Никелевые руды — это обширная группа природных минералов, которые содержат никель в достаточных количествах для экономически целесообразной добычи. Никель является пластичным и одновременно достаточно твердым металлом, а также обладает рядом других физических свойств, которые высоко ценятся в современном высокотехнологичном мире. В этой статье мы узнаем об основных никелевых рудах, вспомним историю их открытия, а также реконструируем путь, который минералы проходят от залежей в недрах земли до металлургических печей и промышленных предприятий.
Основные типы и состав никелевых руд
Науке известно более 50 минералов, содержащих соединения никеля в качестве основного структурного компонента. Также в десятках пород этот элемент содержится в виде примесей. Однако промышленное значение имеют всего лишь несколько минералов, наличие которых позволяет определять руду как никелевую. Месторождения никелевых руд делятся на 2 основных типа в зависимости от их природного происхождения.
- Сульфидные медно-никелевые руды: образуются в верхней мантии Земли, на глубине порядка 20 – 50 километров. Поднимаясь из недр, магма застывает и разделяется на 2 части: силикатную и сульфидную. Силикатный расплав становится основой для будущих горных пород, тогда как сульфидный трансформируется в полезное ископаемое, в котором сера химически соединена с металлами: медью, железом и, конечно, никелем. Благодаря тектонике плит эти глубокие залежи поднимаются ближе к поверхности и становятся доступны для добычи.
- Силикатные никелевые руды: в отличие от сульфидных руд, силикатные формируются непосредственно на поверхности Земли. Коренные горные породы, также известные как материнские, изначально содержат совсем мало никеля, в пределах 0,2%. Однако в течение миллионов лет они подвергаются выветриванию — под воздействием солнца и обильных осадков минералы разрушаются и теряют легкорастворимые силикаты магния и кремния. Никель же отличается высокой химической стойкостью, а потому его концентрация в породах возрастает. Так формируются силикатные руды, залегающие в пределах нескольких десятков метров под поверхностью почвы.
Внутри никелевых руд могут встречаться минералы, различные по своему составу и доле содержания металла. Мы с вами коротко рассмотрим 5 наиболее распространенных никелевых минералов (прим. ред.: первые 3 минерала из списка добывают из сульфидных месторождений, а последующие 2 — из силикатных).
- Пентландит ((Fe,Ni)9S8) — в среднем содержит 34% никеля, однако доля может варьироваться от 10 до 42%. В земной коре чаще всего содержится в виде зернистых вкраплений или сплошных масс, соединенных с другими минералами.
- Никелистый пирротин ((Fe,Ni)7S8) — как правило, содержит менее 1% никеля, однако почти всегда находится в месторождениях вместе с пентландитом, составляя основную массу рудного материала.
- Миллерит (NiS) — содержит почти 65% никеля и является рекордсменом по этому показателю. В породах миллерит встречается редко, обычно в виде небольших включений или тонких игольчатых кристаллов.
- Гарниерит ((Ni,Mg)4Si6O15(OH)2·6H2O) — собирательное название для группы гидратированных силикатов магния и никеля, в которых доля содержания последнего составляет от 5 до 40%. Имеет характерный ярко-зеленый цвет, от которого произошло его неофициальное название «никелевая зелень».
- Непуит ((Ni,Mg)3Si2O5(OH)4) — в чистом виде теоретически может содержать до 46% никеля, однако в естественной среде в процессе выветривания этот элемент частично замещается магнием. В результате концентрация металла в извлекаемых фрагментах составляет 18 – 32%.
История открытия и изучения никелевых руд
В древности металлурги не знали о таком элементе, как никель, однако они опытным путем выделяли содержащие его руды и использовали их, чтобы получать более прочный и износостойкий металл. Самые древние бронзовые орудия с примесями никеля, датированные серединой IV тысячелетия до н. э., находили на современной территории Сирии. В Древнем Китае примерно с 1700 года до н. э. медно-никелевые руды использовали для производства сплава «байтун», что в переводе означает «белая медь». Впоследствии, во II веке до н. э., аналогичный сплав с 25% никеля использовали для чеканки монет в восточном эллинистическом царстве Бактрия, охватывающем современные территории Таджикистана, Узбекистана и Афганистана.
