Редкоземельные металлы: применение в Hi-Tech и потенциал Кольского полуострова

Размещено на http://www.allbest.ru/

Горный институт Кольского научного центра Российской академии наук

Редкоземельные металлы: применение в Hi-Tech и потенциал Кольского полуострова

А.А. Гилярова

Продуцированные на основе редкоземельных элементов так называемые редкие металлы (РМ) широко используются в современной промышленности -- они необходимы для производства огромного числа товаров: мобильных телефонов, компьютеров, планшетов, фотокамер, CD, DVD, холодильников, стиральных машин, кондиционеров, копировальной техники, аккумуляторов, ЖК-мониторов, гибридных и электрических автомобилей, ветровых турбин и др. [1-4]. Особенно яркой современной тенденцией является масштабное использование РМ в стремительно развивающихся направлениях Hi--Tech и при производстве стратегически важных компонентов приборов и оборудования. Металлы группы лантана, а также скандий и иттрий используют в самых разных областях Hi--Tech: в радиоэлектронике, приборостроении, атомной технике, машиностроении, химической промышленности, в металлургии, в оборонной промышленности и т. д. Лантан, церий, празеодим и неодим входят всостав высокотехнологичных стекол специального назначения, пропускающих инфракрасные и поглощающих ультрафиолетовые лучи. Соединения РМ применяют для создания лазерных и других оптически активных элементов в оптоэлектронике.

Применение в Hi--Tech

В работах [2-3] приведены примеры использования редкоземельной продукции при производстве компьютеров, айпэдов и айфонов фирмой Apple (рис.1) (и, соответственно, в определенной степени, при производстве мобильных телефонов, смартфонов другими фирмами).

В динамиках используются магниты из сплава празеодим, неодима, гадолиния, тербия, диспрозия. Сплав позволяет сделать такой магнит компактным по размеру, а диспрозий и тербий обеспечивают его работу при высоких температурах. Контрастность и яркость цветного дисплея обеспечивают гадолиний, тербий, диспрозий, иттрий, лантан, европий. Непосредственно в шлифованном стекле используются лантан, цезий и празеодим. В электронных схемах используются магниты из сплава неодима, железа и бора с очень небольшим содержанием диспрозия и тербия, что обеспечивает, прежде всего, высокую производительность смартфона. Для реализации механизма вибрации в миниатюрных магнитах телефона задействованы неодим, тербий, диспрозий.

Рис. 1. Использование РМ в Айфоне (по [1-3])

При производстве стекла и керамики используются скандий, лантан, церий, празеодим и др.; в магнитах - церий, празеодим, неодим, гадолиний, иттербий, диспрозий, (самарий и неодим - основа мощных постоянных магнитов); в цветном дисплее - иттрий, лантан, празеодим, европий, гадолиний, тербий, диспрозий. Диспрозий также необходим для создания гибридных автомобильных двигателей (рис. 2).

Рис. 2. Пример использования РМ при производстве гибридных автомобилей (по [1])

При производстве гибридных автомобилей, прежде всего, используется Лантан, который входит в состав Ni-металлогидридных батарей, являющихся источником энергии в электромобилях. В меньшей степени используются Неодим, Празеодим, Диспрозий и Тербий. РМ находятся в катализаторах, многочисленных неодимовых магнитах генератора и электрических двигателей, оптических стеклах автомобилей, присадках к дизельному топливу, в покрытиях стекол, LCD-дисплеях, а также являются важнейшим компонентом полировальных паст, используемых для полировки стекол и зеркал.

Тенденции потребления РМ

Современные тенденции научно-технического прогресса обуславливают устойчивый рост потребления редкоземельной продукции и, соответственно, производства РМ (рис.3).

Рис. 3. Динамика потребления и производства редкоземельной продукции (2010-2016гг - по работам [5--9], 2016-2020гг - экстраполяция автора на основе выполненного анализа)

