Добыча редкоземельных металлов в мире

Редкоземельные металлы

Редкие и редкоземельные металлы получили свое название из-за их небольшой массовой доле в структуре земной коры по сравнению с другими элементами. Это название впервые было озвучено в начале XIX века, когда месторождения были еще не до конца разведаны. В итоге оказалось, что металлы данной группы отнюдь не являются настолько редкими, как считалось ранее. Но название уже крепко вошло в литературу и научную терминологию, поэтому менять его не стали.

Какие металлы отностясяк группе редкоземельных?

В группу входит 17 металлов, которые имеют сходные химические свойства. Например, все они образуют с кислородом трехвалентные оксиды, которые не растворяются в воде. Редкоземельные металлы достаточно активные химические элементы. Особенно возрастает их активность при температуре свыше 300 градусов по Цельсию. В этих условиях они реагируют даже с чистым водородом, образуя двухатомные и трехатомные гидриды. Реакция горения данных металлов сопровождается выделением большого количества тепла в атмосферу.

Самый активный металл из данной группы — лантан. Его приходится хранить под слоем парафина, так как на открытом воздухе он мгновенно образовывает оксид. Редкоземельные элементы хорошо реагируют со всеми галогенами с образованием трехатомных соединений. Их гидроксиды очень плохо растворимы в воде. Соли редкоземельных металлов хорошо растворяются в кислотах.

Наименьшую температуру плавления имеет церий — 797 градусов по Цельсию, а наивысшую — лютеций — 1652 градуса по Цельсию. Эти же элементы являются наиболее и наименее распространенными среди всех металлов, входящих в группу.

Добыча редкоземельных металлов в мире

Лидером по добыче редкоземельных металлов является Китай. В этой стране ежегодно извлекается из недр около 100 тысяч тонн чистых элементов, что составляет более половины от общего количества, добываемого во всем мире. Основная часть запасов находится в районе Баян-Обо.

На втором месте по данному показателю идет США, производящее около 13% мировой продукции. Несмотря на столь скромный показатель, Америка располагает довольно внушительными запасами. Но она, в отличие от многих других стран не спешит разрабатывать свои месторождения, предпочитая импортировать сырье. Расчет ведется исходя из исчерпаемости природных ресурсов. С каждым годом их становится все меньше и меньше, а цена на них соответственно возрастает. Поэтому сейчас есть возможность покупать более дешевое сырье, а когда придет момент, можно будет продавать уже свое, но гораздо дороже. Отличная с экономической точки зрения политика.

Довольно большие запасы редкоземельных металлов и в России. По оценкам геологов на сегодняшний момент наша страна занимает по имеющимся запасам второе место в мире после Китая. Более 70% месторождений сосредоточено в Мурманской области, остальные приходятся на Республику Коми, Республику Сахи и Красноярский край. Пока что главным стратегическим сырьем для Российской Федерации являются нефть и газ. Основные силы добычной промышленности направлены именно на них. Но в дальнейшем, чем меньше будет их оставаться в недрах, тем более важное место будет занимать добыча редкоземельных металлов в России.

Запасы редкоземельных металлов в мире оцениваются в 110 миллионов тонн. По подсчетам ученых это примерно 80% из всех разведанных наземных месторождений. Около 48% приходится на Китай. Также последние исследования позволяют сделать предположение, что на дне мирового океана имеются огромные запасы редкоземельных металлов на уровне 80-100 миллиардов тонн.

Сейчас продолжаются дополнительные исследования данных фактов. Если они подтвердятся, это станет настоящим прорывом в отрасли. Но быстро наладить их добычу все равно не получится. На сегодняшний день не существует технологии, позволяющей вести разработку полезных ископаемых на огромной глубине. И могут понадобиться десятилетия на поиски наиболее эффективного и рентабельного метода освоения месторождений редкоземельных металлов под водой.

Как уже было сказано выше, основным игроком на рынке редкоземельных металлов является Китай. От него испытывают зависимость практически все остальные государства. Это позволяет диктовать свои условия, угрожая так называемой «сырьевой войной». Данный термин стал очень популярен в последнее время. И очень многие крупные экспортеры полезных ископаемых стали лоббировать свои интересы в мировой политике при помощи данного вида воздействия.

Так что развитые страны стараются вырваться из сырьевой зависимости и освоить альтернативные виды материалов. Еще 8 лет назад производство редкоземельных металлов в Китае удовлетворяло до 97% мирового рынка. Всего за 7 лет удалось отвоевать около 40% от указанной цифры. Но в ближайшее время не предвидится предпосылок для дальнейшего сохранения тенденции. Скорее всего, еще 10-15 лет Китай будет иметь около 60% доли рынка.

Особенности получения редкоземельных металлов

Извлечение редкоземельных металлов из земли в чистом виде не возможно. Это связано с их высокой химической активностью. В природных условиях они образуют многоатомные сложные соединения, входящие в состав горных пород. Всего на сегодняшний день известно около 250 минералов, содержащих в составе редкоземельные элементы. При этом не более 60 из них имеют промышленное значение. В остальных доля чистого металла составляет менее 5% и их переработка не рентабельна.

