Никель

Инж. Е. МАШКО

Среди множества различных металлов, составляющих материальную основу современной техники, с каждым годом все большее и большее значение приобретает один чудеснейший металл.

Имя этого металла — никель.

Своеобразно ведет себя в природе этот металл. Он почти нигде и никогда не встречается в чистом, оригинальном виде. Как правило, он находится в довольно сложных и разнообразных формах связи с целым рядом элементов медью, железом, кобальтом, серой, мышьяком, кремнием, кислородом и т. д. Распространение его на земле огромно, но лишь изредка встречаются такие его концентрации (месторождения), которые имеют промышленное значение. Причем и в этих месторождениях содержание чистого никеля по отношению к вмещающим его породам-минералам, как правило, равно всего лишь от 0,5 до 6%, а чаще всего 1,5—2,5%.

Этой пестроте содержаний никеля и многообразию форм проявления его в природе способствовало еще то, что огромная часть пород, с которыми никель когда-то извергался из недр земли в виде расплавленной массы, подвергалась длительным и сильным процессам выветривания, размыва и переотложений.

Поэтому никель мигрировал (распространялся) в самых различных направлениях и вступал в соприкосновение с самыми разнотипными веществами, образуя трудно поддающиеся изучению и переработке минералогические соединения (руды никеля).

Несмотря на то, что наш чудесный металл ведет себя довольно прихотливо в земной коре, стремление к добыванию его все возрастает. Чем же объясняется то, что никель завоевал себе в современной технике одно из почетнейших мест среди металлов?

*

В повседневной жизни мы нередко слышим и употребляем слова «никель» и «никелирование». Но, произнося и слыша эти слова, мы привыкли подразумевать под ними никелированные предметы — часы, кухонную посуду, кровати, различные медицинские и лабораторные приборы и т. д. и т. п. И мы редко ошибаемся, когда, заметив тот или иной предмет серебристо-белого цвета, говорим, что это — никелированная вещь, что она покрыта слоем никеля.

Правда, далеко не все точно знают, что металлические предметы покрываются никелем не столько для того, чтобы добиться приятной для глаза внешности, сколько для придания им устойчивости против окисляющих влияний атмосферы и воды, т. е. против ржавления.

Никель обладает свойством большой противодейственности окислению (ржавлению). Но знать никель только лишь как средство зашиты металлических предметов от ржавления — значит иметь о нем довольно скудное представление.

Никель обладает еще и другими, не менее ценными качествами. И в наше время, когда речь идет о никеле, прежде всего имеется в виду его применение в производстве высококачественных сталей и различных сплавов. Никель обладает рядом особенностей, позволяющих современной технике использовать их для получения более совершенных в качественном отношении металлов.

*

Что же это за особенности? Из множества их мы укажем только те, которые нашли применение в промышленности.

Чистый никель очень вязок и легко поддается прокатке в тончайшие листы (0,02 мм) и вытягиванию в проволоку паутинной толщины (0,01 мм).

Никель обладает высокой степенью сопротивляемости разрыву (Около 40 т на дм²).

В химическом отношении никель является малоактивным элементом, т. е. он почти совершенно не реагирует на влияние не только атмосферы, пресных и соленых вод, но и ряда сильных кислотных растворов и расплавленных щелочей. Органические кислоты оказывают заметное влияние на никель, только когда они находятся продолжительное время в соприкосновении с ним.

Уфалейский никелевый комбинат. Общий вид печи для плавки роштейна (роштейн — один из видов проплавленного никелевого полупродукта).

Кроме того, никель легко вступает в сплавление с целым рядом элементов. Таких элементов, с которыми практикуется сплавление никеля, насчитывается до 25. Эти замечательные свойства никеля при сплавлении его с другими элементами передаются получаемой при этом продукции, с одновременным появлением в ней ряда новых качеств.

При прибавлении никеля к стали увеличивается ее твердость и сопротивляемость на разрыв, без соответствующего уменьшения вязкости и пластичности. При этом уменьшается сечение. Если в этот «никель-сталевой» сплав ввести еще такие элементы, как вольфрам, ванадий, молибден, марганец или хром и др., то продукция получается еще более высококачественной и ценной. Никелевые стали благодаря высоким механическим качествам при нормальных и повышенных температурах, а также благодаря значительной устойчивости против разъедающих действий различных кислотных и щелочных веществ нашли применение в самых разнообразных и решающих отраслях промышленности. Они идут на изготовление артиллерийских орудий, танков, снарядов, броневых плит для военных судов и поездов. Никелевые стали в громадном количестве поглощаются станкостроительной, авиационной, автотракторной, электростроительной и многими другими отраслями промышленности.

