Нічого цікавоМоже бутиНормальноДобреДуже цікаво (2 голосів, середній: 5,00 з 5)
Loading...Loading...
Кількість переглядів: 678

Рідкісноземельні метали (РЗМ)

Рідкісноземельні метали (РЗМ) використовуються при виробництві інноваційних високотехнологічних продуктів і належать до видів мінеральної сировини, яка має стратегічне значення для економік усіх розвинених країн світової спільноти. Властивості та можливості цих елементів гідно оцінені в авіабудуванні, машинобудуванні, радіотехніці, хімічній промисловості, ядерній енергетиці тощо. Глобальний ринок РЗМ зростає надзвичайно швидкими темпами. За останні 50 років його обсяг збільшився більш ніж у 25 разів (з 5 тис. т до 125 тис. т на рік).

ЧИТАТИ ПРО ТОВАРОЗНАВСТВО
ЧИТАТИ ПРО ТОВАРОЗНАВСТВО ПРОДОВОЛЬЧИХ ТОВАРІВ
ЧИТАТИ ПРО ІСТОРІЮ РОЗВИТКУ ТОВАРОЗНАВСТВА У ЛЬВОВІ

Браузер не бачить рисунок або формулу?! Скачайте реферат:
Скачати реферат “Рідкісноземельні метали”

Переважний попит на РЗМ генерують технологічно розвинені країни ‑ Китай (54%), Японія і Південна Корея (24%), Європейські країни (14%) і США (8%). Основними галузями застосування РЗМ є: виробництво магнітів, різноманітних конструкційних матеріалів, сучасних каталізаторів у нафтохімії, а також високоякісної оптики і скла та приладів на їх основі (рис. 1.75). Найбільш перспективні галузі застосування РЗМ пов'язані з виробництвом гібридних автомобілів, вітроенергетичних турбін, оборонної, телекомунікаційної, комп'ютерної та телевізійної техніки, автокаталізаторів і каталізаторів для крекінгу нафти, лазерів, надпровідників і паливних елементів, металургійної продукції з унікальними властивостями та ін. [1–4].

До рідкісноземельних елементів (РЗЕ) відносять 15 лантаноїдів (атомні номеривід 57 до 71): лантан (La), церій (Ce), празеодим (Pr), неодим (Nd), прометій (Pm), самарій (Sm), європій (Eu), гадоліній (Gd), тербій (Tb), диспрозій (Dy), гольмій (Ho), ербій (Er), тулій (Tu), ітербій (Yb) та лютецій (Lu), а також подібні до них за властивостями ітрій (Y, ат. № 39) та скандій (Sc, ат. №21). Ці елементи мають близькі властивості і здебільшого зустрічаються разом у вигляді сполук. Виняток становить прометій, який у природі не зустрічається, його отримують синтетичними методами.

Структура світового споживання РЗМ за галузями в натуральному
Структура світового споживання РЗМ за галузями в натуральному

Зазвичай за знаходженням у природі, розташуванням у періодичній таблиці та будовою зовнішніх енергетичних рівнів РЗЕ поділяють на дві групи:

1) церієву (легкі лантаноїди), у якій виділяють лантанову (La, Ce, Pr) і неодимову (Nd, Sm, Eu, Gd) підгрупи;

2) ітрієву (важкі лантаноїди) з підгрупами диспрозію (Tb, Dy, Y, Ho) та ітербію (Er, Tu, Yb, Lu).

Характерна особливість РЗЕ – ізоморфізм. У вільному стані це типові метали. Вони легко окислюються на повітрі (особливо La, Ce, Pr) з утворенням стійких оксидів, розкладають воду з утворенням гідроксидів, розчиняються в мінеральних кислотах, взаємодіють з водою з виділенням водню й утворенням оксидів. Ці елементи дуже активні, легко взаємодіють з киснем за звичайної температури, при нагріванні – з галогенами, воднем, азотом, сіркою, бромом, фосфором та іншими неметалами, легко сплавляються з металами. Маючи майже однакову будову зовнішніх електронних рівнів атомів, вони володіють дуже близькими хімічними і фізичними властивостями, що створює певні технологічні труднощі при виділенні з суміші РЗМ окремих елементів. Однак саме ці «загальні подібності та тонкі відмінності» і є основою багатьох унікальних властивостей РЗМ, яким знайшли і далі знаходять все нові застосування. Нижче подано короткий огляд практичного використання різних РЗМ [1, 3, 5].

Церій застосовується у виробництві та поліруванні скла, виробництві люмінофорів, кераміки, ілюмінаторів космічних апаратів, в атомній техніці, аналітичній хімії для окисного титрування, у виробництві акумуляторів тривалої експлуатації, каталізаторів у хімічній і нафтовій промисловості, а також у металургії для модифікування сплавів на основі Fe, Mg, Al, Cu, Nb, Ti та підвищення міцності конструкційних сталей. З усіх церієвих сполук найбільший попит у промисловості має діоксид церію, значна частина якого йде на виготовлення тонкодисперсних порошків для полірування скла, дзеркал та мінеральних лінз. Концентрати оксидів церієвої групи затребувані у виробництві пігментів, а дрібнодисперсні порошки ‑ у виробництві аерозолів.

Лантан набув широкого використання в електроніці, атомній промисловості, виробництві акумуляторів в автомобілебудуванні, виробництві віконного та оптичного скла. Зокрема, оксид лантану застосовується у виробництві призм та лінз для кіно- і фотоапаратури, астрономічних приладів, синтезу високотемпературних надпровідників. Хроміт лантану, легований Ca, Sr, Mg, ‑ для виробництва високотемпературних пічних нагрівачів (працюють за температур до 1780°С в окислювальній атмосфері). Сплави на основі сполуки LaNi5 володіють високою воденьсорбційною ємністю і широко досліджуються як матеріали для водневих акумуляторів.

Неодим використовують у виробництві лазерних матеріалів забарвленні і тонуванні скла, для легування спеціальних конструкційних сплавів і сталей. На основі сплавів системи Nd-Fe-B (сполука Nd2Fe14B) виготовляють постійні магніти з найвищими серед усіх відомих матеріалів, магнітними властивостями. Оксид неодиму застосовують як діелектрик з надмалим коефіцієнтом розширення, фторид ‑ для отримання високоякісного скловолокна у волоконній оптиці.

Диспрозій використовується для легування сплавів системи Nd-Fe-B підвищення температурної стабільності і корозійної тривкості постійних магнітів на їх основі; легування сплавів на основі цирконію – для поліпшення технологічних властивостей, зокрема здатності піддаватись обробці тиском. Він також застосовується як ефективний каталізатор і матеріал, здатний активно захоплювати нейтрони. Диспрозієві лазери використовують у медицині для лікування глаукоми та злоякісних захворювань шкіри. Сплави диспрозію і заліза володіють високими магнітострикційними властивостями.

Празеодим застосовують у виробництві керамічних матеріалів, скловолокна, як легувальний елемент сплавів спеціального призначення, для підвищення корозійної стійкості рідкісноземельних магнітів. Оксид празеодиму використовують при варінні скла, якому він надає блідо-зеленого забарвлення.

Основне застосування самарію – виробництво постійних магнітів системи Sm-Co (на основі сполук SmCo5 та Sm2Co17), які мають високу термічну стабільність. Його використовують також для збудження лазерного випромінювання в рідких і твердих середовищах, як активатор люмінофорів у кольорових телевізорах і стільникових телефонах, в електродах стартера тліючого розряду. Моносульфід самарію успішно використовують в енергетиці, атомних реакторах, компактних генераторах струму, авіаційному транспорті. Оксид самарію володіє високою вогнетривкістю, стійкістю до розплавів активних металів з високою температурою плавлення.

Європій володіє унікальними люмінесцентними властивостями, що спричинило його широке застосування в медицині, особливо хірургії, у виготовленні комп’ютерних екранів та флуоресцентних ламп. Застосовується і як поглинач нейтронів в атомних реакторах. Оксид європію ‑ для створення твердотілих і рідинних лазерів.

Основними сферами застосування гадолінію є електроніка та атомна промисловість. Ряд сплавів гадолінію, особливо з кобальтом і залізом, дозволяють створювати носії інформації з надзвичайно високою щільністю запису. Крім того, сплав Gd-Fe здатний поглинати значну кількість водню, що робить його придатним для виробництва водневих акумуляторів високої ємності. В атомній промисловості гадоліній знайшов застосування для захисту від теплових нейтронів, оскільки він володіє найвищою здатністю до захоплення нейтронів з усіх елементів. Крім того, Gd використовують для легування титанових сплавів з метою підвищення межі міцності і текучості; для вирощування монокристалів Gd-Ga-Sс, на основі яких виготовляють лазерні системи з надвисокими параметрами випромінювання.

