«НИКЕЛЬ», т. 39, № 3, 2024 г.

Ж У Р Н А Л

НИКЕЛЬ

ЖУРНАЛ ПОСВЯЩЁН НИКЕЛЮ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЮ «НИКЕЛЬ», т. 39, № 3, 2024 г.

Стратегический никель Никелевые латериты Кислотное выщелачивание под высоким давлением

Стратегическое и критически важное сырьё

Питая энергией будущее Передовые достижения в области аккумуляторных батарей на основе никеля

ПРИМЕР ИЗ ПРАКТИКИ № 32 МОСТ-ТОННЕЛЬ ХЭМПТОН-РОУДС Этот проект транспортной инфраструктуры Виргинии самый масштабный в истории США. В настоящее время на технических сооружениях моста-тоннеля Хэмптон-роудс (МТХР) ДЕПАРТАМЕНТ ТРАНСПОРТА ВИРГИНИИ

проводятся работы по расширению объекта стоимостью 3,9 млрд долларов США, и никельсодержащая нержавеющая сталь играет критически важную роль как в подводных, так и в наземных сооружениях этого сложного преобразующего проекта. Длина МТХР, состоящего из мостов, эстакад, рукотворных островов и тоннелей, — 3,5 мили (5,6 км). МТХР, первый подводный тоннель из

Bernard, а также ведущие компании-

опускных секций, стал в 1957 году чудом

проектировщики HDR и Mott MacDonald.

техники.

Для укрепления бетона в критически важных элементах конструкции был выбран выполненный в дуплексном сплаве 2304 (UNS S32304) пруток из нержавеющей стали общим

Планирование проекта началось в 2014 г.

Мероприятия по расширению

и включало расширение дорог, замену и

объекта включают возведение новых

расширение 27 мостов, геотехнические

сдвоенных тоннелей и введение четырёх дополнительных полос движения, которых в совокупности

изыскания и соблюдение природоохранных стандартов.

станет восемь, — всё это для того,

В 2023 г. буровая тоннелепроходческая

тонн). Такой выбор будет способствовать

чтобы увеличить пропускную

установка (БТУ) приступила к бурению

долговечности строения и низким

способность моста и уменьшить заторы.

новых тоннелей диаметром 46 футов

эксплуатационным расходам. Сплав 2304 —

Материалы высокой долговечности,

(14 м) на глубине почти на 50 футов

это экономически эффективный материал,

такие как нержавеющая сталь, были

(15,2 м) ниже, чем существующие

демонстрирующий превосходную крепость,

выбраны для того, чтобы обеспечить

стальные тоннели из опускных секций

ковкость и хорошую коррозиестойкость в

запланированный столетний срок

протяжённостью 7500 футов (2,3 км).

жёсткой морской среде. В мосте-тоннеле

службы объекта.

БТУ весом 4700 коротких тонн (4264

Разработкой и строительством

метрических тонн), названная «Мэри»,

занимались фирмы-партнёры

в этом году закончила бурение первого

Dragados USA, Flatiron Constructors,

тоннеля, что стало основной вехой этого

Vinci Construction и Dodin Camperon

проекта.

весом 18 тыс. коротких тонн (16329 метрических

Хэмптон-роудс будет использовано более 700 коротких тонн (635 метрических тонн) никеля.

22 || «НИКЕЛЬ», «НИКЕЛЬ»,т.т.39, 39,№№3,3,2024 2024г. г.

КОЛОНКА РЕДАКТОРА: СТРАТЕГИЧЕСКИЙ МЕТАЛЛ БУДУЩЕГО Мир стремится к декарбонизации в ответ на изменение климата, и никель оказался стержнем перехода к возобновляемой экономике. Многие страны постепенно уходят от использования ископаемых видов топлива, поэтому они считают никель, играющий роль почти в каждом виде возобновляемой энергетики, критически важной частью энергетического комплекса и макроэкономической стратегии. Этот вывод — не пустяк, это отражение более широких геополитических и экономических перемен, которые отводят КОМПАНИЯ HARITA NICKEL (NCKL)

никелю место стратегического актива ХХI века. Странам мира нужен никель. В этом выпуске журнала «Никель» представлен анализ роли никеля в дебатах о стратегических и критически важных видах сырья.

Стратегический (имя прилагательное) — отвечающий требованиям стратегии, имеющий критическое значение для осуществления общих целей или получения долгосрочного преимущества

Очистное предприятие по кислотному выщелачиванию под высоким давлением (HPAL) компании Harita Nickel (NCKL) Новое поколение заводов HPAL по переработке латеритных руд обеспечивает рынок никелем — критически важным не только для быстрой электрификации транспортной системы, но и для удовлетворения растущего спроса на нержавеющую сталь, используемую для производства возобновляемой электроэнергии (стр. 6).

Что может быть более стратегически важным, чем рентабельные транспортные системы, которые снижают заторы и эффективно доставляют людей и товары из пункта А в пункт В, или переход на эффективные электромобили в борьбе за снижение эмиссий? Здесь никель играет стратегическую роль. Расширение ключевой автомагистрали в США — моста-тоннеля Хэмптон-роудс — потребует использования более 700 коротких тонн (635 метрических тонн) этого металла в прутке из нержавеющей стали, что обеспечит функционирование этой транспортной магистрали на десятилетия верёд. А ещё никель играет критически важную роль в аккумуляторных батареях, которые будут снабжать энергией электромобили будущего. Прочтите о новейших достижениях на стр. 10. Промышленность, правительства и народы мира продолжают разрабатывать разные стратегии решения проблемы устойчивого развития в будущем, но одно они уже знают точно: никель является критически важным стратегическим ресурсом, чей блеск становится всё ярче. Как и блеск звёзд нашей обложки — величественных слонов бангкокского аэропорта Суварнабхуми. Клэр Ричардсон Редактор журнала «Никель»

«НИКЕЛЬ», т. 39, № 3, 2024 г. | 3

02 03 04 06 08 10 12 13 14 15 15 16

Пример из практики № 32 Мост-тоннель Хэмптон-роудс Колонка редактора Стратегический никель Никель. Занимательные факты

