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

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 облас- тях 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).

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

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, вы- сокую производительность смартфона. Для реализации механизма вибрации в миниатюрных магнитах телефона задействованы неодим, тербий, диспрозий.

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 научнотехнического прогресса обуславливают устойчивый рост потребления редкоземельной продукции и, соответственно, производства РМ (рис.3). 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.

г о д ы

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

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 потре- бители 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.

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.

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

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 Колмо-зерское - 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, реали- зуемых с льготными кредитованием и налогообложением [12, 13].

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 рудо-проявлениями [14].

В совокупности, с учетом уже разрабатываемых Ловозерского редкоземельного и Хибинских комплексных апатитонефелиновых руд, перспективных к промышленному освоению месторождений, техногенных ресурсов, потенциал Кольского полуострова составляет почти три четверти всех запасов редкоземельных ре- лее чем в 2 раза. Потенциал Кольского по- сурсов.

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 бо- луострова 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.