Не менее высокие качества придает никель и чугуну. Никелевые чугуны идут в производство цилиндров двигателей внутреннего сгорания, на изготовление поршней для тракторов, подшипников, маховиков, станин и т. д.

Широко применяется никель для получения сплавов с медью, цинком, свинцом, алюминием и другими металлами. Этим сплавам никель придает свойство легко поддаваться механической обработке ковкой, прокаткой и штамповкой как в горячем, так и в холодном состоянии. Этим же сплавам никель придает большую устойчивость против разъедающих влияний кислот, стойкость, выносливость и способность сохранения полировки при высоких температурах и, наконец, свойство хорошо полироваться.

Содержание никеля в таких сплавах колеблется от 2 до 80%, и в зависимости от того, сколько никеля и других металлов содержится в том или ином сплаве, последний имеет определенное наименование и назначение. Пестрота пропорций между содержанием никеля и других элементов в сплавах дала возможность подразделить сплавы на десятки и даже сотни различных по назначению и качеству сортов. Здесь и бронзовые сплавы, и сплавы для электротехнических целей, и жароупорные, и кислотоупорные, и инструментальные и др.

Особенно широкое и многостороннее применение имеют сплавы «монельметалл» и «нейзильбер».

Уфалейский никелевый комбинат Слив шлака с роштейна

Исключительно важное значение имеют сплавы никеля с хромом, марганцем и железом. Эти сплавы весьма прочны при высоких температурах, обладают достаточно высоким сопротивлением и отличаются большой антикоррозийной силой, что делает их очень ценным материалом в электротехнической (изготовление нагревательных приборов), химической (для выпаривания сильно действующих растворов), механической и других областях техники.

*

Перечислить все сплавы никеля и области их применения не представляется возможным, ибо нет такой отрасли производства, где бы никель в том или ином виде не употреблялся. От производства игл, пинцетов, струн, монет и ложек до производства гигантской и сложнейшей аппаратуры — везде никель, этот ценнейший представитель цветных металлов, является важнейшим составным элементом.

По примерным подсчетам весь добываемый на земном шаре никель расходуется следующим образом:

Никелевые стали.......65%
Никелевые аноды......5%
Сплавы.......................15%
Разные виды..............15%

А мировая добыча никеля равна 80 тыс. т в год.

Из сказанного выше видно, какое огромное значение имеет этот чудесный металл. Правда, в первый период знакомства с никелем (еще в древнейшие времена) человек не оценил его качеств и пользовался им бессознательно.

Никель, содержащий минерал, который известен сейчас под именем «никелин» или «красный никелевый колчедан» (с содержанием никеля до 50%) впервые обратил на себя внимание Гиарни в 1694 г.

Но лишь спустя много лет (в 1751 г.) никель впервые был получен в металлическом состоянии Кронстедтом, который признал в нем новый химический элемент и назвал его «никелем»,

*

Историю никелевой промышленности можно грубо разбить на четыре основных этапа.

Первый этап — период с 1830—40 гг. до 1870—80 гг., когда объем выплавляемого во всем мире никеля не превышал 30—40 т в год. Никель находил тогда применение исключительно в таких областях, как чеканка монет и изготовление предметов ювелирного искусства.

Ко второму этапу относится период с 1870—80 гг. до 1912—13 гг. Объем выплавляемого никеля в эти годы последовательно возрастал с 700 до 6 000 т, и в 1913—14 гг. достиг 30—35 тыс. т. И вся эта масса никеля шла в основном: на изготовление высококачественных сталей и бронз.

Третий этап, связанный с мировой империалистической войной (1913—20 гг.), поднял выплавку никеля до 60—70 тыс. т в год. В этот период никель почти целиком шел на производство пуль, снарядов, пушек, танков, бронепоездов, самолетов и бронесудов.

Последний этап истории никелевой промышленности начался в 1919—20 гг.

Мировая выплавка металлического никеля равна сейчас примерно 80 тыс. т, из которых на долю СССР приходится всего лишь 2— 2,5 тыс. т (отечественная выплавка).