НИКЕЛЬ

ЗАНИМАТЕЛЬНЫЕ ФАКТЫ

СОДЕРЖАНИЕ

Производство никеля Кислотное выщелачивание под высоким давлением (HPAL) Стратегическое и критически важное сырьё Чем является никель? Питая энергией будущее Передовые достижения в области аккумуляторных батарей на основе никеля Никель показывает себя во всём блеске при высоких температурах Никелевые сплавы Высокоэнтропийные сплавы Технические вопросы и ответы Почему никель? Выдержки из Универсальной системы обозначений металлов и сплавов Слоны бангкокского аэропорта Суварнабхуми

Журнал «Никель» издается Институтом никеля www.nickelinstitute.org Д-р Хадсон Бейтс (Hudson Bates), президент Клэр Ричардсон (Clare Richardson), редактор communications@nickelinstitute.org Авторы статей: Парвин Адели (Parvin Adeli), Гари Коутс (Gary Coates), Ричард Матесон (Richard Matheson), Марк Мистри (Mark Mistry), Гир Мо (Geir Moe), Ким Оукс (Kim Oakes), Пабло Родригес Домингес (Pablo Rodríguez Domínguez), Франк Смит (Frank Smith), Лил Триттен (Lyle Trytten), Одетт Зизолд (Odette Ziezold) Художественное оформление: компания Constructive Communications Публикация предназначена для общей информации читателя и не должна использоваться в практических целях без предварительной консультации специалиста. Несмотря на то, что, по мнению авторов, публикуемые технические сведения верны, Институт никеля, его члены, сотрудники и консультанты не гарантируют их пригодности для общего или специального использования и не несут никакой ответственности в связи с опубликованной здесь информацией.

ISSN 0829-8351 Отпечатано в Канаде на бумаге, изготовленной из вторичного сырья компанией Hayes Print Group. Графические материалы предоставлены: Обложка: iStock©Henrik5000, стр. 4 iStock©borzaya, стр. 5 iStock©Hispanolistic, iStock©Zocha_K, стр. 6 iStock©MonaMakela, стр. 8 iStock©onurdongel, стр. 10 iStock©Tramino

4 | «НИКЕЛЬ», т. 39, № 3, 2024 г.

Как быстрее создавать лекарства Исследователи Университета штата Огайо разработали новый комплекс на основе никеля, который позволит фармацевтической промышленности быстрее создавать эффективные лекарственные средства. Этот новый инструмент, упрощающий формирование алкильных связей, делает реальными те процессы органической химии, которые до сих пор были невозможны. Г-н Кристо Севов (Christo Sevov), ведущий исследователь этого проекта, сообщил: «Объединив органический синтез, химию металлов и науку об аккумуляторных батареях способом, который никто до сих пор не применял, мы смогли раскрыть их удивительные свойства». Изготовление новой молекулы с помощью единственной химической реакции позволит исследователям создавать до 96 новых лекарственных версий за тот же период времени, который обычно требовался для создания всего одной. И, наконец, это снизит стоимость разработки и время вывода на рынок жизненно важных медикаментов, в то же время увеличивая эффективность лекарств и снижая риски побочных воздействий. Итоги исследования были опубликованы в журнале Nature Magazine.

Дополнительная ортопедическая прочность Исследователи Цзилиньского университета, г. Чанчунь, Китай, разработали инновационный сплав SLM-NiTi с улучшенным пределом прочности при растяжении. Каков результат? Возможность появления более индивидуализированных, подогнанных под требования пациента ортопедических имплантатов — теперь на их подгонку потребуется меньше времени и затрат. Никель-титановые сплавы (NiTi) широко применяются в медицинской промышленности благодаря своим уникальным свойствам. Команда под руководством г-на Хао (Hao) изготовила инновационный никель-титановый сплав, применив технологию выборочной лазерной плавки (selective laser melting (SLM)). Учёные открыли, что с изменением длины и направления лазерного сканирования в материале прекращается образование однонаправленных столбчатых кристаллов, что улучшает коэффициент деформации растяжения сплава SLM-NiTi на 15,6%. Это ещё один шаг вперёд как для врачей, так и для пациентов.

Более экологичный цемент Компания Suvo Strategic Minerals (SSM) в сотрудничестве с Макассарским государственным университетом (Makassar State University (UNM)) из Индонезии успешно преобразовала никелевый шлак в высокопрочный недорогой низкоуглеродистый цемент. Декарбонизация цемента — важное начинание, так как эта промышленность является одним из самых больших в мире эмитентов парниковых газов. Спрос на подобные шаги продолжает расти. Цель компании Climate Tech Cement Pty, сотрудничающей с производителем

Монокристаллические суперсплавы нового уровня Когда Департамент энергетики США захотел улучшить выход литья монокристаллических суперсплавов, применяемых в промышленных газотурбинных установках, их вызов приняла расположенная в Иллинойсе компания QuesTek Innovations. Суперсплавы на основе никеля используются в деталях высокотемпературных трактов газовых турбин благодаря своей превосходной устойчивости к ползучести. Эти материалы должны отливаться как монокристаллы для достижения максимальной способности к выполнению механических операций. В промышленности обычно применяются отлитые обычным образом лопатки или лопатки, полученные методом направленной кристаллизации. Лидер в области технологий комплексных компьютерных средств проектирования материалов, компания Questek, успешно разработала инновационный литейный монокристаллический никелевый суперсплав, содержащий 1% рения (с более низким процентным содержанием, чем высококачественные сплавы следующего поколения, используемые в лопатках промышленных газотурбинных установок). Этот суперсплав продемонстрировал высокий коэффициент выхода литья и хорошие показатели производительности, специфической для данного вида продукции, тем самым продвигая рентабельность на следующий уровень. К тому же это решение экономично и сокращает издержки производства. Цель достигнута.

никелевых шлаков компанией PT Huadi Bantaeng Industrial Park, филиалом компании Suvo, состояла в производстве экологически безопасного геополимерного цемента как альтернативы обычному клинкерному цементу. Исполнительный президент КОМПАНИИ SIGMA FASTENERS, INTEGRAN TECHNOLOGIES © 2023

компании SSM Аарон Бэнкс (Aaron Banks) объяснил: «Достижение показателя до 37,5 мПа (5,4 тыс. фунтов на кв. дюйм) всего лишь за семь дней — выдающийся результат первого раунда испытаний». И добавил: «Снижение эмиссий в промышленности по производству цемента аналогично роли электромобилей в замене двигателей внутреннего сгорания».