Широкую известность никелевой руде принесли горняки из Саксонии — государства, которое в наши дни является одной из земель Германии. В XV веке во время добычи медной руды они находили визуально похожие на нее красно-коричневые породы. Однако при попытках выплавки данная порода преобразовывалась в бесполезные шлаки, а из печей выходил едкий дым — как выяснилось позже, ядовитый из-за примесей мышьяка. Работники решили, что руду проклял злой горный дух по прозвищу Никель и начали называть ее «Kupfernickel», что можно перевести на русский язык как «заколдованная медь». Примерно в те же времена у саксонских металлургов была похожая ситуация с вольфрамом, включения которого мешали им выплавлять из руды олово.
В 1751 году загадку «про́клятой руды» смог решить шведский химик Аксель Кронстедт, которого многие считают основоположником современной минералогии. Он был одним из первых, кто проводил химический анализ пород с помощью паяльной трубки. Направляя на образец тонкую струю воздуха через пламя свечи, он создавал зону с очень высокой температурой. Окислительные реакции позволяли избавиться от примесей и получить оксид, а восстановительные преобразовывали его в металл, названный «никелем» в честь того самого горного духа из легенд. Научное сообщество долго не принимало достижения Кронстедта, считая, что он получил смесь уже известных на то время металлов, однако дальнейшие эксперименты подтвердили открытие нового химического элемента.
Поначалу никель получали в совсем небольших количествах как побочный продукт производства кобальтовой си́ни — краски синего цвета. Металл стал основой для новых сплавов — нейзильбера и мельхиора (прим. ред.: в классических составах нейзильбер содержит 65% меди, 20% цинка и 15% никеля, а мельхиор — 81% меди и 19% никеля), — которые шли на изготовление кухонной утвари и украшений. Однако с открытием сульфидных и силикатных месторождений, развитием науки и металлургии в середине XIX века никелевые сплавы получили широкое применение в самых разных отраслях промышленности. А в оборот, как в эллинистические времена, вновь вернулись медно-никелевые монеты, которые начали чеканить в США и ряде европейских стран.
История никелевых руд была бы неполной без упоминания нашей страны. В 1920 году геолог Николай Урванцев и его коллеги находились в Арктике, в экспедиции, целью которой был поиск месторождений угля. Однако спустя год работы помимо угля ученые обнаружили богатые медно-никелевые рудные залежи. Месторождение получило название «Норильск-1» в честь протекающей поблизости реки Норильская. В 1930 году богатые медно-никелевые месторождения были разведаны также на Кольском полуострове.
В 1935 году в районе норильского месторождения началось строительство горно-металлургического комбината, которое велось силами заключенных из построенных рядом лагерей. В 1939 году Норильский горно-металлургический комбинат выдал первую продукцию. В том же году заработал и никелевый комбинат на Кольском полуострове. В 1942 году работа норильского комбината была форсирована: никель был крайне необходим для изготовления танковой брони. К 1944 году в Норильске производили большую часть советского никеля. Постепенно вокруг предприятия вырос рабочий поселок Норильск, в 1953 году получивший статус города.
Крупнейшие месторождения никелевых руд в мире и России
По приблизительным оценкам, в месторождениях во всем мире содержится более 130 млн тонн никеля, добыча которых может иметь экономическую выгоду. Больше 70% мировых запасов заключено в силикатных месторождениях вблизи экватора — в Южной Америке, Юго-Восточной Азии и Австралии. На сульфидные месторождения приходятся оставшиеся 30% резервов — значительная часть из них находятся в северных месторождениях России и Канады. По статистике 2024 года, топ-5 мировых лидеров по запасам никеля выглядит следующим образом (прим. ред.: в скобках указаны общие резервы и годовые объемы добычи, в тысячах тонн).
- Индонезия (55 000 / 2 200). Страна контролирует более 60% глобального рынка никеля, добывая руду из силикатных месторождений. Разработка горного комплекса на острове Сулавеси является одной из важнейших составляющих индонезийской экономики. На карьерах Сулавеси внедряются инновационные технологии добычи и переработки.