Импорт никеля странами мира представляет следующую картину:

США                     44,5%   или     20 тыс.т
Германия               13,3%      ,,      6     ,,
Франция                10%         ,,      4,5  ,,
Великобритания   9,0%        ,,      4     ,,
Япония                  7,8%        ,,      3,5  ,,
Прочие страны     15,4%      ,,      7     ,,

В настоящее время наиболее значительными центрами никелевой промышленности являются Канада и Новая Каледония (тихоокеанская колония Франции). Канада обладает величайшим в мире месторождением Седбери (в штате Онтарио), в котором запасы металлического никеля доходят до 3,5— 4 млн. т. Это месторождение дает до 70% мировой добычи никеля, т. е. 50—55 тыс. т ежегодно. Канадское месторождение замечательно еще тем, что руды его содержат, кроме никеля, медь, серебро, золото, платину и другие ценные металлы. Канадская никелевая организация «Интернейшонель никель компани оф Канада» является монополистом мирового никелевого рынка.

Второе место занимает Новая Каледония, где добывается 5—6 тыс. т никеля в год, т. е. 10—12% мировой добычи.

На вместе взятые Норвегию, Грецию, Борнео и др. приходится всего только 15—17% мировой добычи никеля.

Страны мира имеют следующие запасы никеля, таящегося в недрах земли:

Канада          3,5 млн. т или 53%
СССР          1,1 ,,     ,,     ,,     ,, 17 „
Бразилия                 1,0 ,,     ,,     ,,     ,, 15 „
Новая Каледония    0,7 ,,     ,,     ,,     ,, 11 „
Остальные страны  0,3 ,,     ,,     ,,     ,,  4  „
Итого                        6,6 млн. т или 100%

*

По запасам никеля в недрах земли страны мира имеют несколько иное соотношение, нежели по добыче. Удивляться этому нечего, ибо запасы и добыча — явления не равновеликие. Чтобы производить добычу, нужно иметь соответствующие для этого условия.

1. Нужно овладеть техникой разработки того или иного типа никелевых руд.
2. Необходимо иметь не мелкое, содержащее 3—4 тыс. т никеля, месторождение, а крупное, где бы содержание металлического никеля достигало 25—30 тыс. т, причем чтобы содержание никеля по отношению к вмещающим его минералам — рудам, которые подвергаются переработке для получения чистого никеля, было не менее 2,5—3%.
3. Нужно иметь месторождения никелевых руд в таких местах, которые в транспортном и других отношениях были бы в данный момент достаточно освоенным, чтобы можно было обеспечить завод всеми необходимыми для него материалами и грузооборотом.

Таковы те три основных условия, при которых возможна в настоящее время разработка никелевых руд. Среди этих основных условий есть одно ведущее, подчиняющее себе все остальные. Это — овладение техникой переработки никелевых руд, овладение металлургией никеля.

Несмотря на то, что мировая техника сравнительно давно имеет дело с никелем и потребности в нем возрастают с каждым годом, технология получения никеля до сих пор еще как следует не разработана. Почти ничего нового не внесено (за исключением недавно разработанного на Уфалейском заводе инж. Захаровым метода плавки никелевых руд в электропечах) в металлургию никеля по сравнению с тем, что было создано 50—60 лет назад. Характерно, что даже оборудование (заводские установки) никелевой промышленности усовершенствовано в весьма незначительной степени.

Ретортная печь для восстановления металлического никеля

На протяжении многих лет научная мысль упорно бьется над тем, как наиболее рационально, эффективно, экономически выгодно перерабатывать никелевые руды.

*

Никелевые руды грубо подразделяются на три основных типа.

Первый тип — сернистые или сульфидные руды, связанные с изверженными или магматическими породами (габбро, нориты, диабазы и др.). Главнейшими из этих рудных минералов с промышленной точки зрения являются пирротин (FeS) с содержанием никеля (N4) от 1—2 до 5—7%; пентландит (Fe₂NiS₃) с содержанием никеля от 5—10 до 22—23%; халькопирит (CuFeS₂), включающий в себе непостоянный состав никеля. В сульфидных рудах обычно наряду с никелем имеются в различных долях медь, железо, золото, кобальт, платиновые металлы, серебро и др.

Второй тип — окисленные или силикатные никелевые руды, связанные с породами, являющимися продуктом выветривания и переотложения первичных магматических пород. Чаще всего силикатные руды находятся в виде бесформенной пестроцветной глинистой массы, заполняющей так называемые контактовые впадины между змеевиками и мраморами или известняками. Силикатные руды чрезвычайно сложны по своему химическому составу и, обладая поэтому различными свойствами, получили разные наименования: гарниерит, ревдинскит, шухардит, пимелит, никелевая зелень, комарит и др. Содержание никеля в них колеблется от 0,3 до 5—6%, чаще всего 1,0—1,5%. Наряду с никелем в этих рудах встречаются железо, марганец, хром, иногда кобальт. Силикатные руды распространены в природе довольно широко.

