Редкоземельные металлы: технология получения, сплавы, добыча, месторождения

Какие металлы относятся к редкоземельным?

В эту группу входят элементы, которые:

• быстро тускнеют на открытом воздухе;
• при взаимодействии с кислородом образуют нерастворимые оксиды;
• редко встречается в природе.

Одно из основных различий между REM — это изменение химической активности. Этот параметр увеличивается от скандия к лантану. Обозначения РЗМ:

• REM;
• REE;
• TR.

Самый редкий из всех редкоземельных металлов — европий. Общее количество этого химического элемента на планете составляет около 0,0012%.

 

Китай – мировой лидер производства редкоземельных металлов

Китай считается крупнейшим производителем компьютеров, гаджетов и электроники. Это связано не только со значительными достижениями китайской промышленности, но и с наличием крупнейших в мире запасов редкоземельных металлов — 37 процентов от общемировых. При этом доля Китая в мировом производстве этих материалов составляет 63%. При этом Поднебесная пытается продавать их не как сырье, а в виде готовой продукции.

Остальные страны даже близко не подходят к китайским показателям. Если не брать во внимание Китайскую Народную Республику, США, Индию и Россию можно назвать основными производителями редкоземельных металлов. РФ занимает четвертое место в мире.

История открытия

Первым, кто внес свой вклад в изучение редкоземельных металлов, был известный финский химик Йохан Гадолин. Первые открытия он сделал в конце 18 века. Дальнейшие исследования ученый провел в 1794 году. Затем он открыл землю иттрия. В начале 19 века Мартин Клапрот классифицировал REM. Он выделил две группы: церий, металлы иттрия. Новые редкоземельные металлы были открыты шведским химиком Мосандером в 1840 году.

В конце 19 века — начале 20 века ученым удалось открыть 16 типов редкоземельных металлов. В 20 веке был открыт последний элемент этой группы химических элементов.

Зашихинское месторождение — на два региона

Зашихинское месторождение тантал-ниобиевых минералов расположено в Нижнеудинском районе Иркутской области. На данный момент оператором проекта является ЗАО «Техноинвест Альянс» (30% принадлежит ЧТПЗ).

Балансовые и дисбалансные запасы участка составляют 34,5 млн тонн руды, в которой содержится около 105 тыс. Тонн ангидрида ниобия и 8,5 тыс. Тонн пятиокиси тантала. По расчетам, промышленное освоение Зашихинского позволит на 100% покрыть потребность отечественной промышленности в танталовом сырье, а также значительную часть потребности в ниобии.

Альянс Техноинвест намерен построить крупный горно-металлургический комбинат на базе месторождения редких металлов. В рамках проекта горные разработки будут включать в себя карьер, дробильную площадку, обогатительную фабрику, а также полигон с перегрузкой и полигон хвостохранилищ. Ожидается, что на карьере будет добываться чуть более 1 миллиона тонн руды в год.

Технология подготовки руды уже апробирована в опытном масштабе. ЗАО «Техноинвест Альянс» хочет достичь объемов производства на уровне 6,8 тыс. Тонн колумбита и 7 тыс. Тонн циркониевых концентратов.

Переработка колумбитового концентрата будет производиться в Забайкалье, на Краснокаменском химико-металлургическом комбинате. Предполагается, что здесь будут производиться оксиды тантала и ниобия. В будущем компания хочет расширить производственную площадку завода по производству диоксида циркония из циркониевого концентрата, а также отделения общих оксидов редкоземельных металлов из обоих концентратов.

Сегодня на всех уровнях обсуждаются возможные варианты создания оптимальной логистической инфраструктуры для доставки концентратов из Иркутской области в Забайкалье. В проекте ЗАО «Техноинвест Альянс» указывается, что для транспорта, соединяющего Зашихинское месторождение с региональной и федеральной сетью автомобильных дорог, будет построена подъездная дорога из двух участков. В Тулуне компания оборудует пункт по перевалке концентратов, произведенных правительством Кореи, на железнодорожный транспорт с последующей доставкой на химико-металлургический завод в Забайкалье.

Ожидается, что Зашихинский ГОК начнет работу в конце 2024 года. Предполагается, что завод будет объединен в единый кластер с пограничным переходом в Забайкальске для организации поставок продукции в Китай.

Туганский ГОК: почти готов

Туганское месторождение ильменито-циркониевых минеральных песков расположено в Томской области, недалеко от областного центра. С 2002 года ОАО «ТГОК« Ильменит »владеет уполномоченным участком с высоким промышленным содержанием полезных ископаемых, содержащих титан и цирконий».

Стоит отметить, что компания тогда очень хорошо потрудилась, чтобы начать разработку запасов месторождения. В 2003-2005 годах на базе Южно-Александровского участка построен карьер с добычей и обогатительной фабрикой. Затем «ТГОК Ильменит» запустил опытное производство по добыче и переработке минеральных песков мощностью 125 тысяч тонн в год, которое впоследствии стало промышленной разработкой.