Тербій використовується в люмінофорах, у флуоресцентних лампах, як випромінювач зеленого світла в проекційних телевізорах, а також як рентгенівський люмінофор. Сплав тербію із залізом ‑ один із найкращих магнітострикційних матеріалів, застосовується для виробництва потужних приводів малих переміщень (наприклад, адаптивна оптика великих телескопів-рефлекторів), джерел звуку великої потужності, надпотужних ультразвукових випромінювачів; сплав тербію з кобальтом при температурах, близьких до абсолютного нуля, володіє магнітною енергією порядку 400 кДж/м-3, що можна порівняти з найпотужнішими магнітами системи Nd-Fe-B.

Ітрій та деякі його сплави не взаємодіють з розплавленими ураном і плутонієм, що дозволяє застосовувати їх у ядерних газофазних ракетних двигунах. Він збільшує міцність сплавів на основі хрому, алюмінію і магнію, а також значно підвищує електропровідність алюмінієвого кабелю. Напилення ітрію на деталі двигунів внутрішнього згоряння дозволяє збільшити зносостійкість деталей у 400-500 разів порівняно з хромуванням. Легування ітрієм поліпшує якість чавуну, а також сплавів з ванадієм і хромом. Хроміт ітрію – один із найкращих матеріалів для виготовлення високотемпературних нагрівачів опору, здатних експлуатуватися в окислювальних середовищах.

Ітербій підвищує міцність, зносостійкість та інші механічні властивості нержавіючих сталей та спеціальних сплавів.

Гольмій використовується для виготовлення спеціальних сплавів і надпровідних матеріалів. Гольмій надвисокої чистоти застосовується для виготовлення полюсних наконечників надпровідних магнітів, що дозволяє отримувати надзвичайно високі магнітні поля. Іони гольмію здатні генерувати лазерне випромінювання в інфрачервоній ділянці спектра.

Ербій у вигляді оксиду застосовується в атомній техніці як високоефективний лазерний та вогнетривкий матеріал.

Тулій використовується для виробництва жароміцних сплавів, керамомагнітних матеріалів і рентгенівської апаратури.

Лютецій є найважчим елементом серед РЗМ, застосовується у виробництві ферогранатів, необхідних для зберігання гігантських обсягів інформації; у генераторах лазерного випромінювання; сплави лютецію з Fe і Al та Fe і Si ‑ для виготовлення потужних постійних магнітів; скандати, галати й алюмінати лютецію ‑ для виробництва лазерів надвисокої потужності.

Прометій у поєднанні зі сполуками, що фосфоресціюють, і мікрофотоелементами, застосовується для виготовлення так званих мікроатомних батарей, здатних протягом тривалого часу перетворювати радіоактивне випромінювання в електроенергію.

Цінність скандію полягає у поєднанні малої густини та високої теплостійкості, він володіє високою міцністю та корозійною тривкістю. Завдяки цим властивостям скандій є важливим конструкційним матеріалом в авіації та ракетобудуванні; у металургії використовується як елемент для легування чавунів, сталей та Ti-Al сплавів, який значно підвищує характеристики міцності. Скандій також використовують в атомній та хімічній промисловості, він менш токсичний, ніж такі елементи, як Gd, Sm, Nd та Hf.

Світові запаси РЗМ. Насамперед необхідно зазначити, що назва «рідкісноземельні метали» не зовсім точно відображає суть, оскільки РЗМ доволі розповсюджені в природі. Уперше термін був запропонований Ю. Гадоліном у 1794 р.: «рідкісні», оскільки він помилково вважав, що перші відкриті елементи цієї групи містяться в земній корі у дуже незначній кількості, а «земельні» ‑ через те, що оксиди РЗМ мають землистий відтінок [1]. Насправді сумарний вміст таких елементів у земній корі (оцінюється на рівні ≈ 0,02 мас. %) у багато разів вищий, ніж вольфраму, молібдену і навіть свинцю. Наприклад, розповсюдження церію відповідає розповсюдженню міді і більш ніж у 4 рази переважає свинець. І навіть двох найменш поширених у земній корі РЗМ (Tm, Lu) майже у 200 разів більше, ніж золота. З другого боку, на даний час це справді дефіцитні і дорогі метали, які особливо затребувані в інноваційних наукомістких технологіях. Але реальна проблема видобутку РЗМ пов’язана не з їх абсолютною концентрацією, а з розпорошеністю по світу, нерівномірністю якості і складу рудної сировини, складністю методів екстрагування і відокремлення з суміші різних РЗМ через їх дуже близькі властивості. Відповідно, нині лише незначну кількість родовищ економічно вигідно розробляти, оскільки мінерали з вмістом РЗМ на рівні 5-8% і без радіоактивних домішок зустрічаються вкрай рідко.

Загалом відомо близько 70 власних мінералів РЗМ, що належать до класів фосфатів, карбонатів, оксидів, фторидів, силікатів, сульфідів і боратів. Крім того, вони входять до складу близько 280 мінералів як домішки. Найбільший комерційний інтерес становлять такі рідкісноземельні мінерали [1, 3]:

бастнезит ‑ родина трьох фторкарбонатних мінералів, узагальнююча формула (Се,La,Nd,Y)[CO3]F, зазвичай яскраво-жовтого кольору, найважливіший рідкісноземельний мінерал, який у значній кількості є у родовищах Маунтін-Пасс (Каліфорнія, США), Баян-Обо (Китай), Вугу-Хілл (Танзанія), Каронж (Бурунді);

монацит – блискучий кристалічний мінерал жовтувато-бурого кольору, що містить фосфат церію та інших легких РЗМ, таких, як Nd, Y та Th, узагальнююча формула (Ce, La, Nd,…, Th)PO4, характеризується високою хімічною стійкістю та механічною міцністю, він утворює розсипи монацитового піску, який містить всі елементи церієвої групи;

ксенотим ‑ фосфатний мінерал, основним компонентом якого є YPO4, містить також деякі інші важкі РЗМ;

лопарит – мінерал підкласу складних оксидів (Na, Ce, Ca…)(Nb, Ti)O3, містить значну кількість радіоактивного Th.

Співвідношення окремих елементів у мінералах дуже коливається. В одних переважають елементи церієвої групи і лише до 5% ітрієвих земель, в інших – ітрієвої групи. При переробці рідкісноземельної сировини спочатку виділяють суміш РЗМ (у вигляді оксидів, гідроксидів), яку потім розділяють на окремі метали.

Рідкісноземельні мінерали достатньо поширені і їх запаси в основному сконцентровані у 34 країнах світу (рис. 1.76), серед яких 6 країн Європи (включаючи Росію, Естонію та Гренландію); 14 країн Азії, 10 – Африки, а також США, Канада, Бразилія та Австралія [1].

За даними Геологічної служби США [6], світові запаси рідкісноземельних оксидів (РЗО) станом на кінець 2014 р. становлять 140 млн т, і майже половина з них залягає на території Китаю (рис. 1.77). Основні ресурси цієї країни зосереджені у родовищах Внутрішньої Монголії (Баян-Обо), провінціях Ганьсу, Сичуань, Цзянси та Гуандун. На особливу увагу заслуговує родовище Баян-Обо – унікальне і найбільше у світі залізо-ніобій-РЗМ родовище, запаси якого становлять понад 40 млн т триоксидів R2O3 (вміст        3–5,4%), близько 1 млн т Nb2O5 та 470 млн т заліза. Воно експлуатується з 1957 р. і на даний час забезпечує близько 70% видобутку легких РЗМ. Китайська компанія Inner Mongolia Baotou Steel Rare-Earth Group Hi-Tech вважається найбільшою у світі з видобутку РЗМ. На початку 2014 р. вона поглинула 9 менших рудовидобувних компаній в автономному регіоні Внутрішня Монголія у рамках урядового плану консолідації сектора РЗМ. На даний час ринкова капіталізація компанії становить більше 6,5 млрд дол., а її штат налічує понад 10 тис. працівників.

Світові поклади рідкісноземельних мінералів
Світові поклади рідкісноземельних мінералів
на території РФ – родовища Кольського півострова (Ловоозерське), Селігдарське і Томторське в Якутії, Чуктуконське в Красноярському краї, Катугінське в Читинській обл. У Киргизії відоме родовище Актюз, у Казахстані – Еспе, у Білорусі – Житковичі. На даний час у Росії видобуток проводиться лише на Ловоозерському родовищі (Мурманська обл.). У 2013 р. державною корпорацією Ростех і групою компаній ІСТ було створено спільне підприємство TriArkMining для переробки близько 82 тис. т рідкісноземельних концентратів, які упродовж 60 років накопичувались на складах державного підприємства УралМонацит (Свердловська обл.). У травні 2014 р. СП TriArkMining виграло тендер на розробку ділянки надр Буранний ‑ одного з найбільших у світі Томторського родовища рідкісноземельних металів, розташованого у Республіці Саха (Якутія), руди якого містять ітрій, скандій, тербій та ніобій.

