№ 1 (19) / 2025
Михаил Горбенко,
ученик 7 класса, ГБОУ г. Москвы «Школа № 58»
И.В. Гуревич,
куратор направления «Научные приключения» Клуба юных геологов ГГМ РАН
Летом 2024 г. во время практики Клуба юных геологов Межвузовского академического центра навигации по специальностям горно-геологического профиля им. Ю.Н. Малышева ГГМ РАН на Кольском полуострове мне выпала уникальная возможность посетить металлургическое производство Кольской ГМК (ранее комбинат «Североникель») в городе Мончегорске. В этом году исполнилось 85 лет с момента, когда комбинат выдал первый огневой товарный никель.
Введение
Идея о постройке комбината (рис. 1) на Кольском полуострове возникла уже в 1930 г. после открытия академиком А.Е. Ферсманом месторождения медно-никелевых руд «Терраса» на массиве Нюд. В 1931 г. Иосиф Холмянский и Борис Куплетский на массиве Сопча открыли первое промышленное месторождение «Пласт-330» с оцененными запасами никеля в 220 тысяч тонн и содержанием никеля всего 0,3% [3]. В 1937 г. Илья Галкин открыл богатые жилы сульфидных руд (содержание никеля до 4%) в массиве Ниттис-Кумужья-Травяная, отработка которых будет продолжаться до 1969 г. [2]. Потребность растущей промышленности в никеле была чрезвычайно острой, его приходилось покупать за границей, поэтому в 1934 г. С.М. Кировым было принято решение о постройке в Мончетундре никелевого комбината. В 1935 г. Серго Орджоникидзе подписал указ об ударных темпах строительства комбината «Североникель», с этого же момента началось строительство города Мончегорска.
Рис. 1. Строительство цехов комбината. 1937 г.
В 1939 г. комбинат дал первый никель, в 1940 г. был получен первый кобальт. Своего производства кобальта в СССР в то время не было, а зарубежные поставки прекратились, поэтому проблемой организации этого производства занимался лично И.В. Сталин. Осенью 1940 г. комбинат вышел на полный технологический цикл. Возведение в столь короткие сроки металлургического комбината в необитаемой тундре стало уникальным событием в мировой металлургии [4].
В июле-августе 1941 г. большая часть оборудования и материалов комбината практически за несколько месяцев была вывезена в Норильск, Орск, Джезказган. Но после стабилизации фронта в Заполярье уже в 1942 г. началась работа по восстановлению комбината. В октябре 1946 г. запущен кобальтовый цех, в 1947 г. организована переработка шламов электролизного цеха на платиноидный концентрат. Технологию разработал профессор Ленинградского горного института Н.С. Грейвер. Также на комбинате стали выпускать никель высокой чистоты (содержание до 99,9%), что являлось мировым достижением. В 1958 г. началась реконструкция комбината, в результате чего он стал выпускать до 65 тысяч тонн никеля в год. Электропечи рудной плавки на «Североникеле» в 1960-х гг. были самыми мощными в мире. В 1963 г. запущен единственный в СССР цех по производству карбонильного никеля, используемого в качестве катализатора, и получения никеля самой высокой чистоты.
В начале 1970-х гг. закончились запасы руд Мончегорского рудного района, и комбинат был вынужден перейти на сырье из Заполярного и Норильска, но все равно до конца 1980-х комбинат работал стабильно. Кризис 1990-х гг. резко негативно отразился на деятельности экспортных предприятий. «Североникелю» грозило закрытие, но в 1989 г. комбинат был передан в состав ГК «Норильский никель». В 1998 г. «Печенганикель» и «Североникель» объединились в АО «Кольская ГМК», которая является филиалом ПАО «Норникель». Сейчас на комбинате осуществляется финал технологического цикла по производству основной продукции компании, перерабатывается файнштейн, поступающий из Норильска, а также вторичные материалы, содержащие цветные и драгоценные металлы.
Рассмотрим подробнее процесс производства на комбинате в Мончегорске.
Производственный цикл
Производство на «Североникеле» осуществляется в пяти цехах: рафинировочном, электроэкстракционном, электрорафинировочном, карбонильном и в цехе кобальтового производства.
Исходным сырьем для комбината является файнштейн – сплав сульфидов никеля, меди и кобальта. В сплаве содержание кобальта варьируется от 0,5 до 1,5%, меди от 0,4 до 1,5%, никеля от 50 до 56% и серы от 30 до 40%.
Дробление
Цепочка производства на «Североникеле» начинается с рафинировочного цеха, где происходит разделение медного и никелевого концентратов. Блоки файнштейна весом 25 тонн привозят из Норильска морским транспортом и загружают в специальные бункеры отгрузки файнштейна. После отгрузки файнштейна его направляют в цех дробления. Файнштейн дробится в три стадии. Сначала файнштейн дробят до фракции 25 мм, затем на двухстадийных шаровых мельницах его переводят в пульпу. Измельченный файнштейн в виде пульпы попадает на следующую стадию – флотацию.