- Австралия (24 000 / 110). В разных частях страны добывают как сульфидные, так и силикатные руды. Их крупнейшие месторождения — «Маунт Кейт» и «Муррин-Муррин» соответственно. Из-за высоких экологических стандартов и дорогой рабочей силы добыча никеля в Австралии не столь выгодна, и многие рудники консервируются на неопределенные сроки.
- Бразилия (16 000 / 77). В Бразилии никелевые руды чаще всего добывают совместно с железными, играющими ключевую роль в экспортной политике страны. Крупнейшее месторождение «Онка Пума» относится к силикатному типу. На прилегающем к нему заводе в основном производят сплавы железа и никеля.
- Россия (8 300 / 210). В нашей стране никелевые руды добывают в экстремальных арктических условиях. Норильские месторождения «Талнахское» и «Октябрьское» богаты также платиной и палладием, что делает их разработку экономически выгодной вне зависимости от мировых цен на никель. На Кольском полуострове крупнейшими месторождениями являются «Ждановское» и «Заполярное».
- Новая Каледония (7 100 / 110). Для заморской территории Франции никель одновременно является базовой составляющей финансового благополучия и причиной массового недовольства местного населения из-за несправедливого распределения выгоды с продажи металла. На крупнейшем месторождении Новой Каледонии — «Горо» — регулярно приостанавливаются работы из-за гражданских волнений и забастовок рабочих.
Методы добычи и переработки никелевых руд
Добыча никелевых руд осуществляется классическими для всей отрасли методами. Силикатные руды залегают как непосредственно на поверхности, так и на глубине до нескольких десятков метров. Поэтому для них предпочтительнее открытый метод добычи, включающий создание карьеров, удаление слоев почвы и пустых пород и непосредственную выемку руды посредством буровых и взрывных работ. Сульфидные руды залегают на глубине от 500 метров до 2 километров, и для их добычи необходимо строить шахты. Комплексы вертикальных стволов и горизонтальных штреков обеспечивает доступ к рудным скоплениям, а системы конвейеров позволяют поднимать полезные ископаемые на поверхность.
Процессы переработки сульфидных и силикатных никелевых руд имеют существенные отличия из-за их химического состава и физических свойств.
- Сульфидные руды легко поддаются обогащению. В измельченном виде их отправляют на флотацию — в специальных ваннах со смесью воды и реагентов пузырьки воздуха захватывают частицы минералов, тогда как излишки породы оседают на дне емкости. Полученный концентрат плавят в печах, в результате чего образуется штейн — сплав сульфидов железа, меди и никеля. Продувая его горячим воздухом, специалисты удаляют железо и серу, оставляя файнштейн — сульфид меди и никеля. Затем никель отделяют от меди посредством той же флотации или магнитной сепарации. Завершающим штрихом является очистка с помощью электролиза — под действием тока «черновой» никель растворяется в электролите и оседает на «чистой» пластине.
- В силикатных рудах никель не образует отдельных зерен минералов, а оказывается встроен в кристаллические решетки пород, из-за чего обогащение флотацией к ним не применяется. Распространенной является технология выщелачивания, при которой сырье обрабатывают серной кислотой при высокой температуре и давлении. После этого никель и кобальт переходят в раствор, а железо остается в осадке. В раствор последовательно добавляют различные химические соединения, удаляя примеси. Выщелачивание позволяет получить чистый металл или же концентрат, который отправляют на плавку.
Использование никеля в металлургии
В наши дни порядка 70% всего добываемого никеля отправляют на производство нержавеющей аустенитной стали, имеющей особую кристаллическую решетку, в которой атомы располагаются максимально плотно. За создание аустенитной структуры отвечает именно никель. Готовый материал не имеет магнитных свойств, что особенно важно для работы чувствительных к помехам приборов, обладает высокой пластичностью и сохраняет прочность под воздействием как высоких, так и низких температур. Стандартом в производстве медицинских инструментов и кухонной посуды является сталь марки 18/10 (прим. ред.: 18% хрома и 10% никеля). Благодаря идеально гладкой поверхности ее легко мыть и дезинфицировать, а защитная пленка из оксида хрома обеспечивает превосходную коррозийную стойкость.