«НИКЕЛЬ», т. 39, № 3, 2024 г. | 5

НИКЕЛЕВАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ ЧАСТЬ 3 ПЕРЕРАБОТКА НИКЕЛЕВЫХ ЛАТЕРИТОВ КИСЛОТНОЕ ВЫЩЕЛАЧИВАНИЕ ПОД ВЫСОКИМ ДАВЛЕНИЕМ В третьей части этой серии мы рассматриваем кислотное выщелачивание под высоким давлением (HPAL), производственные мощности для которого наращиваются быстрыми темпами, чтобы обеспечивать рынки аккумуляторных батарей промежуточными никелевыми материалами, такими как выпадающие фазы смешанных гидроксидов и смешанных сульфидов — их можно использовать для получения чистого сульфата никеля, применяющегося в производстве аккумуляторных батарей.

Метод кислотного выщелачивания под высоким давлением (HPAL) зародился 70 лет назад, но только сейчас эта технология стала широко распространяться, пытаясь удовлетворить спрос на аккумуляторные батареи на основе никеля. Концепция работы HPAL проста: чтобы

нагретый пар вновь используется в

растворить всю руду, необходимо

производстве.

добавить серную кислоту и увеличить температуру. Затем надо нейтрализовать избыточную кислотность, удалить нежелательные и извлечь необходимые металлы.

кислота нейтрализуется путём добавления молотого известняка, в результате чего образуется гипсовый

Процесс выщелачивания

осадок. Смешанные осадки вымываются,

Выщелачивание происходит под высоким

как правило, с помощью противоточной

давлением при температуре примерно

декантации (ПД) и попадают в отвалы

250 °C, при этом большая часть железа и

пустой породы (хвосты). Обычно хвосты

алюминия, содержащихся в руде, остаётся

в виде сгущённого шлама размещаются

в выщелоченном осадке, а вот ценные

на оборудованных хранилищах на

материалы задерживаются в растворе.

территории, расположенной вблизи

Процесс выщелачивания, горячий и

обогатительных мощностей, а жидкость,

кислотный, в высшей степени агрессивен.

высвобождающаяся в процессе осаждения

Он требует применения таких сложных

твёрдых частиц, пускается в повторный

материалов, как титан, плакированный

оборот.

на углеродистой стали методом сварки взрывом — тонкий слой дорогого титана для коррозиестойкости и толстый слой менее дорогой углеродистой стали для прочности. Влажная латеритная руда смешивается с водой и фильтруется для удаления крупнозернистых материалов, затем загущается до состояния вязкой, но тем не менее пригодной для перекачки насосом жидкости. Затем этот густой шлам подогревается до температуры прохождения реакции (более 90% энергии нагрева используется для шламовой воды, а не для находящихся в ней твёрдых частиц). Для сокращения затрат на подогрев давление выпускной

6 | «НИКЕЛЬ», т. 39, № 3, 2024 г.

Нейтрализация избыточной кислоты Перед извлечением металлов избыточная

Извлечение металлов После нейтрализации кислоты в растворе остаются в основном никель и кобальт с небольшим количеством цинка, меди и более значительным содержанием железа, алюминия и марганца, а также существенной концентрацией магния. Медь и цинк не имеют реальной экономической важности (как правило, они составляют менее 2% общей стоимости), поэтому их можно удалять и обрабатывать как отходы или побочные продукты. А вот никель и кобальт можно извлекать несколькими способами. Первые производственные мощности

шламовой воды постепенно снижается

HPAL были построены на Кубе в Моа

до атмосферного, что приводит к

Бей в конце 1950х годов. Они, а также

образованию пара, выделяемого при

ряд возведённых позже предприятий

мгновенном вскипании. Этот уже

для осаждения смешанной сульфидной

ПРОЦЕСС HPAL Марганец/едкая щёлочь или сероводород Известняк

Серная кислота ≈ 250 °C

Пар Мокрая руда (лимонит)

Известняк

HPAL

Рециркуляция пара

Нейтрализация

Отделение осадков

Извлечение металлов

Хвосты промежуточной фракции использовали

свойственными всякому периоду

сероводород для восстановления

начальных разработок, и, как правило,

никеля Класса 1. Осадок смешанного

имеющими отношение к сложным

сульфида (ОСП) — это довольно

условиям, требующим использования

чистая и густая фракция. Он хорошо

оборудования из многослойных

осаждается и великолепно подходит

конструктивных материалов —

для перевозки, так как содержит около

плакированных титаном автоклавов

50-55% никеля и кобальта, и перевозится

HPAL и прочих покрытых резиной или

в виде влажного порошка. Осадок

облицованных кирпичом резервуаров;

смешанной гидроокиси (ОСГ) стал очень

а также с проблемами, связанными

популярным в последние десять лет.

с необходимостью использования

Для осаждения бедной обогащаемой

нескольких последовательных

промежуточной породы используется

производственных этапов, каждый

едкая щёлочь или гидроокись магния. В

из которых должен работать в

этой промежуточной породе примерно

одинаковом темпе. В настоящее

40% никеля и кобальта, но и намного

время в Индонезии начинает работу

больше влаги (около 50% по весу), что

новое поколение таких мощностей.

означает, что в отгружаемой продукции

По-видимому, опыт, приобретённый

содержится только около 20% никеля и

компаниями, возводящими серийные

кобальта по весу.

производственные комплексы, наконец-то

Решение вопросов, связанных с

позволил создать мощности, которые

промышленными отходами

хорошо функционируют с первого же дня.

После извлечения ценных металлов

Воздействие на окружающую среду

(никеля и кобальта) остаётся

мощностей HPAL значительно

значительное количество жидких отходов с большим содержанием магния и некоторым количеством марганца в виде сульфатов. Для сохранения воды производится её частичная рециркуляция, что повышает уровень содержания магния, так что, в конце концов, становится необходимым вывести его из операционного цикла. В сухом климате этот раствор можно выпарить, оставив сульфаты металлов в испарительном бассейне для кристаллизации, а в тропическом климате отходы сбрасывают в океан. Перед сбросом необходимо снизить до приемлемого уровня содержание подконтрольных металлов, таких как хром, марганец, никель и кобальт, удалив их из раствора. Новое поколение HPAL

ОСГ или ОСП

Извлечение металлов Промышленные отходы

Вымывание с помощью противоточной декантации (ПД) — это процесс, при котором для вымывания ценного раствора и отделения отходов в серии последовательных действий используется целый ряд загустителей. На каждом этапе входящий шлам, оставшийся после предыдущего этапа, смешивается с промывочной жидкостью следующего этапа, затем он загущается и подаётся на следующий этап. Продукт последнего этапа промывается водой или другим обезметалленным раствором, который продвигается далее вверх по цепи, тогда как твёрдые вещества двигаются вниз. Этот процесс на каждом этапе снижает концентрацию ценных материалов почти на 50%, так что к концу шестого или седьмого этапа вымывания извлекается более 97% ценных материалов.

