В начало Написать нам Карта сайта | RSS
Уральский рынок металлов


Предлагаем Вам разместить информацию в бегущую строку - 1000 рублей в месяц - за каждые 10 слов | Ежедневно посетители сайта смогут видеть информацию о Вашем предприятии. | Минимальные затраты - максимальный результат!!!
Новости Журнал О компании Статьи Аналитика Тендеры Рекламодателям Подписчикам Форумы Бизнес-навигатор Карта сайта Мероприятия Вопросы-ответы
В начало // Журнал / Все номера / УРМ №3 (март 2007) / РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫЕ МЕТАЛЛЫ: применение, проблемы, перспективы
← оглавление номера

Ориентиры развития:

РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫЕ МЕТАЛЛЫ: применение, проблемы, перспективы

Татьяна Емелина, Юрий Верещагин 

Уникальные свойства редкоземельных металлов (РЗМ) позволяют использовать их в различных сферах современной промышленности, особенно в наукоемких. Их применение позволяет судить об уровне научно-технического развития отрасли и отражается на престиже России.  

История открытия

Сегодня к редкоземельным металлам относят 16 элементов Периодической таблицы Менделеева, в том числе 15 лантаноидов и иттрий. Всего известно около 70 собственно редкоземельных минералов и еще около 200 минералов, в которые эти элементы входят как примеси. Все редкоземельные элементы (РЗЭ) были открыты в форме оксидов (до получения свободных металлов иногда проходили десятилетия). Оксиды многих металлов исстари называли землями. «Редкие земли» к тому же нечасто встречались в природе - отсюда и название.

...Историю открытия редкоземельных элементов лучше всего охарактеризовал французский ученый Жорж Урбэн: «Это было море ошибок, и истина в нем тонула». Кстати, ему принадлежит приоритет (1907) в открытии последнего элемента этой группы, лютеция, занимающего клетку 71 в периодической системе. Первую из них, иттриевую, открыл в 1794 г. финн Юхан Гадолин. Следующую, цериевую, спустя девять лет открыли шведы Йенс Берцелиус и Вильгельм Хизингер. Это были не индивидуальные вещества, а сложные смеси оксидов всех существующих в природе РЗЭ. К разделению подобных смесей на составляющие и свелась вся многолетняя история их изучения. «Редкие земли» удивительно схожи по химическим свойствам. По этой причине их так трудно отделять друг от друга, и ошибочных открытий оказывалось гораздо больше, нежели истинных.

Когда Дмитрий Менделеев начал писать «Основы химии» (1868), признавалось существование следующих РЗЭ: иттрия, лантана, церия, эрбия, тербия и дидима. К существованию тербия он относился с большим сомнением и в своих рассуждениях не принимал этот элемент во внимание. К концу 1890-х ситуация в области «редких земель» прояснилась. Сама структура периодической системы подсказывала, что их количество должно быть ограниченным: между барием и танталом может существовать примерно пятнадцать этих, весьма похожих друг на друга элементов (см. табл. 1).

 

Природные кладовые. Применение РЗМ в промышленности.

Основные промышленные типы месторождений РЗМ за рубежом - бастнезитовые карбонатиты и россыпи с монацитом и ксенотимом, реже - глинистые коры выветривания гранитов с РЗМ, сорбированными в ионной форме. Содержание оксидов РЗМ в этих минералах составляет: в лопарите - 30-35%, в бастнезите - 70-75%, в монаците - 55-60%, в ксенотиме - 55-62%. (см. табл.2, рис.1, табл. 3).

 

Рис.1 Расположение основных месторождений мира.

Неразделенные элементы применяются в таких сферах, как производство стекла, нефтепереработка и нефтехимия (катализаторы для крекинга нефти, присадки в дизельное топливо и др.), металлургия, производство мишметалла для перезаряжаемых аккумуляторных батарей, полировальных порошков.

Индивидуальные элементы используются в производстве каталитических фильтров-нейтрализаторов выхлопных газов автомобилей (церий), магнитов (самарий и неодим), люминофоров, керамических конденсаторов (лантан, неодим). Кроме того, РЗМ используются в электронике, а также при выращивания кристаллов и для многих других целей (иттрий, европий, диспрозий, эрбий, тербий и гадолиний) (см. табл. 5 и 6).