Металлы редкоземельной группы очень часто встречаются в одном и том же месторождении. Поэтому при поступлении сырья на завод редкоземельных металлов, сначала проводится исследование на процентное содержание различных элементов в минерале. Полученные результаты помогут определить, какой именно обработке подвергнуть сырье для получения максимальной экономической выгоды.

Получение редкоземельных металлов разделяется на несколько этапов. В первую очередь раскладывают на составные части сложные соединения. Для этого применяются реакции термического разложения. Они позволяют выделить двухатомные соединения металлов, которые подвергаются дальнейшей обработке. Наиболее часто проводят реакцию восстановления хлорида или фторида более активным металлом (кальцием, натрием, литием). Также используют процедуру электролиза, ионной хроматографии или экстракции.

Применение редкоземельных металлов охватывает многие отрасли промышленности. В стекольном производстве применяют оксиды лантана, церия, празеодима и неодима для повышения прозрачности стекла. Также при помощи металлов данной группы изготавливают термостойкие и невосприимчивые к воздействию кислоты стекла. Редкоземельные элементы входят в состав пигментов, применяемых в лакокрасочной промышленности. В автомобильном производстве лантан используется при производстве аккумуляторов для гибридных машин.

В военном деле вещества используются для изготовления взрывчатых веществ. На основе сплавов неодима, самария, иттрия, европия и эрбия производят сверхмощные постоянные магниты.Редкоземельные элементы в качестве присадок добавляют в некоторые виды сплавов для придания им необходимых свойств. В частности данные металлы придают материалу жаростойкость и повышенную защиту от воздействия коррозии. В чистом виде они практически не используются в виду своей дороговизны.

Редкоземельные элементы — группа из 17 элементов, включающая лантан, скандий, иттрий и лантаноиды. Все эти элементы — металлы серебристо-белого цвета, при том все имеют сходные химические свойства.
Как правило, редкоземельные элементы встречаются в природе совместно. Они образуют весьма прочные окислы, галоидные соединения, сульфиды. Для лантаноидов наиболее характерны соединения трёхвалентных элементов. Исключение составляет церий, легко переходящий в четырёхвалентное состояние. Кроме церия четырёхвалентные соединения образуют празеодим и тербий. Двухвалентные соединения известны у самария, европия и иттербия. По физико-химическим свойствам лантаноиды весьма близки между собой. Это объясняется особенностью строения их электронных оболочек.

Основными источниками РЗМ являются минералы бастнезит (фторокарбонат редкоземельных металлов), монацит, лопарит и ионно-абсорбционные руды. Однако в мире имеется лишь небольшое число рентабельных для разработки месторождений этих минералов. Наибольшая часть мировых экономических ресурсов редкоземельных металлов сосредоточена на бастнезитовых месторождениях КНР, доля в мировых 48%. Крупные ресурсы редких земель связаны также с месторождениями монацита в Австралии, Бразилии, КНР, Индии, Малайзии, ЮАР, Шри-Ланке, Таиланде и США. Остальные связаны с месторождениями ксенотима, ионно-абсорбционных руд, лопарита, фосфоритов, апатитов, вторичного монацита, эвдиалита, чералита и с жидкими отходами производства урана. Отметим также, что крупные запасы РЗМ залегают на территории СНГ, в объеме 22% мировых.
В июле 2011 года исследовательская группа из Японии обнаружила на дне Тихого океана обширные залежи редкоземельных материалов. Находка подтверждена образцами грунта, извлеченными со дна на глубинах от 3500 до 6000 м в 78 местах. Залежи располагаются в международных водах и тянутся к западу и востоку от Гавайев, а также к востоку от Таити и Французской Полинезии. По оценкам специалистов, найденные залежи содержат от 80 до 100 млрд метрических тонн редкоземельных материалов, что значительно больше текущих глобальных запасов на уровне 100 млн тонн.

Запасы на месторождениях редкоземельных металлов в 2012 году, тыс.тонн РЗО *

Китай 55,000.0
СНГ 19,000.0
США 13,000.0
Индия 3,100.0
Австралия 1,600.0
Прочие страны 18,300.0
Всего запасы 110,000.0

* данные US Geological Survey

Промышленность редкоземельных металлов находится в поворотном моменте, поскольку начинают функционировать новые предприятия, промышленность в Китае объединяется под ограниченным числом государственных компаний, а потребители переоценивают сферы, в которых редкие земли используются после периода беспрецедентно высоких цен.
Меры, принятые китайским правительством для того, чтобы управлять производством в стране, были очень эффективными, что привело к снижению объемов официального производства на 4% в год в период с 2006 по 2011 год.
Мировая добыча редких земель в последние полтора десятилетия росла весьма быстрыми темпами. За период с 1990 по 2004 год она увеличилась примерно вдвое – с 53,2 до 102,0 тыс. т оксидов редкоземельных металлов (РЗО). В 2009 году добыча редкоземельных металлов, по оценке USGS, с учетом России составила 124,1 тыс. тонн РЗО.
Правда, стоит отметить, что весь рост производства в период с 2005 по 2010 год, имел китайские корни (средние темпы роста производства редких земель в данной стране составили 11% в год за этот период); производство в остальной части мира снижалось в среднем почти на 4% в год, в основном вследствие глобального экономического кризиса в 2009 году и уменьшения китайской экспортной квоты в 2010 года, которая ограничила доступность руды.
В 2012 году объем добычи редкоземельных металлов снизился до 106,9 тыс. тонн РЗО против 110,0 тыс. тонн РЗО годом ранее.