ВЫМЫВАНИЕ С ПОМОЩЬЮ ПД Нейтрализованный выщелоченный шлам 35% твёрдых частиц

отличается от воздействия ротационной электрической печи (РЭП): у HPAL относительно низкий уровень выброса парниковых газов, особенно в случаях,

Раствор продукта

Загуститель 1

когда серная кислота производится на месте. Однако в результате работы HPAL создаётся значительное количество остаточных продуктов, которые требуют постоянного складирования в резервуарах. Складирование можно

Загуститель 2

осуществлять таким образом, чтобы минимизировать риски влияния на окружающую среду, но полностью устранить воздействие отходов HPAL можно только при полном замкнутом цикле работы, при котором все отходы

Промывочная вода

Загуститель 3

перерабатываются в другие материалы, такие как железные руды или инертные материалы-наполнители. Этот вопрос всё ещё изучается, но пока трудно разрешим

Мощности HPAL сталкивались

из-за сложности необходимых для этого

со значительными проблемами,

химических процессов.

Шламовая пульпа 45% твёрдых частиц

«НИКЕЛЬ», т. 39, № 3, 2024 г. | 7

СТРАТЕГИЧЕСКОЕ И КРИТИЧЕСКИ ВАЖНОЕ СЫРЬЁ ЧЕМ ЯВЛЯЕТСЯ НИКЕЛЬ? Сырьевые материалы лежат в основе практически всех ключевых производственно-сбытовых цепочек — от автомобильного производства и машиностроения до электроники — эти производственно-сбытовые цепочки принципиально значимы для государственного хозяйства, промышленности и гражданского общества. Некоторые первичные материалы рассматриваются как «критически важные» или «стратегические», так как они являются принципиально значимыми для ключевых отраслей промышленности, экономической стабильности, национальной безопасности и технологических инноваций. Без надёжного доступа к этим материалам такие отрасли промышленности, как оборонная, энергетическая, телекоммуникационная и электронная, могут столкнуться со значительной дестабилизацией. Никель является одним из таких видов сырья, которому уделяется внимание во многих странах мира.

8 | «НИКЕЛЬ», т. 39, № 3, 2024 г.

Тем не менее значение этих материалов

материалов; особо следует отметить

часто не замечают до тех пор, пока

США и Европейский Союз. Целью этих

не возникает их нехватка, что может

оценок являлось предупреждение

произойти по целому ряду причин.

рисков перебоев в цепочке поставок и

Дисбаланс в предложении и спросе,

обеспечение непрерывности потоков

геополитика, ограниченный возврат

жизненно важных материалов. Сегодня

в повторный оборот — причины для нехватки этих материалов

более 25 стран мира проводят такие оценки, определяя сырьевые материалы,

многочисленны.

являющиеся жизненно необходимыми

В течение нескольких последних

и устанавливают меры для смягчения

десятилетий нехватка железной руды, коксового угля, редкоземельных элементов, магнезита и кремнезёма нарушала производственно-сбытовые цепочки с серьёзными последствиями для всей экономики.

для своих экономик и промышленности, рисков прекращения поставок. Определение критической необходимости сырья Но как определяется критичность сырья? Критерии определения критичности сырьевого материала разнятся в разных

В ответ на эти проблемы в начале

странах, но лежащие в их основе

двухтысячных в практику нескольких

принципы во многом единообразны.

регионов мира были введены «оценки

Большинство оценок основывается

критической необходимости» сырьевых

на двух ключевых факторах — риске

перебоев с поставками и экономической

Потенциальные последствия

значимости сырья. Сырьевой ресурс

статусов «критически важный» и

считается критически важным, когда он

«стратегический»

играет значительную роль в значимых производственно-сбытовых цепочках, но может столкнуться с потенциальными перебоями в поставках. Эти риски перебоев в поставках часто произрастают из географической концентрации производства в небольшом количестве стран или компаний, непостоянства торговых отношений, недостаточности

Но существует ли какая-нибудь польза для никелевой промышленности от того, что её продукция считается «критически важной» и «стратегической»? Растущее признание жизненной необходимости никеля привело к принятию разнообразных мер регулирования, целью которых стало

инфраструктуры переработки

обеспечение надёжности его поставок.

вторичного сырья или отсутствия

Государственные органы разных стран

подходящих замещающих материалов.

начали упрощать процессы получения

«Критически важные» в сравнении со «стратегическими» Второму термину, «стратегическое сырьё», в этом контексте уделяется всё большее внимание. В Европейском Союзе

разрешений, чтобы стимулировать внутреннее производство, инвестиции в технологии переработки вторичного сырья и участие в дипломатических усилиях по обеспечению доступа

термин «стратегический» используется

к регионам, богатым никелем. Для

для описания сырьевых материалов,

никелевой промышленности эти

которые хоть и являются важными, но всё

политические действия могут означать

же не считаются «критически важными»,

усиление поддержки добывающей

поскольку в настоящее время нет риска

и перерабатывающей отраслей

возникновения перебоев в их поставках.

промышленности, инициатив в области

Никель по праву считается «критически

переработки вторичного сырья, а также

важным» материалом во многих регионах.

увеличение финансирования научно-

Самым ярким примером являются

исследовательских работ.

