Реферат: Редкие металлы-металлы будущего

Научно-техническая революция, которая после Второй мировой войны стремительно ворвалась в жизнь всех развитых стран мира, связана прежде всего с широким применением редких металлов. Использование их вызвало к жизни целые новые области современной промышленности, науки и техники. Все сверхмагнитные, сверхлегкие, сверхтвердые, сверхжаростойкие и высокопрочные конструкционные материалы в наши дни создаются на основе или с использованием редких элементов. Все ресурсо- и энергосберегающие технологии не осуществимы без редких элементов. Даже в сельском хозяйстве применение очень небольших доз редкого металла неодима повышает урожайность продовольственных культур на 60 процентов. Сейчас насчитываются многие тысячи областей эффективного использования редких металлов как в военной, так и в гражданских областях промышленности.

Промышленно-экономический уровень развития современных государств, по утверждению специалистов, определяется масштабами потребления не столько чугуна и стали, сколько редких металлов. Редкие элементы - это своего рода витамины промышленности. И подобно тому, как живой организм не может полноценно развиваться без микрограммовых количеств витаминов, так и передовая современная промышленность невозможна без редких элементов.

В Советском Союзе научно-техническая революция началась несколько позже, чем в других странах, и проводилась, к сожалению, в основном только в оборонной и аэрокосмической промышленностях. Затраты на поиски, добычу и производство редких металлов в нашей стране даже в 60-70-е годы (период наивысшего интереса к редкометалльной проблеме в СССР) в общем бюджете государства были мизерные - менее 0,2 процента. Это показатель того, что государственные органы управления народным хозяйством уделяли редким металлам чрезвычайно мало внимания.

Динамика производства и потребления редких металлов в СССР по сравнению с США всегда была не в нашу пользу. Суммарное потребление всеми капиталистическими странами за 25 лет, с 1960 по 1985 год, по бериллию, кадмию, германию выросло в 1,4-2 раза, а по всем остальным редким металлам - даже в 3-15 раз.

Чрезвычайно быстро растет потребление редких металлов в ведущих капстранах Западной Европы и Японии, которые по темпам роста начали значительно обгонять США. В Японии потребление таких металлов, как ниобий, цирконий, иттрий, лантаноиды, литий, ванадий, галлий, за период 1960-1985 годы возросло в 10-25 раз. Более того, некоторые из капстран перегнали Америку не только по темпам роста, но и по потреблению на душу населения и даже по валовому потреблению отдельных металлов.

В 80-х годах мы уже стали отставать не только от США, но и от других развитых капстран. От Италии по валовому потреблению ниобия - в 1,5 раза, а в расчете на душу населения даже в 8,4 раза, от ФРГ - в 7 раз, от Японии - в 2,5 раза по потреблению тантала и в 9 раз по цирконию.

При этом надо еще учитывать, что у нас львиная доля многих редких металлов потреблялась только в оборонной промышленности. На долю народного хозяйства СССР приходились лишь самые малые крохи.

В 80-х годах в капстранах было построено около 20 химико-металлургических заводов. На старых действующих заводах проведены реконструкция и расширение производственных мощностей. Еще большее количество химико-металлургических заводов запроектировано ввести до 2000 года.

Мы же и в 80-е годы, и до сих пор не ввели в действие ни одного нового горно-обогатительного комбината и ни одного завода по редким металлам.

Таким образом, и по добыче, и по потреблению СССР уже с 60-80-х годов начал резко отставать от ведущих капстран. И в этом главная причина чрезвычайной заторможенности, даже провала нашего научно-технического прогресса.

Крупные изменения, происходящие в последние годы в экономике России, чрезвычайно болезненно отразились на положении дел с редкими металлами. Положение ухудшилось еще и оттого, что с распадом СССР многие предприятия, добывающие редкие металлы, остались в бывших союзных республиках. Остановлена либо резко снижена добыча на крупнейших российских горнодобывающих предприятиях: на уральских Изумрудных копях - бериллия; на Орловском комбинате (в Забайкалье) - тантала; на Ловозерском (Кольский полуостров) - ниобия, тантала, цериевых лантаноидов; на Забайкальском - лития; на уральском Вишневогорском - ниобия. Прекращена разработка германия на Павловском месторождении в Приморье. В результате положение с добычей, производством и потреблением редких металлов сейчас в России просто катастрофическое.