Світові запаси РЗМ у країнах (в перерахунку на оксиди металів)
Світові запаси РЗМ у країнах (в перерахунку на оксиди металів)

Слід зазначити, що Бразилія, запаси якої оцінюються 22 млн т, зайняла третю позицію зовсім недавно, до 2012 р. її запаси оцінювали лише на рівні 0,48 млн т. Добування РЗМ у Бразилії почалось ще у 1992 р. на родовищі Буена-Норте. Відомим є комплексне золото-мідно-рідкісноземельно-уранове родовище Ігарапе-Байя в рудному районі Караджас, штат Пара. У жовтні 2011 р. було оголошено про відкриття значних покладів рідкісноземельних мінералів на мідному руднику Салобу, розташованому в цьому ж районі, а в квітні 2012 р. авансовано наявність великих покладів неодиму у західному штаті Байя, запаси якого деякі спеціалісти визнають найбільшими у світі. У штаті Мінас-Жерайс розвідано унікальне родовище комплексу Тапіра з промисловим вмістом перовськіту, ільменіту, титаномагнетиту, анатазу, який містить скандій (0,01%), рудні запаси якого оцінені на рівні 340 млн т.

Найвідомішим у США є родовище Маунтін-Пасс (Південна Каліфорнія), відкрите компанією Molycorp на початку 1950-х років. До середини 1980-х років це було найбільше у світі місце видобутку РЗМ. Однак у 2002 р. через забруднення ґрунтових вод та імпорт дешевих мінералів з Китаю на ньому практично припинили видобуток, а у 2005 р. його мало не придбав китайський гігант China National Offshore Oil Corporation, що запропонував 18,5 млрд дол. З політичних міркувань продаж не відбувся, і згодом компанія Molycorp виступила з проектом відновлення видобутку на цій шахті, який потребує додаткових інвестицій у сумі 1,5 млрд дол. Іншими комерційно привабливими родовищами США є Лемхі-Пасс і Даймонд-Крік (Айдахо) та Бокан-Маунтін (Аляска). Вважається, що їх розробка може повністю покрити внутрішні потреби США у РЗМ.

В Індії значні запаси монацитових пісків зосереджені у штатах Керала (Чавара та Алува), Таміл-Наду (Манавала-Курічі) та Орісса (Чатарпур). Видобутком РЗМ в Індії займається лише одне державне підприємство Indian Rare Earths Limited, яке працює з 1927 р. (з 1947 р. експорт монациту заборонено). Серед інших відоме також родовище Кулампатта, штат Мадрас, яке представлено крупнозернистими гранітами з фергусонітом і уранінітом, а також іншими рідкісноземельними мінералами, з якими асоціюється гранат, слюда, магнетит, циркон, турмалін та рутил.

На заході Австралії розташоване родовище Маунт-Вельд, за оцінками спеціалістів його запаси здатні забезпечити до 20% ринку РЗМ упродовж 30 років. Це родовище з 2011 р. освоює компанія Lynas Corp., якій також належить найбільший у світі завод з переробки сировини в Малайзії. Запуск заводу планували на 2012 рік, але через протести місцевих жителів і екологів він наразі простоює, а шахта тим часом зазнає збитків, і акції компанії перебувають на п’ятирічному мінімумі. До речі, у 2009 р. китайська China Nonferrous Metal Mining Group вже пропонувала купити 51,6% акцій Lynas Corp., але в 2011 р. угоду було заблоковано урядом Австралії. Нині у країні реалізують два великі проекти з розробки родовищ Ноланс-Бор у Північних Територіях та Даббо у штаті Новий Південний Уельс.

Серед інших країн, які займаються розробкою родовищ РЗМ, необхідно назвати В’єтнам та Малайзію. У В’єтнамі видобуток РЗМ активізувався за сприяння Японії, яка зацікавлена у спільній розробці родовищ цієї країни, щоб зменшити залежність від імпорту з Китаю. Зокрема в’єтнамська Lai Chau-VIMICO Rare Earth Joint Stock Company та японська Dong Pao Rare Earth Development Company з 2012 р. проводять спільний видобуток у Там Дуонг, провінція Лай Чау з перспективою отримання до 10 тис. т РЗМ на рік. Інтерес також становить розробка родовищ Малайзії, де у січні 2014 р. розпочато дослідження покладів поблизу містечка Мерапох, штат Паханг. Попередні дослідження виявили наявність в руді оксидів усіх 15 лантаноїдів.

На завершення огляду світових запасів РЗМ відзначимо, що у 2011 р. група японських дослідників виявила величезні поклади РЗМ у мулистих відкладеннях на дні Тихого океану поблизу Гаваїв та східніше Таїті, у Французькій Полінезії. За приблизними розрахунками, обсяг цих покладів, які характеризуються високою концентрацією РЗМ, становить близько 100 млрд т. Однак говорити про можливість їх видобутку у найближчій перспективі не доводиться, оскільки глибина залягання ресурсів коливається від 3,5 до 6 км, що потребує вирішення багатьох технічних, економічних та фінансових питань. Крім того, триває пошук нових родовищ, що дає позитивні результати. Так, на початку 2015 р. було повідомлено відразу про кілька нових комерційно привабливих родовищ РЗМ на Лабрадорі та в Перу [7, 8].

Глобальний ринок РЗМ. Сьогодні світовим монополістом у даному сегменті ринку є Китай, який не тільки володіє найбільшими природними запасами РЗМ, а й продукує близько 90% світового видобутку цієї сировини. Зокрема у 2010 р. у світі було видобуто близько 134 тис. т РЗМ, з них 130 тис. т – у Китаї (97%, табл. 1.67).

Китай почав проводити далекоглядну протекціоністську політику стосовно РЗМ з початку 1990-х років. Повною мірою використовуючи переваги сировинної бази та низьку собівартість видобутку через використання дешевої робочої сили і низькі вимоги щодо забруднення навколишнього середовища, протягом останніх 10-15 років Китай постачав РЗМ на глобальний ринок за демпінговими цінами. Це викликало істотне зниження середньої вартості РЗМ у період 1991–2007 рр. Через зниження рентабельності більшість РЗМ-виробництв за межами Китаю згорнулось, оскільки половину концентратів металів і отриманих під час їх первинної переробки сумішей китайці відправляли на сепараторні заводи в розвинених країнах. Паралельно із демпінговим зниженням цін на РЗМ Китай проводив політику локалізації на своїй території замкнутого циклу виробництва (від видобутку сировини до виготовлення готових виробів), чим забезпечив собі доступ до ринків кінцевої продукції з високою доданою вартістю.

Таблиця 1.67

Світовий видобуток РЗМ з 2010 по 2013 рр. (у перерахунку на оксиди металів) [6, 9]

 

Країна

Видобуток, т/рік

2010

2011

2012

2013

Китай

130 000

105 000

100 000

100 000

США

800

4 000

Індія

2 900

2 900

2 800

2 800

СНД

2 400

2 400

Австралія

2 200

3 200

2 000

В’єтнам

220

220

Бразилія

550

250

150

140

Малайзія

350

280

100

100

Разом

133 800

110 630

109 670

111 660

 

 

Отримавши таким чином тактичну перемогу, Китай у 2010 р. оголосив про значне скорочення експорту РЗМ, а також про намір повністю його припинити у 2015–2016 рр., що пояснив зростанням внутрішнього споживання та поступовим вичерпуванням сировинної бази. При цьому експортні квоти були знижені на 40% порівняно з квотами 2009 р. (рис. 1.78). Як результат, ціни на світовому ринку РЗМ зросли у 5-20 разів (залежно від рідкісноземельного елемента), досягнувши свого історичного максимуму влітку 2011 р. (рис. 1.79). Одночасно із зниженням експортних квот Китай поступово скоротив видобуток РЗМ за період з 2010 по 2013 рік на 20,5 % (табл. 1.67).

