Как получают никель: добыча, выплавка, прокат
Никель – пластичный серебристый металл, который входит в пятерку самых распространенных металлических ископаемых планеты. Никель активно используется в химической промышленности и металлургии. Никелевый прокат применяют для строительства, машиностроения, судостроения и других отраслей производства.
История открытия никеля: как злобный гном портил медную руду
В Европе, на территориях, где сейчас находится Германия, в средние века велась добыча меди. И иногда горняки натыкались на «испорченную» руду, которая совершенно не подходит для выплавки красного металла. Суеверные средневековые горняки считали, что это проделки злобного горного гнома по имени Никель. На самом деле они находили медно-никелевую руду. Со временем металл оценили, а название злобного гнома оставили, так появился никель.
Кстати, «брата» гнома Никель звали Кобальт – он тоже, по мнению саксонских горняков, был тот еще вредитель. Только портил он не железную, а серебряную руду. А вот Никель портил медь, или «купфер» – на немецком языке. И испорченную руду называли «купферникель» – «чертова медь».
С названием разобрались. Но почему горняки так невзлюбили эту новую породу? Дело в том, что «чертова медь» по внешним характеристикам очень походила на обычную медную руду. Но когда ее начинали выплавлять по обычным технологиям, ничего путного из руды не получалось. Сейчас мы понимаем, что дело в соединении никеля с некоторыми веществами, например, с мышьяком, из-за чего к руде нужен совершенно другой подход. А раньше средневековые металлурги только удивлялись, как из отличной на вид руды получается что-то дурно пахнущее и совершенно непохожее на медь. Кстати, парами мышьяка еще и отравлялись, что только подтверждало суеверным горнякам, что все дело – в проделках гнома Никеля.
И только в 18 веке швед Аксель Кронштедт смог выплавить из купферникеля новый металл. Он же и дал ему наименование «никель», чтобы не запутаться. Правда в металле Кронштедта было много примесей, из-за чего его открытие подвергалось сомнениям среди ученых. Но спустя 5 лет, в 1775 году, еще один швед, Торберн Бергман, смог очистить металл от примесей мышьяка, кобальта и висмута. С этого года началось активное изучение и применение никеля. А суеверия горняков уступили место науке.
Добыча никеля: как получают никелевую руду
Россия занимает одно из первых мест по уровню добычи никеля в мире, мы уступаем только Индонезии и Филиппинам. Абсолютным мировым лидером по производству является российская компания «Норильский никель». Всего на территории России зафиксированы 13,2% от мировых запасов руды. Крупные центры добычи никеля расположены в Норильске, на Урале, в Мурманской и Воронежской областях.
Разведанные запасы никелевой руды составляют 135 миллионов тонн, поэтому металл не относят к редкоземельным, он достаточно распространен и активно разрабатывается. В природе никель в чистом виде практически не встречается, редко, только в метеоритах его можно встретить без примесей. А в никелевых месторождениях разрабатывается руда с добавлением кобальта, меди, железа. Никель в руде находится в оксидах, сульфидах и силикатах. Также в них содержатся примеси, например, мышьяк. Иногда никель добывают как побочный продукт на других горнодобывающих предприятиях.
В промышленности никелевые руды различают на две категории:
- магнезиальные – это тугоплавкие руды, для которых необходима плавка в электрических печах с выработкой ферроникеля;
- железистые – более простые в переработке, используют методы выщелачивания, получают никелевый порошок и другие продукты.
Месторождений никелевой руды множество, причем большее количество залежей находится на морском дне. Это дает гарантию, что еще не менее 100 лет количества металла будет достаточно для потребления человечеством.
Существует два способа добычи никелевой руды:
- Открытый. Используют при неглубоком залегании руды. С помощью бурильных установок на горных склонах формируются уступы, где работают экскаваторы. Они осуществляют погрузку вскрышных материалов на транспортеры. Способ относительно экономичный, но требует привлечения большого количества единиц техники и людей.
- Закрытый. Если руда располагается глубоко в земле, необходимо строительство шахт и штолен с помощью проходческого оборудования. Из сложностей – обеспечение безопасности подземных работ, защита от обрушений и сопутствующих газов.
Полученную руду отправляют на переработку.
