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镍——从“小妖精”到合金“好队友”

2017-08-29 10:08:00

镍的化学符号为Ni,原子序数为28。镍既是亲铁元素,也是亲铜元素,在地球中的含量仅次于硅、氧、铁、镁,居第五位。地球上绝大多数镍都分布在地核中,地核是天然的镍铁合金。在地壳中,镁铁质岩石的含镍量高于硅铝质岩石,例如橄榄岩的含镍量为花岗岩的1000倍,辉长岩的含镍量为花岗岩的80倍。

人类发现镍的时间不长,使用镍的时间可以一直追溯到公元前三百年左右。我国至迟在春秋战国时期就已经出现了含镍成分的兵器及合金器皿。古代云南出产的一种“白铜”中也含有很高比例的镍。当时,我国所制造的含镍产品不仅畅销国内,还远销国外。直到现在,波斯语和阿拉伯语中还把白铜称为“中国石”。

19434月出版的美国《化学教育》杂志曾刊出一篇文章,标题是《神秘的白铜》。文中首次用音译翻译了“白铜”二字,并这样描述白铜:“它们是用一种金属制造的。这种金属发光,具有纯银的柔软光泽;但它们确实不是银,是一种坚硬的金属,中国人称它为‘白铜’。他们谨慎地保守着如何制造它的秘密。当这种奇异的金属传播开来以后,欧洲的金属工人一代一代试图仿制白铜,可他们不断失败,并且连失败的原因也找不到。直到18世纪中叶,一位瑞典的科学家鉴定了一种新金属,并为另一位科学家承认,它就是制造白铜的神秘合金中的金属。这就是矿工们在德国萨克森州发现并且咒骂它是假铜的同一种金属。”

上述内容正好可以作为镍的发现史的结论。

“魔鬼的铜”

跟钴一样,镍的名字“Nickel”带有迷信色彩,解作“小妖精”。镍矿看似铜矿,却无法冶炼出铜来,从前被看作是魔鬼搞的恶作剧。

当时,在德国有一种质重而表面呈红棕色的矿石,其表面带有绿颜色的斑点,被用来制作青色玻璃。早期的矿工曾经试图用这种矿石冶炼出铜来,但它们只发散出有毒的烟气,而不能还原成铜。矿工们把这归因于魔鬼的影响,并给这种“被毒化了的矿石”起了个绰号,叫“尼客尔铜”。“尼客尔”一词意为“骗人的小鬼”。所谓“尼客尔铜”,可以理解为“假铜”或者“魔鬼的铜”。

尼客尔铜溶解在酸中呈绿色,与一般铜盐溶液的颜色无异,然而,瑞典矿物学家克朗斯塔特的多次实验证明,尼客尔铜之中并没有铜的成分。一次,他将铁块投进该酸溶液中,依照他的设想,铁将很快把铜从溶液中置换出来。然而,令他意想不到的是,过了很久仍然没有想象中的情况发生。难道矿石表面的绿色物质不是铜?它会是一种新物质吗?克朗斯塔特将绿色的物质置于木炭上燃烧,发现该物质变成了黑色的块渣。再加入3份黑溶剂,即成一种粗金属,其表面呈淡黄色,切面则呈现出莹白的光彩;其形态由小薄片组成,质硬而脆,微微受到磁石的吸引。将其溶于硝酸、王水和盐酸中,可以得到绿色的溶液。这些性质显示,这种物质与当时已经发现的所有金属都不相同,是一种新的金属。克朗斯塔特将这种金属命名为“镍”,并将他的研究成果发表出来。

克朗斯塔特的论文发表后,得到了很多学者的承认,但法国的萨季和蒙耐持不同意见,认为所谓的镍不过是砷、钴、铁和铜的混合物。之后,另一位科学家经各种复杂的试验得到了纯度较高的镍,并于1775年宣布研究成果,认为以上4种物质的混合物与镍的性质迥异,从而证实了镍作为新金属存在的科学性。