Основні країни–споживачі РЗМ (Японія, США, Південна Корея і країни ЄС), відчувши загрозу безпеці своїх національних економік, вжили невідкладних заходів з розвитку науково-технологічної бази та підтримки компаній з диверсифікованими джерелами сировини. Зокрема у США компанія Molycorp створила глобальний вертикально інтегрований холдинг шляхом поглинання розділового виробництва в Естонії Силмет у 2011 р. та технологічного лідера галузі – канадської компанії Neo Material Technologies Inc., яка спеціалізується, зокрема, на виробництві порошків магнітних сплавів системи Nd-Fe-B. У 2012 р. Японія реалізувала ряд проектів з диверсифікування поставок шляхом видобутку РЗМ у Казахстані, Індії та В'єтнамі (спільно з місцевими компаніями). Зокрема у 2012 р. в Казахстані запущено завод з виробництва концентратів РЗМ SARECO, також планується створення заводу з розділення РЗМ і виробництва магнітів.

Експортні квоти Китаю на РЗМ з 2005 по 2014 рік (у перерахунку на оксиди металів)
Експортні квоти Китаю на РЗМ з 2005 по 2014 рік (у перерахунку на оксиди металів)

Динаміка зміни цін на РЗМ порівнянно з цінами на золото
Динаміка зміни цін на РЗМ порівнянно з цінами на золото

Південна Корея в особі державної компанії KORES бере участь в освоєнні РЗМ-родовищ у ПАР. Країни ЄС укладають угоди про співпрацю із країнами–виробниками РЗМ, а також виділяють банківські гарантії на їх постачання. Крім того, у відповідь на обмеження експортних квот США, Японія та ЄС подали позов проти Китаю до Світової організації торгівлі (СОТ), оскільки відчули свою надмірну залежність від поставок РЗМ, адже ця сировина застосується для виробництва інноваційної та наукомісткої продукції.

Як наслідок, ціни на РЗМ знизились і протягом останнього часу не зазнають значних коливань (рис. 1.79, табл. 1.68). Експерти також прогнозують, що вжиті заходи дозволять до 2018 р. майже удвічі знизити частку Китаю на світовому ринку (рис. 1.80). При цьому ряд аналітиків вважає, що найпотужнішими виробниками, окрім Китаю, стануть США та Австралія.

 

Таблиця 1.68

Середні ціни на оксиди РЗМ за період 2008–2013 рр. [10]

 

Оксид

Ціна, дол./кг

2008

2010

2011

2012

2013

Лантану

7

53

66

24

8

Церію

5

50

59

25

8

Неодиму

27

80

244

122

65

Диспрозію

110

295

2 032

1 086

561

Тербію

650

605

2 974

2 074

954

Європію

475

625

3 800

2 413

1 110

 

 

У 2013 р. СОТ встановила, що китайська система квот на експорт РЗМ порушує правила світової торгівлі. Китай намагався оскаржити це рішення, проте його апеляція була відхилена у серпні 2014 р. Станом на кінець 2014 р. Китай експортував 24,866 тис. т РЗМ, що істотно нижче квоти на 2014 р., яка становила 30,610 тис. т (див. рис. 1.78). У 2013 р. обсяги експорту також були менші, ніж квоти. При цьому сьогодні частка Китаю у світовому видобутку РЗМ скоротилась до 86%, що свідчить про поступову втрату Китаєм лідерства. Це змусило КНР переглянути свою політику, і в грудні 2014 р. було ухвалено рішення про скасування експортних квот на РЗМ у 2015 р.

Прогнозовані обсяги світового виробництва РЗМ (у перерахунку на оксиди металів)
Прогнозовані обсяги світового виробництва РЗМ (у перерахунку на оксиди металів)

Додатковою причиною такого рішення могло послужити загальне зниження обсягів торгівлі РЗМ упродовж останніх років. Зокрема у 2012 р. обсяги торгівлі знизилися на 18% і становили 64,9 тис. т (у вартісному вираженні більш ніж з 4,35 млрд дол. до 2,661 млрд дол.), причому практично синхронно – як чистими металами (до 566 млн дол., на 39%), так і сполуками РЗМ (до 2,094 млрд дол., на 52%). При цьому спостерігається загальна тенденція до збільшення обсягів торгівлі чистими РЗМ з одночасним зниженням торгівлі сполуками. Так, у 2014 р. торгівля чистими РЗМ у загальному обсязі ваги у світі становила 16%, а решта 84% припало на сполуки РЗМ.

Якість та вартість РЗМ. Якість рідкісноземельних металів насамперед визначається їх чистотою, тобто вмістом домішок, залежно від якого ціна одного і того ж елемента може різнитися в декілька разів. Необхідно відмітити, що ціни на РЗМ доволі складно контролювати і відсежувати, що пов’язано з особливостями їх реалізації. На відміну від дорогоцінних та кольорових металів, торгівля РЗМ має «закритий» характер, і доступ до актуальної біржової інформації можуть отримати лише юридичні особи за певну плату.

Метали високої чистоти (≥ 99,9 %), як правило, використовують для наукових досліджень, зважаючи на їх високу вартість. Придбати РЗМ гарантовано високої якості і в невеликих кількостях (для лабораторних цілей) на ринку України можна лише через представництва світових компаній, наприклад Sigma-Aldrich (США) або Alfa Aesar (Германія). При цьому ціна одного і того ж металу залежить від декількох факторів: стану поставки (злиток, порошок, фольга, пруток тощо), кількості, способу пакування і навіть країни замовника. У табл. 1.69 подано актуальні на початок 2015 р. ціни деяких РЗМ від компанії Sigma-Aldrich. Як бачимо, однозначно порівнювати ціни на різні РЗМ доволі проблематично через відсутність для багатьох металів позицій

Таблиця 1.69

Орієнтовна вартість рідкісноземельних металів високої чистоти (≥99,9%)

станом на січень 2015 р. [11]

 

Метал

Стан поставки

Ціна, євро

Метал

Стан поставки

Ціна, євро

La

злиток, 25 г

185

Tb

порошок 50 мкм, 1 г

528

порошок 40 меш, 25 г

478

Dy

злиток, 10 г

106

Ce

злиток, 25 г

398

Er

злиток, 10 г

158

злиток, 100 г

1 105

порошок 40 меш, 5 г

384

порошок 40 меш, 10 г

273

Yb

злиток, 5 г

125

Pr

злиток, 10 г

108

порошок 40 меш, 2 г

146

порошок 40 меш, 5 г

92

Lu

злиток, 1 г

288

Nd

злиток, 25 г

260

порошок 500 мкм, 1 г

989

порошок1 40 меш, 10 г

102

Y

злиток, 10 г

171

Sm

порошок1 40 меш, 1 г

39

злиток, 50 г

700

порошок1 40 меш, 5 г

242

порошок1 40 меш, 25 г

444

порошок1 40 меш, 50 г

549

Eu

злиток, 1 г

245

Gd

злиток2, 10 г

200

порошок 250 мкм, 1 г

1 810

злиток, 10 г

101

Sc

порошок, 1 г

612

порошок1 40 меш, 5 г

122

 

 

Примітки:  1 – чистота ≥ 99%; 2 – чистота ≥ 99,99%.

однакової номенклатури. Слід мати на увазі, що з урахуванням вартості доставки, розмитнення та інших витрат вартість РЗМ для кінцевого споживача може зрости майже удвічі порівняно з прайсовою.

Якщо говорити про порошки РЗМ, то для них визначальною характеристикою, окрім чистоти, є дисперсність ‑ чим дрібніший порошок, тим вища його вартість. Це пов’язано з високою хімічною активністю і пірофорністю порошків РЗМ, які при контакті з повітрям здатні інтенсивно окислюватись і самозайматись, що значно ускладнює їх виробництво. При виготовленні порошків неминучі також втрати РЗМ, що відповідним чином впливає на ціну. Наприклад, за однакової чистоти (99,9%) та ваги (25 г) злиток лантану коштує 185 євро, його порошок дисперсністю 40 меш – 478 євро, а дисперсністю 200 меш – 706 євро.

Варто мати на увазі значну зміну вартості РЗМ при зниженні чистоти металу. Так, ціна церію із зниженням чистоти від 99,8% до 99% зменшується більш ніж утричі ‑ із 518 до 163 євро за злиток вагою 250 г.

Метали звичайної якості (≥99%) переважно використовують у промислових масштабах за винятком виготовлення прецизійного високотехнологічного обладнання. При цьому останнім часом спостерігається зменшення частки дорогих РЗМ у торговому асортименті світової торгівлі з одночасним збільшенням частки дешевших (легких лантаноїдів), а також деяке зниження чистоти реалізованих металів і сполук. На ринку України є ряд фірм-посередників, які реалізують РЗМ звичайної якості, імпортовані з Китаю, тому придбати їх значно простіше, ніж метали високої чистоти. Разом з тим торгівля відбувається переважно оптовими партіями (від 50 кг) і, як правило, якість продукції посередниками не перевіряється належним чином, оскільки здебільшого не мають доступу до відповідного обладнання. Незважаючи на посилений контроль з боку уряду Китаю за видобутком РЗМ, у країні все ще процвітає контрабандний видобуток, тож вибір постачальника слід здійснювати з особливо відповідально.