В нынешних рыночных условиях те или иные редкие металлы и даже новую технику, сделанную на их основе, зачастую дешевле и проще завести из-за границы. И мы, несмотря на острый экономический кризис в стране, покупаем ее. Но покупаем устаревшие образцы. Потому что суперновую технику США и их сателлиты по официально существующим у них запретам в Россию не поставляют. И не исключено, что из-за капризов международной обстановки нам не станут продавать даже то, что мы получаем сейчас. Такое было уже с трубами из легированного ниобием железа. После ввода наших войск в Афганистан ФРГ отказалась продавать нам трубы из легированной ниобием стали. Мы начали ставить свои стальные трубы и при городском строительстве, и в нефтепроводах. И вот через 15-20 лет пожинаем плоды. Трубы рвутся, их приходится заменять. Тогда как легированные ниобием простояли бы еще 40 лет.

А главное, какая же мы великая держава, если не можем обеспечить себя своими совершенными приборами, своими эффективными технологиями, современными машинами, передовой техникой, сверхвысококачественными материалами? Сейчас электронику, телевизоры, автомашины нам приходится покупать у Кореи, Японии, Германии. Мы вынуждены завозить из Европы продукты питания! А ведь если бы мы использовали в сельском хозяйстве свой неодим, по той технологии, которая уже разработана и успешно апробирована нашими специалистами (Ф. В. Сайкиным и другими), то могли бы получать в 1,6 раза более богатые урожаи, кормить не только себя, но и продавать продукты питания. Наш Ловозерский горно-обогатительный комбинат, разрабатывающий месторождение неодима (лопарит), еще не полностью остановлен. А запасы этого металла на Ловозерском месторождении неисчерпаемы.

ЛАНТАНОИДЫ

Быстро реанимировать в нашей стране добычу и производство редких металлов, чтобы использовать их в различных областях народного хозяйства, - задача вполне реальная. И это - дело государственной важности, поскольку именно редкометаллическая промышленность - фундамент не только новой и оборонной техники, но и всего народного хозяйства. Отсутствие редких металлов - угроза национальной безопасности России.

Благодаря интенсивным поискам редких металлов в 40-70-х годах Россия имеет самые крупные в мире детально разведанные месторождения лития, цезия, иттрия, иттриевых и цериевых лантаноидов, циркония, тантала и ниобия, самое богатое месторождение бериллия. Однако все они находятся в труднодоступных регионах Сибири, Заполярья или высокогорья.

При нынешних финансовых возможностях страны промышленное освоение этих новых месторождений пока нереально. Но есть другой выход. На ближайшие 15-20 лет наша страна может быть обеспечена редкими металлами, если восстановить в достаточном объеме добычу на законсервированных или работающих на треть своей мощности редкометалльных горно-обогатительных комбинатах. Например, Ловозерский лопаритовый комбинат может полностью обеспечить всю нашу перспективную потребность в тантале, ниобии, титане, цериевых лантаноидах (в частности, и в неодиме для сельского хозяйства). Очень важно здесь еще и то, что все эти металлы можно одновременно получать при химико-металлургической переработке всего-навсего одного лопаритового концентрата.

Здесь же, в богатейшем Ловозерском массиве, давно изучено еще несколько новых типов редкометалльных руд. Они могут быть легко и быстро введены в эксплуатацию. Это прежде всего эвдиалититы (от слова "диалитос" - растворимый). Их запасы составляют здесь миллионы тонн. И в них содержатся оксиды циркония, иттрия и иттриевых лантаноидов; цериевых лантаноидов, ниобия, тантала, гафния. Эвдиалитовые руды выходят непосредственно на поверхность в центральной части массива, поэтому их добыча не представляет больших трудностей.

