Как добыть металл кобальт

Никель и кобальт: свойства, способы добычи и переработки

Никель и кобальт – это цветные серебристо-белые металлы, широко востребованные в химии и металлургии. Самое интересное, что своим названиям данные элементы обязаны хитрым и коварным персонажам древних саксонских легенд, устраивавшим рудокопам всяческие козни при добыче полезных ископаемых. И тот и другой были открыты и описаны в первой половине XVIII века двумя шведскими учёными Г. Брандтом и А. Ф. Кронстедтом.

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

При значительной глубине размещения никелевых руд приходится прибегать к строительству сложных подземных сооружений: шахт, штолен, штреков, камер. Что, естественно, приводит к существенным затратам и необходимости применения специального проходческого и добывающего оборудования. При этом также очень важны вопросы безопасности, сложность которых усугубляется горными ударами и выделением удушливых и взрывоопасных газов.

Что касается кобальта, то он обычно получается, как сопутствующий минерал при разработке комплексных месторождений совместно с никелем или другими минералами теми же способами добычи.

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.

  • 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.

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.

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.

Читайте также:  Как определить что за металл по внешнему виду

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.

Месторождения в России и мире

Более 400 месторождения ведут добычу никелевых руд во всём мире. Крупнейшие отечественные месторождения расположены на территории:

  • Таймырского округа – Октябрьское и Талнахское.
  • Мурманской области – Ждановское.
  • Челябинской области – Сахаринское.
  • Урала – Серовское.
  • Оренбургской области – Буруктальское.

Более мелкие присутствуют в Карелии, Воронежской области, на территории республики Тыва, в Амурской области и Камчатском крае.

За рубежом значительные залежи имеются:

  • в Канаде, на Кубе, в ЮАР,
  • на Украине, в Албании и Греции,
  • в Индонезии, на Филиппинах, в Австралии и Новой Каледонии.

Список мест расположения крупнейших месторождений кобальта по странам мира:

  • Бу-Аззер, Марокко.
  • Цинхай, Китай.
  • Раму, Папуа-Новая Гвинея.
  • Voisey’s Bay Mine, Sudbury Area Mine, Nunavik Mine, Канада.
  • AdlayCagdianaoTandawaProject, Филиппины.
  • Камбалда, Маунт-Кит, Маррин, Австралия.
  • Район Моа, Куба.
  • Республика Алтай, Россия.
  • Провинция Катанга, Конго.
  • Инсизва, ЮАР.

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.

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

Страны, добывающие никель и кобальт

Десятка стран, занимающих ведущие позиции по добыче никеля в 2019 году, выглядела следующим образом:

  • 1 место – Индонезия. 800 тыс. тонн.
  • 2 место – Филиппины. 420 тыс. тонн.
  • 3 место – Россия. 270 тыс. тонн.
  • 4 место – Новая Каледония. 220 тыс. тонн.
  • 5 место – Австралия. 180 тыс. тонн.
  • 6 место – Канада. 180 тыс. тонн.
  • 7 место – Китай. 110 тыс. тонн.
  • 8 место – Бразилия. 67 тыс. тонн.
  • 9 место – Куба. 51 тыс. тонн.
  • 10 место – США. 14 тыс. тонн.
  • Остальные страны совместно добыли 370 тыс. тонн.
  • Общемировая добыча никеля в 2019 году, таким образом, составила: 2 млн. 682 тыс. тонн.

Аналогичные данные по ежегодной добыче кобальта(сведения середины 2020 года) распределены в следующем порядке:

  • 1 место – Конго. 90000 тонн.
  • 2 место – Россия. 5900 тонн.
  • 3 место – Куба. 4900 тонн.
  • 4 место – Австралия. 4700 тонн.
  • 5 место – Филиппины. 4600 тонн.
  • 6 место – Канада. 3800 тонн.
  • 7 место – Мадагаскар. 3500 тонн.
  • 8 место – Папуа-Новая Гвинея. 3200 тонн.
  • 9 место – Китай. 3100 тонн.
  • 10 место – Марокко. 2300 тонн.
  • К сведению: ещё пять лет назад ежегодная добыча кобальта в мире достигала 124 тыс. тонн.

Источник

Кобальт – ключ к энергопереходу или тормоз прогресса Как синяя краска стала важнее нефти?

Текст Павел Иевлев

Читайте также:  Активированная медь что это

К обальт относится к химическим элементам восьмой группы, и в периодической системе расположен под номером 27. В чистом виде это тяжелый металл, имеющий голубовато-серый оттенок. Кобальт содержится в земной коре, в морской воде и при этом входит в состав более чем тридцати природных минералов: сферокобальтит, каролит и т. д.