Как указывают эксперты, уровни потребления редкоземельной продукции в промышленно развитых странах мира уже на протяжении нескольких десятков лет служат четкими индикаторами экономического развития и национальной безопасности [1-5]. Пример этого -- Соединенные штаты Америки необходимую редкоземельную продукцию импортируют из других стран: 91% из Китая, по 3% из Франции и Японии, 2% из других стран и, что интересно, 1 % из России [1]. При этом США не производят редкоземельную продукцию, хотя имеют значительные запасы на своей территории (надо полагать -- создают себе стратегический запас) [2]. Последующий экспорт высокотехнологичных продуктов и изделий, в состав которых входят РМ, наиболее выгоден, и именно он обеспечивает как США, так и другим развитым государствам максимальную прибыль.Как следует из рисунка 3, мировой спрос на редкоземельную продукцию развивается по возрастающему тренду, который можно аппроксимировать следующим аналитическим выражением:

y = 8,6961x - 17318

где: y-объем спроса РМ, x-год

Используя это выражение, на основе арифметических расчетов получим, что к 2030 году спрос на РМ может составить 335 тыс.т, а к 2050 году, по самым минимальным оценкам, более 500 тыс.т.

По данным экспертов [1-9], и из анализа аналитических обзоров в Интернет-ресурсах [7], следует, что мировой спрос на редкоземельные металлы будет возрастать к 2020 году до 250 тыс. т., а к 2030 - свыше 300 тыс. т. При этом спрос на РМ в 2020 году китайские специалисты называют на уровне 210-278 тыс.т., австралийские - свыше 200 тыс.т, американские - 175-185 тыс.т., российские - не менее 250 тыс.т.[1-3,6].

По данным работы [9], потребность Hi--Tech России в РМ будет составлять: в 2020г -9 тыс.т, в 2030г -- 10 тыс.т, в 2050г. -13 тыс.т. Относительно крупные потребители РМ, использующие в год более сотни и тысячи тонн РМ, это, прежде всего, нефтеперерабатывающие компании, производящие различного рода катализаторы. Вместе с тем, экспертами [5,7,8,9] указывается, что одной из особенностей российского редкометального рынка является наличие множества потребителей с небольшими объемами потребности и разнообразными требованиями к качеству товаров. У большинства из них годовое потребление не выходит за рамки нескольких тонн редкоземельных оксидов или металлов. Многие предприятия используют не более сотен килограммов РМ продуктов в год.

Потенциал Кольского полуострова

По мнению российских исследователей [4, 5, 7-10], Россия обладает вполне конкурентоспособными месторождениями редкоземельных элементов: Томторское уникальное рудное месторождение в Якутии, Катугинское месторождение в Восточной Сибири, целый ряд месторождений Кольского полуострова, обладающих богатым спектром редких земель.

Рис. 4. Месторождения руд Кольского полуострова, содержащих РМ [8]

По мнению специалистов из ВИМСА [8], наиболее доступными российскими источниками РМ являются Ловозерские лопаритовые и Хибинские апатитонефелиновые руды Кольского полуострова (рис.4). Они отмечают, что апатитонефелиновые руды имеют преимущество перед лопаритовыми по составу и содержанию более ценных иттрия, средних и тяжелых редких земель. Наибольшая доля запасов от суммы учтенных государственным балансом (~ 60%) связана именно с апатитонефелиновыми рудами Хибинской группы [8,9]. Содержание редкоземельных элементов в апатите составляет около 1%, однако, учитывая масштабы добычи руды здесь, выход дополнительно получаемой продукции может обеспечить внутренние и экспортные потребности России.

Исследованиями Горного института КНЦ РАН [5, 10, 11] обосновано и показано, что на Кольском полуострове имеются также перспективные для промышленного освоения месторождения редкоземельного минерального сырья. Это Ловозерское (участок Аллуайв), Сахарйокское, Васин-Мыльк, срок окупаемости которых, по прогнозным оценкам, составит всего 5-6 лет, а также Полмостунровское и Колмозерское - со сроком окупаемости 8-10 лет. Все эти месторождения могут быть отработаны открытым способом. Но при этом необходимы обоснование и проработка проектов на кластерное освоение перспективных арктических месторождений редкоземельного минерального сырья, реализуемых с льготными кредитованием и налогообложением [12, 13]. редкоземельный металл стратегический прибор

Определенную ценность представляют так называемые техногенные месторождения, сформировавшиеся в местах отвалов отходов переработки руд и вмещающих минеральное сырье пород, и имеющие ресурсы, сопоставимые с некоторыми перспективными месторождениями и рудопроявлениями [14].

В совокупности, с учетом уже разрабатываемых Ловозерского редкоземельного и Хибинских комплексных апатито-нефелиновых руд, перспективных к промышленному освоению месторождений, техногенных ресурсов, потенциал Кольского полуострова составляет почти три четверти всех запасов редкоземельных ресурсов.