такие страны, как США, Канада, Китай и

Критически важный и стратегический

Япония. Но почему? Статус критичности никеля определяется его ведущей ролью в энергетике и переходе к цифровым технологиям, особенно его ключевой ролью в аккумуляторных батареях для электромобилей и в технологиях низкоуглеродного производства электроэнергии. По мере роста спроса на эти технологии растёт и значимость никеля. В Евросоюзе никель считается

Никель как металл с исключительными свойствами, такими как коррозиестойкость и жаропрочность, играет незаменимую роль в современном обществе. Его использование практически во всём — от инфраструктуры до самых передовых технологий — закрепляет его положение в сердце мировой экономики. Вот поэтому он является одновременно и

как стратегическим, так и критически

критически важным, и стратегическим

важным сырьём. Это отражает не только

сырьевым материалом, которому

его текущую экономическую важность, но

отводится существенная роль как

и его центральное положение в будущем.

сегодня, так и в будущем.

Оценка критически важных материалов (ОКВМ) Критический Стратегический

«НИКЕЛЬ», т. 39, № 3, 2024 г. | 9

ПИТАЯ ЭНЕРГИЕЙ БУДУЩЕЕ: ПЕРЕДОВЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ В ОБЛАСТИ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ

У никеля своя важная роль во многих ключевых достижениях последних месяцев в области аккумуляторных батарей для электромобилей

С быстрым распространением электромобилей фокус всеобщего внимания сосредоточился на совершенствовании рабочих характеристик, безопасности и экономичности аккумуляторных батарей. В самом сердце этих инноваций находится никель — критически важный участник многих химических составов аккумуляторных батарей для электромобилей.

10 | «НИКЕЛЬ», т. 39, № 3, 2024 г.

Никель используется в разнообразных

(80% никеля) и переходе к составу

химических формулах литий-ионных

НМК 955 (90% никеля, 5% марганца

аккумуляторов, помогая повысить

и 5% кобальта). Ожидается, что эта

их удельную энергоёмкость и тем

корректировка ещё более повысит

самым увеличить дальность пробега

удельную энергоёмкость выпускаемых

транспортных средств. Никель

компанией аккумуляторных элементов

является важной составляющей

и одновременно немного снизит их

аккумуляторных батарей с составом

зависимость от кобальта. Более того,

никель-марганец-кобальт (НМК) — они

«Тесла» также экспериментирует с

широко применяются в электромобилях.

составом варианта НМК 973 (90% никеля,

Эти аккумуляторы демонстрируют

7% марганца и 3% кобальта). Повышенное

баланс удельной энергоёмкости,

содержание никеля в этом химическом

термической стабильности и стоимости.

составе позволяет достичь более высоких

В связи с тем, что автомобилестроители

показателей мощности и пробега, но при

стремятся увеличить дальность пробега

этом сохранение баланса безопасности

транспортных средств, наметилась

и долговечности этих аккумуляторных

тенденция к увеличению никелевой

элементов всё ещё остаётся сложной

составляющей катодов НМК.

технической задачей.

Компания Tesla

Более эффективные катоды

Компания Tesla, например, объявила

К ключевым прорывам в области

о замене аккумуляторных батарей

аккумуляторных батарей на основе

предыдущего дизайна НМК 811

никеля относятся достижения, связанные

Компания Novonix, лидер в производстве материалов для аккумуляторов, представила безотходный сухой метод синтеза катодов на основе никеля. Этот инновационный процесс значительно снижает воздействие производства аккумуляторных батарей на окружающую среду, устранив необходимость использования растворителей и исключив производственные отходы. Более того, эта технология улучшает эффективность работы катодного материала, делая его более эффективным и возобновляемым. Баланс энергоёмкости и стабильности Компания LG Energy Solution (LGES) тоже вносит свой вклад в технический прогресс, приняв план развёртывания массового производства высоковольтных средненикелевых аккумуляторных батарей к 2025 г. Эти аккумуляторы должны обеспечить баланс между высокой удельной энергоёмкостью и стабильностью, что существенно для электромобилей. Другим значительным достижением сектора электромобилей стало массовое производство компанией Panasonic цилиндрической литиевой аккумуляторной батареи 4680. Этот аккумуляторный формат, предлагающий батарею мощностью в пять раз больше, чем у традиционного элемента 2170, призван в корне изменить электромобильную промышленность, увеличив пробег транспортного средства и снизив общее количество элементов, требуемое для батарейного блока. Элементы 4680 содержат высокий процент никеля, внося дальнейший вклад в повышение удельной энергоёмкости. Завод Wakayama компании Panasonic в Японии станет начальным производственным хабом для аккумуляторной батареи 4680. На этом предприятии компания интегрирует передовые методы производства. Оно также послужит демонстрационной площадкой для мирового производства. Ожидается, что аккумуляторный элемент 4680 значительно снизит производственные затраты на электромобили, что сделает их более доступными для широкого рынка. Никель-цинковые аккумуляторы Никель остаётся критически необходимым материалом в высокоэффективных аккумуляторных батареях для электромобилей, но исследования альтернативных химий батарей продолжаются. Компания ZincFive, лидер в области никельцинковых (NiZn) аккумуляторов,

расширяет свои производственные мощности в США, намереваясь производить аккумуляторы для немедленного применения в энергетике. Никель-цинковые аккумуляторные батареи привлекают внимание благодаря своей высокой выходной мощности и преимуществу перед литий-ионными аккумуляторами, связанному c их конструктивной безопасностью. Эти аккумуляторы особенно полезны для тех областей применения, в которых требуются быстрые импульсы энергии, например, в центрах данных или для сетевого накопления энергии. Хотя никель-цинковые батареи всё ещё нецелесообразны для масштабного использования в электромобилях из-за низкой удельной энергоёмкости по сравнению с литий-ионными аккумуляторами, их безопасность и экологические преимущества делают эти аккумуляторы привлекательной альтернативой в некоторых областях применения. Твёрдотелые элементы Заглядывая в будущее, скажем, что твёрдотелые аккумуляторные батареи, которые заменят жидкий электролит в обычных литий-ионных элементах твёрдым электролитом, обещают обеспечить повышенную удельную энергоёмкость и бóльшую безопасность. Компании Mercedes-Benz и Factorial сотрудничают в разработке твёрдотелых аккумуляторных батарей в рамках проекта «Solstice» («Солнцеворот»). Ожидается, что эти аккумуляторы на 80% увеличат удельную энергоёмкость по сравнению с нынешней литий-ионной технологией благодаря, в частности, достижениям в области катодных материалов, в том числе в соединениях с высоким содержанием никеля.