Поэтому разработка месторождения Туган — один из немногих текущих проектов, близких к реальному старту. Учитывая высокие перспективы участка в последующие годы, произошла значительная консолидация проекта.

На площадке ТГОК «Ильменит» уже создана значительная часть инфраструктуры, разработана технология добычи и переработки ильменитовых и цирконовых концентратов. Данная продукция предприятия прошла испытания на производстве на реальных потребителях, также они рассказали о своей готовности покупать их в будущем.

Фото ilmenite.ru

В последние годы инвестор активно наращивает производственные мощности, в частности, началась реконструкция существующей производственной площадки и строительство новой инфраструктуры Туганского ГОКа для масштабного производства редкоземельных металлов. После реализации проекта компания сможет производить в промышленных масштабах концентраты циркония, титана и рутил-лейкоксена, а также кварцевый песок для стекольной промышленности.

В июне 2021 года строительство Туганского ГОКа вступило в завершающую фазу, ввод в эксплуатацию намечен на 4 квартал текущего года. Мощность корейского правительства увеличится до 575 000 тонн минеральных песков в год. По оценкам экспертов, завод покроет потребности российской промышленности в цирконии на 40%, а через 5 лет — на 100%.

В этом году к проекту ТГОК «Ильменит» вошло горнорудное подразделение Росатома АРМЗ. ООО «Объединенные урановые предприятия» подписало с предприятием договор о вхождении в проект: дочка госкомпании решила поддержать инвестора, пообещав выделить более 500 млн рублей на завершение строительства корейского правительства с возможностью получения 25% долей в собственности и право на увеличение доли.

Запасы и месторождения

Количество встречающихся в природе редкоземельных металлов достигает 0,02%. Они содержатся в 240 типах минералов. Только 64 сорта используются для промышленной переработки.

Основные месторождения РЗМ расположены в США, Китае, Бразилии, Индии, Австралии, Малайзии. В России нет крупных месторождений. Около 90% этих материалов импортируется из других стран.

С середины 1990-х годов сфера добычи и производства редкоземельных металлов практически полностью оккупирована Китаем. В 2015 году этой стране уже принадлежало 80% мирового рынка РЗМ. Сейчас общее количество упало до 70%, но это не мешает Китаю занимать лидирующие позиции по добыче, производству и экспорту этих химикатов.

Минерал и чистый металл (Фото: Instagram / raslovokladka)

Что делается в России

Ситуация в России с производством редкоземельных металлов требует принятия мер по ее исправлению.

Отрасль базируется на одном месторождении — Ловозерском месторождении в Мурманской области.

По последним данным, общие запасы редкоземельных металлов в России составляют 12 миллионов тонн, или 10 процентов от общемировых. Правда, если верить данным Геологической службы США за последний год, доля Российской Федерации в мировом производстве этих материалов составляет всего 1,3%. На бытовые нужды этого мало, поэтому мы получаем редкоземельные металлы из Китая. При этом добываемое в России сырье в основном идет на экспорт.

В прошлом году потребность отечественной промышленности в выделенных оксидах редкоземельных металлов составляла 1100 тонн при объеме производства всего 250 тонн.

Но правительство видит необходимость исправления ситуации, о чем месяц назад говорил замминистра промышленности и торговли нашей страны Алексей Безпрозванных.

В ближайшие пять лет Россия планирует ослабить зависимость от импорта редкоземельных металлов, а затем полностью удовлетворить свои внутренние потребности за счет собственного сырья.

Кроме того, стоит еще более амбициозная задача: к 2030 году выйти на второе место после Китая по производству редкоземельных металлов, доведя этот показатель до 10% мирового объема.

Редкоземельные металлы в оборонной промышленности

Редкоземельные металлы (РЗМ) составляют группу из 17 элементов периодической таблицы. Большинство из них неизвестны обычному человеку, но ряд высокотехнологичных производств, в том числе оборонная, без них не могут обойтись. Они нужны для изготовления различных видов электроники, создания современных образцов военной техники и многого другого.

Несколько примеров использования редкоземельных металлов.

Скандий незаменим при производстве элементов авиакосмической техники. Иттрий используется при создании высокотемпературных сверхпроводников, а также в производстве устройств наведения для авиации. Лантан используется для создания оптических устройств, а также для производства аккумуляторных электродов. Церий чаще всего используется в качестве полировального порошка.

Европий и тербий — отличные люминофоры. Празеодим, неодим, самарий и гадолиний используются для изготовления магнитов, используемых в ракетной технике и космических кораблях. Эти металлы также используются для создания лазеров. Лазерная технология также часто требует иттербия, диспрозия, гольмия и эрбия.

