Годовое потребление редких металлов в США и России за 1996 г

Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

А. М. Чекмарев

ПРИМЕНЕНИЕ РЕДКИХ МЕТАЛЛОВ

Допущено учебно-методическим объединением по образованию в области химической технологии и биотехнологии в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 18.05.02 Химическая технология материалов современной энергетики и смежных специальностей.

Москва

2013

УДК 669.85/86 (075)

ББК 34.33я7

Ч-373

Рецензенты:

Доктор химических наук, профессор кафедры технологии редких и рассеянных элементов и материалов на их основе Московской государственной академии химических технологий им. М. В. Ломоносова

А. М. Резник

Доктор химических наук, профессор кафедры химии высоких энергий и радиохимии Российского химико-технологического университета им. Д. И. Менделеева

А. В. Очкин

Чекмарев А. М.

Ч-373 Применение редких металлов: учебное пособие/ А. М. Чекмарев. – М. : РХТУ

им. Д. И. Менделеева, 2013. – 48 с.

ISBN 978-5-7237-1124-2

Учебное пособие включает вопросы постоянного расширения областей применения редких металлов (особенно в составе новейших материалов). Ориентировочные объёмы потребления и цены. Применение редких металлов для нужд ВПК (ядерная энергетика в том числе), конверсия потребления.

Редкие металлы в ядерной энергетике. Топливо, конструкционные материалы. Синтез и применение плутония, возможность применения тория в ядерном топливном цикле. Цирконий – уникальный материал для оболочек твэлов реакторов на медленных нейтронах. Изотопы лития. Конструкционные и защитные материалы в ядерной технике. Неядерные области применения редких металлов. Сплавы и механизмы их образования.

Предназначено для студентов и аспирантов специальности 18.05.02 Химическая технология материалов современной энергетики и смежных специальностей.

УДК 669.85/86 (075)

ББК 34.33я7

Учебное издание

ЧЕКМАРЕВ Александр Михайлович

Применение редких металлов

Редактор Н. А. Заходякина

Подписано в печать…12.13 г. Формат 60х84 1/16.

Усл. печ. л. 2,91.

Уч.-изд. л. 4,2. Тираж 200 экз. Заказ №…

Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева

Издательский центр

Адрес университета и издательского центра:

125047 Москва, Миусская пл., 9

ISBN 978-5-7237-1124-2	© Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, 2013
	© Чекмарев А. М., 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение……………………………………………………………………		4
1. Применение редких металлов в ядерной технике ………………………		6
2. Неядерные области применения редких металлов …………………….	25
2.1 Литий …………………………………………………………………..	29
2.2 Бериллий ………………………………………………………………	30
2.3 Скандий ……………………………………………………………….	31
2.4 Иттрий, лантан, лантаноиды…………………………………………	32
2.5 Торий…………………………………………………………………..	35
2.6 Титан…………………………………………………………………...	35
2.7 Цирконий и гафний…………………………………………………...	37
2.8 Ванадий………………………………………………………………...	39
2.9 Ниобий и тантал……………………………………………………….	40
2.10 Молибден……………………………………………………………..	41
2.11 Вольфрам……………………………………………………………..	42
2.12 Рений………………………………………………………………….	42
Литература…………………………………………..................................	49

Введение

Редкие металлы относятся к той группе элементов, для которых практически постоянно открываются новые области применения. Новые, нередко определяющие прогресс наукоёмких направлений области применения чаще всего заметно влияют на ценообразование, мировую конъюнктуру рынка редких металлов. В связи с этим приведение в изданиях не периодического характера (справочники, энциклопедии и т.п.) цен на сами металлы, их соединения или изделия из них чаще всего не могут служить основой для каких-либо экономических выкладок, а могут быть использованы для формирования приблизительных представлений о соотношении этих цен, хотя даже эти оценки подвержены значительным периодическим изменениям.

В данном учебном пособии предпочтение отдаётся применению редких металлов в ядерной технологии. Следует, однако, представлять, что даже металлы, производившиеся на первых этапах исключительно для нужд ядерной энергетики, нашли широкое, в ряде случаев определяющее применение в других отраслях науки и техники. Используемые в ядерной области материалы делятся на собственно ядерные (используемые для производства энергии), конструкционные материалы активной зоны и остальные конструкционные материалы.

Принцип отбора рассматриваемых в учебном пособии металлов определяется не только их применением в ядерной технологии, но и совместным присутствием в природных объектах (минералы, руды). Здесь не рассматриваются элементы, образующиеся в результате деления ядер, и материалы, их включающие, так как эти вопросы относятся к технологии отработавшего ядерного топлива (и рассматриваются в отдельном курсе).

Однако совместное присутствие в природных объектах и попутное получение «неядерных» металлов делают необходимым кратко коснуться неядерного применения собственно ядерных металлов.