Третий тип — сернисто-мышьяковисто-сурьмяные руды, связанные обычно с так называемыми жильными породами. Основными представителями этих руд являются купферникель, хлоантин — белый никелевый колчедан, герсдорфит и др. Одновременно с никелем в этих рудах встречаются цинк, серебро, висмут, кобальт и другие элементы.

Распространение сернисто-мышьяковистых руд незначительно и скоплений их в виде крупных промышленных месторождений почти не встречается, хотя первое знакомство с никелем началось именно с этого типа руд (Саксония).

В соответствии с тем, какими рудами представлен в недрах земли никель и с какими другими ценными металлами он связан, применяется тот или иной метод получения его в чистом виде.

Для заводской переработки никелевых руд предложено много различных методов, но все они в общем итоге подразделяются на способы сухого пути и мокрого, иногда того и другого вместе (комбинированный или смешанный путь). Под сухим методом понимается пирометаллургия, т. е. переработка руд с помощью плавки, а под мокрым —  гидрометаллургия, т. е. переработка при помощи каких-либо кислотных растворов (серной, соляной, уксусной и других кислот). Под комбинированным методом разумеется обработка концентрированного плавкой продукта (штейна) кислотами.

Господствующее место в мировой практике производства никеля занимает пока еще пирометаллургический метод, как более освоенный. Гидрометаллургический метод почти нигде не применяется из-за его неразработанности и неизученности.

В этом есть свои причины. Метод плавки знаком человеку очень давно, а получение металла из руд путем гидрометаллургии стало только теперь предметом изучения. Характерно, что главным образом никель и заставил науку заняться вопросами гидрометаллургии.

*

Как мы говорили выше, никель представлен в природе в основном тремя типами рудминералов: сульфидными, силикатными и сернисто-мышьяковистыми. Сульфидные руды достаточно хорошо перерабатываются плавкой. Связанная с ними сера легко улетучивается под действием высоких температур; прямые спутники никеля в сульфидных рудах (медь, платина, золото, кобальт) также легко отделяются и получаются в чистом виде, освобождая никель. Посторонние примеси при плавке руд в ватержакетных печах и конверторах сравнительно просто обособляются и в виде шлака (пустой породы) идут в отвалы.

Но в методе пирометаллургии есть свои недостатки, основным из которых является большое расходование горючего, в частности высококачественного кокса. Это обстоятельство заставило научную мысль серьезно заняться разработкой методов электроплавки никелевых руд.

Кроме сульфидных руд пирометаллургическим путем перерабатываются также и силикатные руды, правда, не все. Силикатные руды разбиваются на два сорта. К первосортным рудам относятся те из них, которые содержат больше 1,5% никеля, а к второсортным — содержащие меньше 1,5% никеля. Руды первого сорта еще можно перерабатывать методом плавления, но руды второго сорта, содержащие от 0,5 до 1,5% никеля, совершенно для этого непригодны, ибо чем руда беднее содержанием никеля, тем невыгоднее перерабатывать ее способом плавления.

*

А стоит ли вообще иметь дело с бедными второсортными силикатными рудами? Ответ на такой вопрос мы получим, когда вспомним, что на земном шаре силикатные руды более распространены, чем все остальные никелевые руды. Сульфидных руд очень мало, и только обнаруженные в Канаде месторождения могут рассчитывать на многолетнюю эксплуатацию. Больше мы не знаем ни в Европе (исключая СССР) ни в Америке таких месторождений. Иначе обстоит дело с силикатными рудами, причем именно второсортными силикатными рудами. Первосортных также очень мало (единственное крупное месторождение этих руд мы знаем только в Новой Каледонии).

Чтобы ярче представить себе положение с никелевыми рудами, мы остановимся на Советском Союзе. Никелевая проблема интересует нас более, чем какую-нибудь другую страну мира, в связи с нашей гигантски развивающейся индустрией.

Основным районом распространения никелевых руд в СССР является Урал. Здесь мы имеем до 20 различных по объему месторождений (см. карту). Самыми крупными из них следует признать Тюленевское, Н.-Черемшанское, Крестовское и, пожалуй, Петровское. На базе этих месторождений в 1933 г. пущен в эксплуатацию единственный в СССР Уфалейский никелевый завод с годовой производительностью (проектной) в 3 тыс. т металлического никеля. Завод пользуется исключительно силикатными рудами, содержащими от 1,2 до 2% никеля (сульфидных руд на Урале не обнаружено). Причем этих руд хватит заводу только на 4—5 лет, а потом придется пользоваться внеуральскими рудами, если на Урале не будет найдено подходящих никеленосных месторождений.

