Редкие металлы-металлы будущего
РЕДКИЕМЕТАЛЛЫ -
БУДУЩЕЕНОВОЙ ТЕХНИКИ
напороге очередногостолетия. Современнаяцивилизацияпереходит изжелезного векав новый - веклегких и редкихметаллов
Научно-техническаяреволюция,которая послеВторой мировойвойны стремительноворвалась вжизнь всехразвитых странмира, связанапрежде всегос широким применениемредких металлов.Использованиеих вызвало кжизни целыеновые областисовременнойпромышленности,науки и техники.Все сверхмагнитные,сверхлегкие,сверхтвердые,сверхжаростойкиеи высокопрочныеконструкционныематериалы внаши дни создаютсяна основе илис использованиемредких элементов.Все ресурсо-и энергосберегающиетехнологиине осуществимыбез редкихэлементов. Дажев сельскомхозяйствеприменениеочень небольшихдоз редкогометалла неодимаповышает урожайностьпродовольственныхкультур на 60процентов.Сейчас насчитываютсямногие тысячиобластей эффективногоиспользованияредких металловкак в военной,так и в гражданскихобластяхпромышленности.
Промышленно-экономическийуровень развитиясовременныхгосударств,по утверждениюспециалистов,определяетсямасштабамипотребленияне столькочугуна и стали,сколько редкихметаллов. Редкиеэлементы - этосвоего родавитаминыпромышленности.И подобно тому,как живой организмне может полноценноразвиватьсябез микрограммовыхколичестввитаминов, таки передоваясовременнаяпромышленностьневозможнабез редкихэлементов.
ВСоветском Союзенаучно-техническаяреволюцияначалась несколькопозже, чем вдругих странах,и проводилась,к сожалению,в основномтолько в обороннойи аэрокосмическойпромышленностях.Затраты напоиски, добычуи производстворедких металловв нашей странедаже в 60-70-е годы(период наивысшегоинтереса кредкометалльнойпроблеме вСССР) в общембюджете государствабыли мизерные- менее 0,2 процента.Это показательтого, что государственныеорганы управлениянародным хозяйствомуделяли редкимметаллам чрезвычайномало внимания.
Динамикапроизводстваи потребленияредких металловв СССР по сравнениюс США всегдабыла не в нашупользу. Суммарноепотреблениевсеми капиталистическимистранами за25 лет, с 1960 по 1985 год,по бериллию,кадмию, германиювыросло в 1,4-2 раза,а по всем остальнымредким металлам- даже в 3-15 раз.
Чрезвычайнобыстро растетпотреблениередких металловв ведущих капстранахЗападной Европыи Японии, которыепо темпам ростаначали значительнообгонять США.В Японии потреблениетаких металлов,как ниобий,цирконий, иттрий,лантаноиды,литий, ванадий,галлий, за период1960-1985 годы возрослов 10-25 раз. Болеетого, некоторыеиз капстранперегналиАмерику нетолько по темпамроста, но и попотреблениюна душу населенияи даже по валовомупотреблениюотдельныхметаллов.
В80-х годах мы ужестали отставатьне только отСША, но и от другихразвитых капстран.От Италии поваловому потреблениюниобия - в 1,5 раза,а в расчете надушу населениядаже в 8,4 раза,от ФРГ - в 7 раз,от Японии - в2,5 раза по потреблениютантала и в 9раз по цирконию.
Приэтом надо ещеучитывать, чтоу нас львинаядоля многихредких металловпотребляласьтолько в обороннойпромышленности.На долю народногохозяйства СССРприходилисьлишь самыемалые крохи.
В80-х годах в капстранахбыло построенооколо 20 химико-металлургическихзаводов. Настарых действующихзаводах проведеныреконструкцияи расширениепроизводственныхмощностей. Ещебольшее количествохимико-металлургическихзаводов запроектировановвести до 2000 года.
Мыже и в 80-е годы,и до сих пор неввели в действиени одного новогогорно-обогатительногокомбината ини одного заводапо редким металлам.
Такимобразом, и подобыче, и попотреблениюСССР уже с 60-80-хгодов началрезко отставатьот ведущихкапстран. И вэтом главнаяпричина чрезвычайнойзаторможенности,даже проваланашего научно-техническогопрогресса.