В качестве краткой обобщающей характеристики применения редких металлов можно практически полностью процитировать тезисы доклада академика Е. П. Велихова «Редкие металлы в прогрессивных технологиях XXI века» (Международный симпозиум «Стратегия использования и развития минерально-сырьевой базы редких металлов России в XXI веке», М., 1998 г.): «Как правило, новейшие технологии, в первую очередь обеспечивающие научно-технический прогресс, опираются, в том числе, на уникальные механические и физические свойства редкометалльных элементов и сплавов с их использованием даже при кажущейся относительно высокой стоимости. Теперь уже достаточно общепризнано, что экономически выгоднее использовать, например, легированные ниобием стали для трубопроводов, вместо обычных. Широкое применение редких металлов (РМ) не имеет альтернативы в важнейших стратегических отраслях промышленности и наукоёмких разработках по следующим направлениям: электроэнергетика, атомная, а в будущем и термоядерная энергетика, микроэлектроника, лазерная технология, медицина, люминофоры, техника высоких магнитных полей, волоконная оптика, магнитострикция (изменение формы и размеров тела при его намагничивании), высокоёмкие аккумуляторы, а также в отраслях промышленности с большими объёмами потребления специальных сплавов: авиакосмической, судостроении, нефтехимии, газонефтепроводах, электротехнике и других.

Годовое потребление редких металлов в США и России в 1996 г. отражено в табл. 1.

Таблица 1

Литий

Примерная структура мирового потребления Li (%)

В основном в виде Li₂CO₃ – производство Al, стекла, керамики 48

Консистентные смазки (в основном гидроксид и стеарат) 20

В виде минеральных концентратов – стекло и керамика 15

Очистка воздуха и газов (соли лития) 9

Аккумуляторные батареи и сплавы (в виде металла) 5

Катализаторы (синтетический каучук и т.п. – в виде бутиллития) 2

Фармацевтика и прочее 10

В процессе электролитического получения алюминия (США расходуют на эти цели до 45 % всего Li) добавка в электролитическую ванну Li₂CO₃ (2,5 – 3,5 кг Li₂CO₃ на 1 т Al) снижает температуру плавления электролита, увеличивает его электропроводность, уменьшает расход материала анода, повышает выход Al по току.

Соединения лития (в основном – гидроксид и стеарат) вводят в консистентные смазки (до 10 % стеарата лития), температурный режим которых от –50 до +50 ºС.

Минеральные концентраты лития высокого качества, а также Li₂CO₃, Li₂SiO₃ и другие соли используют в производстве стекла и керамики (США используют до 40 % Li в этих областях). При этом повышаются химическая и термостойкость фарфора и керамики. Глазури становятся более плотными, блестящими и устойчивыми. При варке специальных стекол добавки лития снижают температуру их плавления и вязкость.

В чёрной и цветной металлургии литий и его соединения с Ca и Si применяют для раскисления, десульфуризации, дегидрирования, модификации и рафинирования меди, медных, цинковых и никелевых сплавов. При этом улучшается структура и повышается теплопроводность.

LiCl и LiBr используют для очистки и кондиционирования воздуха (они поглощают CO₂, NH₃, регулируют влажность).

Добавки LiOH к электролиту щелочных аккумуляторов повышают их ёмкость и удлиняют в 2 – 3 раза срок службы.

Сплавы Al c Li, содержащие (1 – 3) % Li, характеризуются уменьшением плотности при улучшении прочностных характеристик, повышении устойчивости к коррозии (их применение позволяет снизить вес самолета на 20 %).

Литий используют в производстве анодов для химических источников тока на основе неводных и твердых электролитов.

Он входит в состав антифрикционных сплавов (баббитов), сплавы Li с Si используют для изготовления холодных катодов в электровакуумных приборах.

Соединения лития применяются как катализаторы для различных процессов: полимеризация изопрена, ацетилирование, синтез каучука и т.п.

В СССР в первую очередь обеспечивался процесс разделения изотопов лития. В связи с этим была принята энергоёмкая, затратная известковая схема переработки. Все литиевые соли получали из гидроксида лития после отделения лёгкого изотопа.

Заметное падение производства первичного Al в 1982–1986 гг. вызвало падение мирового потребления Li (в США и Западной Европе около ⅓ всего первичного алюминия производится с использованием добавок Li₂CO₃). Тем не менее, даже в эти годы средний рост потребления лития и его продуктов составлял (4 – 7) % в год.

Бериллий

Структура потребления бериллия в США (%):

Ядерная и аэрокосмическая промышленность до 23

Нефтегазовая и другие гражданские области применения до 25

Электротехника до 35

Электроника до 17

Сплав бериллиевая бронза (в среднем около 2 % Be) обладает высокой прочностью, устойчивостью к коррозии, высокой тепло- и электропроводностью. Пружины из бериллиевой бронзы выдерживают миллиарды циклов растяжение–сжатие при высокой нагрузке (автоматическое оружие, автомобиле- и самолетостроение) – «металл, не знающий усталости».

Бериллий используют для легирования никелевых, железных, магниевых и других сплавов – для придания им высокой прочности и твёрдости, хорошей электро- и теплопроводности, коррозионной стойкости.

Сплавы Al–Mg–Be и Al–Be характеризуются малой удельной массой и высокой прочностью – применяются в самолётостроении и ракетной технике. Там же применяются бериллиды – интерметаллические соединения ZnBe₁₃, Ta₂Be₁₇ – тугоплавкие, лёгкие и устойчивые к окислению до 1650 ºС – для производства ракет, управляемых снарядов, спутников.

Оксид бериллия используют для изготовления огнеупоров, фарфора для электроизоляторов, специальных стёкол. Бериллиевая керамика устойчива к тепловому удару, что весьма полезно при изготовлении лопаток газовых турбин и деталей авиакосмической техники (сверхзвуковых самолётов, ракет и т.п.).