Вторым за Уралом идет Казахстан. Здесь, в Актюбинских месторождениях обнаружены первосортные и второсортные силикатные руды. Запасы их настолько велики, что выдвигают вопрос о строительстве актюбинского завода с годовой производительностью в 5—7 тыс. т металлического никеля. Затем идет Средняя Волга со своим халиловским железо-никелевым месторождением. Там также намечено строительство опытного гидрометаллургического завода с проектной мощностью в 500—600 т. Наконец, чрезвычайно перспективными районами в отношении никеленосности является Восточная Сибирь со своим Норильским месторождением и Кольский полуостров с Монче-Тундрой. В ближайшем будущем эти месторождения обещают стать основной базой никелевой промышленности СССР. В этих месторождениях таятся не силикатные руды, а сульфидные. На базе этих месторождений проектируется строительство заводов с суммарной годовой производительностью в 10—12 тыс. т металла. Но из-за недостаточной разведанности месторождений (по заданию правительства разведка и изучение их ведется сейчас ускоренным темпом) строительство всех этих проектирующихся заводов перенесено на годы третьей пятилетки.

*

В процентном соотношении ныне обнаруженные месторождения силикатных и сульфидных руд по объему таящегося в них металлического никеля представляют следующую картину (эти запасы мы делим на промышленные и перспективные; под первыми надо понимать те запасы, которые достаточно разведаны и изучены, а под вторыми —  предполагаемые, но вполне вероятные):

Силикатные руды I сорта (промышленные + перспективные)     5%
Силикатные руды II сорта                                                                75%
Сульфидные руды (промышленные + перспективные)                 15%
Железо-никелевые руды                                                                    5%

Это соотношение показывает, что в настоящее время преобладают силикатные руды второго сорта. За цифрой «75%» скрывается около 800 тыс. т металлического никеля. Следовательно силикатные руды второго сорта достойны нашего внимания! Таков ответ на вопрос — стоит ли иметь дело с бедными второсортными силикатными рудами?

Но все упирается в метод переработки. Метод пирометаллургии не годится, остается гидрометаллургия. Руда ведь состоит из массы различных веществ и, следовательно, надо организовать технологический процесс таким образом, чтобы часть этих веществ растворялась, а другая часть каким-либо образом обособлялась, свертывалась или всплывала, освобождая никель. Но недостаточная изученность химизма превращения веществ в той или иной кислотной среде и отсутствие аппаратуры для переработки руд гидрометаллургическим путем лишают мир возможности эксплуатировать бедные силикатные руды никеля. Правда, крупнейшие мировые фирмы особенно и не заботились об изучении гидрометаллургии, владея сравнительно богатыми по содержанию никеля и в массе своей огромными запасами никелевых руд, пригодных для переработки методами пирометаллургии. Но для нашего Союза, в недрах которого обнаружено пока большинство бедных силикатных руд, гидрометаллургия никеля имеет огромное экономическое значение.

*

Дореволюционная Россия не имела собственной никелевой промышленности. Все потребности свои в никеле, которые наиболее резко проявились только в годы империалистической войны, она покрывала исключительно за счет импорта. Царская Россия целиком удовлетворялось импортом и поэтому забот о создании отечественного производства никеля не проявляла. Другое дело у нас теперь. Если Страна Советов на протяжении 14—15 лет (вплоть до 1933 г.) с большим трудом обходилась без своего никеля и удовлетворялась импортом, то теперь дело обстоит совершенно иначе. Тов. Сталин сказал на XVII Съезде партии: «Созданы новые отрасли производства: станкостроение, автомобильная промышленность, тракторная промышленность, химическая промышленность, моторостроение, самолетостроение, комбайностроение, производство мощных турбин и генераторов, качественных сталей, ферросплавов, синтетического каучука, азота, искусственного волокна и т. д. и т. п.»

Всем этим новым отраслям промышленности нужен никель, нужны металлы высокого качества.

Уфалейский никелевый комбинат — первый в СССР и крупнейший в Европе

Вот почему никелевая проблема в СССР является одной из актуальнейших-. Задача сводится к тому, чтобы в нашей стране была создана мощная никелевая промышленность, которая бы полностью удовлетворяла потребности в никеле.

*

Подводя итог всему сказанному выше, мы в праве сделать следующий вывод. Никель в Стране Советов имеется в огромном количестве, и перспективы нахождения его широки и реальны.

Основное сейчас в том, чтобы найти экономически наиболее выгодный способ получения никеля в чистом виде.

Нет сомнения, что большевики, разрешившие и более сложные и трудные задачи, сумеют одержать победу и на фронте борьбы за советский никель.