КОМПАНИЯ FACTORIAL ENERGY

с самыми современными катодными материалами и более эффективными процессами производства.

Ожидается, что твёрдотелые аккумуляторные батареи на 80% увеличат удельную энергоёмкость по сравнению с нынешней литий-ионной технологией благодаря, в частности, достижениям в области катодных материалов, в том числе в соединениях с высоким содержанием никеля.

Никель в центре С ростом индустрии электромобилей роль никеля в технологии аккумуляторных батарей становится всё более значимой. От катодов с высоким содержанием никеля, применяемых компанией Tesla, до высоковольтных средненикелевых катодов компании LGES — никель находится в центре инноваций, которые обещают увеличить пробег, улучшить рабочие характеристики и снизить затраты. В то же время достижения в области добавок для повышения безопасности, а также альтернативных химических составов, таких как NiZn, и настойчивые усилия по совершенствованию твёрдотелых аккумуляторных батарей позволяют нам заглянуть в то будущее, в котором аккумуляторы для электромобилей станут более безопасными и эффективными.

«НИКЕЛЬ», т. 39, № 3, 2024 г. | 11

|

НИКЕЛЬ ПОКАЗЫВАЕТ СЕБЯ ВО ВСЁМ БЛЕСКЕ ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ Различные способы термообработки являются ключевыми для оптимизации свойств деталей в автотранспортной, аэрокосмической, энергетической и прочих отраслях промышленности. А теперь она представляет исключительный интерес и для промышленности электромобилей, так как подвергнувшиеся термообработке детали являются критически важными для улучшения рабочих характеристик, когда более низкий вес способствует повышению дальности пробега.

ПРОКАТНЫЕ СПЛАВЫ

Никельсодержащие нержавеющие

поэтому во всём остальном они ведут

основе никеля — это материалы,

себя одинаково. Стенки отливок,

применяющиеся в креплениях

как правило, толще, чем у кованой

для термических печей. Газовое

продукции, что может оказаться

науглероживание, диффузионное

полезным для многих областей

насыщение углеродом поверхности

применения, хотя здесь возможны

металла, и нитрирование —

проблемы с весом. Могут возникнуть

аналогичный процесс, только вместо

проблемы свариваемости отливок

углерода используется азот, — это термическая обработка, повышающая поверхностную твёрдость и износоустойчивость стали, при этом сохраняющая сердцевину металла прочной и ковкой. Никельсодержащие Эти поддоны используются для размещения зубчатых передач, которые должны пройти газовое науглероживание в процессе термообработки при температуре 925 °C (1700 °F). За этой процедурой следует нейтральная закалка при температуре 845 °C (1550 °F). Рифлёные вертикальные стойки произведены из прессованного пластичного

сплавы в поддонах, ремнях и прочих креплениях обеспечивают этому оборудованию более длительный срок службы в течение многочисленных рабочих циклов. Эти материалы обладают более высокой прочностью при повышенных температурах, сохраняют ковкость и хорошо себя показывают в окислительных средах.

сплава RA330®. Они заменили стойки из

Они доступны в различных формах,

литейного сплава с коротким сроком службы

их легко формовать и сваривать.

из-за их неспособности к выпрямлению

Жаропрочные сплавы на основе

в связи с низкой пластичностью.

никеля считаются продолжением 300-й серии, но с улучшенными свойствами, необходимыми в более экстремальных условиях. Как отливки, так и материалы, обрабатываемые давлением (кованые), используются для высокотемпературных режимов работы. Отливки близки к конечной форме, и углеродная составляющая в них может быть высокой для повышения предела ползучести. Так в

12 | «НИКЕЛЬ», т. 39, № 3, 2024 г.

сплавов содержится 25% Cr и 20% Ni,

стали 300-й серии и сплавы на

из-за большего размера зерна, но, в основном, это решаемо. Жаропрочные сплавы можно произвести при помощи литья в песчаные формы, методом инвестиционного кастинга или центробежного литья. Материалы, обрабатываемые давлением, то есть пластины, листы, трубы, пруток и т.п., предназначены для сварки и формовки деталей. Низкое содержание в них углерода способствует свариваемости, особенно в тех случаях, когда необходим ремонт. Во избежание деформации все проектируемые детали должны иметь допуск на расширение металла при высоких температурах. Сплав 330 (N08330) обычно используется при тепловой обработке, так как обладает такими свойствами, как сопротивляемость к окислению и пластичность. В нём содержится кремний для сред с высоким содержанием углерода. В состав обрабатываемых давлением сплавов могут входить такие элементы, как церий и азот — они улучшают предел текучести, сопротивляемость к окислению и металлургическую стабильность.

сплаве HK40 (UNS J94204) содержится

Как правило, никельсодержащие

0,35–0,45% углерода, тогда как в марке

сплавы ведут себя блестяще во всех

310S (S31008) его 0,08%. В составе обоих

высокотемпературных процессах.

|

ВЫСОКОЭНТРОПИЙНЫЕ СПЛАВЫ В обычных рецептурах сплавов один из первичных элементов выбирается из-за своих

Высокоэнтропийные сплавы считаются

свойств — например, железо, медь или алюминий. Затем для дополнения или улучшения

классом передовых материалов

свойств сплава к первичному добавляются небольшие количества других элементов. Простейшим примером служит сталь, являющаяся сплавом железа (~99%) и углерода

свойствами и коррозиестойкостью. ВЭС, содержащие никель, выделяются своей

(до ~1%). Углерод в значительной степени увеличивает прочность. Более сложным сплавом

впечатляющей прочностью, ковкостью и

является марка нержавеющей стали 304L (UNS S30403) со следующим приблизительным

сопротивляемостью к окислению. Высокая

составом: Fe 72%, Cr 18% и Ni 8%. Хром и никель — важнейшие элементы для производства

стоимость составляющих металлов

коррозиестойкого стального сплава, лёгкого в формовке.

в этих сплавах скорее всего ограничит сферу их применения. Но их потенциально

В 2003 г. исследователи открыли новый

найти применение как конструкционный

исключительные свойства могут принести

класс сплавов, известный теперь

материал в низкотемпературных

значительные выгоды в тех областях, где

как высокоэнтропийные сплавы

областях промышленности или как

требуются жаропрочность и термическая

(ВЭС), состоящие из пяти или более

энергопоглощающий материал из-за своей

устойчивость — например, в реактивных

элементов, находящихся в сплаве в

высокой ударной прочности.