Добыча редких земель в мире, тыс.тонн РЗО*

* данные US Geological Survey

Редкоземельные элементы используют в различных отраслях техники: в радиоэлектронике, приборостроении, атомной технике, машиностроении, химической промышленности, в металлургии и др. Широко применяют La, Ce, Nd, Pr в стекольной промышленности в виде оксидов и других соединений. Эти элементы повышают светопрозрачность стекла. Редкоземельные элементы входят в состав стекол специального назначения, пропускающих инфракрасные лучи и поглощающих ультрафиолетовые лучи, кислотно- и жаростойких стекол. Большое значение получили редкоземельные элементы и их соединения в химической промышленности, например, в производстве пигментов, лаков и красок, в нефтяной промышленности как катализаторы. Редкоземельные элементы применяют в производстве некоторых взрывчатых веществ, специальных сталей и сплавов, как газопоглотители.
Монокристаллические соединения редкоземельных элементов (а также стёкла) применяют для создания лазерных и других оптически активных и нелинейных элементов в оптоэлектронике. На основе Nd, Y, Sm, Er, Eu с Fe-B получают сплавы с рекордными магнитными свойствами (высокие намагничивающая и коэрцитивная силы) для создания постоянных магнитов огромной мощности, по сравнению с простыми ферросплавами.
Объемы торговли редкоземельными металлами в общем объеме мировой торговли составляют 11%. Остальные 89% составляют соединения редкоземельных металлов. В 2010 году по данным ITC (International Trade Centre) мировая торговля редкоземельными металлами и соединениями редкоземельных металлов в натуральном выражении увеличилась на 17% до 98,5 тыс.тонн. Необходимо отметить, что указанный показатель, как и другие показатели торговли (импорта и экспорта) учитывается и приведен по весу продукции, а не по весу редкоземельных металлов или их оксидов. Объемы торговли РЗМ в денежном выражении в 2010 году увеличились более чем в два раза до 1551 млн.долл. По предварительным оценкам аналитиков METALRESEARCH, в 2011 году объемы торговли РЗМ в натуральном выражении снизились на 8,8% до 89,9 тыс.тонн. Также в связи с ростом стоимости РЗМ в 2011 году объемы торговли в денежном выражении выросли более чем в два раза до 4127 млн.долл.

Производство и потребление редкоземельных металлов в мире, тыс.тонн РЗО*

* данные ОАО «Соликамский магниевый завод»

С июня 2010 года, когда китайская экспортная квота уменьшилась почти на 40%, цены на редкие земли стали резко расти. Особенно это коснулось материалов с более низкой стоимостью, т.к. торговцы ограничили их продажи, чтобы максимизировать экспорт материалов более высокой ценности. Цены на редкие земли, используемые в магнитных сплавах также выросли быстро в ответ на высокий спрос в пределах Китая. В начале 4 квартала 2011 года цены несколько снизились, однако до сих пор находятся на уровне, который заставляет конечных потребителей искать альтернативные технологии и материалы-заменители.

Цены на редкие земли, долл./кг

В 2011 году доля Китая составляла 94% мирового производства, и эта доля, как ожидается, снизится до чуть более чем 70% к 2015 году. Новые проекты в остальной части мира, как прогнозируют эксперты, принесут дополнительно на рынок 56,0-57,0 тыс. тонн РЗО к 2015 году.
В период до 2015 года, главным «локомотивом» роста спроса будет использование редких земель в магнитах NdFeB, сектор производства которых, как прогнозируется, будет расти в среднем на 11-13% в год. Причиной этого станет расширение потенциальных рынков сбыта магнитов, в частности применение их в электродвигателях с постоянным магнитом для электромобилей и ветряных двигателях. Магниты могут составить почти одну треть потребления редких земель в 2015 году. Также прогнозируется устойчивый рост использования редких земель в батареях NiMH, совместно с фосфором, в оптическом стекле и керамике.

Редкоземельные металлы (РЗМ)

В группу редкоземельных металлов, или лантаноидов, входят 15 химических элементов: лантан, церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, туллий, иттербий, лютеций. К этой группе элементов часто присоединяют иттрий, всегда встречающийся в редкоземельных минералах, и скандий.

Лантан (La) открыт в 1839 г. Название элемента происходит от греческого слова «лантано» (скрывающийся). Лантан трудно выделяется в чистом виде.

Церий (Се) открыт в 1803 г. Название элемент получил по имени малой планеты Цера, обнаруженной за два года до открытия элемента.

