скважины устанавливают в местах, где содержатся сопутствующие минералы с полезными свойствами. Это позволяет окупить затраты на добычу. Оптимальным способом добычи остается обычный карьер.