Акустоэлектроника (как и другие отделы электроники) используют Be. BeО входит в состав катализаторов некоторых органических синтезов.

Металлический Be имеет очень высокие показатели так называемой удельной прочности – отношение любой прочностной характеристики к удельной массе. По этому показателю он превосходит многие легированные стали. Кроме того для Be характерна высокая степень обрабатываемости поверхности (чистота обработки). Это позволяет применять его для изготовления роторов гироскопов систем наведения и навигации.

Цены на Be – продукцию в 1990 г., долл. США/кг (для сплавов – за 1 кг Be):

Слитки вакуумного производства (98,5 % чистота) 495,6

Порошок (98,5 %) 431,7

Be–Al сплавы ~ 572,5

Изделия из Cu–Be сплава:

Стержни, прутки, проволока 21,7

Ленты 19,6

Лигатуры 352,4

Литейные сплавы 12,1–13,9

Скандий

Структура потребления Sc (Япония, %):

Металлогалогенные осветительные лампы 50

Цветные кинескопы 20

Лазерные материалы 20

Исследования (автомобильные фильтры-дожигатели, ВТСП) 10

Ртутные лампы с добавкой ScJ₃ – одно из основных применений Sc в светотехнике. Он входит в состав люминофоров последних поколений в качестве основы и активатора.

Добавление Sc в лёгкие сплавы придаёт им высокую прочность и коррозионную устойчивость. Сплавы Al, легированные Sc, (0,2 – 0,4) % Sc, обладают прочностью, в 4 раза превышающей прочность самого Al. Sc добавляют также в сплавы на основе Mg, Ti, легируют сплавы на основе Ni, Co, Cr, Mo, Zr и др. Лёгкие сплавы успешно используют в самолётостроении, астронавтике, в производстве снарядов.

Керамика на основе Sc₂O₃ обладает максимальной прочностью при 1000 ºС (прочнее оксидов Al, Ba, Mg, Zr), минимальным коэффициентом теплового расширения, самой низкой теплопроводностью. Sc₂O₃ используют для создания огнеупорных керамических покрытий.

Sc₂O₃ стабилизирует керамику из ZrO₂ и HfO₂ лучше, чем Y₂O₃.

Является компонентом ВТСП (высокотемпературная сверхпроводящая керамика) – керамики типа Y (La)–Ba–Cu–O.

Некоторые типы лазерных материалов включают до 30 % Sc₂O₃.

Увеличивает показатель преломления стекол, в состав которых вводят до десятков процентов Sc₂O₃.

Ортофосфат Sc – основа флуоресцирующих составов (активированных Cu, Mn и др.).

Оксид скандия входит в состав ферритов с малой индукцией (для быстродействующих ЭВМ), используется для синтеза искусственных гранатов, эмиттеров для электровакуумных приборов (3BaO ∙ 2Sc₂O₃).

Sc₂O₃совместно с ZrO₂ является компонентом твёрдых электролитов источников тока.

Металлический Sc используют как геттер в электровакуумных приборах.

Цены 1991 года на скандиевую продукцию, долл. США/кг:

Sc₂O₃ 99,9 % 3,5

99,999 % 10.

Металлический порошок (250 мкм.):

дистиллят 99,9 % 296

куски дендритов 99,9 % 248.

Иттрий, лантан, лантаноиды

Около ⅔ производимых РЗЭ и их соединений используют в виде смесей с природным соотношением элементов или смесей, из которых удалено 1–2 элемента. Однако в последнее время наблюдается довольно значительный рост использования индивидуальных РЗЭ.

Исторически первыми областями применения РЗЭ были: производство газокалильных (ауэровских) колпачков для газового освещения и кремней для зажигалок (мишметалл – смесь металлов в основном Ce-группы). Структура потребления РЗЭ в 1996 г. в разных странах представлена в табл. 9.

Таблица 9

Торий

До тех пор пока не решится проблема с включением Th в ядерный топливный цикл, его производство и применение будут носить ограниченный характер.

Металлический торий используют для легирования Mg-сплавов, в качестве геттера при изготовлении электроламп. В сплавах торий играет роль термоупрочняющей добавки высокопрочных сплавов для авиа- и ракетостроения (кроме сплавов Mg, его вводят также в сплавы Ni, Be и др.).

ThO₂ – огнеупорный материал (к примеру, для изготовления тиглей), а также компонент катализаторов перегонки нефти, ряда окислительных процессов при получении некоторых органических продуктов.

Титан

Значительная часть титана, до (90 – 95) % сырья используется в виде соединений, в первую очередь это природный и синтетический рутил – TiO₂.

Главным потребителем TiO₂ является лакокрасочная промышленность – для производства титановых белил, которые не ядовиты по сравнению со свинцовыми, обладают хорошей кроющей способностью. Он служит хорошим наполнителем эмалей, пластмасс, резины и бумаги.

TiO₂ используют для производства огнеупоров, стекловолокна. Хороший изолятор в электротехнике и радиопромышленности. Ниже приведена структура потребления TiO₂ разными странами в 1985 г. (%).