Заключение

Современным ярким трендом является масштабное использование РМ в стремительно развивающихся направлениях Hi--Tech и при производстве стратегически важных компонентов приборов и оборудования. Это обуславливает высокие темпы роста производства и потребления редкоземельной продукции - за последние 20 лет объемы как потребления, так, соответственно, и производства РМ, выросли более чем в 2 раза. Потенциал Кольского полуострова огромен для производства редкоземельных металлов. Для его освоения необходимо обоснование и проработка проектов на кластерное освоение групп относительно близ расположенных месторождений, содержащих редкоземельное минеральное сырье. Актуальным является комплексное использование высокоценных апатитонефелиновых руд и вовлечение во вторичную переработку техногенных ресурсов Кольского полуострова.

Библиографический список

1. Ann Norman, Xinyuan Zou, Joe Barnett «Critical Minerals: Rare Earthsand the U.S. Economy». National Center for Policy Analysis, 2014, Backgrounder No. 175.

2. Tom Tanton, “Rare Earths Mining Potential in the United States,” Policy Report No. 348, National Center for Policy Analysis, April 2013.

3. “Rare Earth Elements - Critical Resources for High Technology,” Fact Sheet 087-02, U.S. Geological Survey, November 20, 2002.

4. Косынкин В.Д., Глебов В.А. Возрождение российского производства редкоземельных металлов - важнейшая задача отечественной экономики. Материалы III-ей Международной конференции «Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества», г. Суздаль, Россия, 2010 г.

5. Melnikov N., Giliarova A., Kalashnik A., Churkin O. Methodical Approaches for Feasibility Study of Potential Development of Arctic Mineral Deposits // International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM -- 2017. Т. 17. № 13. P. 549-554.

6. Быховский Л.З., Пикалова В.С. Минерально-сырьевая база редких металлов Северо-Запада России - основа создания центра редкометальной промышленности страны // Геология и методика поисков и разведки месторождений. - 2015. - С. 3-7.

7. Карпузова А.Ф., Лебедев А.В., Житников В.А., Коровкин В.А. Минерально-сырьевая база твердых полезных ископаемых // Минеральные ресурсы России. Экономика и управление. - М., 2008, С. 66-80.

8. Мельников Н.Н., Калашник А.И., Чуркин О.Е. Перспективы освоения уникальных месторождений стратегического сырья Кольского полуострова // Минералогия, петрология и полезные ископаемые Кольского региона. Труды VIII Всероссийской (с международным участием) Ферсмановской научной сессии, посв. 135-летию со дня рождения акад. Д.С. Белянкина. - Апатиты: Изд. К&М, 2011. - С.187-189.

9. Козырев А.А., Бусырев В.М., Чуркин О.Е. Горно-экономические особенности освоения минерально-сырьевой базы Мурманской области // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал), 2012, №3, С. 253-258.

10. Гилярова А.А. О подходах к технико-экономической оценке перспективности освоения месторождений полезных ископаемых // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2017. №7. С. 211-215.

11. Чуркин О.Е., Гилярова А.А. Особенности алгоритмизации геолого-экономической оценки перспективных месторождений стратегического сырья Кольского полуострова // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2017. № S23. С. 245-254.

12. Gilyarova A.A., Kalashnik A.I., Smirnova O.V. Feasibility study of geo-engineering investigations of mine tailings conditions // Journal of International Scientific Publication: Ecology & Safety, Volume 10, 2016, P. 377-383.

Аннотация

Рассмотрены современные тенденции использования РМ в основных направлениях Hi--Tech и при производстве стратегически важных компонентов приборов и оборудования. Приведены примеры использования РМ в Айфонах и при производстве гибридных автомобилей. Показано, что стремительное развитие Hi--Tech обуславливаетвысокие темпы роста производства и потребления редкоземельной продукции. Рассмотрен потенциал Кольского полуострова для производства редких металлов. Отмечена целесообразность проработки проектов на кластерное освоение групп относительно близ расположенных месторождений, содержащих редкоземельное минеральное сырье, а также комплексного использования высокоценных апатитонефелиновых руд и вовлечения во вторичную переработку техногенных ресурсов полуострова.

Ключевые слова: редкие металлы, Hi--Tech, Кольский полуостров, ресурсы.

Размещено на Allbest.ru