1865年,法国的加尼尔首次在新喀里多尼亚发现了硅酸镍矿,并于1875年正式对该矿进行开采,世界上才开始真正的冶炼镍矿石。

从打首饰到造军火

镍被发现后,德国人首先把它掺入铜中,制成所谓的“日耳曼银”,或称“德国银”,也就是我国古代的“白铜”。

最初,由于产量非常有限,镍被当成是贵重金属,常常用于打造首饰。20世纪以来,人们陆续发现了镍的多种用途,镍工业才得以迅速发展起来。

镍这种银白色金属,具有良好的可塑性、耐腐蚀性、抗氧化性、耐高温和磁性等特殊性能,是一种非常重要的有色金属原料,也是国民经济发展中一种重要的战略物资。镍被广泛地用于制造飞机、坦克、舰艇、雷达、导弹、宇宙飞船、原子反应堆等多个领域的国防工业中;在民用工业中的机器制造、陶瓷颜料、防腐镀层、永磁材料、电子遥控等领域,镍也是不可或缺的。镍的最主要用途是生产不锈钢,其次是生产合金。全世界不锈钢生产所用的镍占到镍产量的60%以上。随着全球不锈钢需求的稳定增长,镍的需求量仍在不断提高。

1889年,詹姆斯·莱利向大不列颠钢铁协会提交了一篇具有历史意义的论文,对生产镍钢的可能性进行了全面评述。在这之前,先是法国,之后是意大利和英国,用镍钢生产出了装甲板。测试表明,含镍3%的钢具有极佳的抗炮弹炸毁性能,再加上极强的韧性,这种钢最适合做装甲板。莱利宣称,这类钢经过硬化和回火,强度几乎可以达到每平方毫米1500牛顿这样令人难以置信的程度。他进一步证实,富镍钢实际上是不可腐蚀的。

莱利的报告震惊了全球军械界和工程界。从那以后,镍钢即开始被应用于制造车辆和飞机的部件以及大量高强度齿轮和轴系部件。

不可或缺的添加剂

在不锈钢中加入镍,可以提高其强度和韧性,并改善不锈钢的机械加工性能;但不锈钢性能的差异并非只由镍元素含量决定,而是与其他几种主要元素如铬、碳、锰、氮等共同作用的结果。

合金中添加镍,可增强合金的抗腐蚀性。不同种类的镍合金具有不同的性能。如镍铬合金具有较高的耐热性和大的电阻,可用来做热电体电阻丝;镍钴合金是一种永磁材料,广泛用于电子遥控、原子能工业和超声工艺等领域;镍铜锰铁合金强度高,塑性好,耐腐蚀,是制造电器、海轮和医疗器械的重要材料;镍铁合金因其在弱磁场中具有良好的磁性能,被广泛应用于电信、计算机、控制系统等领域;镍钛合金以其良好的生物相容性,广泛应用于骨科、口腔科和其他临床科室;镍铜锌合金用于制造家具等。

最新的研究成果表明,在不同种类的钢中加入镍或别的元素都会改变钢的性能,提高其力学性能和塑性;将微量的稀土元素铈加入到204Cu不锈钢中,会显著提高该不锈钢的耐腐蚀性。

稍有科学常识的人都会知道,铁路钢轨间会发生热胀冷缩现象。如果从伦敦的地标——海德公园大理石门到英国东南端的多佛尔这两地相隔约120千米的地方之间铺设一条钢带。温度每上升1℃,钢带就会伸长1.5米左右;如果这条金属带是铝制的,温度每上升1℃,金属带则会伸长3米;但使用36%的镍铁合金铺设,金属带只会伸长8厘米。这种镍铁合金最初叫“因瓦”合金,自1896年问世之日起,就用来做精确测量带和用在精密记时计上。它的使用可以把由于温度变化而引起的不精确性减小到最低限度。当然,这种合金在低温下也会产生很小的收缩。人们通常会用它来制造储存液化气的罐子。

有一种含镍78.5%的镍铁合金特别易受低强度磁力的影响,用在穿梭于大西洋的电缆上,使传输速度提高了4倍。在20世纪70年代发展起来的强磁合金,如阿尔科麦克斯镍铁合金或阿尔尼科铝镍钴铁铜合金中,镍也起着重要作用。

硫化镍矿与红土镍矿

地球上总的镍元素含量虽然有很多,但目前可供人类开发利用的镍资源只限于陆地上的硫化镍矿和红土镍矿。

硫化镍矿属于岩浆成因矿床,由于普遍含铜,常被称为含铜硫化镍矿;红土镍矿则属于风化成因矿床。根据美国地质调查局20151月公布的数据,全球镍矿储量约8100万金属吨,其中硫化镍矿约占全球镍矿储量的40%,主要分布在俄罗斯、加拿大、澳大利亚、中国、南非以及北欧等地;红土镍矿约占全球镍矿储量的60%,主要分布在赤道地区国家,如新喀里多尼亚、印度尼西亚、菲律宾、古巴、巴西等国。