двигателях и на гиперзвуковых летательных

равных атомных долях. Первоначальное исследование проводилось на сплаве,

Выяснилось, что сплав Al0.5CoCrCuFeNi с небольшой добавкой алюминия обладает

составленном из CoCrFeMnNi — учёные обнаружили, что у него исключительные

как высоким усталостным ресурсом, так

низкотемпературные механические

и пределом усталости, которые, возможно,

свойства и высокая изломостойкость;

превышают эти же показатели некоторых

причём, как пластичность, так и предел

обычных сталей и титановых сплавов. Но

текучести увеличивались со снижением

эксперименты выявили значительную

контрольной температуры с комнатной

изменчивость результатов, что требует

до -196 °C (−321 °F). Такая сталь может

дальнейшего исследования.

102 Изломостойкость, Kc (MPa.m1/2)

ИСТОЧНИК: ДЖОРДЖ И. П., РААБЕ Д., РИТЧИ Р. О. (GEORGE EP, RAABE D, RITCHIE RO.) ВЫСОКОЭНТРОПИЙНЫЕ СПЛАВЫ. // NAT REV MATER. -2019. – ТОМ 4. – С. 515-534.

с выдающимися механическими

П Р Е Д Е Л Т Е К У Ч ЕС Т И В С РА В Н Е Н И И С Высокоэнтропийные сплавы \ CrCoNi И З Л О М О С Т О Й КО С Т Ь Ю Н А Г РАФ И К Е Э Ш Б И CrMnFeCoNi / \ Суперсплавы на Нержавеющая сталь основе никеля Никелевые сплавы \ / \ Металлы и сплавы —— — —Сплавы Сплавы меди титана Сплавы алюминия

благодаря высокой прочности и ударной вязкости; либо в областях, связанных с криогенными температурами, благодаря великолепной ударной вязкости

«Предел текучести в сравнении с изломостойкостью на логарифмическом графике Эшби показывает, что высокоэнтропийные сплавы на основе CoCrNi относятся к самым устойчивым к повреждению

Сплавы магния 10

аппаратах; либо на автотранспорте

материалам из всех известных», —

1

Бернд Глудовац (Bernd Gludovatz)

Гранит |

Оси графика — логарифмические, таким

Стёкла

Нетехническая керамика Бетон|

10 0

Техническая керамика (например, карбид вольфрама, нитрид кремния)

Полимеры (пластик)

образом, 102 в 100 раз больше, чем 10 0, а это свидетельствует о значительном росте предела текучести и изломостойкости ВЭС в сравнении с другими известными

10

0

10

1

10 Предел текучести, oy (МПа) 2

10

3

конструкционными материалами.

«НИКЕЛЬ», т. 39, № 3, 2024 г. | 13

СПРОСИ ЭКСПЕРТА ПОПУЛЯРНЫЕ ВОПРОСЫ НА САЙТЕ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕКОМЕНДАЦИЙ ИНСТИТУТА НИКЕЛЯ

В О

В.: Мы монтируем солнечные батареи на крыше здания, находящегося в двух километрах от

океана. Монтажные кронштейны — это алюминиевые детали, соединённые с центральным болтом, произведённым из нержавеющей стали марки 304 (UNS 30400) (без шайб, поэтому

Гир Мо (Geir Moe), лицензированный инженер,

является координатором Службы технической консультации Института никеля. Наряду с другими специалистами-материаловедами, находящимися в разных странах мира, Гир Мо помогает конечным пользователям и спецификаторам никельсодержащих материалов, заинтересованным в получении технической помощи. Для того, чтобы

нержавеющая сталь непосредственно контактирует с алюминием). Следует ли нам

беспокоиться о реакции между разными металлами — алюминием и нержавеющей сталью?

О.: Чтобы избежать гальванической

В идеале сплавы Al-Mg (серии 5000)

коррозии шурупа в подобной атмосфере,

или Al-Mg-Si (серии 6000) в морской

рекомендуется использовать шурупы

атмосфере работают лучше всего.

из нержавеющей стали совместно с

Что касается нержавеющей стали, в

алюминиевыми сплавами. Алюминиевый

морской атмосфере марка 304 может

сплав обеспечит гальваническую защиту

подвергнуться щелевой коррозии,

бесплатно предоставлять технические

нержавеющей стали, но только в том

поэтому лучше использовать марку

консультации по широкому ряду тем,

случае, если оба металла увлажнены и

316 (S31600).

таких, например, как нержавеющие стали,

только в точке соединения алюминиевого

пользователи с уверенностью применяли никель, эта команда всегда готова

никелевые сплавы и никелирование

«НИКЕЛЬ»

О Н Л А Й Н

ЖУРНАЛ

сплава и нержавеющей стали.

WWW.NICKELINSTITUTE.ORG ПОДПИШИТЕСЬ бесплатно на журнал «Никель». При появлении нового выпуска на сайте вы будете получать уведомление по электронной почте www.nickelinstitute.org ЧИТАЙТЕ журнал «Никель» онлайн на нескольких языках www.nickelinstitute.org/library/ ИЩИТЕ ПРЕДЫДУЩИЕ НОМЕРА журнала «Никель» в архиве онлайн, начиная с июля 2009 г. www.nickelinstitute.org/library/ СЛЕДИТЕ ЗА НОВОСТЯМИ О НАС в Твиттере X @NickelInstitute ПРИСОЕДИНЯЙТЕСЬ к нам на сайте LinkedIn (ЛинкдИн) — зайдите на страничку Института никеля СМОТРИТЕ видеоролики о никеле на канале Института никеля на YouTube www.youtube.com/user/NickelInstitute

Что касается гальванической коррозии, то все нержавеющие стали обладают

Важно также выбрать такие сплавы

сходным электрохимическим

алюминия и нержавеющей стали,

потенциалом, и большой разницы

которые изначально коррозиестойки в

между марками 304 и 316 не существует.