Человечество использует кобальт с древних времен. Еще египтяне получали с его помощью стойкий синий цвет для своих красителей. Прогресс расширил применение кобальта из сферы искусства в промышленность – в первую очередь, для легирования сталей и в качестве нефтехимического катализатора, – однако значительного мирового спроса на него не создал. Просто еще один редкозем, используемый в незначительных количествах для добавок в жаростойкие твердые сплавы.

Все изменила концепция «энергоперехода».

Энергопереход к металлам

Кобальт никого особо не интересовал до открытия Коити Мидзусимой литий-кобальтового оксида. Оксид лития-кобальта (кобальтит лития, кобальтат лития) – неорганическое соединение, двойной оксид лития и кобальта с формулой LiCoO2 (Li2OCo2O3). Темно-серые кристаллы не растворяются в воде, но главное – этот оксид входит в состав положительного электрода литий-ионных аккумуляторов.

Первую волну спроса на кобальт дали смартфоны. В 2000 году спрос на металл составлял примерно 2700 тонн в год. К 2010-му, когда у каждого в кармане поселился iPhone или Android-смарт, спрос подскочил до 25 000 тонн, почти в десять раз! Но это было только начало. «Металлом века» кобальт сделала идея энергоперехода.

Тренд на переход от углеродной энергетики к возобновляемой, недавно охвативший человечество, резко сместил сырьевой приоритет мировой промышленности и экономики от углеводородов к металлам. Как пишут аналитики EY: «В стремлении уйти от ископаемых энергоносителей мировое сообщество вовлекается в новую зависимость от других видов сырья».

Недавно мы писали о «литиевом феномене»:

Белая нефть Почему миру так важен литий

Литий – легкий белый металл, который критически важен для нескольких ключевых современных отраслей. Откуда он берется, кому принадлежит, и хватит ли его всем желающим?

Но литий — всего лишь один из многих.

Электричество вместо углеводородов – идея хорошая, и в самом энергопереходе есть здравая рациональность. Но невротизированное ужасами «глобального потепления» человечество побежало по этому переходу сломя голову, ничуть не задумываясь, как за ним должны успевать промышленность и экономика. Солнечная энергетика затребовала медь, алюминий и хром, ветроэнергетика – медь и цинк, геотермальная – никель и хром, водородная – никель и платиноиды. Добычу некоторых металлов можно нарастить быстро, и их дефицита не ожидается, но с другими возникла проблема.

В том числе, с кобальтом.

Дефицитная энергетика кобальта

Более половины добываемого в мире кобальта идет на производство батарей. Пока они помещались в смартфоны – проблем не было. Он составляет до 19% массы мобильного телефона, что примерно в 100 раз больше, чем содержание кобальта в руде, но сама батарея небольшая, кобальта там около 30 граммов. Другое дело – электромобиль. Средняя батарея EV требует около 9 килограммов кобальта. Производство электромобилей получило массовую поддержку от правительств всего мира. Европа поставила в план полный отказ от ДВС в ближайшие годы, и за один только 2021 год цена этого элемента выросла на 118%. Сейчас это самый дорогой компонент аккумуляторов – цена за тонну составляет от $30 000 до $35 000.

Нынешняя мировая потребность в кобальте оценивается в 100 тыс. тонн в год. По данным геологической службы США (UGS) в 2021 году было произведено 170 тыс. метрических тонн кобальта. Однако эксперты ожидают, что промышленный спрос на кобальт превысит его производство к 2025 году, поскольку прогнозируется рост спроса на 9% ежегодно. Энергопереход требует батарей, батареи требуют кобальта. Оценка его экономической значимости в прошлом году стала «крайне высокой» из-за использования в литий-ионных батареях, аэрокосмической промышленности и других критических отраслях.

Индекс риска критических материалов 2022 года ставит кобальт в качестве «наиболее подверженного риску критического материала во всем мире». Дело в том, что значительная часть поставок поступает от небольшого числа консолидированных производителей, а добыча и рафинированное производство сконцентрированы буквально в двух странах.

Где накопать кобальта?

Около половины всех разведанных на сегодняшний день запасов кобальта находится в так называемом «медном поясе» на территории Демократической Республики Конго. Запасы кобальта в стране оцениваются примерно в 3,4 млн тонн, а ежегодная добыча в провинциях Верхняя Катанга и Луалаба достигает 90 тыс. тонн.

Без кобальта из Конго с энергопереходом возникли бы серьезные проблемы. Дело в том, что хотя кобальта на Земле много, только в Конго его удается добывать относительно дешево. Правда, в основном за счет того, что это нищая, разоренная войнами страна с околонулевой стоимостью рабочей силы. Немалая часть конголезского кобальта добывается в небольших «копанках», вручную, кирками и зубилами. Работники не имеют специальной одежды и защитных средств, широко используется детский труд. Кобальтовые руды очень токсичны, вдыхание кобальтовой пыли, которая в значительных количествах образуется при такой работе, вызывает смертельные легочные заболевания.