Добыча и промышленное получение

Самая инновационная технология производства редкоземельных металлов — извлечение металлов из отходов фосфорных удобрений. С его помощью можно получить около 800 тысяч полезных химических элементов.

Для переработки расходного сырья существуют разные технологии получения редкоземельных металлов:

1. Хлорирование. Происходит химическая реакция, в результате которой атомы неметаллов замещаются хлором.
2. Химическое восстановление кальцием. Эти реакции проходят в атмосфере защитного газа (емкость заполнена аргоном). С помощью этой процедуры можно избавиться от посторонних примесей, сильных химических элементов.
3. Сплав с гидроксидами, растворяющимися в воде. РЗМ очищают от поверхностно-активных веществ путем гидролиза.
4. Разложение комплексных соединений серной или плавиковой кислотой. Позволяет удалить оксиды азота из РЗМ.

Планы роста вполне реальны

На первый взгляд эти планы кажутся слишком амбициозными, но на самом деле их реализация вполне реальна. Кроме того, уже давно необходимо вывести российскую оборонную промышленность из критической зависимости от импорта, поскольку это прямая угроза нашей безопасности.

Чтобы вывести отрасль из спячки, потребуется около 1,5 миллиарда долларов.

Делаются первые шаги. С января этого года налог на добычу редких металлов, который ранее составлял 8 процентов, снижен до 4,8 процента. Кроме того, были введены другие льготы для горнодобывающих и перерабатывающих компаний.

Также планируется освоение крупнейшего в России Якутского Томторского месторождения редкоземельных металлов и Зашихинского месторождения в Забайкалье. «Томтор» начнет добычу руды в 2025 году. Также в Московской области планируется запустить предприятие по отделению редкоземельных металлов, извлекаемых из отходов минеральных удобрений.

В Забайкалье будет запущен гидрометаллургический завод по переработке 160 тысяч тонн руды. Он будет производить феррониобий для металлургической промышленности, сверхтяжелый концентрат редкоземельных элементов для электронной и ядерной промышленности. Кроме того, завод будет производить празеодим и неодим для производства магнитов очень большой мощности.

Все это говорит о том, что Россия серьезно настроена исправить ситуацию и вывести производство редкоземельных металлов на достойный уровень, находясь в поисках решения проблем. Для этого в России есть все необходимое. Главное — не остановиться на полпути, как это часто бывает, а потом начать считать упущенные возможности и потраченные впустую деньги.

Свойства и характеристики

При изучении редкоземельных металлов необходимо обращать внимание на их свойства: физические, химические, механические и технологические.

Физические

Имущество:

1. Диапазон плотности для разных представителей группы от 6000 до 7000 кг / м3.
2. Температура плавления — 900 ° С.
3. Повышенная пластичность при 20–800 ° C.
4. Максимально допустимый предел прочности на разрыв до 150 МПа.
5. Удельный коэффициент удлинения — 12%.

Физико-механические свойства зависят от количества примесей: углерода, азота, серы, кислорода. Если металл чистый, с процентным содержанием примесей менее 1%, он будет иметь среднюю твердость 500 МПа.

Гольмий из редкоземельного металла (Фото: Instagram / redmets)

Химические

Имущество:

1. На открытом воздухе поверхности редкоземельных сплавов быстро покрываются оксидной пленкой. Защищает материал от деформации, от разрушительного воздействия химикатов.
2. Продолжительное воздействие повышенной влажности приводит к ускорению окислительных процессов. Металлы постепенно превращаются в щелочи.
3. Химическое разложение материала ускоряется при нагревании до 250 ° C.

Если металлы нагреваются в камере, заполненной кислородом, произойдет окисление с выделением большого количества тепла.

Механические

Имущество:

1. Твердость по Бринеллю — от 300 до 500 МПа (при чистоте металлов не более 98%).
2. Температура кипения — от 3500 ° С.
3. Элементы магнитные. Их называют сплавом парамагнетиков.
4. Сверхпроводящее состояние наблюдается при понижении температуры до -268 градусов.
5. В естественной среде РЗМ являются сверхпроводниками.

Чтобы материалы легче раскатывались, ковались, их нужно нагреть до высокой температуры.

Гадолиний, редкоземельный металл (Фото: Instagram / redmets)

Технологические

Имущество:

1. Заготовки из этих материалов хорошо обрабатываются различными технологическими приемами (основные — ковка, прессование, прокатка) при температуре 20-30 ° С.
2. Из-за малой вязкости РЗМ нужно обрабатывать очень осторожно.

Чаще из этих материалов изготавливают разные виды ламинированных металлических изделий. Наибольшей популярностью пользуются листы, металлические ленты, прутки сечением от 1 до 5 мм.

Без дальнейшей обработки металлические части редкоземельных элементов начнут быстро окисляться. Чтобы этого избежать, их нагревают в среде защитных инертных газов.