Область применения	США	Западная Европа	Другие
Лакокрасочная промышленность	51	62	75
Область применения	США	Западная Европа	Другие
Пластмассы	14	13	8
Бумага	24	9	4
Прочие	11	11	15

Карбиды, нитриды и силициды Ti – абразивные материалы.

Гидрид Ti – аккумулятор и источник чистого водорода.

TiS₂ служит для изготовления катодов химических источников тока (с Li – анодом).

TiВ₂ применяется для изготовления электродов для плавки алюминия.

Титанат бария – сегнетовый диэлектрик в электронных установках.

В странах СНГ большая часть сырья перерабатывается на металлический титан и лишь ~ 20 % для получения TiO₂ (в основном, пигментного).

Металлический титан и его сплавы широко используются в авиационной промышленности, военном судостроении (корпуса подводных лодок, покрытия днища кораблей) и ракетной технике.

Он является основой для получения лёгких сплавов с Al, V, Mo, Mn, Cr и др. В Западной Европе и Японии на производство сплава Ti–Al–V использовали до 50 % металлического титана.

Ti является составной частью специальных марганцевых, хромистых, хромомолибденовых и хромоникелевых сталей, а также Cu и Al сплавов.

Хорошо развита техника покрытия (плакирования) поверхностей сталей (в том числе, и чёрных) металлическим титаном для защиты от коррозии (к примеру, в химическом машиностроении).

Чистый титан используют в электровакуумной промышленности для изготовления анодов, сеток и других деталей, а также в виде порошка – в качестве геттера.

Ферротитан, содержащий (18–25) % Ti, применяют для раскисления стали – обескислороживания, деазотирования, десульфуризации.

Таблица 11

Структура потребления металлического титана (%)

Область применения	Все страны		Область применения	Япония, 1995
Область применения	1955	1979	Область применения	Япония, 1995
Авиация	97	80	Химическая промышленность	29,3
В том числе:			Энергетика	19,0
военная	94	45	Торговля и потребительские товары	36,1
гражданская	3	35	Авиакосмическая промышленность	3,6
Промышленность (химическое машиностроение, судостроение и др.)	5	20	Прочие	12

По мере снижения цен на металлический титан он активно проникает на потребительский рынок. Из него изготавливают кухонную посуду, столовые приборы, автомобильные глушители и т.п.

Этот процесс является явным признаком перехода титана из разряда технологически редких металлов (которым он был ещё в 50-х годах XX столетия) в разряд обычных (чёрных или цветных). Если использовать иностранный термин, титан из «less-common metal» превратился в «common metal».

Некоторые примеры цен на Ti и титановое сырье:

1991 г. − 1 кг титановой губки стоил 11 − 12 долл. США.

прокат (лист) 22 − 30 долл. США.

1996 г. − 1 кг титановой губки стоил 7,9 − 9,2 долл. США.

Ильменитовый концентрат: с 1995 по 1996 г. цена повышалась с 40 до 90 долл. за 1 т; рутиловый концентрат − с 350 до 600 долл. за 1 т.

Интересно отметить, что цена титановой продукции уменьшается на фоне подорожания сырья. Это говорит, с одной стороны, о коренном совершенствовании способов переработки, с другой стороны, – об исчерпании первоначальных источников богатого сырья, ухудшении его качества. Аналогичная картина характерна для многих других редких металлов, о чём уже говорилось в разделе, посвящённом истории развития металлургии. Кстати, для целого ряда редких металлов характерен постепенный переход в разряд обычных. Очевидно, на очереди для подобного превращения находятся цирконий, некоторые (наиболее распространённые) РЗМ и др.

Цирконий и гафний

Около 95 % циркония используется промышленностью в природной минеральной форме (циркон ZrSiO₄, бадделеит ZrO₂).

На долю металлического циркония и его синтезированных соединений приходится около (3 – 5) % от общего потребления природных минералов.

Таблица 12

Структура потребления циркона, %

Страна	Огнеупоры	Керамика	Литейное производство	Другие производства
Япония	61	12	13	14
США	24	Сведений нет	28	48
Германия	16	17	30	37
Франция	71	4	2	23
Италия	–	94	4	2
Великобритания	7	40	28	25
Испания	–	100	–	–

Цирконовый концентрат широко используют для формовых смесей и обмазок (противопригарное покрытие) литейных форм, для огнеупоров.

Обезжелезненный циркон входит в состав оптических, термостойких и химически стойких стекол, белых эмалей (глушитель), керамических пигментов, эмалей, стойких к горячим щелочам.

· Синтетический и природный ZrO₂ (бадделеит) используют в производстве огнеупоров и абразивов. Частично стабилизированный ZrO₂ обладает высокой прочностью, износостойкостью, термостойкостью, высокими теплоизоляционными свойствами. Применяется как конструкционный материал для изготовления теплозащитных и антикоррозионных покрытий деталей газовых турбин, теплозащитных экранов ракет, сверхзвуковых самолётов, режущих инструментов. Керамика на основе бадделеита – высококачественный огнеупор, верхний температурный предел его использования >2000 °С. Обладает повышенной химической стойкостью к расплавам и растворам щелочей и кислот. Применяется для производства бадделеит-корундовых огнеупоров (бакор) – облицовка стекловаренных печей, для непрерывной разливки стали и в цветной металлургии.