Празеодим (Рr) открыт в 1885 г. Название элемента состоит из греческих слов «празеос» ((бледно-зеленый) и «дидимос» (близнец) и обусловлено бледно-зеленой окраской своих солей, отличающейся от розовой окраски солей элемента — близнеца неодима.

Неодим (Nd) открыт в 1885 г. Название элемент получил от греческих слов «неос» (новый) и «дидимос» (близнец). Он выделен из так называемой дидимовой земли после празеодима как элемент — близнец празеодима.

Прометий (Pm) открыт в 1947 г. Назван в честь похитившего огонь с Олимпа и отдавшего его людям мифологического героя Прометея, сурово наказанного за это богами.

Самарий (Sm) открыт в 1879 г. Название элемента происходит от минерала самар- скита, названного именем русского горного инженера В. Е. Самарского.

Европий (Еu) открыт в 1901 г. Назван в честь Европейского континента.

Гадолиний (Gd) открыт в 1880 г. Назван в честь финского химика, члена-корреспондента Российской Академии наук Ю. Гадолина, открывшего иттриевую землю (породу с богатым содержанием редкоземельных элементов) и внесшего большой вклад в их изучение.

Тербий (Тb) и эрбий (Еr) открыты в 1843 г. Иттербий (Yb) открыт в 1878 г.

Указанные элементы впервые обнаружены в богатых редкоземельными элементами породах, залегающих вблизи местечка Иттербию (Швеция), из имени которого и образованы названия элементов.

Диспрозий (Dy) открыт в 1886 г. Название элемента происходит от греческого слова «диспрозитос» (труднодоступный). За сложности отделения от других редкоземельных элементов.

Гольмий (Но) открыт в 1879 г. шведским химиком П. Клеве и назван им в честь столицы Швеции — Стокгольма, латинское название которой — Гольмия.

Тулий (Тm) открыт в 1879 г. шведским химиком П. Клеве и назван им в честь занимаемой Швецией северной области Скандинавии, носившей в древние времена название Туле.

Лютеций (Lu) открыт в 1907 г. французским химиком Ж. Урбеном и назван им в честь столицы Франции — Парижа, латинское название которой — Лютеция.

Редкоземельные металлы делят на две группы: группу цериевых металлов и группу иттриевых металлов. В группу цериевых металлов входят лантан, церий, празеодим, неодим, самарий, а в группу иттриевых металлов — все остальные редкоземельные металлы и иттрий. В иттриевой группе выделяют три подгруппы: тербиевую, включающую гадолиний, тербий, диспрозий; эрбиевую, состоящую из эрбия, гольмия и туллия, и иттербиевую, куда относят иттербий и лютеций

СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ

Все редкоземельные металлы и их соединения отличаются большим сходством химических свойств, особенно их водные растворы и кристаллогидраты. Они легко образуют друг с другом твердые растворы. Редкоземельные металлы являются энергичными восстановителями, хотя в сухом воздухе они обладают лишь умеренной устойчивостью. При их атмосферном окислении образуются гидратированные окислы с большим объемным приростом, что приводит к разрушению защитной окисной пленки и обнажению металлической поверхности.

Редкоземельные элементы легко растворяются в разбавленных кислотах, но стойки по отношению к концентрированной серной кислоте. Они восстанавливают окись углерода, двуокись углерода, четыреххлористый углерод, окислы железа, кобальта, никеля, марганца, хрома, молибдена, ванадия, титана, тантала, кремния, бора, олова, ниобия, свинца и циркония.

Редкоземельные металлы легко загораются на воздухе при 150—180°С (лантан при 440—460°С). При температурах >200°С они энергично сгорают в атмосфере галогенов. При комнатной температуре водород поглощается редкоземельными металлами с выделением тепла. Гидриды большинства редкоземельных металлов имеют плотность, меньшую плотности соответствующих металлов. Однако насыщение водородом европия и иттербия сопровождается значительным сжатием и соответствующим увеличением плотности.

Окислы редкоземельных металлов являются тугоплавкими соединениями: температура их плавления колеблется от 2000 до 2600°С. Они, как правило, обладают очень высокой стойкостью в окислительной атмосфере. Сульфиды редкоземельных металлов являются тугоплавкими прочными соединениями, устойчивыми по отношению ко многим жидким металлам до 1800°С. На них не действуют водород, азот, газообразный аммиак и многие расплавленные хлориды.

При внесении растворимой соли лантаноида в раствор щелочи или гидрата окиси аммония образуются гидроокиси редкоземельных металлов. Они представляют собой студнеобразные аморфные плохо фильтрующиеся осадки. Гидрооокиси имеют ничтожную растворимость в воде, но легко растворяются в разведенных кислотах, а также в растворах многих солей. Их используют на некоторых этапах технологии разделения редкоземельных металлов.

Щавелевая кислота и ее соли образуют с ионами редкоземельных элементов оксалаты— труднорастворимые соединения, выпадающие из разведенных нейтральных или слабокислых горячих растворов в виде кристаллического осадка. Оксалатное осаждение является одним из эффективных способов отделения редкоземельных элементов от примесей.