Церий - главный компонент пирофорного сплава, из которого изготавливают кремний для зажигалок. Кроме церия, в его состав входят другие редкоземельные металлы, а также железо. Тот же сплав работает в трассирующих снарядах и пулях. Сделанная из него насадка надета на снаряд снаружи. А роль колесика, высекающего искру, играет воздух.  

РЗМ и металлургия

В металлургии РЗМ используются для получения особых сортов чугуна, стали и сплавов цветных металлов (добавки РЗМ повышают качество металлургической продукции, улучшают их свойства, в частности ударопрочность, вязкость и коррозионную стойкость). Такие материалы находят применение в первую очередь в ВПК и авиационно-космической отрасли.

В современной технике широко используется способность церия (как и других лантаноидов) улучшать свойства сплавов на основе железа, магния, алюминия, меди, ниобия, титана. Легирование конструкционных марок стали церием значительно повышает их прочность. Влияние разных доз церия на структуру и свойства литой и кованной стали, прежде всего, легированной, достаточно хорошо изучено. И для металлургии в этом случае оказалось справедливым старое медицинское правило: малые дозы - лекарство, большие - яд. Малые добавки церия очищают сталь от вредных неметаллических включений, прежде всего серы и газов, большие же - образуют самостоятельные окисные включения, которые полезны далеко не всегда. С 1954 г. в качестве легирующей добавки в сталь начали вводить микроприсадки оксидов и других соединений редкоземельных металлов, поскольку они дешевле, чем сами металлы.

Лигатуры с РЗМ применяются при производстве стали для изготовления магистральных нефтегазопроводов, работающих в условиях севера. В стали образуются недеформируемые включения сульфидов и оксисульфидов РЗМ, что предопределяет постоянство свойств в продольном и поперечном направлениях и повышает надежность металлоизделий. При обработке литой стали комплексными сплавами с РЗМ отмечается повышение пластичности, ударной вязкости, снижение порога хладноломкости до минус 60-70 градусов Цельсия.

РЗМ способствуют увеличению плотности стали как за счет дегазационного воздействия, так и за счет улучшения пропитываемости междендритных пространств вследствие рафинирования и снижения вязкости жидкого металла. Применение РЗМ эффективно для марок свариваемой стали, характеризующихся в области шва сочетанием литой и деформированной структуры и склонных к слоистому растрескиванию.

Модифицированный РЗМ чугун с шаровидным графитом по пределу прочности в два-три раза превосходит серый чугун. Небольшие добавки (0,03-0,05% РЗМ) в чугун позволяют получать тонкостенные отливки без отбела.

Неодим положительно влияет на свойства магниевых, алюминиевых и титановых сплавов. В России созданы высокопрочные магниевые сплавы, легированные неодимом и цирконием. Предел длительной прочности при повышенных температурах у них намного больше, чем у магниевых сплавов, легированных другими элементами. Алюминий, легированный неодимом, химически взаимодействует с ним. Образуются соединения состава NdAl 4 и NdAl 2 . В итоге пятипроцентная добавка неодима вдвое увеличивает предел прочности алюминия (с 5 до 10 кг/мм 2 ). Во много раз возрастает твердость сплава. Подобным же образом неодим действует и на свойства титана. Добавка 1,2 % церия увеличивает предел прочности титана с 32 до 38-40 кг/мм 2 , а примерно такая же добавка неодима - до 48-50 кг/мм 2 .

Практическое применение иттербия ограничено некоторыми специальными сплавами, в основном на алюминиевой основе. Кроме того, смесь окислов иттербия и иттрия добавляют в огнеупоры на основе двуокиси циркония. Это стабилизирует свойства огнеупоров.

Все перечисленное - далеко не полный перечень примеров использования РЗМ в металлургии. Работы по использованию РЗМ для улучшения качества стали и чугуна ведутся в отрасли не один десяток лет. В металлургии РЗМ используются в виде лигатур. Создано более 50 марок стали и сплавов с использованием РЗМ в виде ферроцерия и мишметалла, объем производства которых пока небольшой. Основным фактором, сдерживающим применение РЗМ в черной металлургии, является недостаток сырья, а также сложность и маломасштабность технологии получения ферроцерия и мишметалла. Хотя РЗМ имеют сравнительно высокую стоимость, воздействие их на конечную цену изделия невелико, поскольку присутствуют они в незначительных количествах. Кроме того, если раньше стоимость РЗМ значительно превышала стоимость таких легирующих элементов, как Co, Mo, V, W и др., то в настоящее время эти значения сравнимы. Преимущества РЗМ перед другими легирующими добавками делает экономически выгодным использование именно лигатур на основе РЗМ.