Читайте также:  Как вычислить массу атома меди

Добыча в Конго считается вопиющим образцом «неэтичной эксплуатации», приводя к массовым тяжелым болезням среди населения страны, почти не имеющей развитой медицины. Но это самый дешевый источник кобальта, поэтому, несмотря на протесты активистов, ситуация не меняется десятилетиями.

Население и экономика Конго от этой добычи не получает практически ничего, потому что почти всю добытую руду забирает по концессии Китай. Китайские специалисты очищают сырье до гидроксида кобальта, который везут в порты Дар-эс-Салама (Танзания) и Дурбана (ЮАР), а далее в Китай. Там кобальт проходит дополнительную очистку и поступает на рынок.

Совокупная выручка китайских компаний составляет триллионы долларов, поэтому они способствуют дальнейшей разведке кобальта. Ежегодно фиксируются десятки новых раскопов, в кустарной добыче кобальта в Конго занято более 250 000 человек, из них не менее 35 000 человек – дети.

Сам Китай тоже добывает кобальт. Крупнейшее месторождение расположено в провинции Цинхай. Запасы оцениваются в 80 млн тонн, ежегодная добыча достигает 3100 тонн. Но главное, Китай является мировым лидером в области металлургической обработки кобальтовых руд, выпуская половину всех объемов кобальтосодержащих химических продуктов в мире.

Ситуация нравится далеко не всем. США озабочены тем, что на фоне американо-китайского торгового противостояния и развивающегося в мире политического кризиса, КНР может использовать кобальт в качестве одного из рычагов экономического шантажа. На днях Конгресс США наложил запрет на продажу редкоземельных металлов и минералов, и США срочно скупают металлы. Представители оборонного ведомства запросили дополнительные $250 млн на закупки, среди которых существенную долю занимает именно кобальт.

В мире развернулась борьба за контроль над цепочками поставок кобальта, спрос на который быстро растет. В течение многих десятилетий промышленной добычи кобальта в США не было, но сейчас добывающие компании оспаривают право на добычу на месторождениях в Айдахо, Монтане и на Аляске. По оценке CRU Group около 300 компаний по всему миру проявляют активный интерес к разработке месторождений кобальта. По словам исполнительного директора First Cobalt Трента Мелля инвесторы заинтересованы в разработке месторождений кобальта уже больше, чем, к примеру, в разработке новых месторождений меди.

Русский кобальт

По данным Минприроды у России 3,5% мировых запасов кобальта. Доля нашей страны в мировом производстве кобальта по данным за 2020 год составляла 7%. Основная добывающая активность сосредоточена в Республике Алтай. Ежегодная добыча составляет 5900 тонн, лидирующей компанией по добыче является «Норникель».

К сожалению, в отличие от Конго, ресурсы на территории России не позволяют добывать кобальт отдельно, он содержится в сложных рудах, в частности, никелевых, и добывается как побочный продукт.

Впрочем, поскольку производство собственных литиевых аккумуляторов в России невелико, а с главным мировым поставщиком – Китаем – отношения неплохие, вопрос импортозамещения у нас пока не стоит.

А вот все остальные заместить не прочь.

Кобальтозамещение

На фоне постоянных опасений по поводу поставок кобальта производители электромобилей и аккумуляторов добиваются прогресса в разработке новых, бескобальтовых литий-ионных аккумуляторов.

Кобальт является элементом, который делает работу аккумулятора безопаснее (препятствует чрезмерному нагреванию) и повышает плотность энергии. Это особенно критично для электромобилей – для менее энергоемких применений уже существуют другие химические соединения, такие, как литий-железо-фосфат.

Поиск путей уменьшения количества этого металла в батарее продолжается. Пример – европейский кобальтовый проект под названием ECO COMBAT, возглавляемый немецким исследовательским органом Fraunhofer ISC, который сосредоточен на батареях типа NMC 622 и смог сократить потребности в кобальте на 20%, используя специальное покрытие электродов и высоковольтный электролит. Компания Panasonic также несколько лет работает над новым видом аккумуляторов, который бы содержал минимум кобальта.

Тесла с некоторых пор использует аккумулятор из никель-кобальт-оксида алюминия, который содержит меньше кобальта, чем стандартные аккумуляторы, основанные на химии оксида никеля-марганца-кобальта.

Однако сегодня эксперты скептически относятся к полному отказу от кобальта в электромобилях, это может произойти только при радикальном переходе на совершенно другую химическую структуру. Пока промышленных решений такого уровня не видно, так что детишки в Конго продолжают дышать кобальтовой пылью, а китайские компании зарабатывать на них миллиарды.

Как бы парадоксально это ни звучало, сейчас добыча металлов, необходимых для энергоперехода, является более затратным и неэкологичным вариантом, нежели использование традиционных систем на углеводородном топливе.

Источник

Поделиться с друзьями
Металл и камни