При нейтрализации окиси, гидроокиси или карбоната фтористоводородной кислотой или действием ее растворимых солей на растворы нитратов или хлоридов лантаноидов образуются фториды редкоземельных металлов, представляющие собой студенистые осадки. После высушивания они имеют вид зернистой массы. Фториды употребляют в качестве материала при получении редкоземельных металлов металлотермическим способом, а также для сердечников углей вольтовой дуги в прожекторах.

Раскислением окиси (гидроокиси) редкоземельного металла в серной кислоте или обработкой растворов хлорида или нитрата их сульфатом щелочного металла получают сульфаты лантаноидов, имеющие различную растворимость в воде. Сульфаты редкоземельных элементов с избытком сульфата щелочного металла образуют двойные сульфаты, различающиеся по растворимости в насыщенном растворе последнего. Осадок двойных сульфатов, полученный из растворов с концентрацией редкоземельных элементов не более 15%, представляет собой кристаллическое вещество, легко фильтрующееся и промывающееся. Образование сульфатов и двойных сульфатов используют в технологии разделения редкоземельных элементов.

Комплексоны (группы а-аминополикарбоновых кислот) образуют с лантаноидами комплексные соединения — хелаты. Соединения хелатов с отдельными ионами редкоземельных элементов проявляют различную прочность, зависящую от концентрации водородных ионов. Прочность хелатных соединений ионов редкоземельных элементов при одной и той же концентрации водородных ионов увеличивается в ряду от лантана к лютецию. Комплексоны применяют в аналитической практике и в промышленных процессах разделения редкоземельных металлов.

Из числа редкоземельных металлов лантан, европий и лютеций диамагнитны, а остальные парамагнитны; у гадолиния при температуре ниже +16°С проявляется ферромагнетизм.

Редкоземельные металлы, как правило, мягки и ковки. Пластичность и твердость их в значительной степени зависят от содержания примесей. Повышенное содержание кислорода, серы, азота и углерода сильно изменяет механические свойства редкоземельных металлов, повышая твердость и снижая пластичность. Твердость их повышается с увеличением порядкового номера элемента. Исключением из этого правила является европий.

Физические и механические свойства редкоземельных металлов приведены в табл, 427.

Редкоземельные металлы чаще всего применяют в виде соединений и сплавов. Наиболее распространенным сплавом из редкоземельных металлов является мишметалл. Основными компонентами этого сплава являются церий, неодим и лантан. В зависимости от состава исходного сырья, из которого извлекают резкоземельные металлы и назначения сплава, состав мишметалла может существенно изменяться. В качестве обычного мишметалла в литературе приведены следующие составы сплава: 40—45% Се, 18% Nd, 5% Рг, 1 % Sm, 20—25% La и небольшое количество прочих редкоземельных металлов: 45% Се, 30% La, 20% Nd, 5% Y. Наряду с мишметаллом широко применяют техническую смесь окисей редкоземельных металлов, называемую церием.

В металлургии церий используют в виде сплава — ферроцера. При добавке церия к чугуну в количестве до 0,15% улучшаются физико-механические свойства чугуна и значительно увеличивается удаление из него серы и азота. Металлический церий добавляют в сплавы на основе алюминия или магния для уменьшения их хрупкости, увеличения коррозионной стойкости и повышения временного сопротивления. Добавка в состав нихрома до 1,2% Се увеличивает срок службы сплава, а добавка мишметалла повышает его жаропрочность. Введением небольших количеств мишметалла повышают обрабатываемость в горячем состоянии аустенитных нержавеющих сталей.

В стекольной промышленности лантан, церий, неодим, празеодим используют в виде окислов и различных соединений, повышающих прозрачность стекла или сообщающих ему специальные свойства: способность пропускать инфракрасные лучи и поглощать ультрафиолетовые лучи, кислото- и жаростойкость, особые оптические свойства, особый оттенок и т. д. Окись церия и некоторые специальные смеси редкоземельных металлов применяют для полирования линз оптических приборов и зеркального стекла.

Редкоземельные металлы употребляют для окраски фарфора, изготовления светящихся составов и драгоценных камней, для

утяжеления искусственного шелка, придания техническим тканям непромокаемости, прочности и стойкости против действия кислых растворов и паров. Их широко используют в качестве компонентов фитилей, угольных электродов, люминофоров в светотехнике — в мощных зенитных прожекторах, киносъемочных и кинопроекционных аппаратах, в телевидении, в цветной кинематографии.

В химической промышленности редкоземельные элементы применяют в производстве пигментов, лаков и красок, а в нефтяной

промышленности в каталитических процессах, в процессах окисления органических веществ.

В атомной технике редкоземельные металлы используют в качестве поглотителей нейтронов для органов регулирования ядерных реакторов. Для этих целей используют главным образом элементы с большим поперечным сечением захвата тепловых нейтронов (самарий, европий, гадолиний, диспрозий).

Радиоактивные изотопы редкоземельных металлов применяют для радиографии, гаммаграфии, в медицине, приборостроении — для миниатюрных атомных батарей, для просвечивания листовых материалов, изготовления портативных рентгеновских установок для технических целей и полевой хирургии. Сульфиды, фосфиды, селениды и теллуриды редкоземельных элементов используют в полупроводниковой технике.