· Тонкодисперсный стабилизированный ZrO₂ (часто в смеси с корундом) – абразив для шлифовки оптических стекол и полупроводниковых пластин. Стабилизированный оксидом иттрия – твёрдый электролит химических источников тока, используется в сенсорных датчиках для определения кислорода.

· Монокристалл стабилизированного ZrO₂ – оптический материал квантовой электроники (фианит), окрашенный фианит – оптические фильтры и ювелирные изделия.

· ZrO₂ – основа конструкционной керамики для изготовления цилиндров двигателей внутреннего сгорания, позволяет повышать температуру рабочего тела (температуру сгорания бензиновоздушной смеси) до уровня, недоступного для цилиндров из металла, что в свою очередь повышает кпд двигателя.

В металлургии Zr используют для раскисления сталей и чугуна, он замедляет рост зёрен и старение стали.

Легирующие добавки, содержащие до 0,8 % Zr, повышают прочность Al и Mg–сплавов; 0,35 % Zr повышают жаропрочность медных сплавов (без изменения электропроводности).

Ti–Zr сплавы применяют в аэрокосмической технике, сплав Zr (75 % Nb, 25 % Zr) обладает сверхпроводимостью при 4,2 К.

В химическом машиностроении металл используют для агрегатов, выдерживающих действие HCl, паров HCl и Cl₂, устойчивых в щелочных средах.

В вакуумной технике Zr используют как геттер, наряду с Ta – для изготовления хирургических инструментов. Высокая коррозионная стойкость Zr и совместимость с биологическими тканями позволяют использовать его для изготовления искусственных суставов и протезов.

Гидролизованный сульфатоцирконат натрия – дубитель белых кож, гидролизованный карбонатоцирконат алюминия и ацетат аммония применяют для производства эмульсий для водоотталкивающей и огнезащитной обработки материалов.

Фосфаты циркония – эффективные неорганические ионообменники, способные работать при высоких температурах. Гидроксофосфаты циркония применяют в качестве восстановителей костных тканей, при протезировании.

Ряд соединений используют в качестве катализаторов (например, нитрат в нефтепереработке), сиккативов (сушащих препаратов) для масляных красок.

Гафний производится только в процессе очистки от него циркония, используемого в ядерной энергетике. В связи с этим масштабы его производства и потребления тесно связаны с таковыми для ядерно-чистого циркония.

Основная часть гафния используется для изготовления регулирующих стержней ядерных реакторов в качестве «невыгорающей» (не уменьшающей способности поглощения медленных нейтронов в результате интенсивного нейтронного облучения) в смеси с оксидами РЗМ (обычно Eu, Sm, Gd). Такие стержни нашли наиболее широкое применение для энергетических установок военных судов.

(2 – 10) % Hf повышает пластичность, технологичность, жаропрочность и жаростойкость суперсплавов на основе W, Mo, Nb, Ta, Ti, Ni, Co и др. Такие сплавы используют для изготовления орудийных стволов, реактивных двигателей, газовых турбин. Гафниевая фольга используется для ламп-вспышек.

HfC и HfN применяют для износостойких покрытий режущего инструмента.

Твёрдые растворы (Ta, Hf)C имеют температуру плавления около 4200 °С – самая высокая из известных в настоящее время. Добавка 1 % Hf в Sm–Co магниты существенно улучшает их магнитные свойства.

В 1991 г. США использовали около 58 % Hf в управляющих стержнях ядерных реакторов, в основном – военных судов и около 40 % для производства суперсплавов.

Таблица 13

Структура потребления циркониевой продукции в США и Японии (%)

Области применения	США (1986 г.)	Области применения	Япония (1995 г.)
Литейное производство	49,6	Огнеупоры	56,8
Огнеупоры, в том числе АЦК,(Al₂O₃-ZrO₂-SiO₂)	25,2	Абразивы	8,4
Абразивы (ZrO₂ стаб., Al₂O₃- SiO₂)	9,9	Стекло, керамика	4,1
Сплавы	3,8	Высокопрочная керамика	4,9
Прочие	11,5	Прочие	2,4

Цены на циркониевую продукцию к 1990 г. выросли по сравнению с 1976 г.: реакторная циркониевая губка в 2,5 раза (до 26 долл. за 1 кг), циркониевый порошок в 8 – 15 раз (до 330 долл.).

Ванадий

До 85 % ванадия используют как легирующую добавку в стали различного назначения, лишь 10 % – как компонент различных сплавов, всего 5 % – в химической промышленности.

Добавка ванадия резко повышает прочность сталей, их сопротивляемость усталости и износоустойчивость. Ванадий в сталях взаимодействует с углеродом, образуя твёрдые и жаростойкие карбиды, равномерно распределяющиеся в железе, делают его структуру мелкокристаллической. Ванадий используют для легирования чугуна. Он является компонентом сплавов для постоянных магнитов (1–15) % V, жаропрочных, твёрдых и коррозионно-стойких.

Повышенная устойчивость к усталости позволяет применять ванадийсодержащие стали для изготовления пружин (рессор), высокая прочность – для производства брони.

Ванадиевые стали применяют для производства рельсов, в автомобилестроении, в производстве труб большого диаметра для трубопроводов (особенно арктических – работающих при низких температурах).

Выплавляется значительное количество V–Cu сплавов (ванадиевые бронзы), сплавов с Al и Ti.

