«Золотая лихорадка» за стратегическим металлом ХХІ века

Современная аэрокосмическая техника предъявляет очень высокие требования к используемым материалам. К стандартным требованиям легкости и высокой прочности зачастую прибавляется и жаропрочность.

В газотурбинных и ракетных двигателях температура превышает 1000°С, и в этих условиях материалу надо не просто существовать, а работать при экстремальных механических нагрузках (скорость вращения отдельных деталей превышают 100 тысяч оборотов в минуту!).

Обычные металлы и сплавы с такой задачей не справляются. Они начинают размягчаться и «ползти» при температурах, существенно меньших, чем температура плавления. Возникает потребность в новом классе твердых, нехрупких, коррозионно- и износоустойчивых, а самое главное — жаропрочных материалов.

Обычно для этих целей используются никелевые суперсплавы. Приставка «супер» отражает здесь не только их выдающиеся характеристики, но и сложную структуру. При закаливании внутри неупорядоченного сплава бок о бок вырастают кристаллические кубики, и такая структура приводит к очень высокой прочности материала.

Суперсплавы, в составе которых присутствует кобальт широко применяются в современ ной авиации.
 

Но прогресс неумолим, температура в новых ракетных двигателях растет с каждым годом, и потому физики ищут новые соединения, которые должны прийти на смену никелевым суперсплавам.

Японцы обнаружили, что суперсплавы на основе кобальта с добавками алюминия, вольфрама и тантала (в частности, Co–8,8Al–9,8W–2Ta, где числа обозначают процентное содержание добавок; кобальт составляет всё остальное, поэтому процент не указывается), а также на основе иридия (Ir–10Al–10W) обладают не только более высокими температурами размягчения, но и большей твердостью, чем стандартные промышленные никелевые суперсплавы. Микрофотографии подтверждают, что и в этих случаях высокая прочность — результат плотной упаковки микрокристалликов в неупорядоченную «матрицу».

Переход на эти сплавы позволит увеличить диапазон рабочих температур как минимум на сотню градусов. Но, по мнению японцев, это не предел. Не исключено, что на основе кобальта и иридия вместе удастся создать суперсплав с еще более впечатляющими характеристиками.

Легирование стали кобальтом повышает её твердость, износо- и жаростойкость. Твердые кобальтовые сплавы широко используются при производстве металлообрабатывающих инструментов. Они применяются при изготовлении поверхностей деталей, подвергающихся сильному износу. Это способствует востребованности кобальта в составе авиационных и космических двигателей.
 

Незаменимый в составе суперсплавов для аэрокосмической техники

Суперсплавы – важный сектор использования кобальта, который исторически был самым крупным потребителем данного металла. Ведь суперсплавы – это сплавы на основе никеля, кобальта или железа, прочность которых превышает прочность любых сплавов при температуре выше 649 °С в тяжелых условиях эксплуатации. А если дополнительно используются редкие тугоплавкие элементы (тантал и рений), то характеристики сплава еще более повышаются: длительная прочность, сопротивление ползучести и горячей коррозии.

В последние годы в секторе создания суперсплавов наблюдался существенный рост. Производители самолетов и двигателей в настоящее время оптимистичны и на счет будущих разработок, поставки которых, как прогнозируется, скажутся положительно на спросе на кобальт в этой области.

Также с ростом спроса на беспроводные технологии и устройства (смартфоны, умные часы, ноутбуки) и началом коммерциализации технологий накопления электроэнергии (электроавтомобили, Tesla Power Wall) увеличивается спрос на литий-ионные батареи. Если масштабы их производства будут и далее увеличиваться такими темпами, некоторые компоненты батарей могут оказаться в дефиците. К таким компонентам, наряду с литием, относится кобальт.

Следует отметить, что расход кобальта при изготовлении батарей довольно велик. В Tesla Power Wall, способной накопить 14 кВт·ч, содержится примерно 7 кг этого металла, а в батарее автомобиля Tesla Model S ёмкостью 85 кВт·ч — 22,5 кг.

Поставки кобальта, применяемого в революции электрических транспортных средств, уже испытывают дефицит. Этот металл несет решающее значение для будущих цен на акции Google, Apple, Тesla, Amazon, UPS. Инвесторы видят огромный потенциал, связанный с ним.

Рынок электрических транспортных средств вырос более чем в 15 раз, с поразительными ежегодными темпами роста более чем на 72% по сравнению с показателями 2011-2016 гг. По данным Международного энергетического агентства (МЭА) к 2040 г. число электромобилей достигнет минимум 40 млн. И крупнейшие горнодобывающие компании уже начали менять свой бизнес, чтобы обеспечить поставку материалов для литий-ионных аккумуляторов.

Времена изменились — и эстетическая характеристика кобальта стала менее важной, чем его физические и электрохимические свойства. Этот металл сегодня присутствует в большинстве литий-ионных аккумуляторов для переносных и стационарных устройств. Такие аккумуляторы содержат положительный электрод (катод) с оксидом и солями кобальта и отрицательный графитовый электрод (анод). Замечательное свойство соединений кобальта — способность без разрушения поглощать большое количество ионов лития — выливается в высокую энергетическую плотность электрохимического элемента.

Неизбежный дефицит стратегического металла

Кобальт считается стратегическим металлом, так как он является ключевым ингредиентом производства аккумуляторных батарей, а также ингредиентом при создании специальных жаропрочных материалов для авиакосмической отрасли.

Многие аналитики утверждают, что это самый важный металл 21 века. Его цена увеличилась в четыре раза за последние два года, и это может быть только началом. Аналитики Macquarie Research прогнозируют дефицит в 5340 тонн в 2020 г., это увеличение дефицита на 503%. В Bloomberg New Energy Finance считают, что мировой спрос на кобальт может увеличится в 47 раз к 2030 году.