Редкоземельные элементы применяют как газопоглотители (геттеры) в вакуумных лампах, а также в качестве покрытий катодов (эмиттеров), проволоки ламп накаливания. Способность некоторых соединений редкоземельных металлов (Gd2(SO4)3*8H2O) нагреваться в магнитном поле используют для получения сверхнизких температур, лишь на тысячные доли градуса отличающихся от температуры абсолютного нуля.

Редкоземельные элементы

Энциклопедичный YouTube

  • 1/3 Просмотров:271 223 15 153 2 268
  • ✪ Лютеций — САМЫЙ ДОРОГОЙ Редкоземельный Металл!
  • ✪ ✅ Дороже чем золото как найти ортит рутил редкоземельные металлы обучающее видео коп
  • ✪ Получение ферроцианидов ЛАНТАНОИДОВ !

Субтитры

  • 1 Термин
  • 2 История
  • 3 Химические свойства
  • 4 Нахождение в природе
  • 5 Производство
  • 6 Применение
  • 7 Физиологическое действие и токсикология редкоземельных металлов
  • 8 См. также
  • 9 Примечания
  • 10 Литература

Редкоземельные элементы проявляют между собой большое сходство химических и некоторых физических свойств, что объясняется почти одинаковым строением наружных электронных уровней их атомов. Все они металлы серебристо-белого цвета, при том все имеют сходные химические свойства (наиболее характерна степень окисления +3). Редкоземельные элементы — металлы, их получают восстановлением соответствующих оксидов, фторидов, электролизом безводных солей и другими методами.

Образцы лантаноидов

По хи­мическим свой­ст­вам и со­вме­ст­но­му на­хо­ж­де­нию в при­ро­де де­лят­ся на подгруппы:

  • ит­трие­вую (Y, La, Gd — Lu)
  • це­рие­вую (Ce — Eu)

По атом­ной мас­се лан­та­нои­ды делятся на:

  • лёг­кие (Ce — Eu)
  • тя­жё­лые (Gd — Lu)


Редкоземельные (РЗЭ) и редкие металлы в настоящее время переживают очередной подъем повышенного интереса, обусловленного увеличивающимся спросом со стороны предприятий различных отраслей промышленности (главным образом высокотехнологичных).
Для рассматриваемых металлов характерны достаточная степень монополизации рынка (РЗМ, ниобий и бериллий), максимальная переработка сырья в стране его добычи (за исключением тантала), государственное регулирование в отрасли (РЗМ, ниобий, бериллий), преимущественное использование в высокотехнологичных отраслях, рост цен, в разной степени тренд на увеличение производства и использования. По показателю прогнозных темпов роста среди лидеров – литий и РЗМ (таблица 1).

Редкоземельные металлы.
Минерально-сырьевые запасы РЗМ оцениваются в настоящее время на уровне 118 млн т, при этом на долю КНР приходится около 47% всех запасов. Второе место по запасам РЗМ занимают страны СНГ (17%), где превалируют в основном месторождения России.
Мировое производство РЗМ значительно (в 4 раза) выросло за последние 30 лет. В настоящее время в мире выпускается около 120 тыс. т РЗО (РЗМ в пересчете на оксиды), около 90% приходится на КНР. Значительные запасы РЗМ, высокое содержание и низкая себестоимость позволили КНР установить контроль над рынком редких земель.
Одновременно в последние годы в КНР снижается экспорт РЗМ, при этом увеличивается выпуск готовых продуктов на их основе. Структура мирового потребления РЗМ уже подтверждает безусловное лидерство КНР, доля которой составляет более 50% потребления. Основные области использования РЗМ – производство магнитов, аккумуляторных сплавов, катализаторов крекинга для нефтепереработки и автокатализаторов, полирующих порошков для стекольной промышленности.
Примером перспективного использования РЗМ является возобновляемая энергетика. Для производства одного ветрогенератора мощностью 1 МВт на постоянных редкоземельных магнитах требуется до 200 кг РЗМ – прежде всего неодима. Ввод и использование ветроэнергетических мощностей в мире до 2020 г. потребует до 100 тыс. т неодима. В целом, по оптимистичным прогнозам, к этому году производство и потребление редких земель могут превысить 240 тыс. т, т.е. в 2 раза больше уровня 2013 г.
Сокращение поставок китайских РЗМ на мировой рынок вызвало в 2010-2011 г. беспрецедентный рост цен. Средневзвешенная цена РЗО взлетела в середине 2011 г. до 190 дол/кг. В конце 2012 г. цены снизились до 30-40 дол/кг.
Спровоцированный КНР дефицит вызвал также невиданную активность по разработке месторождений РЗМ в мире, они начаты в Австралии, США, Канаде и других странах. Реализованы уже проекты компаний Lynas (Австралия) и Molycorp (США), где имеется оптимальное соотношение запасов РЗМ и их содержания в руде (рис. 1).