Сплавы на основе ванадия с Nb, Ta, Mo, W, Zr используют в авиакосмической технике, химическом машиностроении и судостроении.

V₂O₅ и некоторые другие соединения являются катализаторами (например, в процессе производства H₂SO₄).

Ванадий находит применение в составе люминофоров, лазерных материалов, входит в состав некоторых высокотемпературных сверхпроводников.

Цена V₂O₅ в 1989 г. составляла 25 долл/кг, в конце 1994 г. – 5,5 долл/кг.

Ниобий и тантал

До 90 % ниобия используется для получения и легирования различных сплавов (в основном – в виде феррониобия). От 40 до 50 % Nb используется для микролегирования сталей (при среднем расходе Nb (0,05 – 0,1) %). Из них (20 – 25) % – для получения жаропрочных сталей ((1 – 5) % Nb), (20 – 30) % – нержавеющих и жаростойких сталей ((0,2 –1,2) % Nb). В мировом производстве низколегированных сталей ниобий вышел на первое место по уровню потребления (среди всех микролегирующих добавок). Эти стали имеют широкий спектр применения: в строительстве (особенно высотном), мостостроении, дорожном и горном машиностроении, автомобилестроении, железнодорожном транспорте, глубинном нефтяном бурении (особенно подводном), авиационной технике, аппаратуре для химической и нефтехимической промышленности и т.д.

(1 – 3) % применяют в виде самого металлического ниобия или сплавов на его основе – в основном, для нужд ракетостроения (сопла ракет).

Nb может заменять Ta в электролитических конденсаторах. Из карбида ниобия производят высокотемпературные нагреватели, карбиды Nb, Ta, Ti – входят в состав твёрдых и сверхтвёрдых сплавов (для металлообработки).

Высокопрочные низколегированные малоуглеродистые стали, содержащие за рубежом (0,07 – 0,08) % Nb, в России (0,03 – 0,04) % являются материалом для изготовления труб большого диаметра (до 1420 мм), предназначенных для магистральных трубопроводов (они выдерживают высокое давление, морозостойки, долговечны). Суперсплавы на основе Nb (особенно сплав Ni–Nb) используются для изготовления деталей авиационных двигателей, лопаток турбин (800 – 1000 °С), жаропрочные сплавы выдерживают температуру до 1100 – 1250 °С.

Ниобий имеет максимальную среди всех металлов температуру перехода в сверхпроводящее состояние (9,2 К), высокие критические температуры характерны и для ряда сплавов на его основе. Интерметаллическое соединение Nb₃Ge до 1986 г. (до открытия керамических высокотемпературных сверхпроводников) было рекордсменом по значению критической температуры перехода в сверхпроводящее состояние (23,2 К).

Высокая коррозионная стойкость определяет использование Nb и Ta в химическом машиностроении.

Высшие оксиды Nb и Ta (М₂О₅) применяют в микроэлектронике в качестве диэлектриков, в стекловарении, ряд танталатов и ниобатов обладают сегнето- и пьезоэлектрическими свойствами.

Оксалаты и цитраты Ta и Nb – катализаторы процессов основного органического синтеза.

Ниобаты и танталаты Nb и Ta нашли применение в опто- и акустоэлектронике, ювелирной промышленности (имитация бриллиантов).

Структура потребления Ta в 1990 г. (%):

конденсаторы 43,

карбиды 24,

химически и термически

стойкое оборудование 16,

сплавы 12,

другие области 5.

После анодного окисления на поверхности тантала образуется оксидная плёнка, определяющая наличие вентильного эффекта – пропускание тока в одну сторону. Это свойство тантала используется при изготовлении электролитических конденсаторов. Ta-конденсаторы обладают максимальной удельной ёмкостью, высокой стабильностью и надёжностью в широком диапазоне температур.

Как уже указывалось, TaC – главный компонент сверхтвёрдых сплавов для металлообработки.

Плакирование (покрытие) стали танталом, позволяет сооружать аппараты, устойчивые в производстве H₂SO₄, NH₃ и др. Из этого материала изготавливают теплообменники, нагреватели для коррозионных сред.

Суперсплавы на основе или с участием тантала широко используются в авиакосмической промышленности.

Ta применяют для изготовления деталей электронных приборов (аноды, сетки, катоды и т.п.), а также в качестве геттера.

Легированные танталом стали обладают повышенной коррозионной стойкостью.

Тантал – уникальный биосовместимый материал, используемый для костного протезирования.

Покрытые нитридом тантала (TaN) поверхности устойчивы к истиранию.

Молибден

80 % производимого молибдена используют в чёрной металлургии (в основном – в виде ферромолибдена) для получения легированных (от 0,5 до 8,5 % Mo) сталей и чугунов. При этом производят стали конструкционные, инструментальные, быстрорежущие, самозакаливающиеся, нержавеющие и жаростойкие. Из легированного чугуна в основном производят различные литые детали, валки прокатного производства. Молибден из чугуна удаляет графитовые межкристаллические прослойки.

Стали, легированные Mo, характеризуются высокой прочностью, вязкостью – используются для производства брони танков, орудий, ракет. Рельсовая сталь, содержащая молибден, служит в два раза дольше, чем обычная. Вместе с Nb Mo входит в состав сталей для изготовления труб большого диаметра для нефте- и газопроводов. Присутствие Mo обеспечивает высокую прочность сварных швов, коррозионную стойкость.