Імпорт РЗМ. Найбільшими світовими імпортерами РЗМ і їх сполук є Японія, Малайзія, Норвегія і Гонконг (рис. 1.81). Значну кількість РЗМ закуповують також Нідерланди та Південна Корея.

 

Ключові країни-імпортери РЗМ у відсотковому відношенні до обсягу глобального ринку за вагою (а) та вартістю (б)
Ключові країни-імпортери РЗМ у відсотковому відношенні до обсягу глобального ринку за вагою (а) та вартістю (б)

З рис. 1.81 видно, що спостерігається певна диспропорція за параметрами ваги та вартості РЗМ, що закуповують провідні країни-імпортери. Це пояснюється насамперед різною номенклатурою закупівель рідкісноземельних металів, вартість яких різниться в десятки, а то й сотні разів. Також істотний вплив на вартість РЗМ, як зазначалось вище, має їх чистота.

Динаміка імпорту РЗМ різноспрямована – одні країни нарощують його обсяги, інші, навпаки, скорочують (табл. 1.70). Наприклад, у 2012 р. в Малайзії

Таблиця 1.70

Структура світового імпорту РЗМ у 2011–2012 рр. [4]

 

Країна

У натуральному вираженні, т

У вартісному вираженні, млн дол.

2011 р.

2012 р.

2011 р.

2012 р.

Японія

5211

4793

714,950

403,313

Малайзія

7

2118

0,210

6,292

Норвегія

552

438

10,646

11,617

Гонконг

296

315

38,339

23,02

Нідерланди

18

297

1,111

9,684

Німеччина

262

290

24,409

17,138

Франція

507

280

н.д.

н.д.

Південна Корея

666

266

н.д.

н.д.

Бразилія

279

250

13,297

7,088

США

н.д.

н.д.

70,815

22,181

Індія

н.д.

н.д.

3,990

6,760

Інші країни

1694

1717

55,375

59,209

Загалом у світі

9492

10764

933,142

566,302

 

 

Примітка: н.д. – нема даних.

імпорт зріс аж до 2118 т, Гонконг наростив поставки на внутрішній ринок РЗМ до 315 т, Нідерланди ‑ до 297 т. Водночас Японія скоротила ввезення на 8%, Норвегія ‑ на 21%, Франція ‑ на 44%, а Південна Корея – на 60%.

Експорт РЗМ. До провідних експортерів РЗМ належать Китай, США, В'єтнам і Гонконг (рис.1.82, табл. 1.70). При цьому Китай покриває практично половину світових експортних поставок. Останніми роками спостерігається деяке нарощування обсягів експорту РЗМ Канади та Японії (табл. 1.71).

 

Рис. 1.82. Ключові країни–експортери РЗМ у відсотковому відношенні до обсягу глобального ринку за вагою (а) та вартістю (б) [4]

 

Таблиця 1.71

Структура світового експорту РЗМ у 2011–2012 рр. [4]

 

Країна

У натуральному вираженні, т

У вартісному вираженні, млн дол.

2011 р.

2012 р.

2011 р.

2012 р.

Китай

3241

4756

618,725

311,616

США

2822

1822

106,626

47,206

В’єтнам

1076

1458

67,441

125,621

Гонконг

398

451

20,061

12,400

Нідерланди

70

311

4,251

8,650

Великобританія

273

310

н.д.

н.д.

Канада

23

296

н.д.

н.д.

Японія

10

198

3,616

15,750

Лаос

н.д.

н.д.

27,106

16,605

Сінгапур

н.д.

н.д.

0,027

2,868

Естонія

н.д.

н.д.

0,01

4,649

Інші країни

1572

1162

85,279

20,937

Загалом у світі

9492

10764

933,142

566,302

 

 

Ключові країни–експортери РЗМ у відсотковому відношенні до обсягу глобального ринку за вагою (а) та вартістю (б)
Ключові країни–експортери РЗМ у відсотковому відношенні до обсягу глобального ринку за вагою (а) та вартістю (б)

Примітка: н.д. – нема даних.

Сьогодні істотних змін у структурі імпорту РЗМ у світі не спостерігається. Це означає, що заявлені нові інвестиційні проекти з їх видобутку у світі перебувають на початковій стадії і не забезпечують надходження металів на світові ринки в обсягах, здатних істотно вплинути на зміну позицій країн-імпортерів і країн-експортерів. Однак австралійська гірничодобувна компанія Lynas Corp. прогнозує, що Китай як найбільший світовий експортер у 2015 р. стане нетто-імпортером, оскільки очікуваний попит усередині країни буде в середньому на 10 тис. т більший від видобутку. Перші сигнали виникнення подібної ситуації вже є, оскільки зараз КНР імпортує близько 10 т концентратів РЗМ.

Перспективи розвитку ринку РЗМ. Важко переоцінити важливість РЗМ для подальшого розвитку цілої низки високотехнологічних галузей. Об'єктивна оцінка перспектив світового ринку РЗМ дозволяє припустити, що ціни на окремі лантаноїди однакової якості після їх стрімкого злету у 2011 р. і деякого подальшого зниження матимуть тенденцію до стабілізації. Зараз, за деякими ознаками, світовий ажіотаж навколо дефіциту РЗМ зник, а ціни все більше відповідають пропозиції і попиту. У підсумку з'являється можливість визначити реальні дефіцити цього ринку та перспективність застосування окремих РЗМ.

Думки експертів стосовно подальшої динаміки зміни цін на РЗМ не збігаються, однак більшість із них поділяють ту, що обсяг ринку РЗМ у найближчій перспективі щорічно зростатиме на 10-20%. Зокрема прогнозується, що у 2015 р. пропозиція становитиме 225 тис. т. При цьому пропозиція церію дорівнюватиме 40%, лантану – 27%, неодиму – 16%, а таких елементів, як диспрозій, європій, тербій та ербій – менше 1% (рис. 1.83).

Попит на метали також збільшиться, оскільки вони застосовуються в новітніх технологіях і знайти їм замінники досить складно, а інколи й неможливо. За деякими оцінками, очікується, що у 2015 р. попит становитиме 197 тис. т, тобто лише 74% пропозиції, відповідно, прогнозується профіцит РЗМ в обсязі 28 тис. т. При цьому можливий надлишок церію, лантану, празеодиму та деяких інших металів. Разом з тим передбачається незначний дефіцит в обсязі 200 т ітрію, 400 т неодиму, 500 т самарію, 25 т  ербію і 105 т тербію. Особливо гостро питання дефіциту у наступні кілька років торкнеться неодиму і диспрозію. Вони мають визначальне значення для виготовлення.

високоефективних постійних магнітів, які надзвичайно затребувані у виробництві вітрових турбін, електричних транспортних засобів тощо. Зростання інтересу до так званих «зелених» технологій може призвести до збільшення попиту на них.

Прогнозовані частки світової пропозиції рідкісноземельних металів у 2015 р. (за елементами)
Прогнозовані частки світової пропозиції рідкісноземельних металів у 2015 р. (за елементами)

Зокрема виробництво електроенергії за рахунок енергії вітру щорічно зростає на 26%. У зв’язку з цим Nd і Dy віднесені до категорії елементів з найвищим рівнем «ризику постачання» та «важливості для екологічно чистої енергії». Прогнозується, що протягом наступної чверті століття попит на неодим та диспрозій зросте більш ніж на 700% та 2600% відповідно. Водночас видобуток диспрозію і неодиму збільшується лише на кілька відсотків за рік. Тому досягнення стійкого балансу «попит–пропозиція» за даними елементами буде проблематичним навіть після розробки нових проектів з розширення виробництва РЗМ [12, 13].

Рециклювання РЗМ. Рівень дефіциту, вартості та обмеженість запасів рідкісноземельних елементів можна порівняти хіба що з високим ступенем їх значення для високих технологій. Але інвестори не поспішають вкладати кошти у розробку нових родовищ РЗМ, оскільки відкриття нового рудника і нових виробничих потужностей ‑ це роки і мільярди доларів інвестицій, залучити які важко в сьогоднішній ситуації на фінансових ринках. Крім того, технології видобутку потребують значних енерговитрат і наявності руди з високою концентрацією металів. Тому ряд корпорацій у співпраці з провідними науковими інституціями приділяють значну увагу поверненню до використання РЗМ з відпрацьованих відходів та «електронного сміття». У зв’язку з цим при обговоренні проблеми РЗМ усе частіше лунає термін «recycling»рециклювання, тобто повернення в обсяг рідкісних, цінних і дефіцитних матеріалів. Аналітики вважають, що в короткостроковій перспективі рециклювання може стати однією з небагатьох галузей, що стабільно розвиватиметься, особливо за умови підтримки урядами розвинених країн. Тим більше, що вона має насправді колосальну сировинну базу, яка зростає з кожним днем. Для прикладу, лише з одного відпрацьованого вітрогенератора потужністю 1,5 МВт можна видобути близько 350 кг РЗМ, в основному неодиму. Однак на сьогодні переробці піддається лише невелика частина придатної сировини. Зокрема лише 12-15% відпрацьованих комп’ютерів та інших електронних пристроїв рециклюють. Разом з тим вже сьогодні у Європі в різних компонентах і пристроях використано близько        15 тис. т РЗМ, вилучених після повторної переробки.