Для России характерны значительные запасы РЗМ в неразрабатываемых месторождениях Восточной Сибири (Томторское, Чуктуконское, Катугинское, Белозиминское и др.), расположенных в сложных климатических условиях, что изначально обусловливает высокую капиталоемкость проектов их освоения. В связи с этим более привлекательно выглядит проект по разработке эвдиалитовых руд участка Аллуайв (Мурманская область).
В настоящее время единственным действующим источником редкоземельного сырья в России являются лопаритовые руды Ловозерского месторождения в Мурманской области. Получаемый на Ловозерском ГОКе концентрат поступает на гидрометаллургическую переработку на Соликамский магниевый завод, который выпускает карбонаты РЗМ. Объем выпуска в пересчете на оксиды составляет до 2 тыс. т. Почти весь объем произведенных карбонатов РЗМ поставляется на экспорт, главным образом в Эстонию (на завод «Силмет», принадлежащий компании Molycorp).
В то же время Россия импортирует различные соединения редких земель и непосредственно РЗМ в виде металлов и сплавов. Общий объем импорта в последние годы составлял от 12 до 18 млн. дол. Не вызывает сомнения необходимость создания мощностей на Соликамском магниевом заводе для разделения карбонатов РЗМ с получением различных соединений, востребованных на российском рынке.
Другой возможный путь увеличения производства РЗМ – их извлечение при попутной переработке апатита. Сейчас в этом направлении работает ряд предприятий, в частности компания «Акрон».
Редкие металлы.
Ниобий. Мировые запасы ниобия оцениваются на уровне 16 млн т, крупнейшими запасами обладает Бразилия (70%), доля России оценивается в 25%. Промышленную разработку месторождений ниобия ведут Бразилия, Канада, Россия и ряд других стран. При этом подавляющий объем добычи приходится на Бразилию – около 90%.
За последнее десятилетие производство ниобия в концентратах существенно выросло – с 25 тыс. т в 2001 г. до 65 тыс. т в 2012 г. Следует отметить, что мировой экономический кризис практически не сказался на добыче этого металла. Основным производителем ниобийсодержащих концентратов является бразильская компания CBMM.
Свыше 85-89% всего потребляемого в мире ниобиевого сырья приходится на производство феррониобия (здесь также превалирует Бразилия). Основная область его применения – выпуск стали и сплавов. Мировое потребление феррониобия хорошо коррелирует с выпуском стали, при этом очевиден тренд на рост (рис. 2).

Производимая сталь используется для выпуска строительных конструкций, специальных труб для эксплуатации в районах Севера, в автомобилестроении.
Цены на феррониобий стандартного сорта за последние годы выросли в 3 раза и установились на уровне 25-26 дол/кг. Рост цен обусловлен ростом спроса, нестабильной ситуацией в Африке и ужесточением эмбарго на поставки тантал-ниобиевых концентратов из Республики Конго.
В России имеются значительные запасы ниобия, подавляющая их часть сконцентрирована в неразрабатываемых месторождениях Восточной Сибири и Дальнего Востока. В настоящее время на территории России добычу ниобия осуществляет только Ловозерский ГОК. Компания «Стальмаг» (Красноярский край), разрабатывавшая Татарское месторождение, была закрыта в конце 2010 г.
Соликамский магниевый завод, перерабатывая лопаритовый концентрат, производит 400-450 т оксида ниобия. Большая часть выпускаемой продукции поставляется на экспорт в Германию и США. Часть оксида ниобия используется для производства ниобия и сплавов на Чепецком механическом заводе, где созданы значительные мощности (до 100 т в год).
Вместе с тем Россия осуществляет активный импорт феррониобия – объем годовых поставок находится на уровне 2-4 тыс. т. Это связано с организацией производства особо прочного штрипса для нефтегазовых труб на ряде металлургических предприятий России («Северсталь», ММК).
Тантал. Минерально-сырьевые запасы тантала в мире оцениваются в настоящее время на уровне около 260 тыс. т, при этом около 90% этих запасов приходятся на Россию, Бразилию и Австралию.
Танталсодержащие концентраты выпускаются в более чем 10 странах. Общее содержание тантала в них снизилось с 1500 до 1000 т в последние годы. Основной объем выпуска (свыше 60%) приходится на страны Африки (Эфиопия, Руанда, Мозамбик, Конго и др.).
Основными переработчиками танталового сырья и производителями тантала являются компании Starck (Германия) и Cabot (США), суммарная доля которых на рынке составляет около 80%.
Тантал используется главным образом в виде порошка, слитков, проката и карбида тантала. В этом сегменте используется 80-90% всего производимого тантала, остальная часть приходится на выпуск химических соединений тантала высокой чистоты.
В структуре мирового потребления тантала превалирует электроника (главным образом производство конденсаторов) – свыше 50%, доля жаропрочных сплавов – около 20%. Спрос на тантал вызван в основном расширением использования танталовых конденсаторов в миниатюрных электронных устройствах, важной составляющей которых явились мобильные телефоны. В настоящее время в мире выпускается свыше 30 млрд танталовых конденсаторов. Однако не исключено обострение конкуренции танталу со стороны других (в частности керамических) материалов.
Определенный дефицит и нестабильность поставок сырья привели к росту цен на тантал-ниобиевые концентраты (рис. 3). Цена на танталитовый концентрат за последние 2 года достигла уровня свыше 200 дол/кг Та2О5.
Одновременно идет подготовка целого ряда новых проектов по разработке тантал-ниобиевых месторождений, в частности, в Египте и Саудовской Аравии.
В России имеются значительные запасы тантала, однако добычу тантала, содержащегося в небольших объемах в лопаритах, осуществляет опять-таки Ловозерский ГОК.
Соликамский магниевый завод из лопаритового концентрата выпускает 30-35 т оксида тантала (до 4 % мирового производства). Практически весь объем поставляется на экспорт (в Германию и Австрию). Металлический тантал в России не производится. Потребности в нем, которые удовлетворяются за счет импорта, изменяются в широких пределах – от 2 до 25 т в год; основными импортерами тантала являются предприятия, производящие танталовые конденсаторы.
Литий. Мировые запасы лития в недрах оцениваются на уровне 24 млн т, при этом основная доля приходится на Боливию, Чили, Россию и Австралию. Существенный объем запасов (более 60%) учитывается в литийсодержащей рапе соляных озер.