Флотация (метод разделения нескольких компонентов, основанный на различной степени их смачиваемости растворителями, или, проще говоря, основанный на различной способности твердых частиц закрепляться и удерживаться на поверхности пузырьков воздуха).
Рис. 2. Шаровая мельница в рафинировочном цехе. Источник: пресс-служба КГМК
Флотация на «Североникеле» проходит в два этапа. Пульпа (эмульсия из воды и твердых частиц) после дробления смешивается с флотореагентом, придающим водно-газовой среде особые свойства, затем направляется во флотационную установку, где смесь концентратов меди (Cu) и никеля (Ni) при аэрации распыленным воздухом активно перемешивается и сепарируется (разделяется). Медный концентрат собирается в пенной среде в верхней части флотатора, откуда собирается, высушивается, и отправляется на склад готовой продукции. Никелевый концентрат же скапливается в нижней части установки, собирается и сгущается. Затем он фильтруется и отправляется на следующую стадию производства – обжиг. Помимо разделения концентратов, в ходе флотации происходит извлечение драгоценных металлов из медно-никелевого концентрата.
Отделенный медный концентрат далее отгружается потребителям или возвращается в Норильск для дальнейшей переработки или сторонним переработчикам. Вплоть до 2021 г. плавка меди осуществлялась также в Мончегорске, в цехе меди, при этом в атмосферу выбрасывались значительные объемы диоксида серы, но потом цех был закрыт. В настоящее время ведется строительство современного медерафинировочного производства мощностью до 150 тыс. тонн меди в год.
Печь кипящего слоя
Обсушенный никелевый концентрат погружают в печь кипящего слоя и начинают нагревать до 1250oC с подачей воздуха, обогащенного по кислороду, для лучшего связывания серы в оксиды. Горячий огарок (оксид никеля NiO), находящийся в полужидком состоянии, сам стекает в трубчатую печь, где восстанавливается до металла (Ni) при реакции с углем (коксовый орешек), крупная фракция металла идет на производство анодов, мелкая (менее 2 мм) – на электролиз.
Сера, входящая в состав никелевого концентрата, окисляясь, переходит в газовую фазу и далее собирается как серный ангидрид (SO3), после чего направляется в цех производства серной кислоты. Но отходящие газы печей кипящего слоя содержат большое количество пыли, поэтому для повышения эффективности их утилизации необходимо удалять эту пыль. В настоящее время заканчивается строительство нового комплекса системы газоочистки отделения пылеулавливания, что впоследствии позволит значительно сократить выбросы диоксида серы (SO2) в атмосферу.
Рис. 3. Трубчатая печь. Источник: Игорь Ягубков
Электроплавка. Розлив. Грануляция
Никелевый порошок (крупных фракций) из трубчатых печей направляется на плавку в трехэлектродные электродуговые печи. Здесь в расплавленном никеле содержание углерода доводится до 0,1%. Очищенный и нагретый расплав после этой стадии попадает в миксер, который перемешивает расплав и разливает его в 24 формы-изложницы (рис. 4). Полученные таким образом никелевые аноды отправляются в электролизный цех. Все газы с электропечей охлаждаются, очищаются от пыли и выпускаются в атмосферу.
Рис. 4. Розлив никеля в формы-изложницы
Производство карбонильного никеля
Параллельно с предыдущим процессом происходит производство гранул никеля для производства карбонильных никелевых порошков. Для этого расплав дозированно выливается в грануляционный бассейн с охлажденной водой. Далее никелевые гранулы помещаются в реакционный агрегат, куда закачивается горячий оксид углерода (II) – CO, под высоким давлением. В результате процесса получается тетракарбонил никеля (Ni(CO)4), который затем разлагается на никель и CO, но при первом обжиге он разлагается не до конца, и поэтому он отправляется на дополнительный обжиг и очистку от примесей. Итогом процесса является никель ОСЧ – никель особо чистый, порошковый.
Хлорное растворение
Мелкофракционный никелевый порошок трубчатой печи попадает на стадию хлорного растворения. Здесь используется хлор, собранный на стадии электролиза, а также хлор из баллонов. Газ под давлением направляется на хлорирование никелевого порошка, который потом растворяется в воде, и получается концентрированный раствор хлорида никеля.
Рис. 5. Цех хлорного растворения никеля. Источник: Игорь Ягубков
Очистка от примесей и кобальта
Полученный раствор направляют в сорбционные пачуки, где раствор взаимодействует с карбонатом натрия и разделяется на соответствующие компоненты, такие как никель, кобальт, железо. В результате этого процесса получают никелевый католит, кобальтовый и железный кеки. После этого раствор католита проходит повторное хлорирование. А кобальтовый кек отделяется, хлорируется и отправляется на электроэкстракцию.