Молибден входит (в качестве основы) в суперсплавы, в состав кислотостойких и жаропрочных сплавов вместе с Ni, Co, Cr ((50–60) % Ni и Co, (20–28) % Cr, (3–10) % Mo). Кислотостойкие сплавы с молибденом используются в химическом машиностроении.

Из Mo изготавливают детали электроламп и электровакуумных приборов.

MoS₂ – смазка, работающая в интервале температур 40 – 350 °С. Соединения молибдена – катализаторы гидрирования нефти и угля, в сельском хозяйстве используются в качестве микроудобрений.

Из молибдена производят нагреватели для высокотемпературных печей.

Вольфрам

Введение вольфрама в состав сталей придаёт им твёрдость, прочность, тугоплавкость, самозакаливаемость, кислотоупорность, повышает предел упругости и сопротивление растяжению. В связи с этим до 50 % вольфрама используется в производстве легированных (главным образом инструментальных) сталей. Быстрорежущие инструментальные стали содержат от 8 до 20 % W.

35 – 45 % добавки в виде карбида вольфрама (WC) применяют для изготовления твёрдых сплавов, для производства буровых коронок, фильер для волочения проволоки, штампов, пружин, клапанов и т.п. К примеру, для режущих и буровых инструментов разработан сплав, содержащий (85 – 95) % WC и (5 – 15) % Co.

Сплавы W с другими металлами (с Re, Ta, Nb, Mo Cu Ag) находят применение в авиационной и ракетной технике, электронике, сплав W с Cu и Ag – хороший материал для изготовления контактов (рубильники, выключатели и т.п.).

Чистый W – основной материал для изготовления нитей накаливания электрических ламп. Рабочая температура этих нитей 2200 – 2500 °С. W-нити обеспечивают малую скорость испарения металла. В настоящее время для производства осветительной техники используют от 6 до 12 % W.

Соединения вольфрама находят применение в производстве лаков и красок, некоторые из них – катализаторы производства синтетического бензина. Для синтеза химических продуктов используют всего 2 % W.

Металлический вольфрам используют для изготовления нагревателей для электропечей с рабочей температурой до 3000 °С, термопар, роторов гироскопов.

Рений

В табл.14. представлены данные по динамике потребления рения в мире и США.

Таблица 14

Литература

1. Стратегия использования и развития минерально-сырьевой базы редких металлов России в XXI веке. Тезисы докладов международного симпозиума. М. : 1998. 384 с.

2. Инновационное развитие атомно-энергетического комплекса – следующие 60 лет. Федер. агентство по атомной энергии. М. : 2005. 185 с.

3. Редкоземельные металлы: переработка сырья, производство соединений и материалов на их основе. Тезисы докладов международной конференции. Красноярск : 1995. 219 с.

4. Металлургия цветных и редких металлов: сборник статей. М. : 2002. 342 с.

5. Литий России. Всероссийское научно-практическое совещание с международным участием. Новосибирск : Изд-во СО РАН, 2004. 198 с.

6. Уран России. Сборник докладов научно-технического совещания. М.: ФГУП «ЦНИИАТОМИНФОРМ», 2008. 228 с.

7. Ниобий и тантал/ Зеликман А. Н., Коршунов Б. Г., Елютин А. В., Захаров А. М. М. : Металлургия. 1990. 295 с.

8. Палант А. А., Трошкина И. Д., Чекмарев А. М. Металлургия рения. М. : Наука. 2007. 298 с.

9. Редкие и рассеянные элементы. Химия и технология/ под ред. С. С. Коровина. М. : МИСИС. Т.1, 1996. 376 с., Т.2, 1999. 461 с.; Т.3, 2003. 439 с.

10. Торий в ядерном топливном цикле/ В. И. Бойко, В. А. Власов, И. И. Жерин, А. А. Маслов, И. В. Шаманин. М. : Изд. дом «Руда и металлы». 2006. 259 с.

А. М. Чекмарев

ПРИМЕНЕНИЕ РЕДКИХ МЕТАЛЛОВ

Москва

2013

УДК 669.85/86 (075)

ББК 34.33я7

Ч-373

Рецензенты:

А. М. Резник

А. В. Очкин

Чекмарев А. М.

Ч-373 Применение редких металлов: учебное пособие/ А. М. Чекмарев. – М. : РХТУ

им. Д. И. Менделеева, 2013. – 48 с.

ISBN 978-5-7237-1124-2

УДК 669.85/86 (075)

ББК 34.33я7

Учебное издание

ЧЕКМАРЕВ Александр Михайлович

Применение редких металлов

Редактор Н. А. Заходякина

Подписано в печать…12.13 г. Формат 60х84 1/16.

Усл. печ. л. 2,91.