Рассмотрим и другие области применения сплавов никеля.
- Инконель — жаропрочный суперсплав на основе никеля и хрома сохраняет высокую прочность при температуре до 800 °C. Используется в производстве деталей турбин ракетных двигателей и ядерных реакторов, а также систем выпуска гоночных болидов.
- Инвар — специальный сплав железа и никеля обладает практически нулевым коэффициентом теплового расширения. Это свойство имеет критическую важность при создании измерительных приборов, корпусов и систем крепления телескопов, резервуаров для перевозки и хранения сжиженного газа.
- Нитинол — сплав никеля и титана обладает удивительным эффектом «памяти». При высокой температуре атомы выстраиваются в жесткую аустенитную структуру, а при охлаждении перестраиваются в более податливую форму. Повторный нагрев детали из нитинола приводит к тому, что атомы возвращаются в устойчивое положение, и она принимает исходную форму (прим.ред.: при деформации не более 6 – 8%). Материал чаще всего используют в медицине при изготовлении самораскрывающихся стентов для сосудов.
Использование никеля в химической и других отраслях промышленности
Около 10% всего никеля в мире используется для нужд гальванотехники — прикладного раздела электрохимии, охватывающего совокупность процессов осаждения металлов. Достаточно распространенным методом является никелирование — нанесение тончайшего слоя никеля на поверхность других металлов. Как правило, он имеет толщину не более 40 мкм, то есть в 2 – 2,5 раза тоньше человеческого волоса. Никель формирует пленку, которая одновременно дает защиту от коррозии и визуально приятный блеск. Среди никелированных изделий можно отметить детали ретроавтомобилей, винтажную элитную посуду, дверные ручки, водопроводные смесители, контакты в компьютерах и смартфонах, элементы шасси самолетов и многое другое.
В прошлом никель был ключевым компонентом перезаряжаемых батареек. Они были надежны, но токсичны из-за наличия кадмия. На смену им пришли никель-металлогидридные батарейки, менее популярные, чем алкалиновые, но поддерживающие возможность перезарядки. В наши дни никель используют в качестве катода в литий-ионных аккумуляторах. От него зависит энергоемкость — чем больше никеля, тем дальше уедет электромобиль на одном заряде.
Как известно, вещества, которые стимулируют возникновение реакций между другими компонентами, но сами при этом не расходуются, называются катализаторами. Именно таким катализатором выступает никель в ряде важных химических реакций. В присутствии порошкового никеля жидкие растительные масла взаимодействуют с водородом, трансформируясь в маргарин и твердые кулинарные жиры. Кроме того, никель используют для синтеза лекарственных соединений, выделения водорода из метана и очистки промышленных выбросов.
Экономическое значение никеля и мировая торговля
В современной экономической ситуации роль никеля стремительно трансформируется. Если в прошлые годы он воспринимался преимущественно как металлургическое сырье, то в настоящем он становится важной частью глобального тренда на повышение экологичности производства. В связи с этим возникает противоречивая ситуация. Индонезия, будучи доминирующим игроком на рынке никеля, тратит колоссальное количество энергии на его добычу и переработку, повышая углеродный след и разрушая морские экосистемы. При этом некоторые автоконцерны, например, «Tesla», стремятся покупать более «экологичный» ресурс из сульфидных руд, однако полностью преодолеть зависимость от индонезийского никеля им не удается.
В марте 2022 года мировой рынок никеля пережил исторический кризис. На фоне опасения санкций против российского никеля, чистейшего как с химической, так и с экологической точки зрения, а также открытия большого количества коротких позиций (прим.ред.: сделок с целью заработать на падении цены актива) цены на металл выросли с $20 000 до 50 000 за тонну, что вынудило биржи приостановить торги. Впоследствии рынок оказался наполнен низкосортным индонезийским сырьем, добываемым посредством угольной энергетики. Это позволило стабилизировать цены, но вместе с тем сделало работу множества сульфидных рудников, например, в Австралии и Новой Каледонии, нерентабельной.