Увы, но кобальт имеет и свою темную сторону, так как 63% мировых поставок металла осуществляется из Демократической Республики Конго, страны раздираемой войной и где широко применяется детский, фактически рабский труд. Кроме того, большая часть кобальта производится как побочный продукт добычи полезных ископаемых, таких как медь и никель, поэтому вопрос определения на него спроса и предложения является сложным. Подробное исследование рынка кобальта утверждает, что будущий дефицит этого металла почти неизбежен.

По официальной статистике, в январе-сентябре 2017 г. поставки кобальта из Конго в Китай составили $1,2 млрд, а в Индию (второй по величине импортер) – только $3,2 млн. Стоимость кобальта взлетела на 50% с ноября 2016 г.

В сфере производства аккумуляторных батарей уже задействовано 42% мирового производства кобальта, остальная часть используется в промышленных и военных отраслях. Поэтому производители электромобилей и аккумуляторов стремятся обеспечить их поставки, заранее договариваясь с горнодобывающими компаниями. В мире развернулась борьба за контроль над цепочками поставок кобальта, спрос на который растет прежде всего на фоне распространения электромобилей.

Особые свойства – широкое применение

Кобальт (Cobaltum), Co, химический элемент VIII группы периодической системы, атомный номер 27, атомная масса 58,9332; металл, температура плавления 1494°C; ферромагнетик, точка Кюри 1121°C.

Ко́бальт действительно суров: он жаропрочен (температура плавления — 1496 °С) и имеет очень плотную кристаллическую решётку. Кобальт устойчив к коррозии, обладает магнитными свойствами и образует ярко окрашенные химические соединения. По последней причине он издревле широко используется при изготовлении голубой краски для картин, фресок, росписи на фарфоре, стекле и т. д. Синие кобальтовые стёкла, эмали, краски находят в гробницах Древнего Египта.

Легирование стали кобальтом повышает её твердость, износо- и жаростойкость

Ключевой же областью промышленного потребления кобальта на сегодня является производство электроники и аккумуляторных батарей. Эти активно растущие сегменты и породили недавний взлет цен на указанный металл. Например, изготовление одного смартфона потребует около 5–10 грамм кобальта. Для производства ноутбука необходимо порядка 30 грамм этого металла. Ну а аккумулятор современного электромобиля включает в себя до 20 килограммов кобальта. Рекордный спрос на кобальт, обусловленный стремлением к дешевым портативным технологиям, за последние 5 лет вырос втрое, а к концу 2020 года может еще удвоиться.

Главная масса кобальта получается при переработке комплексных руд. Самостоятельное значение могут иметь мышьяковые собственно кобальтовые месторождения, но они немногочисленны. В рудах промышленных месторождений, где кобальт является одним из основных элементов, содержание его составляет десятые доли процента, редко 1—2% и более. В комплексных рудах, где кобальт извлекается попутно, его содержится сотые, редко десятые доли процента. Минимальное промышленное содержание кобальта в сульфидных медно-никелевых рудах 0,015%, в силикатных 037%. 70% кобальта используется в производстве сталей и сплавов, особенно магнитных, тугоплавких и специальных.
 

Блестящие перспективы кобальта — P.S. вместо эпилога

В последние годы пальму первенства потребности в кобальте перехватил аккумуляторный сектор, на который теперь приходится самая большая доля производимого кобальта. Дальнейшее развитие этого сектора прогнозируется в следующем десятилетии по причине роста производства батарей, особенно для портативных устройств, а также для нового поколения гибридных автомобилей и всех электромобилей.

Спрос на суперсплавы будет стимулироваться ростом производства гражданских самолетов, увеличением потребности в оборонной промышленности и спроса на газовые турбины для производства электричества. Рост — фактор мировой экономики, но спрос на батареи кажется более оживленным, а состояние авиационного сектора будет больше определяться экономическими факторами в долгосрочной перспективе.

За последние 8-10 лет со стороны потребления кобальта произошли два главных изменения. Во-первых, произошло перемещение центра потребления из США и Западной Европы в Азию. Спрос на кобальт в Азии значительно вырос с 2002 года, тогда как потребление металла в США и Западной Европе осталось практически неизменным. Во-вторых, увеличение потребления кобальта произошло практически только за счет роста спроса в химической промышленности, прежде в производстве аккумуляторов и в катализаторах. В 2011 году потребление в химической промышленности составило приблизительно 54% мирового спроса на кобальт, а 46% пришлось на металлургический сектор.

Кобальт сейчас считается очень важным металлом, стоящим как в центре новых технических разработок, так и в центре уже разработанных систем аккумулирования энергии и каталитических процессов, которые так важны для человечества в настоящее время. Кобальт также находит все большее применение в биотехнологиях, крайне важных для здоровья человека и диагностики. Фактически кобальт так важен для промышленного развития, что ЕС признал, что это — критический металл для ЕС в его Сырьевой инициативе (Raw Materials Initiative), которая была предпринята, чтобы помочь защитить промышленность ЕС от эффектов возможного разрушения в результате возможного перебоя поставок стратегического сырья.

Стоимость среднестатистических электромобилей и ДВС-автомобилей сравняется уже в 2025 году благодаря снижению цен на аккумуляторные батареи.

Впрочем, технический прогресс также не стоит на месте. Конкуренцию кобальту как компоненту литий-ионных аккумуляторов могут составить новые разработки на основе такого материала, как графен. Но следует учесть, что в отличие от таких металлов, как никель и хром, кобальт все же незаменим во многих промышленных производствах. Поэтому его можно вполне обоснованно относить к классу стратегических металлов.

 

источник

  • avatar
  • .
  • +23

0 комментариев

Только зарегистрированные и авторизованные пользователи могут оставлять комментарии.