Переработка и выплавка никеля: как из руды получается чистый металл
Добытое сырье отправляют на плавку и рафинирование. Получение чистого никеля из руды – сложный и многоступенчатый процесс. Подход, который используют для переработки, зависит от того, в каком состоянии и количестве находится никель в руде.
Если в руде менее 1% никеля, ее называют бедной. Такое сырье отправляют на обогащение. Если руда богатая (более 1% никеля), ее сразу плавят. В работе используется гидрометаллургический или пирометаллургический передел. Иногда технологии комбинируют.
Рассмотрим общий алгоритм выплавки никеля:
- Избавление руды от влаги и гнили. Для этого горную породу дробят и отправляют в сушильню.
- Готовят шихту: это смесь из руды, кокса и флюса. Кокс – это твердое топливо, которое необходимо для плавки. Флюс – это примеси для снижения температуры плавления руды. Иными словами, флюс нужен, чтобы выплавка происходила быстрее и при меньших затратах энергии.
- Шихта плавится, в результате получается два продукта: белый штейн – это полуфабрикат, промежуточный продукт, и шлак – это отходы, которые убирают из печи.
- Штейн проходит конвертирование. В процессе из массы удаляются разные сопутствующие, в том числе благородные металлы. В отличие от шлака, лишние металлы из штейна не выкидываются, а являются побочным продуктом переработки.
- Белый никелевый штейн снова проходит через измельчение. В такой форме полуфабрикат обжигают.
- Получается расплавленный металл, а сверху – снова шлак. Его собирают и отправляют либо на повторную выплавку, либо на изготовление стройматериалов.
- Металл отправляют на электролиз. В процессе никель очищается от оставшихся примесей. Получают первичный металл, например, марки Н0 и Н1.
Если в ходе производства требуется получить никелевый сплав или другую марку никеля, то в чистый первичный металл добавляют разные компоненты. Так получают марки НП0эви, НП2, НП2Э, НПА-1, ПНК-УТЗ, ПНЭ.
Никель и экология: вред и польза
Существует множество мифов о вреде никелевых месторождений. Они берут свои истоки еще в 18-20 веках, когда не было применено достаточных мер по защите людей от примесей, содержащихся в породах. Самыми опасными являются взвеси мышьяка, который может вызвать отравление.
Современные месторождения и заводы по переработке никеля оснащены всеми технологиями для защиты экологии. Системы фильтрации и хранения отходов предотвращают или значительно сокращают количество вредных выбросов. Сейчас добывать никель – не более опасно для экологии, чем любой другой металл.
Еще один важный момент: никель практически на 100% поддается вторичной переработке, причем после повторной выплавки он совершенно не теряет своих свойств. Это делает материал максимально экологичным для применения, так как при вторичной переработке сокращается добыча руды.
Что касается использования чистого никеля и никелевых сплавов, металл не опасен для большинства людей. Он очищен от вредных примесей, а в чистом виде может использоваться повсеместно, в том числе в пищевой и химической промышленности. Единственное ограничение – это применение никеля в ювелирном деле, так как постоянный круглосуточный контакт металла с кожей может вызвать у некоторых людей индивидуальную аллергическую реакцию.
Применение никеля в металлургии
Подавляющее большинство добытого никеля отправляется металлургам. Они, в свою очередь, очень ценят металл за пластичность, жаропрочность и устойчивость к коррозии. Большая часть никеля в металлургии уходит на производство нержавеющей стали, там металл используют в качестве легирующей добавки.
Часть никеля идет на создание сплавов с медью, железом, хромом – получаются очень жаропрочные и устойчивые к разным воздействиям материалы, которые активно применяются в авиа- и ракетостроении.
Никелевые аноды активно применяются для никелирования. Это процесс, при котором разные металлы и сплавы покрываются прочной защитной пленкой.
Остальной чистый никель и никелевые сплавы уходят на никелевый прокат. Изготавливают ленты, листы, проволоку, трубы и прутки из никеля. Изделия применяются в строительстве и производстве машин, станков, судов, самолетов.
Никель – один из самых распространенных металлов. Его добыча, переработка, выплавка и прокат занимают важную роль в мировой экономике, в частности, в российской металлургии и горнодобывающей промышленности.