Таким образом, при нормальной работе Ловозерского комбината Россия будет обеспечена не менее чем двадцатью редкими металлами, и это восполнит нам потерю четырех месторождений: Кутессайского, оставшегося в Киргизии, Шевченковского в Казахстане, Желтые Воды и Малышевского - на Украине.

Проблема добычи бериллия решается тоже сравнительно легко - восстановлением работ на забайкальском Ермаковском месторождении. Оттуда до 90-х годов рудный концентрат вывозили для химико-металлургического передела в Казахстан, где он и остался после распада СССР. Но, к счастью, на Ермаковском месторождении, с самыми богатыми в мире рудами бериллия (1,2 процента ВеО), еще сохранилась примерно четверть запасов. Их нам вполне хватит на ближайшие 25 лет, а то и более.

Наша промышленность может быть обеспечена литием, рубидием и цезием за счет переработки слюд, которые были попутно добыты и сброшены в отвалы в прежние десятилетия на Изумрудных копях, а также на Вознесенском и Орловском месторождениях. Этих запасов хватит на 100 лет. Безотходная технология извлечения редких щелочных металлов из слюд хорошо разработана и запатентована. Причем она позволяет одновременно получать еще и магний, и азотисто-калиевые удобрения, и, что, может быть, особо важно, новый сверхлегкий, кислото- и термостойкий материал сипласт.

Он может стать незаменимым в летательных аппаратах, в аэрокосмической технике, при строительстве морских судов (для теплозащитных прокладок), при строительстве зданий, мостов позволяет значительно облегчить эти сооружения. Сипласт успешно был использован при строительстве "Бурана" - нашего космического корабля многоразового использования.

И, наконец, редкий металл - стронций может быть получен попутно при переработке Хибинского апатита на удобрения по азотно-кислотной схеме.

Таким образом, реанимация наших редкометалльных горно-обогатительных комбинатов позволяет целиком и достаточно быстро обеспечить российскую промышленность, науку, технику и сельское хозяйство собственными редкими металлами. А там, почему бы нам и не выйти с некоторыми редкими металлами на мировой рынок. Ведь такие элементы, как скандий, рений, тербий, европий, диспрозий, по цене сопоставимы с серебром и с некоторыми платиноидами.

Реанимация редкометалльных комбинатов не единственный путь обеспечения страны редкими металлами. Довольно быстро, легко и дешево можно добывать их из всевозможных техногенных источников и различных попутно добываемых продуктов. Например, из золы, полученной от сжигания каменных и бурых углей, из продуктов переработки и очистки нефти и газа; из шахтных и рудничных вод, а также из вулканогенных вод и газов.

При этом из техногенных продуктов могут быть попутно извлечены содержащиеся в них разные токсичные компоненты. От них все равно рано или поздно непременно придется избавляться по экологическим требованиям.

Наш институт (ИМГРЭ) уже многие годы ведет исследования по изучению химических элементов, содержащихся в техногенных продуктах. С помощью новейшей аппаратуры обнаружено 70 элементов (в их числе 35 редких металлов) в немалых количествах.

В ближайшее время мы планируем проанализировать исходные угли и нефти по всем бассейнам России. Уже установлено, что в нашем углеводородном сырье присутствуют в промышленно-ценных количествах иттрий, лантаноиды, ванадий и другие металлы, цена которых соизмерима со стоимостью самой нефти. За рубежом их извлекают из купленной у нас нефти. Мы за это ничего не получаем. Например, в татарстанской нефти содержится до 700 г/т ванадия. Он не только представляет ценность, но еще и весьма токсичен. Мы его не извлекаем. При сгорании нефти ванадий рассеивается по нашим полям. За десятилетия его накопится там столько, что сельскохозяйственная продукция может стать ядовитой.

Таким образом, обеспечить свою страну жизненно необходимыми ей редкими металлами можно довольно быстро и с не очень большими затратами. Геологическая служба страны (буквально за 2-3 ближайших года) способна провести широкую ревизию отвального хозяйства горнодобывающих и химико-металлургических предприятий России, проверить на редкие металлы нефтеносные и угольные бассейны страны; апробировать новейшие технологические схемы утилизации полезных (и токсичных) металлов из всех попутно получаемых продуктов. Особых ассигнований на это не потребуется. Просто необходимо несколько переориентировать тематику работ сырьевых институтов Министерства природных ресурсов России.

