镍:古老而又年轻的金属

赵晨辉,博士研究生,主要从事铜金镍矿产资源勘查和研究工作。

从日常生活中的电烤箱、剪刀、钢尺,到工业生产中的起重机、涡轮机、高能电池,再到军工产业中的潜艇、飞机、坦克,这些金属制品都离不开镍的身影。现代镍主要用来冶炼不锈钢,在新能源电池领域的需求迅速增大,而镍作为伴生元素出现在铜矿石中又会造成冶炼困难。在我们追求绿水青山的愿景下,环保电动汽车行业迅猛发展,镍行业随之蓬勃发展。目前,我国是全球最大的镍消费国,镍需求持续处于高位,而镍资源“家底”很薄,九成以上的镍需要进口。

古老金属近代重逢

镍,在物质文明发展中起到了“四两拨千金”作用。尽管镍元素在1751年才由瑞典化学家克伦施泰特发现,而人类使用镍的历史可以一直追溯到上古时期,如古埃及、古巴比伦和古代中国。可以说,镍是既“古老”又“年轻”的金属。古埃及、古巴比伦和古代中国,人们都曾用镍含量很高的陨铁制作成上好的铁器用于冷兵器战争。公元前300年左右,我国就出现了含镍的兵器及合金器皿。因为镍颜色近似银白色,我国古时曾将镍称为“白铜”(镍与铜的合金)。西汉时期,我国就已熟练掌握白铜制取工艺。例如,云南地区生产的白铜中镍含量很高,中国生产的白铜器物自16世纪传入欧洲,被欧洲人称为“中国银”。直到今天,在波斯语、阿拉伯语中仍把白铜称作“中国石”(张亚非,2019,镍与纳米镍功能材料)。

合金伴生兼而有之

镍是一种兼具神奇与平凡的金属,它“神奇”的一面是镍合金,“平凡”的一面是伴生镍,如铜矿石中的镍。

镍及其化合物主要用途是作为合金元素生产不锈钢,全球约65%、中国约85%的镍用于冶炼不锈钢。其他应用领域为电镀、化学电源、石油化工,以及颜料和染料等材料领域。由于新能源领域,特别是以中国为代表的“三元材料”(由三种元素或者单质及化合物组成的合金、非金属材料、有机材料和高分子复合材料)领域的旺盛需求,镍在电池领域的应用占比逐年提高。据行业数据测算,目前电池行业用镍量已由2010年前的3%上升至2021年的约10%。在以中国为代表的不锈钢和新能源电池材料领域的旺盛需求刺激下,全球对镍的需求逐年增加。

很多金属元素可以伴生产出,如铜矿中的铼、金矿中的碲。镍作为伴生元素在矿石中出现时,会给具有工业价值元素的提取带来困难。镍属铁族元素,在周期表中与铜毗邻,其成键特性对冶金和成矿影响巨大,主要表现为在矿物中紧密结合或伴生,造成冶炼工艺的复杂化。

除上述用途外,镍还可以作为5美分硬币的制作材料,正是这个原因,5美分也被称为“镍币”(王岩等,2020)。

人体必需过犹不及

镍是人体必需的微量元素,在人体内含量极微,直到1974年才被证明是人体必需的生命元素之一。它影响着某些酶的活性,对维持细胞的氧化还原状态具有重要作用,同时还参与各种生理、生化和生长反应。但生物体对镍的需求量是有限的,超出一定的范围就会对生物体产生多种毒害作用。

人类每天对镍的需求大约在5~50微克之间,长期暴露在镍环境下会导致皮肤过敏,出现化脓、溃烂等现象,过量的镍还可能会诱发多种癌症。镍缺乏可引起糖尿病、贫血、肝硬化、尿毒症、肾衰、肝脂质和磷脂质代谢异常等病症。

同样地,镍广泛分布于植物界,是植物生长所必需的微量营养元素。生长在超基性岩和蛇纹岩风化的土壤中的植物镍含量显著高于正常值。植物对镍很敏感,镍盐可以作为杀菌剂。最初人们把镍盐作为杀菌剂利用在植物上时,发现对植物生长有促进作用,特别是少量的镍对松树幼苗、小麦、棉花、豌豆、向日葵的生长有刺激作用。此外,还发现镍可促进大豆、小麦、菜豆、豌豆种子的萌发,植物缺镍时生长发育受到抑制,甚至不能完成生命周期。植物主要从土壤中吸收镍,不同土壤类型中的镍含量及其有效性不同,而且受成土母质及工业活动等影响。

战略资源当以长计

我国镍原料对外依存度高达90%,进口镍矿总量占全球镍矿进口贸易的92.1%,长期依靠从印度尼西亚(下文简称“印尼”)和菲律宾两个国家大量进口原矿来支撑国内庞大的原生镍产能需求和消费需求。印尼政府2014年颁布法令禁止出口原生镍矿,但是可以销售镍铁合金。于是,中国企业开始在印尼投资镍铁项目,全球镍铁冶炼中心逐渐从中国向印尼转移。印尼由镍矿供应逐步转变成镍铁合金出口,主要进口国依然是中国。我国作为镍金属消费大国,因镍资源的匮乏,国内产量只能维持在约12万吨,几乎全部来自甘肃金川铜镍硫化物矿床,每年需要大量进口镍金属资源以满足经济发展所需。

镍虽然重要,而在2017年前,尚未获得如今的战略地位,关于镍资源的统计仅停留在硫化镍矿的基础上,红土镍矿只被少量统计。之后,在以中国青山集团为代表的中国企业在印尼开展大规模红土型镍矿的投资后,红土型镍资源陆续被纳入统计范畴,2021年全球镍产量和可采储量上升至270万吨和9500万吨。而印尼本身的镍产量和可采储量也由2017年的16.5万吨和450万吨上升至2021年的100万吨和2100万吨。

在印尼红土型镍矿投资的热潮下,全球镍金属供应商的分布格局也发生了较大变化。从全球及中国镍主要生产厂家来看,2020年全球镍金属主要生产厂家有中国青山集团、俄罗斯诺里尔斯克镍业、巴西淡水河谷、江苏德龙镍业、中国金川集团、必和必拓等公司,这6家公司的镍产量占全球产量的60%以上份额。其中,中国青山集团、江苏德龙镍业是依靠红土镍矿一举成名的不锈钢生产企业,其他4家企业则均属于之前的传统硫化镍生产商。

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