Крупныеизменения,происходящиев последниегоды в экономикеРоссии, чрезвычайноболезненноотразилисьна положениидел с редкимиметаллами.Положениеухудшилосьеще и оттого,что с распадомСССР многиепредприятия,добывающиередкие металлы,остались вбывших союзныхреспубликах.Остановленалибо резкоснижена добычана крупнейшихроссийскихгорнодобывающихпредприятиях:на уральскихИзумрудныхкопях - бериллия;на Орловскомкомбинате (вЗабайкалье)- тантала; наЛовозерском(Кольский полуостров)- ниобия, тантала,цериевых лантаноидов;на Забайкальском- лития; на уральскомВишневогорском- ниобия. Прекращенаразработкагермания наПавловскомместорождениив Приморье. Врезультатеположение сдобычей, производствоми потреблениемредких металловсейчас в Россиипросто катастрофическое.
Внынешних рыночныхусловиях теили иные редкиеметаллы и даженовую технику,сделанную наих основе, зачастуюдешевле и прощезавести из-заграницы. И мы,несмотря наострый экономическийкризис в стране,покупаем ее.Но покупаемустаревшиеобразцы. Потомучто суперновуютехнику СШАи их сателлитыпо официальносуществующиму них запретамв Россию непоставляют.И не исключено,что из-за капризовмеждународнойобстановкинам не станутпродавать дажето, что мы получаемсейчас. Такоебыло уже с трубамииз легированногониобием железа.После вводанаших войскв АфганистанФРГ отказаласьпродавать намтрубы из легированнойниобием стали.Мы начали ставитьсвои стальныетрубы и пригородскомстроительстве,и в нефтепроводах.И вот через15-20 лет пожинаемплоды. Трубырвутся, их приходитсязаменять. Тогдакак легированныениобием простоялибы еще 40 лет.
Аглавное, какаяже мы великаядержава, еслине можем обеспечитьсебя своимисовершеннымиприборами,своими эффективнымитехнологиями,современнымимашинами, передовойтехникой,сверхвысококачественнымиматериалами?Сейчас электронику,телевизоры,автомашинынам приходитсяпокупать уКореи, Японии,Германии. Мывынужденызавозить изЕвропы продуктыпитания! А ведьесли бы мыиспользовалив сельскомхозяйстве свойнеодим, по тойтехнологии,которая ужеразработанаи успешноапробировананашими специалистами(Ф. В. Сайкиными другими), томогли бы получатьв 1,6 раза болеебогатые урожаи,кормить нетолько себя,но и продаватьпродукты питания.Наш Ловозерскийгорно-обогатительныйкомбинат,разрабатывающийместорождениенеодима (лопарит),еще не полностьюостановлен.А запасы этогометалла наЛовозерскомместорождениинеисчерпаемы.
ЛАНТАНОИДЫ
Быстрореанимироватьв нашей странедобычу и производстворедких металлов,чтобы использоватьих в различныхобластях народногохозяйства, -задача вполнереальная. И это- дело государственнойважности, посколькуименно редкометаллическаяпромышленность- фундамент нетолько новойи обороннойтехники, но ивсего народногохозяйства.Отсутствиередких металлов- угроза национальнойбезопасностиРоссии.
Благодаряинтенсивнымпоискам редкихметаллов в40-70-х годах Россияимеет самыекрупные в миредетально разведанныеместорождениялития, цезия,иттрия, иттриевыхи цериевыхлантаноидов,циркония, танталаи ниобия, самоебогатое месторождениебериллия. Однаковсе они находятсяв труднодоступныхрегионах Сибири,Заполярья иливысокогорья.
Принынешних финансовыхвозможностяхстраны промышленноеосвоение этихновых месторожденийпока нереально.Но есть другойвыход. На ближайшие15-20 лет наша странаможет бытьобеспеченаредкими металлами,если восстановитьв достаточномобъеме добычуна законсервированныхили работающихна треть своеймощностиредкометалльныхгорно-обогатительныхкомбинатах.Например, Ловозерскийлопаритовыйкомбинат можетполностьюобеспечитьвсю нашу перспективнуюпотребностьв тантале, ниобии,титане, цериевыхлантаноидах(в частности,и в неодиме длясельскогохозяйства).Очень важноздесь еще и то,что все этиметаллы можноодновременнополучать прихимико-металлургическойпереработкевсего-навсегоодного лопаритовогоконцентрата.
Здесьже, в богатейшемЛовозерскоммассиве, давноизучено ещенесколько новыхтипов редкометалльныхруд. Они могутбыть легко ибыстро введеныв эксплуатацию.Это преждевсего эвдиалититы(от слова "диалитос"- растворимый).Их запасы составляютздесь миллионытонн. И в нихсодержатсяоксиды циркония,иттрия и иттриевыхлантаноидов;цериевых лантаноидов,ниобия, тантала,гафния. Эвдиалитовыеруды выходятнепосредственнона поверхностьв центральнойчасти массива,поэтому ихдобыча непредставляетбольших трудностей.