Литература

Месторождения литофильных редких металлов. Под редакцией Овчинникова Л. Н., Солодова Н. А. М., Недра, 1980.

Солодов Н. А. Формационные типы редкометальных карбонатитов. // Отечественная геология, № 6, 1996.

Солодов Н. А. Условия образования крупных и богатых редкометальных месторождений. // Геология рудных месторождений, т. 39, № 5, 1997.

Солодов Н. А. Концепция экстренного обеспечения России редкими металлами. // Минеральные ресурсы России. Экономика управления, № 4, 1992.

ЦИФРЫ И ФАКТЫ

› Многие редкие металлы, долгое время почти не находившие применения, сейчас широко используются в мире. Они вызвали к жизни целые новые области современной промышленности, науки и техники - такие, как солнечная энергетика, сверхскоростной транспорт на магнитной подушке, инфракрасная оптика, оптоэлектроника, лазеры, ЭВМ последних поколений.

› Используя низколегированные стали, содержащие всего 0,03-0,07% ниобия и 0,01-0,1% ванадия, можно на 30-40% снизить вес конструкций при строительстве мостов, многоэтажных зданий, газо- и нефтепроводов, геологоразведочного бурильного оборудования и т. п. При этом срок службы конструкций увеличивается в 2-3 раза.

› Магниты с использованием сверхпроводящих материалов на основе ниобия дали возможность построить в Японии поезда на воздушной подушке, развивающие скорость до 577
км/ч.

› В рядовом американском автомобиле используется 100 кг стали марки HSLA с ниобием, ванадием, редкими землями, 25 деталей из медно-бериллиевых сплавов, цирконий, иттрий. При этом вес автомобиля в США (с 1980 по 1990 год) уменьшился в 1,4 раза. С 1986 года автомобили начали оснащаться неодимсодержащими магнитами (37 г неодима на один автомобиль).

› Интенсивно разрабатываются электромобили с литиевыми аккумуляторами, автомобили на водородном топливе с нитридом лантана и другие.

› Американская фирма "Вестингауз" разработала высокотемпературные топливные элементы на основе оксидов циркония и иттрия, которые повышают кпд тепловых электростанций с 35 до 60%.

› За счет внедрения энергоэкономичных осветительных приборов и электронной аппаратуры, сделанной с использованием редких элементов, США предполагают сберегать до 50% электроэнергии из 420 млрд.
кВт/часов, расходуемых на освещение. В Японии и США созданы лампы с люминофорами, содержащими иттрий, европий, тербий, церий. Лампы мощностью 27 Вт с успехом заменяют 60-75-ваттные лампы накаливания. Расход электроэнергии на освещение снижается в 2-3 раза.

› Использование солнечной энергии невозможно без галлия. НАСА США планирует оборудовать космические спутники солнечными элементами на основе арсенида галлия.

› Чрезвычайно высоки темпы роста потребления редких металлов в электронике. В 1984 году стоимость мирового сбыта интегральных схем с использованием арсенида галлия составляла 30 млн. долларов, в 1990 году она уже оценивалась в 1 млрд. долларов.

› Применение редкоземельных элементов (редких земель) и редкого металла рения при крекинге нефти позволило США резко снизить использование дорогостоящей платины, при этом повысить кпд процесса и увеличить на 15 процентов выход высокооктанового бензина.

› В Китае успешно применяются редкие земли в сельском хозяйстве для удобрения риса, пшеницы, кукурузы, сахарного тростника, сахарной свеклы, табака, чая, хлопка, арахиса, фруктов, цветов. Урожай продовольственных культур увеличился на 5-10%, технических - более чем на 10%. Улучшилось качество пшеницы за счет более высокого содержания протеина и лизина, увеличилась сахаристость фруктов, сахарного тростника и свеклы, улучшилась окраска цветов, повысилось качество чая и табака.