Рис. 6. Цех очистки растворенного никеля. Источник: Игорь Ягубков
Электроэкстракция никеля
Богатый по никелю раствор электролита закачивается в полимербетонные ванны и электролизуется под постоянным током, при этом катодный никель осаждается на нерастворимых анодах. Чистота такого никеля доходит до 99,5%, толщина же его зависит от времени протекания электролиза: от 3 мм до 5 см. Хлор, выделяющийся при электролизе, собирается и повторно используется в процессе хлорирования никелевого порошка. Получаемый электролитный никель – почти готовая продукция. Впоследствии никель нарезается на квадраты, складывается в бочки и отправляется потребителю.
Рис. 7. Цех электролиза никеля. Источник: Игорь Ягубков
Электроэкстракция кобальта
Очищенный кобальтовый кек (Сo(OH)2) по такой же технологии подвергается хлорированию с последующим концентрированием раствора и электролизу в таких же полимербетонных ваннах с получением электролитного кобальта. Россия занимает третье место по производству металлического кобальта в мире. На комбинате находится единственный в России цех производства электролитического кобальта, открытый в 2014 г.
Электрорафинирование никеля
Никелевые аноды, полученные в результате электроплавки, погружают в железобетонные ванны, в диафрагменные ячейки, затем в них подают католит, полученный на хлорном растворении никеля, и подают постоянный ток.
На никелевых основах – катодах нарастает электролитический никель. Анолит, бедный по никелю, содержащий примеси, направляется на очистку. Данный метод уступает электроэкстракции по времени и скорости, а также в электро- и ресурсозатратах, однако позволяет наиболее полно извлечь никель из сырья.
Стоковая очистка
Итоговый электролит, отработавший свой цикл, отправляется на выпаривание, получение дистиллята, а также хлоридов и сульфатов натрия, что полностью замыкает цикл производства.
Продукция комбината
ГМК «Норникель» – лидер по производству никеля в мире по итогам 2023 г. Большая часть этого никеля приходится на долю Кольской ГМК. «Североникель» – единственный производитель карбонильного никеля в России.
Продукция комбината разнообразна и не ограничивается только металлическими никелем и кобальтом.
Из солей и концентратов, производимых на комбинате, можно выделить такие, как хлорид натрия, сульфат натрия, сульфат никеля, карбонат никеля, кобальтовый концентрат, медь цементная. Большая часть железного кека (Fe(OH)3) захоранивается на полигоне, потребителю уходит очень незначительная часть.
В настоящее время идет строительство нового медерафинировочного производства на базе комбината, а также рассматривается вопрос о создании производства полного цикла по созданию литий-ионных батарей.
Словарь терминов
Огневой никель — черновой никель, полученный непосредственно в результате металлургической выплавки;
Платиноидный концентрат – концентрат, содержащий металлы платиновой группы;
Кек – осадок, отфильтрованный на фильтрующей поверхности;
Файнштейн – промежуточный продукт при получении никеля, Ni3S2;
Флотатор – емкость для проведения процесса флотации;
Медерафинировочное производство – производство по очистке меди;
Электролиз – здесь: метод очистки с помощью электрического тока и электродов, проводится в специальных емкостях – электролизерах;
Сорбционные пачуки – промышленные аппараты для перемешивания и перекачивания растворов и взвесей;
Никелевый католит – раствор для электролиза, богатый по никелю.
Список литературы
1. Припачкин П.В., Нерадовский Ю.Н., Рундквист Т.В., Рыбникова Я.А. Медно-никелевые, платинометалльные и хромитовые руды Мончегорского расслоенного ультрамафит-мафитового плутона (Кольский п-ов, Россия). Путеводитель геологической экскурсии. Апатиты: Геологический институт КНЦ РАН, 2022.
2. Музей истории города Мончегорска. Геология Мончетундры.
3. Елисеев Н.А., Елисеев Э.Н., Козлов Е.К., Лялин П.В., Маслеников В.А. Геология и рудные месторождения Мончегорского плутона. Издательство Академии наук СССР, Апатиты, 1956 г.
4. К 80-летию вступления в строй медно-никелевого комбината «Североникель». Государственный архив Мурманской области.
5. В производстве Кольской ГМК минимизируют потерю драгметаллов. Ресурс kn51.ru.
6. Завершен очередной этап строительства комплекса системы газоочистки в Кольской ГМК. Ресурс kn51.ru.
7. Материалы официального сайта Кольской ГМК // АО «Кольская ГМК» URL: https://kolagmk.ru/ (дата обращения: 07.03.2025).