Такимобразом, принормальнойработе ЛовозерскогокомбинатаРоссия будетобеспеченане менее чемдвадцатьюредкими металлами,и это восполнитнам потерючетырех месторождений:Кутессайского,оставшегосяв Киргизии,Шевченковскогов Казахстане,Желтые Водыи Малышевского- на Украине.
Проблемадобычи бериллиярешается тожесравнительнолегко - восстановлениемработ на забайкальскомЕрмаковскомместорождении.Оттуда до 90-хгодов рудныйконцентратвывозили дляхимико-металлургическогопередела вКазахстан, гдеон и осталсяпосле распадаСССР. Но, к счастью,на Ермаковскомместорождении,с самыми богатымив мире рудамибериллия (1,2процента ВеО),еще сохраниласьпримерно четвертьзапасов. Их намвполне хватитна ближайшие25 лет, а то и более.
Нашапромышленностьможет бытьобеспеченалитием, рубидиеми цезием засчет переработкислюд, которыебыли попутнодобыты и сброшеныв отвалы в прежниедесятилетияна Изумрудныхкопях, а такжена Вознесенскоми Орловскомместорождениях.Этих запасовхватит на 100 лет.Безотходнаятехнологияизвлеченияредких щелочныхметаллов изслюд хорошоразработанаи запатентована.Причем онапозволяетодновременнополучать ещеи магний, иазотисто-калиевыеудобрения, и,что, может быть,особо важно,новый сверхлегкий,кислото- итермостойкийматериал сипласт.
Онможет статьнезаменимымв летательныхаппаратах, ваэрокосмическойтехнике, пристроительствеморских судов(для теплозащитныхпрокладок), пристроительствезданий, мостовпозволяетзначительнооблегчить этисооружения.Сипласт успешнобыл использованпри строительстве"Бурана" - нашегокосмическогокорабля многоразовогоиспользования.
И,наконец, редкийметалл - стронцийможет бытьполучен попутнопри переработкеХибинскогоапатита наудобрения поазотно-кислотнойсхеме.
Такимобразом, реанимациянаших редкометалльныхгорно-обогатительныхкомбинатовпозволяетцеликом и достаточнобыстро обеспечитьроссийскуюпромышленность,науку, техникуи сельскоехозяйствособственнымиредкими металлами.А там, почемубы нам и не выйтис некоторымиредкими металламина мировойрынок. Ведьтакие элементы,как скандий,рений, тербий,европий, диспрозий,по цене сопоставимыс серебром ис некоторымиплатиноидами.
Реанимацияредкометалльныхкомбинатовне единственныйпуть обеспечениястраны редкимиметаллами.Довольно быстро,легко и дешевоможно добыватьих из всевозможныхтехногенныхисточникови различныхпопутно добываемыхпродуктов.Например, иззолы, полученнойот сжиганиякаменных ибурых углей,из продуктовпереработкии очистки нефтии газа; из шахтныхи рудничныхвод, а также извулканогенныхвод и газов.
Приэтом из техногенныхпродуктов могутбыть попутноизвлеченысодержащиесяв них разныетоксичныекомпоненты.От них все равнорано или позднонепременнопридется избавлятьсяпо экологическимтребованиям.
Нашинститут (ИМГРЭ)уже многие годыведет исследованияпо изучениюхимическихэлементов,содержащихсяв техногенныхпродуктах. Спомощью новейшейаппаратурыобнаружено70 элементов (вих числе 35 редкихметаллов) внемалых количествах.
Вближайшее времямы планируемпроанализироватьисходные углии нефти по всембассейнамРоссии. Ужеустановлено,что в нашемуглеводородномсырье присутствуютв промышленно-ценныхколичествахиттрий, лантаноиды,ванадий и другиеметаллы, ценакоторых соизмеримасо стоимостьюсамой нефти.За рубежом ихизвлекают изкупленной унас нефти. Мыза это ничегоне получаем.Например, втатарстанскойнефти содержитсядо 700 г/т ванадия.Он не толькопредставляетценность, ноеще и весьматоксичен. Мыего не извлекаем.При сгораниинефти ванадийрассеиваетсяпо нашим полям.За десятилетияего накопитсятам столько,что сельскохозяйственнаяпродукция можетстать ядовитой.