Слід мати на увазі, що технології повторного видобування РЗМ із відходів далекі від досконалості. Це пов’язано передусім з екологічною проблемою, оскільки в процесі рециклювання РЗМ залишаються токсичні відходи. Крім того, сучасні методики потребують значних енерговитрат та характеризуються низькою рентабельністю – вихід кінцевого продукту менший, ніж на найбідніших родовищах, і в середньому не перевищує 2% від початкової ваги переробленої маси. Залишається також проблема безповоротних втрат РЗМ, оскільки електронне сміття часто переробляють на звичайних пірометалургійних заводах. При цьому класичні метали вдається екстрагувати, а от РЗМ через фізико-хімічні властивості відходять у шлак, звідки їх практично неможливо вилучити [14, 15].

У зв’язку з цим рециклювання, мабуть, оптимально розвивати за тими елементами, очікуваний попит на які у довгостроковій перспективі вирівняється і буде стабільним. Наприклад, прогнозований попит на тербій і європій буде знижуватися унаслідок заміни флуоресцентних ламп на LED. Зовсім інша ситуація, наприклад, з неодимом, попит на який постійно зростатме. Це пов’язано, зі стрімким розвитком альтернативної енергетики, у якій надзвичайно затребувані Nd-Fe-B постійні магніти. Перспективним також є вилучення шляхом повторної переробки ітрію, що міститься в присадках до скла для підвищення його прозорості, оксиду або фториду ітербію, які використовуються як лазерні матеріали, гадолінію з катодів електронних гармат.

Лідером з рециклювання РЗМ сьогодні є Японія. Першопрохідцем у галузі вважається корпорація Hitachi. Ще 2010 року після конфлікту з Китаєм і припинення останнім експорту РЗМ японський уряд виділив 1,2 млрд дол. на дослідження повторної переробки РЗМ, розробку диверсифікованих джерел постачання і створення запасів РЗМ. У рамках цієї програми у Hitachi розробили метод повторної переробки високопродуктивних рідкісноземельних магнітів з приводів жорстких дисків, повітряних кондиціонерів та інших пристроїв. Розроблена технологія успішно застосовується спеціально заснованою компанією Tokyo Eco Recycle Co.

Вилучення РЗМ з відпрацьованих нікель-метал-гідридних (Ni-M-H) акумуляторів освоєно компаніями Honda і Japan Metals & Chemicals, завдяки чому вдається повернути в обіг до 80% використаних РЗМ. Цей напрям особливо актуальний, оскільки щороку виробляється більше 160 млн Ni-M-H акумуляторів, а середній термін їх служби становить 2 роки. Тобто щорічно накопичується величезна кількість придатної для повторної переробки сировини, з якої можна отримати такі важливі РЗМ, як La, Ce, Pr та Nd.

Дослідне виробництво Mitsubishi Electric Group з 2010 року спеціалізується на утилізації найбільш ходової побутової техніки: телевізорів, холодильників, пральних машин та кондиціонерів. З квітня 2012 р. на підприємстві розпочали повномасштабну повторну переробку РЗМ з компресорів кондиціонерів, які вважаються одними з найбільш перспективних з погляду потенційного обсягу вилучення РЗМ. Постійні магніти на основі сплавів неодиму почали використовувати у високопродуктивних кондиціонерах на початку 2000-х років. Сьогодні, після 10-15 років експлуатації, пристрої цього покоління все ще успішно працюють і на переробку потрапило лише 5% із них. Однак очікується, що до 2020 р. ця кількість зросте до 65%. У найближчих планах корпорації ‑ почати переробку жорстких комп'ютерних дисків за технологією Hitachi.

У Європі швидкими темпами розвивається повторна переробка сонячних батарей. Зокрема шведська компанія Midsummer у співпраці з Технічним університетом Чалмерса розробила унікальну технологію екстрагування галію та індію, вилучення яких з сонячних батарей утруднено домішками селену. Ще інтенсивніше розвивається повторна переробка автомобільних каталізаторів, однак цей процес орієнтований в основному на вилучення металів платинової групи, а відновленню РЗМ, в основному церію, уваги практично не приділяється, оскільки він відносно дешевий і в майбутньому його навряд чи рециклюватимуть у промислових масштабах. Значну кількість РЗМ відновлюють з освітлювальних приладів, особливо флуоресцентних ламп, у яких використовують порошкові європій, тербій та ітрій. У Франції компанії Veolia займаються переробкою люмінесцентних ламп, акумуляторів, комп'ютерів, побутової електроніки з метою вилучення РЗМ. Відома бельгійська компанія Umicore, лідер з рециклювання таких важливих елементів, як телур, у партнерстві з хімічною компанією Rhodia Operations S.A.S. щороку переробляє понад 350 тис. т промислових відходів, у тому числі каталізаторів та Ni-M-H акумуляторів. Компанія Rhodia також є координатором проекту LOOP, метою якого є вилучення як мінімум 90% РЗМ, що містяться у флуоресцентних лампах. Реалізація проекту передбачає щорічне повернення у використання 17 т La, 14 т Ce, 9 т Eu, 8 т Tb та 4 т Gd.

Таким чином, не буде перебільшенням сказати, що дефіцит РЗМ та спровокований КНР карколомний зліт цін у 2010–2011 рр. стали своєрідним поштовхом для розвитку нової інноваційної індустрії. Крім згаданих вище, над методами виділення РЗМ у промислових масштабах працюють такі відомі фірми, як Siemens, BASF, виробник ламп Osram, а також цілий ряд автовиробників від уже названих Honda і Toyota до Daimler, Ford і Audi.

Разом з тим цілком зрозуміло, що повноцінний успішний розвиток нової галузі неможливий без підтримки фундаментальної науки, яка в цьому напрямі також розвивається. Зокрема останнім часом інтенсифікувались дослідження у ділянці відновлення РЗМ шляхом біосорбції з використанням як біосорбентів бактерій, грибів, водоростей та ін. Метод характеризується значною швидкістю, можливістю повторного використання сорбентів, економічністю та екологічною безпечністю. У Китаї, де, до речі, майже третина таких важливих важких РЗМ, як Tb і Dy, добувається шляхом переробки відходів, учені розробляють методи екстрагування РЗМ із стічних вод. Перші експерименти показали, що наночастинки гідроксиду магнію здатні захоплювати більше 85% РЗМ, які містяться в рідині, що імітує стічну воду. Подібна тематика також опрацьовується у Франції в рамках проекту REECYCLE, який реалізується під егідою французького Комісаріату з атомної енергетики і фінансується Сьомою рамковою програмою ЄС з досліджень і технологічного розвитку (РП7). Метою проекту REMANENCE, який також фінансується РП7, є повернення до повторного використання РЗМ, вилучених із магнітних сплавів системи Nd-Fe-B.

Сім провідних наукових організацій ЄС, а саме Інститут Фраунгофера (Німеччина), французький Комісаріат з атомної енергетики, нідерландська Організація прикладних наукових досліджень (TNO), фінський Центр технічних досліджень (VTT), іспанський Центр технологічних досліджень Tenalia, шведський Інститут технічних досліджень SP, а також норвезький дослідний центр SINTEF, задіяні у розробці масштабної програми з утилізації РЗМ. При цьому основна увага приділяється знову ж таки вилученню неодиму і диспрозію з відпрацьованих магнітних матеріалів.

Льовенський католицький університет (Бельгія) фінансує проект RARE, спрямований на розробку технологій вилучення РЗМ з постійних магнітів і флуоресцентних ламп. Над проблемою екстрагування РЗМ з неодимових постійних магнітів також працюють у Інституті критичних матеріалів (США).