Уч.-изд. л. 4,2. Тираж 200 экз. Заказ №…

Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева

Издательский центр

Адрес университета и издательского центра:

125047 Москва, Миусская пл., 9

ISBN 978-5-7237-1124-2	© Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, 2013
	© Чекмарев А. М., 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение……………………………………………………………………		4
1. Применение редких металлов в ядерной технике ………………………		6
2. Неядерные области применения редких металлов …………………….	25
2.1 Литий …………………………………………………………………..	29
2.2 Бериллий ………………………………………………………………	30
2.3 Скандий ……………………………………………………………….	31
2.4 Иттрий, лантан, лантаноиды…………………………………………	32
2.5 Торий…………………………………………………………………..	35
2.6 Титан…………………………………………………………………...	35
2.7 Цирконий и гафний…………………………………………………...	37
2.8 Ванадий………………………………………………………………...	39
2.9 Ниобий и тантал……………………………………………………….	40
2.10 Молибден……………………………………………………………..	41
2.11 Вольфрам……………………………………………………………..	42
2.12 Рений………………………………………………………………….	42
Литература…………………………………………..................................	49

Введение

Годовое потребление редких металлов в США и России в 1996 г. отражено в табл. 1.

Таблица 1

Годовое потребление редких металлов в США и России за 1996 г.

Металлы	Единица измерения	США	Россия				Цена, $/кг.
Металлы	Единица измерения	потребление	производство	потребление	экспорт	импорт	Цена, $/кг.
Цирконий	тыс. т	55	4	5 – 6	4	3	20 – 26
Ниобий	тыс. т	3,8	0,8	0,5 – 0,6	–	0,5	75 – 106
Тантал	т	500	80	35	45	–	220–400
Бериллий	т	205	30	40	–	10	720
Литий	т	2600	300	300	–	–	80 – 85
Германий	т	25	0,50	0,5	–	–	950
Рений	т	25	<0,5	1,3	–	1	900
Церий	тыс. т	4(1989)	–	1,3(1993)	–	1.3	7,5 – 30
Лантан	тыс. т	2(1989)	–	0,1(1993)	–	0,1	90
Неодим	т	800	–	120	–	120	20 – 40
Самарий	т	100	10(1995)	1	9	–	80 – 95
Европий	т	10 – 15	2	3	–	1	400
Редкие земли (∑TR-миш- металл	тыс. т	20	2	0,5	1,5	–	7 – 11

Современные масштабы годового потребления РМ сильно различаются от десятков тысяч тонн по цирконию и ниобию до нескольких тонн по европию и эрбию. Отметим в качестве примера, что при строительстве одного блока атомной станции мощностью 1 ГВт потребляется 50 т циркония. Объёмы потребления могут возрастать скачкообразно в связи с открытием новых областей применения. Так разработанный в России авиационный сплав Al–Li, который не только заметно прочнее традиционных алюминиевых сплавов, но и легче чем Al, должен найти широкое применение для фюзеляжей аэробусов, истребителей и т.д., что приведёт к заметному увеличению потребления лития.

Одной из успешно развивающихся областей использования РМ для высоких технологий является техническая сверхпроводимость – применение уникального явления сверхпроводимости в различных областях техники и науки. Общепризнано, что в XXI веке сверхпроводникам предстоит сыграть ту же роль в развитии техники, технологии и науки, которую сыграли полупроводники во 2-й половине ХХ-го столетия. Экологически безопасные и энергетически выгодные установки термоядерного синтеза резко увеличат потребление ниобия как основной компоненты сверхпроводящих технических материалов для изоляции плазмы и лития как исходной компоненты для наработки трития. Прогноз развития рынка сверхпроводящей продукции (медицинские томографы, сепараторы для тонкой очистки, токоограничители, накопители энергии, приборы и установки индустриальной физики, не имеющие альтернативы без применения сверхпроводников) предполагает рост объёма рынка для сильноточного применения сверхпроводников, компонентами которых является ряд РМ, от 10 млрд долларов в 2000 г. до 150–200 млрд в 2020 г. Россия, построившая первые в мире токамаки со сверхпроводящими обмотками тороидального поля, вправе рассчитывать на прорыв в разработке и потреблении электроэнергии от экологически чистых и безопасных термоядерных установок. Ещё одним впечатляющим примером использования РМ является разработанное в России топливо для ядерных реакторов, важнейшей компонентой которого является эрбий в качестве поглотителя, что позволит заметно снизить объёмы отработавшего ядерного топлива и повысить уровень безопасности.

Производство и потребление РМ в бывшем СССР было практически полностью ориентировано на нужды ВПК, хотя и заметно отставало от промышленно развитых стран. В последние годы отставание резко увеличилось в связи с падением производства и потребления (до 10 раз), а также с уменьшением сырьевых и производящих баз, оставшихся в бывших союзных республиках. В то же время прогноз развития ведущих направлений научно-технического прогресса и запросы мирового рынка настоятельно требуют существенного наращивания производства и потребления РМ в России. Оставшаяся высокая культура производства РМ и национальные интересы России позволяют считать, что мы должны опираться в основном на отечественное производство большинства РМ. Это потребует в первую очередь создания и расширения с соответствующей модернизацией горно-обогатительных предприятий на базе имеющихся месторождений руд РМ, а также активного поиска новых промышленных месторождений. Так как от открытия месторождений до промышленного освоения с разработкой всей технологической цепочки, как правило, требуется не менее 10–15 лет, то важнейшей задачей геологической службы России является активная подготовка к наращиванию производства, особенно по ударным РМ. Такая масштабная работа конечно немыслима без государственной поддержки».

Дата: 2019-02-25, просмотров: 220.

12 3 4 5 6 7 8 9 Следующая ⇒