Мировое производство лития постоянно растет (за исключением 2009 г.), в 2012 г. достигнут максимальный уровень добычи литиевого сырья – свыше 35 тыс. т (в пересчете на металл).
Крупнейшими производителями литиевого сырья являются Чили и Австралия – суммарно на их долю приходится в настоящее время свыше 60% всей мировой добычи. Мировой лидер – чилийская компания SQM, которая извлекает литий из соляных месторождений. В Австралии доминирующим источником лития являются пегматиты, разрабатываемые компанией Talison Minerals.
Мировое потребление литиевых соединений также стремительно увеличивается и в 2012 г. составило около 120 тыс. т. Основным литиевым продуктом выступает карбонат лития, на долю которого приходится около половины рынка литиевых соединений.
В структуре потребления лития в последнее десятилетие произошли изменения, связанные с уменьшением использования лития в производстве алюминиевых сплавов и, наоборот, резким увеличением потребления для выпуска литий-ионных перезаряжаемых батарей, на долю которых сейчас приходится уже 27% рынка лития. В этой области прогнозируется не менее бурный рост его объемов (в денежном выражении) в ближайшие годы (рис. 4).
Несмотря на большие запасы, в настоящее время добыча литиевого сырья в России практически не ведется. Единственным источником литиевого сырья для России являются импортные поставки соединений, осуществляемые из Чили и КНР. Объемы импортных поставок имеют явную тенденцию к росту в последние годы.

Основными покупателями карбоната лития в России являются ОАО Красноярский химико-металлургический завод и Новосибирский завод химических концентратов, имеющие мощности по переработке и выпуску литиевых соединений. В частности, Новосибирский завод химических концентратов использует импортный хлорид лития для получения металлического лития.
Бериллий. В оценочной структуре мировых запасов бериллия (около 200 тыс. т в пересчете на оксид) на долю России приходится около 50%. Значительными запасами характеризуется также сырьевая база лития США, которая за счет добычи бертрандитовых руд в штате Юта превалирует на рынке бериллиевого сырья. Разработка бериллийсодержащих месторождений осуществляется также в КНР.
Общая динамика добычи бериллия после кризиса характеризуется все-таки некоторым трендом на рост. Определенное количество бериллия в США производится из государственных запасов, а Ульбинский металлургический завод (УМЗ) в Казахстане перерабатывает старые запасы концентрата из России. На рынке бериллиевой продукции превалирует американская компания Brush (сейчас -Materion) – около 70%, свыше 20-25% производит УМЗ.
В структуре бериллиевой продукции основной объем приходится на бериллиевую бронзу – свыше 85%. В структуре мирового потребления бериллия выделяются потребительская электроника и телекоммуникационная продукция (рис. 5). В частности, контакты и разъемы в мобильных телефонах и портативной технике сделаны именно из медно-бериллиевых сплавов.

Бериллиевое сырье в настоящее время в России не добывается, корпорацией «Металлы Восточной Сибири» вместе с ОАО «Роснано» заявлено о проекте по разработке Ермаковского месторождения с производительностью по руде 25-30 тыс. т/год. Пока же Россия продолжает импортировать бериллиевую продукцию, при этом характерен рост поставок бериллиевой бронзы (20-25 т в год).
Для рассмотренных РЗМ и редких металлов роль России пока ограничивается значительными минерально-сырьевыми запасами в неразрабатываемых месторождениях, низким уровнем производства и одновременно импортными закупками.
Кардинально улучшение ситуации в России с производством и потреблением РЗМ и редких металлов должно быть связано с реализацией Государственной программы «Развитие промышленности и повышение ее конкурентоспособности на период до 2020 года», где отдельно выделена подпрограмма «Развитие промышленности редких и редкоземельных металлов».
Петров И.М., ООО «Исследовательская группа «Инфомайн»