› В Казахстане по рекомендации российских ученых была применена разработанная Ф. В. Сайкиным новая методика использования редких земель в сельском хозяйстве. Опыты провели на больших площадях и получили великолепный эффект - увеличение урожайности хлопка, пшеницы и других культур на 65%. Столь высокая эффективность была достигнута , во-первых, благодаря тому, что использовали не смеси всех редких земель одновременно, как это практиковалось в Китае, а только один неодим (поскольку некоторые из лантаноидов не способствуют повышению урожайности, а наоборот - понижают ее). Во-вторых, не проводили, как это делают в Китае, трудоемкого опрыскивания сельскохозяйственных растений в периоды их цветения. Вместо этого только замачивали зерно перед посевом в водном растворе, содержащем неодим. Эта операция много проще и дешевле.

› До последнего времени иттрий использовался в технике чрезвычайно редко, и добыча его была соответствующей - исчислялась килограммами. Но вот оказалось, что иттрий способен резко увеличивать электропроводность алюминиевого кабеля и прочность новых керамических конструкционных материалов. Это обещает весьма большой экономический эффект. Интерес к иттрию и к иттриевым лантаноидам - самарию, европию, требию значительно вырос.

› Скандий (его цена одно время была на порядок выше цены золота) благодаря уникальному сочетанию целого ряда своих свойств теперь пользуется сверхповышенным интересом в авиационной, ракетной и лазерной технике.

Названия "редкие металлы", "редкие элементы", "редкоземельные элементы" - не совсем правильны, потому что эти химические элементы вовсе не такие уж редкие. Их среднее содержание в земной коре сопоставимо или даже выше, чем большинства широко используемых нами в повседневной жизни металлов. Например, таких редких металлов, как скандий, церий, лантан, литий, иттрий, ниобий, галлий, в земной коре содержится примерно столько же, сколько хрома, цинка, никеля, меди, свинца. А стронция, циркония, рубидия - даже на порядок больше.
Полвека назад считали, что редкие элементы не способны образовывать крупные месторождения и высокие концентрации в руде. Сейчас мы знаем, что это не так, что учтенные мировые запасы, например, ниобия, лития и цериевых земель не уступают запасам титана, никеля и превышают запасы свинца и олова. В наиболее крупных месторождениях цериевых земель, ниобия, лития, стронция, циркония, ванадия хранятся миллионы тонн этих ценнейших редких металлов. По способности концентрироваться в рудах промышленных месторождений редкие элементы не уступают, а часто даже превосходят цветные и малые металлы.
Может быть, правильнее было бы называть эти металлы не редкими, а новыми, как предлагал академик В. И. Смирнов. Ведь все редкие элементы открыты за последние 60-220 лет, а использование их в промышленности по-настоящему началось только 20-40 лет назад.

Пирамида наглядно показывает распространенность химических элементов в земной коре.
В "шпиле" уместились редкие и некоторые малораспространенные металлы.

Универсальная ракетно-космическая транспортная система "Энергия" на космодроме Байконур. В ее состав входят мощная ракета-носитель и орбитальный корабль многоразового пользования "Буран".
Чтобы изготовить сверхлегкие материалы для этой сложнейшей транспортной системы, были использованы редкие металлы.

Одна из секций установки Т-15 Токамака со сверхпроводящими магнитными катушками.

периодическая система элементов Д. И. Менделеева

Здесь, в Периодической системе элементов Д. И. Менделеева, выделены (подчеркнуты) редкие металлы. Как видите, их не так уж мало - 35 из 104-х.

Удивительная красота и сияние рубиновых звезд на башнях Кремля - одна из достопримечательностей нашей столицы. Звезды сделаны из селенового рубина - стекла, содержащего редкие металлы - селен, сернистый и углекислый кадмий.

Современные отечественные автомашины возят в основном сами себя. Например, в "Жигулях" из 1400 кг их общего веса полезный груз составляет менее одной трети. Не лучше соотношение полезного груза и общего веса у железнодорожных составов, особенно пассажирских, у самолетов, у водных судов. Сплавы на основе легких и редких металлов позволяют исправить столь несуразное соотношение.