Такимобразом, обеспечитьсвою странужизненно необходимымией редкимиметаллами можнодовольно быстрои с не оченьбольшими затратами.Геологическаяслужба страны(буквально за2-3 ближайшихгода) способнапровести широкуюревизию отвальногохозяйствагорнодобывающихи химико-металлургическихпредприятийРоссии, проверитьна редкие металлынефтеносныеи угольныебассейны страны;апробироватьновейшиетехнологическиесхемы утилизацииполезных (итоксичных)металлов извсех попутнополучаемыхпродуктов.Особых ассигнованийна это не потребуется.Просто необходимонесколькопереориентироватьтематику работсырьевых институтовМинистерстваприродныхресурсов России.
Литература
Месторождениялитофильныхредких металлов.Под редакциейОвчинниковаЛ. Н., СолодоваН. А. М., Недра,1980.
СолодовН. А. Формационныетипы редкометальныхкарбонатитов.// Отечественнаягеология, № 6,1996.
СолодовН. А. Условияобразованиякрупных и богатыхредкометальныхместорождений.// Геология рудныхместорождений,т. 39, № 5, 1997.
СолодовН. А. КонцепцияэкстренногообеспеченияРоссии редкимиметаллами.// Минеральныересурсы России.Экономикауправления,№ 4, 1992.
ЦИФРЫИ ФАКТЫ
›Многие редкиеметаллы, долгоевремя почтине находившиеприменения,сейчас широкоиспользуютсяв мире. Они вызвалик жизни целыеновые областисовременнойпромышленности,науки и техники- такие, каксолнечнаяэнергетика,сверхскоростнойтранспорт намагнитнойподушке, инфракраснаяоптика, оптоэлектроника,лазеры, ЭВМпоследнихпоколений.
›Используянизколегированныестали, содержащиевсего 0,03-0,07% ниобияи 0,01-0,1% ванадия,можно на 30-40% снизитьвес конструкцийпри строительствемостов, многоэтажныхзданий, газо-и нефтепроводов,геологоразведочногобурильногооборудованияи т. п. При этомсрок службыконструкцийувеличиваетсяв 2-3 раза.
›Магнитыс использованиемсверхпроводящихматериаловна основе ниобиядали возможностьпостроить вЯпонии поездана воздушнойподушке, развивающиескорость до577
км/ч.
›В рядовомамериканскомавтомобилеиспользуется100 кг стали маркиHSLA с ниобием,ванадием, редкимиземлями, 25 деталейиз медно-бериллиевыхсплавов, цирконий,иттрий. Приэтом вес автомобиляв США (с 1980 по 1990 год)уменьшилсяв 1,4 раза. С 1986 годаавтомобилиначали оснащатьсянеодимсодержащимимагнитами (37 гнеодима на одинавтомобиль).
›Интенсивноразрабатываютсяэлектромобилис литиевымиаккумуляторами,автомобилина водородномтопливе с нитридомлантана и другие.
›Американскаяфирма "Вестингауз"разработалавысокотемпературныетопливныеэлементы наоснове оксидовциркония ииттрия, которыеповышают кпдтепловыхэлектростанцийс 35 до 60%.
›За счетвнедренияэнергоэкономичныхосветительныхприборов иэлектроннойаппаратуры,сделанной сиспользованиемредких элементов,США предполагаютсберегать до50% электроэнергиииз 420 млрд.
кВт/часов,расходуемыхна освещение.В Японии и СШАсозданы лампыс люминофорами,содержащимииттрий, европий,тербий, церий.Лампы мощностью27 Вт с успехомзаменяют60-75-ваттные лампынакаливания.Расход электроэнергиина освещениеснижается в2-3 раза.
›Использованиесолнечнойэнергии невозможнобез галлия.НАСА США планируетоборудоватькосмическиеспутники солнечнымиэлементамина основе арсенидагаллия.
›Чрезвычайновысоки темпыроста потребленияредких металловв электронике.В 1984 году стоимостьмирового сбытаинтегральныхсхем с использованиемарсенида галлиясоставляла30 млн. долларов,в 1990 году она ужеоцениваласьв 1 млрд. долларов.
›Применениередкоземельныхэлементов(редких земель)и редкого металларения при крекингенефти позволилоСША резко снизитьиспользованиедорогостоящейплатины, приэтом повыситькпд процессаи увеличитьна 15 процентоввыход высокооктановогобензина.
›В Китае успешноприменяютсяредкие землив сельскомхозяйстве дляудобрения риса,пшеницы, кукурузы,сахарноготростника,сахарной свеклы,табака, чая,хлопка, арахиса,фруктов, цветов.Урожай продовольственныхкультур увеличилсяна 5-10%, технических- более чем на10%. Улучшилоськачество пшеницыза счет болеевысокого содержанияпротеина илизина, увеличиласьсахаристостьфруктов, сахарноготростника исвеклы, улучшиласьокраска цветов,повысилоськачество чаяи табака.