 

Постоянные магниты

Важная отрасль применения РЗМ - постоянные магниты. Наиболее высокие характеристики (коэрцитивная сила, остаточная индукция и максимальное энергетическое произведение) сегодня имеют магниты на основе сплавов Nd-Fe-B и Sm-Co. Магниты выпускаются с большим количеством градаций, чтобы охватить широкий диапазон свойств и областей применения. Лидером в производстве редкоземельных магнитов в последние годы является Китай.

Магнитные материалы и изготовленные из них постоянные магниты давно уже стали незаменимым элементом самых разнообразных приборов и устройств для всех областей промышленности. Они относятся к материалам, которые «во многом определяют научно-технический прогресс и современную технологическую цивилизацию». В России сохранились имевшиеся ранее и созданы новые производства РЗМ магнитов на устаревшей зачастую производственно-технологической базе. Сырье для производства магнитов закупается в Китае.

В то же время в России сохранены основные научно-технологические центры и лаборатории, работающие в направлении физико-химии РЗМ магнитов и их применения. К ним прежде всего относятся такие организации, как МИСиС, ТвГУ, ВНИИНМ, ФГУП «Гиредмет», ИФМ УрО РАН, ВИАМ, ИМЕТ УГАТУ, УрГУ и др. Имеются тенденции к значительному росту потребления РЗМ магнитов в различных отраслях промышленности и производства ТНП. Создан ряд объединений и ассоциаций ученых и производственников, фирм и предприятий, работающих в области разработки и производства РЗМ магнитов и их применения. Основная цель этих структур - развитие научно-технических исследований и расширения производства.

Основные проблемы РЗМ России  

Советская редкоземельная промышленность разрушена в результате перестройки и распада СССР. По данным Министерства природных ресурсов России (МПР), к 2005 г. Россия сократила потребление редкоземельных металлов в 10 раз по сравнению с 1991 г. - до 400 т в год. Сильно сократившийся спрос российской промышленности на эту продукцию удовлетворяется частично за счет импорта. В частности, редкоземельные концентраты поставляются из Китая, на долю которого приходится 85% мировых поставок; катализаторы для крекинга нефти и эрбий для добавок в урановые топливные элементы - из Великобритании. Тем не менее, в стране сохранилась и может быть реанимирована сырьевая база РЗМ (см. рис. 2). По запасам РЗМ Россия занимает второе место в мире после Китая.

Еще одна проблема - в России отсутствуют предприятия-переработчики РЗМ-сырья, производящие индивидуальные оксиды РЗМ и чистые РЗМ. Среди наиболее перспективных проектов - объединение Silmet, СМЗ и Ловозерский ГОК в части производства РЗМ с формированием единого производственного цикла. Освоение богатых северных месторождений пока затруднительно без поддержки со стороны государства. Накопленные запасы монацитовых песков не могут быть переработаны в связи с проблемой невозможности хранения большого количества радиоактивного тория.

Ассоциация разработчиков, производителей и потребителей постоянных магнитов (АРППМ), созданная на Урале, ведет активную деятельность в Урало-Сибирском регионе, объединяет усилия многих фирм и специалистов. Россия обладает большим потенциалом для развития стратегически важной редкоземельной отрасли. Необходимо принять решительные меры на государственном уровне для восстановления и укрепления редкоземельной промышленности.

При подготовке статьи были использованы данные сайтов:

http://www.szfk.ru/, http://osoon.ut.ee/, http://referatw.ru/, http://ferrosplavi.ru/, http://bcl.narod.ru/, http://www.usgs.gov/

Журнал

   
Ваше имя:  
Пароль:     
  запомнить меня
  Регистрация  Забыли пароль?

Бизнес-навигатор

   Меткомплекс
   Наука и образование
   Органы власти
   Отраслевые союзы
   Смежные отрасли


Атомстрой комплекс
ЛитМаш
ЗаводЭкоТехнологий
 
Отраслевая наука 


 
        ООО «УралИнфо»
   Телефон/факс: (343) 350 71 71
   г.Екатеринбург, ул.Мамина-Сибиряка, 58, офис 601        
            urm@urm.ru
пїЅпїЅпїЅпїЅпїЅпїЅ пїЅпїЅпїЅпїЅпїЅпїЅпїЅпїЅпїЅпїЅпїЅ
«РЎСѓРјРјР° технологий» «Сумма технологий»
продвижение сайта