目前已知的含镍矿物约有50余种,其中最常见的有十多种。硫化镍矿中常见的含镍矿物为镍黄铁矿和镍磁黄铁矿(其中镍以类质同象形式存在),红土镍矿中的镍主要以镍褐铁矿(多为很少结晶到不结晶的氧化铁)形式存在。

传统上从硫化镍矿中提取镍金属已有近百年的历史;但经过百年的开采,世界上硫化镍矿资源正日渐枯竭。因此,近年来用红土镍矿提取镍金属正逐步成为世界上提取镍的主流。

镍消费大国的烦恼

我国的镍矿储量位列全球第九,仅有300万金属吨,占世界总储量的4%,且多为硫化镍矿(约90%)。我国镍矿资源的分布较为集中,主要分布在西北、西南和东北地区,重点分布在甘肃、新疆、云南、吉林、湖北和四川等省区。

随着国内硫化镍矿开采量越来越多,镍矿储量不断减少,同时还伴随着镍矿品位下降、开采深度增加、开采难度加大和成本升高等一系列问题。从2006年开始,我国从菲律宾进口红土镍矿。

国内镍矿资源相对匮乏,尤其是红土镍矿稀缺,不仅储量少,而且品位低,开采成本较高。这意味着,我国在红土镍矿方面没有竞争力。随着不锈钢行业的不断发展,我国的不锈钢产量居全球首位,超过全球产量的一半。红土镍矿是镍铁的主要原料,镍铁又是不锈钢的主要原料。因此,我国每年都需要大量进口红土镍矿来发展不锈钢工业。基于地理位置和成本的限制,我国的镍生产企业主要依靠从印度尼西亚(年进口量超过总进口量的一半)和菲律宾进口红土镍矿。作为世界上镍消费第一大国,我国的镍产业对外依存度非常高。2014年的统计数据显示,我国镍消费量在90~100万吨,而进口量高达80%以上。正是由于国内镍原料供应短缺,对外依赖性强而且单一,这种依赖已经成为制约镍下游相关产业发展的瓶颈。

我国的镍资源消费量巨大,如果能将含镍废料回收再利用,那么前景会相当可观;但现实情况是,我国的废镍回收再利用率与发达国家相比还存在很大差距,镍资源浪费严重。

向海底和南极要资源

加大国内外镍矿勘查开发力度,尤其是红土镍矿的勘查开发力度,对于我国乃至全球都适用。那么,除了已知的镍矿资源外,我们还可以去哪里寻找镍资源呢?

世界镍矿资源分布除了硫化镍矿和红土镍矿外,海底锰结核矿石中,镍的储量也相当可观。据估计,海底锰结核矿石的储量约有3万亿吨以上,是多种金属同时也是镍的重要远景资源。而且,锰结核与两种常规镍矿相比,增长很快,每年以1000~1500万吨的速度在不断增加。因此,锰结核可能会成为一种人类取之不尽的自生矿物资源。但由于开采技术、开采成本及对海洋环境污染等因素的影响,目前开采利用这种镍矿资源的国家还不多,只有美国、法国、日本、德国、澳大利亚等国处于试验阶段。我国对锰结核的勘探和开发虽然起步较晚,但在面临资源日益枯竭的现实情况下,也需要积极研发海底锰结核的开采和冶炼技术,为大规模开采做好前期准备工作。

此外,南极地区的多种有色金属储量相当丰富,其中包括镍(主要分布在南极半岛及沿海岛屿地区)。虽然《关于环境保护的南极条约议定书》禁止各国在50年之内(即到2048年)开采南极的矿产资源,但有些国家在“科学考察与环境保护”的名义下,一直在南极从事矿产资源的考察与勘探活动。我国以往开展南极科考活动注重科学问题较多,今后在对南极矿产资源的调查和开发利用研究方面,也应该有所加强。就目前的南极资源来说,除了勘探和开发的技术难度外,还存在环境污染和领土主权等诸多问题;一旦地球上其他地方的资源耗尽时,对南极资源的开发利用恐怕就会势在必行。

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