Рідкісноземельні постійні магніти. Аналіз застосування РЗМ у різних галузях свідчить про невпинне зростання частки магнітних матеріалів, яка становить 22% світового масштабу (див. рис. 76). Зокрема у Китаї, що є не тільки найбільшим виробником РЗМ, а й основним споживачем цього ресурсу, на виробництво РЗМ-магнітів припадає близько 45%. Крім того, експерти прогнозують, що у США у 2015 р. частка даної галузі становитиме 13%, що майже на 10% більше порівняно із 2010 р., при цьому в ряді інших застосувань передбачається скорочення застосування РЗМ (рис. 1.84). Додатковим підтвердженням довгострокової перспективності індустрії рідкісноземельних магнітів є зосередженість більшості діючих дослідницьких проектів з рециклювання РЗМ саме на переробці магнітних матеріалів, про що було сказано вище.

Перші рідкісноземельні магніти були створені у середині 1960-х років на основі сполуки SmCo5, яка має високу намагніченість насичення, одновісну магнітокристалічну анізотропію і температуру Кюрі (720°С), а також термічну і

 

Рис. 1.84. Застосування РЗМ у різних галузях промисловості США

у 2010 та 2015 (очікуване) рр. [9]

 

корозійну тривкість.

Застосування РЗМ у різних галузях промисловості США
Застосування РЗМ у різних галузях промисловості США

Трохи згодом було встановлено, що сполука Sm2Co17 із вищим вмістом Co має ще вищі значення температури Кюрі (800°С) і намагніченості насичення (табл. 1.72). Основний недолік таких магнітних матеріалів – порівняно висока вартість Sm і Co, що значною мірою обмежує їх широке промислове використання.

У зв’язку з цим наступні зусилля дослідників були сконцентровані на пошуку більш дешевих матеріалів на основі сполук РЗМ, з характеристиками аналогічними до самарій-кобальтових магнітів. В результаті у 1984 р. було вперше повідомлено про надзвичайно високі магнітні властивості потрійної сполуки Nd2Fe14B (табл. 6). Завдяки високим експлуатаційним характеристикам та відносно низькій ціні, магніти на основі цієї сполуки почали швидко витісняти Sm-Co магніти, і сьогодні є найбільш перспективними магнітними матеріалами. Виняток становить лише експлуатація за високих робочих температур, для якої самарій-кобальтові магніти, завдяки високій температурі Кюрі, є поки що незамінні [16, 17].

Основна перевага постійних магнітів на основі сплавів системи Nd-Fe-B – найвище серед всіх відомих феромагнетиків значення магнітної енергії (BH)max, яка майже у чотири рази перевищує це значення найкращих магнітів типу альніко. Однак це не межа – з теоретичних розрахунків випливає, що для магнітів цього класу максимальна величина магнітної енергії може становити 90 МГсЕ. Іншою визначальною перевагою магнітів Nd-Fe-B є порівняно низька ціна в перерахунку на одиницю магнітної енергії порівняно з іншими типами магнітних матеріалів (табл. 1.72).

Таблиця 1.72

Основні характеристики найбільш відомих магнітних матеріалів

 

Матеріал

(BH)max,

МГс·Е

Br,

Тл

Hc,

кЕ

Ціна,

дол./кг

Ціна, дол. на

одиницю (BH)max

Кераміка (ферит)

3

0,4

2,4

1,0-2,5

0,3-0,85

Альніко (Al-Ni-Co)

9

1,35

1,4

44,1

4,9

Sm–Co

20

1,05

9,2

250-500

12,5-25,0

Спечені Nd-Fe-B

50

1,42

12,5

70-150

1,4-3,0

 

 

Завдяки цим матеріалам за останні 30 років властивості постійних магнітів стрибкоподібно зросли, на що вказує діаграма динаміки їх розвитку (рис. 1.85).

 

 

Рис. 1.85. Динаміка розвитку властивостей найбільш застосовуваних магнітних матеріалів: 1 – феритні магніти; 2 – магніти типу альніко; 3 – самарій-кобальтові магніти; 4 – магніти на основі системи неодим-залізо-бор [16]

Динаміка розвитку властивостей найбільш застосовуваних магнітних матеріалів_(1)_феритні магніти_(2)_магніти типу альніко_(3)_самарій-кобальтові магніти_(4)_магніти на основі системи неодим-залізо-бор
Динаміка розвитку властивостей найбільш застосовуваних магнітних матеріалів_(1)_феритні магніти_(2)_магніти типу альніко_(3)_самарій-кобальтові магніти_(4)_магніти на основі системи неодим-залізо-бор

Як зазначалось вище, магніти на основі сполуки Nd2Fe14B мають низьку температуру Кюрі (310°С) і з її підвищенням їх коерцитивна сила істотно знижується, що обмежує їх застосування при підвищених робочих температурах (вище 100°С). У зв’язку з цим для забезпечення необхідного рівня температурної стабільності магнітні сплави на основі системи Nd-Fe-B повинні містити значну кількість диспрозію, що пов’язано з деякими проблемами. Насамперед легування Dy знижує магнітну енергію, крім того, це доволі дефіцитний і дорогий метал, природні запаси якого обмежені, так само як і кількість країн – його виробників.

У табл. 1.73 подано дані про світове виробництво постійних магнітів у 2007 р. Як бачимо, майже 95% постійних магнітів припадає на ферити, при цьому частка РЗМ-магнітів становить лише 4,5% світового виробництва.

Таблиця 1.73

Світове виробництво постійних магнітів у 2007 р.

 

Країна

Виробництво постійних магнітів, тис. т/рік

Разом

Альніко

(Al-Ni-Co)

Ферити

Nd-Fe-B

т

%

Японія

0,30

47

10

57,3

8,0

Китай

2

439

20

461

63,8

Південно-Східна Азія

0,80

39

1

40,8

5,7

США

0,30

50

0,16

50,46

7,0

Європа

0,60

60

0,95

61,55

8,6

Інші

50

0,17

50,17

6,9

Разом

т

4

685

32,28

721,28

%

0,6

94,9

4,5

100

100

 

 

Однак індустрія рідкісноземельних магнітів зростає надзвичайно швидкими темпами – 2012 року у світі було виготовлено вже 63 тис. т, а в 2015 р. очікується випуск 78 тис. т магнітів типу Nd-Fe-B (табл. 1.74).

За прогнозами аналітиків, виробництво неодимових магнітів з 2015 до 2020 року зростатиме щорічно на 5%. Водночас слід зазначити, що в загальному виробництві постійних магнітів частка РЗМ-магнітів у найближчій перспективі не перевищуватиме 10-13%. При цьому домінуючими залишаться феритні магніти завдяки низькій вартості та доступності. З другого боку, у вартісному вираженні в 2005 р. ринок всіх магнітних матеріалів був оцінений у 8 млрд дол., при цьому частка РЗМ-магнітів становила майже 4,5 млрд дол. Очікується, що 2020 року обсяги продажів лише Nd-Fe-B-магнітів перевищать 17 млрд дол., при цьому їх виробництво становитиме близько 130 тис. т. Для порівняння: у цьому ж році передбачається виготовлення 1,1 млн т феритних магнітів, що у вартісному вираженні відповідає 7 млрд дол.

Таблиця 1.74

Виробництво постійних магнітів Nd-Fe-B у 2012 та 2015 (очікуване) рр.

 

Країна

Виробництво, тис. т/рік

2012

2015

Японія

10

8

Китай

50

65

Європа

1

1

США

0

2

Інші

2

2

Разом

63

78

 

 

Найбільшим споживачем рідкісноземельних магнітів є Японія, що пов’язано з високотехнологічним рівнем її промисловості. З рис. 1.86, який показує динаміку продажу магнітних матеріалів у Японії, видно, що, починаючи з 1995 р., домінуючими на ринку цієї країни стали саме РЗМ-магніти, а обсяги продажів феритних магнітів і магнітів типу альніко постійно знижуються.

Динаміка продажу постійних магнітів у Японії
Динаміка продажу постійних магнітів у Японії

На даний час подальший розвиток індустрії постійних магнітів пов’язують з розробкою нового покоління РЗМ-магнітів у нанокристалічному стані, що дозволить підвищити їх магнітні властивості майже удвічі [18]. Теоретично обґрунтовано та експериментально підтверджено, що за умов формування наноструктурного стану між магнітотвердою (Nd2Fe14B) та магнітом’якою (Fe) фазами виникає обмінна взаємодія, що дозволяє отримувати постійні магніти із залишковою індукцією до ~2 Тл при високій коерцитивній силі та максимальній питомій магнітній енергії до 90 MГсЕ. У цьому напрямі розвиваються декілька технологічних підходів, зокрема механохімічний синтез з вихідних компонентів або помел сплаву в інертній атмосфері в механічних млинах з наступною кристалізацією; виливання розтопленого сплаву на мідний водоохолоджуваний барабан, який обертається; термомеханічне оброблення шляхом витискання при підвищеній температурі (700-800°С) під тиском у прес-формах з різною площею поперечного перерізу і тощо. Однак спільним недоліком названих методів є отримання ізотропних або з низьким ступенем анізотропії магнітів, що стримує їх виготовлення у промислових масштабах. У зв’язку з цим основна увага дослідників зосереджена на розробці технологій отримання анізотропних наноструктурованих магнітів, що забезпечить новий якісний стрибок властивостей постійних магнітів і подальший розвиток пов’язаних з цим галузей. Подібні дослідження виконують і в Україні, зокрема у Фізико-механічному інституті НАНУ (м. Львів).