До введения санкций Россия обеспечивала до 40% потребностей европейского рынка никеля, поставляя на мировой рынок высокосортное сырье. Затем география сбыта была переориентирована на Азию — крупнейшим импортером никеля стал Китай, закупающий его как в Индонезии, так и в России. Также Китай предоставил доступ к высокотехнологичному оборудованию для горной добычи и плавки, что позволило избежать кризиса в российской никеледобыче. Эксперты отмечают, что посредством сложных логистических цепочек российский никель все же продолжает поступать в Евросоюз и США, однако усложнение цепочек сказывается на его конечной стоимости.
Перспективы развития рынка никелевых руд
Перспективой ближайшего десятилетия является окончательное разделение рынков «грязного» и «чистого» никеля. В 2026 году на биржах уже формируется 2 типа цен: стандартная и с надбавкой за неэкологичные методы производства. Также в будущем ожидается усиление профицита — уже сейчас годовой объем производства никеля превышает спрос более чем на 200 000 тонн. Можно сказать, что будущее никеля видится неопределенным. Скорее всего, он останется ключевым компонентом функциональных сплавов. И хотя в сфере производства аккумуляторов спрос на него растет, в будущем рынок может переориентироваться на более дешевые безникелевые аналоги.
Никелевые руды в вопросах и ответах
1. Когда впервые был открыт никель и его руды?
Металлурги использовали никелевые руды еще во II тысячелетии до н. э., а как химический элемент никель был открыт в 1751 году.
2. Какие разновидности никелевых руд существуют?
Существуют сульфидные медно-никелевые руды и силикатные оксидные руды.
3. Какой химический состав характерен для никелевых руд?
В состав сульфидных руд входят сера, медь, железо и кобальт, а силикатные отличаются высоким содержанием кремния и магния.
4. Где находятся крупнейшие месторождения никелевых руд в мире?
Крупнейшие месторождения никелевых руд находятся в Индонезии, Австралии, Бразилии и России.
5. Каковы крупнейшие месторождения никеля в России?
Крупнейшие месторождения никеля в России — «Талнахское» и «Октябрьское» — находятся на севере Красноярского края.
6. Каким способом добывают никелевые руды?
Сульфидные никелевые руды добывают подземным способом, а силикатные — карьерным.
7. Как перерабатывают никелевые руды для получения металла?
Сульфидные руды обогащают посредством флотации, плавят на штейн, продувают для получения файнштейна и очищают электролизом. Для силикатных руд используют выщелачивание с целью получения металла или рудного концентрата.
8. Какую роль играет никель в производстве стали?
Никель выполняет функцию легирующего компонента (прим. ред: компонента, который добавляют в сплав для улучшения свойств металла) в аустенитной нержавеющей стали.
9. Почему никель важен для создания нержавеющих сплавов?
Никель отвечает за создание плотной и одновременно пластичной структуры металла.
10. Используется ли никель в химической промышленности?
Да, никель используется в гальванотехнике и производстве литий-ионных аккумуляторов, а также в качестве катализатора в пищевой и газовой промышленности.
11. Какие страны лидируют в добыче никелевых руд?
Лидерами по добыче никелевых руд являются Индонезия, Филиппины и Россия.
12. Какие экологические последствия связаны с добычей никеля?
Добыча никеля сопряжена с загрязнением атмосферы и гидросферы, разрушением ландшафтов и нанесением ущерба экосистемам.
13. Каковы запасы никеля в России и мире?
Мировые запасы извлекаемого никеля составляют около 130 млн тонн. Из них 8,3 млн тонн содержится в российских месторождениях.
14. Какие компании являются крупнейшими производителями никеля?
Крупнейшим производителем никеля является китайско-индонезийская компания «Tsingshan», а в секторе производства высокосортного никеля лидирует российская компания «Норильский никель».
15. Каковы перспективы мирового рынка никелевых руд в ближайшие десятилетия?
Высока вероятность, что в ближайшие десятилетия на никелевом рынке предложение будет опережать спрос, что может привести к сокращению объемов добычи.
Автор текста Иван Стефанов
Изображение на обложке: Freepik