атмосфере. На расстоянии 2 км (1,24 мили)

Главными факторами, влияющими на

от океана отложение соли (хлорида

гальваническую коррозию, являются

натрия) в соединении с дождевой водой

соотношение площадей двух металлов

или водным конденсатом может вызвать

и эффективности более благородного

питтинговую/щелевую коррозию

(положительного) металла в качестве

некоторых сплавов. Всё зависит от того,

катода. В атмосферной коррозии

сколько соли накапливается на таком

соотношение площадей в большинстве

расстоянии от берега. Это — функция

случаев 1:1, к тому же катоды из

нескольких переменных, в том числе

нержавеющей стали в мокром состоянии

температуры, силы и направления

в атмосфере не очень эффективны.

господствующего ветра, частоты дождей,

Вот почему приемлемо использование

влажности и т.д.

шурупов из нержавеющей стали с алюминиевыми сплавами.

ОБШИРНАЯ ГАЛЬВАНИЧЕСКАЯ КОРРОЗИЯ Электрический ток

Электролит Катод Более низкий потенциал окисления Более высокий потенциал электрода

Ржавчина

Если же вы всё-таки решите применить марку 304, тогда определить наличие коррозии и ширину её распространения

Анод Более высокий потенциал окисления Более низкий потенциал электрода

поможет ежегодная инспекция. Когда коррозия станет слишком ярко выраженной, потребуется замена подвергнувшихся ей шурупов.

14 | «НИКЕЛЬ», т. 39, № 3, 2024 г.

Никель можно обнаружить везде — от нанонитей до нержавеющих сталей. Но каковы свойства никеля, которые делают его неотъемлемой частью предметов, использующихся в нашей каждодневной жизни?

ПОЧЕМУ НИКЕЛЬ? НИКЕЛЬ В ХРОМОВОМ ПОКРЫТИИ

Некоторые могут посчитать никелирование капризом, но оно является великолепным методом продления срока службы ваших предметов, сохранения их блеска и красоты. Итак, почему мы его используем? Никель делает вещи прочными — он помогает остановить ржавление и сохраняет их гладкими и блестящими, поэтому ваши любимые аксессуары, мотоциклы и детали машин сохраняют блеск и прочность. Он не только выполняет роль защитной брони, но также помогает вашим вещам выглядеть внушительно! Что обычно никелируется? Самые разные вещи! Только вспомните блестящее покрытие мотоциклов, машин, а также водопроводных кранов и душевых леек. Как правило, под тонким слоем другого металла, такого как хром или даже золото, находится никель. А ещё существует гальванопластика. Это создание точных копий разных предметов. Она очень полезна, если нам нужно, чтобы предметы были точно необходимой формы и размеров. Никель обеспечивает лучшую работу и сохранность оборудования.

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ (весовой в %) сплавов и нержавеющих сталей, упомянутых в данном выпуске журнала «Никель»

UNS

C

Cr

Cu

Fe

Mn

Mo

N

Ni

P

S

Si

J94204 pg 12

0.35– 0.45

23.0– 27.0

–

bal

1.50 max

0.50 max

–

19.0– 22.0

0.040 max

0.040 max

1.75 max

N08330 pg 12

0.08 max

17.0– 20.0

1.00 max

bal

2.00 max

–

–

34.0– 37.0

0.03 max

0.03 max

0.75– 1.5

S30400 pg 14, 16

0.08 max

18.0– 20.0

–

bal

2.00 max

–

–

8.0– 10.5

0.045 max

0.030 max

1.00 max

S30403 pg 13

0.03 max

18.0– 20.0

–

bal

2.00 max

–

–

8.0– 12.0

0.045 max

0.030 max

1.00 max

S31008 pg 12

0.08 max

24.0– 26.0

–

bal

2.00 max

–

–

19.0 – 22.0

0.045 max

0.030 max

1.5 max

S32304 pg 2

0.030 max

21.5– 24.5

0.05– 0.60

bal

2.50 max

0.05– 0.60

0.05– 0.20

3.0– 5.5

0.040 max

0.030 max

1.00 max

«НИКЕЛЬ», т. 39, № 3, 2024 г. | 15

VERONIQUE STEUKERS

СЛОНЫ АЭРОПОРТА СУВАРНАБХУМИ Две скульптуры слонов из блестящей нержавеющей стали, символ соединения сиамского наследия и современности, облагораживают неугомонную энергию международного авиационного хаба Бангкока — аэропорта Суварнабхуми. Сомсак Конгнапхакди (Somsak Kongnaphakdee), признанный тайский художник, спроектировал эти скульптуры в натуральную величину. Изготовленные компаниями Vision in Forms (слоны) и Thapanin (пьедестал скульптуры) конструкции слонов были сплетены из лент холоднопрокатной нержавеющей стали марки 304-2B (UNS S30400) толщиной 1,2 мм. Этот метод был выбран для того, чтобы отобразить уникальность кустарного ремесла, присущую сиамской культуре. Во всём мире не сыскать другую такую парочку сплетённых из нержавеющей стали

Нержавеющая сталь была выбрана

глянцевая поверхность обоих слонов

главным материалом не только из-за своей

оживляет аэропорт и вызывает

слонов, установленных в ноябре 2019 г.

художественной привлекательности, но

восхищение его посетителей из разных

Материал:

также и из-за устойчивости к внешним

стран мира.

марка 304-2B толщиной 1,2 мм Производитель: Скульптура слонов: компания Vision In Forms Co., Ltd. Пьедестал скульптуры: компания Thapanin Co., Ltd.

воздействиям, что делает её идеальной для крупногабаритных художественных инсталляций в общественных местах. Хорошо отполированная поверхность добавляет дух современности, тогда как сама художественная задумка основана на традиционной роли слонов в тайском

Слоны — это не только украшение аэропорта. Они стали его самой знаменитой достопримечательностью, приглашающей путешественников остановиться, поразмышлять и отдать дань многосложному художественному

обществе как символе силы, защиты и

мастерству и культурной глубине

Сомсак Конгнапхакди

царственности. Больший по величине

Таиланда. Выставленные во

(Somsak Kongnaphakdee),

слон из нержавеющей стали возвышается

вспомогательном терминале №1, они

компания Vision In Forms Co., Ltd.

на внушительные 3 м (3,8 фута) и

являются частью комплекса мероприятий

Художник:

16 «НИКЕЛЬ», | «НИКЕЛЬ»,т. 39, т. 39,№№3, 3,2024 2024г. г.

весит около пяти метрических тонн

по интеграции произведений искусства в

(5,5 коротких тонны). Светоотражающая

общественные места.