Крім того, триває пошук нових матеріалів для виробництва високоефективних магнітів. Зокрема це стосується сплавів на основі сполук типу ThMn12 та модифікованих азотом сполук типу Sm2Fe17, ThMn12 і Nd3(Fe,Ti)29. Найбільший інтерес серед них викликає сполука Sm2Fe17Nx, яка дає можливість отримати магніти з високою температурою Кюрі (476°С) і кращими магнітними характеристиками порівняно з магнітами на основі Nd2Fe14B.

Перспективи України на ринку РЗМ. Україна володіє значними ресурсами РЗМ, хоча і не видобуває їх (рис. 1.87). Зокрема у Приазов'ї розвідане Петрово-Гнутівське родовище з проявом багатих руд церієвої групи, яке за вмістом і складом РЗМ подібне до таких родовищ світового рівня, як Маунтін-Пасс і Баян-Обо. Особливий інтерес також становлять такі родовища, як Новополтавське (прогнозовані ресурси сягають 1 млн т монациту і 200 млн т апатиту), Жовтневе (до 200 тис. т R2O3), Азовське (710 тис. т R2O3, з яких 20% Y-лантаноїди, а також 840 тис. т Zr2O3) та інші.

Схема розташування родовищ рідкісних та рідкісноземельних
Схема розташування родовищ рідкісних та рідкісноземельних

За запасами скандію Україна посідає перше місце в Європі і входить до кола світових лідерів. Значні поклади цього елемента зосереджені, зокрема, в рудах Жовторіченського, Стремигородського, Торчинського та Злобицького родовищ.

Окрім сировинної бази Україна володіє розвиненою інфраструктурою, науково-технічним та промисловим потенціалом для видобутку та переробки РЗМ. Наприклад, переробка концентратів, отриманих із руд Азовського родовища, на селективні рідкісноземельні продукти можлива на Придніпровському хімічному заводі (ПХЗ, м. Дніпродзержинськ). Скандій можна добувати на базі розроблюваних родовищ ільменітових та цирконієвих руд, що міг би виконувати Запорізький титано-магнієвий комбінат. Перспективним також є його вилучення з перероблюваних Миколаївським глиноземним заводом бокситів Високопільського, Південнонікопольського та Смілянського родовищ [3].

Таким чином, Україна у найближчому майбутньому, безумовно, може стати одним із учасників ринку РЗМ, оскільки має для цього весь необхідний потенціал. Наявні ресурси здатні не лише забезпечити внутрішні потреби України в РЗМ, але й стати надійним джерелом валютних надходжень завдяки експорту їх концентратів (монацит, хлориди, оксиди и фториди РЗМ, ксенотим та ін.).

Разом з тим цілком зрозуміло, що розвиток галузі неможливий без істотних фінансових інвестицій та державної підтримки. Крім того, необхідне впровадження інноваційних технологічних підходів, оскільки руди більшості відомих родовищ є порівняно бідними і в деяких випадках залягають на значній глибині, що ускладнює їх видобуток і знижує рентабельність. Однак, враховуючи важливість такої сировини для економічного розвитку країни, у тому числі можливості розробки і впровадження високотехнологічної інноваційної продукції (зокрема підприємствами оборонно-промислового комплексу), а також стабільно зростаючий світовий попит на РЗМ, можна стверджувати, що після подолання всіх негараздів нинішнього періоду індустрія видобутку РЗМ в Україні має всі перспективи стрімкого розвитку.

На завершення розглянемо ще один перспективний напрям інтеграції України у світовий ринок РЗМ. Аналіз тенденції розвитку ринку свідчить про особливу увагу світової спільноти до постійних РЗМ-магнітів, і передусім на основі сплавів системи Nd-Fe-B. Як зазначалось вище, за останні роки саме ця галузь застосування РЗМ стабільно зростає. Крім того, більшість проектів з рециклювання РЗМ, які виконуються тепер, націлені власне на технології повторної переробки магнітних матеріалів і вилучення таких важливих елементів, як неодим та диспрозій.

Слід зазначити, що у більшості рідкісноземельних руд містяться суміш Nd і Pr, через що раніше її сприймали як окремий елемент, названий дидимом (Dd). Тому вартість магнітів на основі системи Nd-Fe-B визначається, в основному, витратами на її розділення. В Україні немає значних родовищ неодиму, але у відходах деяких виробництв є дидим – природна суміш кількох РЗМ, у якій вміст Nd становить 70-90%. Зокрема на Придніпровському хімічному заводі свого часу було освоєно виробництво сплавів дидим-залізо-бор, вихідним матеріалом для виготовлення яких є рідкісноземельний концентрат, який отримують у процесі переробки апатиту при виробництві фосфорних добрив. Це зумовлено тим, що неодим входить до складу легкої групи рідкісноземельних металів, які є обов’язковою складовою частиною будь-яких фосфоритових концентратів, з яких у 1990 р. на ПХЗ була отримана суміш РЗМ, що крім неодиму (80-90%) містить до 20% празеодиму, до 6% церію, а також незначні домішки лантану, самарію, диспрозію, гольмію та ітрію. Її подальша переробка з додаванням заліза і бору дозволила у 1992 р. отримати перші постійні магніти з вітчизняної сировини на основі системи Dd-Fe-B [19].

Фізико-механічні характеристики спечених магнітів Dd-Fe-B у вихідному стані (Br = 0,96 Тл, Hc = 10,3 кЕ, (BH)max = 23 МГсЕ) дещо поступалися магнітам системи Nd-Fe-B (див. табл. 6). Однак їх порівняно низька вартість (ціна в доларах США за кг на одиницю магнітної енергії рівна 1,7-1,9 порівняно з Nd-Fe-B – 1,4-3,0 і сплавами Sm-Co – 12,5-25,0) та перспективи поліпшення магнітних характеристик завдяки оптимізації хімічного складу та технологічним етапам отримання робили ці магніти конкурентоспроможними для промислового застосування. За фінансової підтримки Науково-Технологічного Центру в Україні (НТЦУ) у 2000–2003 рр. було реалізовано проект з поліпшення властивостей постійних магнітів на основі даної сировини [20]. Розроблені технології обробки сплавів системи Dd-Fe-B у середовищі водню дозволили підвищити їх магнітні характеристики на 8-10% і були успішно впроваджені у технологічний процес виготовлення постійних магнітів на фірмі Експромаг (м. Дніпродзержинськ). На жаль, це підприємство через фінансові труднощі припинило свою діяльність у кінці 2000 року. Однак, враховуючи сучасний стан ринку РЗМ, стабільно зростаючий попит на магніти даного типу та наявну сировинну базу, відновлення виробництва постійних магнітів на основі вітчизняних сплавів Dd-Fe-B є надзвичайно актуальним і потенційно привабливим для інвесторів. Додатковим підтвердженням цього можуть бути плани всесвітньо відомої корпорації Molycorp, яка на даний час основний акцент робить власне на екстрагуванні Dd для наступного виробництва постійних магнітів, причому сировину постачають з Каліфорнії на розділове виробництво Силмет у Естонії.

 


*Дурягіна Зоя Антонівна – д-р. техн. наук, професор, завідувач кафедри прикладного матеріалознавства та обробки матеріалів Національного університету «Львівська політехніка».

Тростянчин Андрій Миколайович – асистент кафедри прикладного матеріалознавства та обробки матеріалів Національного університету «Львівська політехніка».

 

ЧИТАТИ ПРО ТОВАРОЗНАВСТВО
ЧИТАТИ ПРО ТОВАРОЗНАВСТВО ПРОДОВОЛЬЧИХ ТОВАРІВ
ЧИТАТИ ПРО ІСТОРІЮ РОЗВИТКУ ТОВАРОЗНАВСТВА У ЛЬВОВІ

Браузер не бачить рисунок або формулу?! Скачайте реферат:
Скачати реферат “Рідкісноземельні метали”


Publisher: Team EPMPD  

One thought on “Рідкісноземельні метали (РЗМ)

Додати коментар

Ваш e-mail не буде опублікований. Обовязкові поля відмічені *

Можна використовувати наступні HTML-теги і атрибути: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>