›В Казахстанепо рекомендациироссийскихученых былапримененаразработаннаяФ. В. Сайкинымновая методикаиспользованияредких земельв сельскомхозяйстве.Опыты провелина большихплощадях иполучили великолепныйэффект - увеличениеурожайностихлопка, пшеницыи других культурна 65%. Столь высокаяэффективностьбыла достигнута, во-первых,благодаря тому,что использовалине смеси всехредких земельодновременно,как это практиковалосьв Китае, а толькоодин неодим(посколькунекоторые излантаноидовне способствуютповышениюурожайности,а наоборот -понижают ее).Во-вторых, непроводили, какэто делают вКитае, трудоемкогоопрыскиваниясельскохозяйственныхрастений впериоды ихцветения. Вместоэтого толькозамачивализерно передпосевом в водномрастворе, содержащемнеодим. Этаоперация многопроще и дешевле.
›До последнеговремени иттрийиспользовалсяв технике чрезвычайноредко, и добычаего была соответствующей- исчисляласькилограммами.Но вот оказалось,что иттрийспособен резкоувеличиватьэлектропроводностьалюминиевогокабеля и прочностьновых керамическихконструкционныхматериалов.Это обещаетвесьма большойэкономическийэффект. Интереск иттрию и киттриевымлантаноидам- самарию, европию,требию значительновырос.
›Скандий (егоцена одно времябыла на порядоквыше цены золота)благодаряуникальномусочетаниюцелого рядасвоих свойствтеперь пользуетсясверхповышенныминтересом вавиационной,ракетной илазерной технике.
Названия"редкие металлы","редкие элементы","редкоземельныеэлементы" - несовсем правильны,потому что этихимическиеэлементы вовсене такие ужредкие. Их среднеесодержаниев земной коресопоставимоили даже выше,чем большинствашироко используемыхнами в повседневнойжизни металлов.Например, такихредких металлов,как скандий,церий, лантан,литий, иттрий,ниобий, галлий,в земной коресодержитсяпримерно столькоже, сколькохрома, цинка,никеля, меди,свинца. А стронция,циркония, рубидия- даже на порядокбольше.
Полвеканазад считали,что редкиеэлементы неспособны образовыватькрупные месторожденияи высокиеконцентрациив руде. Сейчасмы знаем, чтоэто не так, чтоучтенные мировыезапасы, например,ниобия, литияи цериевыхземель не уступаютзапасам титана,никеля и превышаютзапасы свинцаи олова. В наиболеекрупных месторожденияхцериевых земель,ниобия, лития,стронция, циркония,ванадия хранятсямиллионы тоннэтих ценнейшихредких металлов.По способностиконцентрироватьсяв рудах промышленныхместорожденийредкие элементыне уступают,а часто дажепревосходятцветные и малыеметаллы.
Можетбыть, правильнеебыло бы называтьэти металлыне редкими, ановыми, какпредлагалакадемик В. И.Смирнов. Ведьвсе редкиеэлементы открытыза последние60-220 лет, а использованиеих в промышленностипо-настоящемуначалось только20-40 лет назад.
Пирамиданаглядно показываетраспространенностьхимическихэлементов вземной коре.
В "шпиле"уместилисьредкие и некоторыемалораспространенныеметаллы.
Универсальнаяракетно-космическаятранспортнаясистема "Энергия"на космодромеБайконур. В еесостав входятмощная ракета-носительи орбитальныйкорабль многоразовогопользования"Буран".
Чтобыизготовитьсверхлегкиематериалы дляэтой сложнейшейтранспортнойсистемы, былииспользованыредкие металлы.
Однаиз секций установкиТ-15 Токамакасо сверхпроводящимимагнитнымикатушками.
периодическаясистема элементовД. И. Менделеева
Здесь,в Периодическойсистеме элементовД. И. Менделеева,выделены(подчеркнуты)редкие металлы.Как видите, ихне так уж мало- 35 из 104-х.
Удивительнаякрасота и сияниерубиновых звездна башнях Кремля- одна из достопримечательностейнашей столицы.Звезды сделаныиз селеновогорубина - стекла,содержащегоредкие металлы- селен, сернистыйи углекислыйкадмий.
Современныеотечественныеавтомашинывозят в основномсами себя. Например,в "Жигулях"из 1400 кг их общеговеса полезныйгруз составляетменее однойтрети. Не лучшесоотношениеполезного грузаи общего весау железнодорожныхсоставов, особеннопассажирских,у самолетов,у водных судов.Сплавы на основелегких и редкихметаллов позволяютисправить стольнесуразноесоотношение.