Скандий не желает сплавляться
Несмотря на высокие потребительские качества сплавов металлов с редкоземельным скандием, они, как и тридцать лет назад, не востребованы в промышленности
В этом году Россия должна была закрыть свои потребности в редкоземельных материалах (РЗМ) и начать их экспорт. Такие перспективы Владимиру Путину обрисовал глава Минпромторга Денис Мантуров, представляя программу развития отрасли РЗМ, столь необходимых для производства высокотехнологичной продукции. Этого не произошло, и Россия по-прежнему вынуждена значительную часть своей потребности в РЗМ покрывать импортными поставками (главным образом китайскими).
Впрочем, некоторые подвижки есть. Например, компания «Далур» (управляется «Атомредметзолотом», АРМЗ, входит в структуру госкорпорации «Росатом») провела показательную плавку алюмо-скандиевой лигатуры с применением фторида скандия. В рамках этого проекта можно получать до 50 тонн сплава в год с возможностью увеличения этого показателя до 80 тонн.
В конкуренции за долю на мировом рынке высоких технологий в лидерах окажется производитель материалов с более высокими показателями. И производство РЗМ, позволяющих улучшать свойства привычных материалов, — важная составляющая этой борьбы. Серьезно подвинуть Китай, доля которого на мировом рынке РЗМ сегодня составляет от 80% до 90%, Россия вряд ли сможет, по крайней мере в обозримом будущем. Хотя накопленный научно-технический потенциал и огромные запасы редкоземельного сырья теоретически это позволяют.
Урановая «борода»
Скандий — уникальный по своим свойствам металл. Например, добавление его в количестве всего нескольких сотых процента в алюминий-литиевый сплав позволяет на 10–12% снизить вес изделия, не изменяя требований к его прочности. Такие сплавы больше всего востребованы в авиакосмической и других высокотехнологичных отраслях — там, где главным требованием является сочетание прочности и легкости. Например, алюминий составляет около двух третей веса каждого авиалайнера. Использование скандия в качестве добавки позволяет снизить вес, не опасаясь за прочность и безопасность деталей. Между тем снижение массы авиалайнера всего на один килограмм позволяет сэкономить на протяжении срока его службы от трех до четырех тысяч литров топлива.
Скандий не встречается в природе в свободном состоянии. Чтобы его добыть, приходится обрабатывать тонны пород из редкоземельных и урановых месторождений. Промежуточным продуктом на пути к металлу является оксид скандия (Sc2O3), который и сам по себе представляет ценность. Сегодня в России, судя по предложениям сайтов, торгующих редкими металлами, цена на скандий начинается от 300 тыс. рублей за килограмм (в зависимости от чистоты).
В 60-е годы прошлого века в мире производилось около 200 кг оксида скандия — в основном в США. В СССР около 10 кг оксида скандия выпускалось на Новосибирском заводе цветных металлов. Получали его из отходов от переработки оловянных руд и использовали в основном в качестве реагента. Никаких предпосылок к расширению производства скандия не было: с одной стороны, не было для него применения, с другой — подходящего сырья.
Нарастить объемы его производства в конце 1970-х — начале 1980-х годов помог случай.
Как рассказала непосредственный участник этих событий Жанетта Галиева, заместитель гендиректора по науке компании «Лаборатория инновационных технологий» (входит в ГК «Скайград», занимается производством РЗМ), установленные на горно-химическом рудоуправлении (ГХРУ, г. Лермонтов) экстракторы стали забиваться межфазными взвесями неизвестного состава и природы. Технологи в шутку называли их «бородой». Экстракторы периодически чистили, осадок собирали, а попутно выясняли причину сбоя режима экстракции. В итоге выяснилось, что эти взвеси образовывал именно скандий.
Тогда мало кто представлял, где именно и в какой отрасли будет востребован новый продукт. В итоге применение скандию нашлось в производстве сплавов для летательных аппаратов различного назначения, в том числе для космической промышленности. Исследованиями занимался отраслевой Всесоюзный институт авиационных материалов (ВИАМ). Они обнаружили, что введение всего 0,2% скандия в алюминий-литиевый сплав позволило улучшить его свариваемость, повысить прочностные характеристики при низких и высоких температурах и на 10–12% снизить вес аппарата.
Из сплава титана, алюминия, лития и скандия был сделан корпус советского многоразового космического корабля «Буран».
«К сожалению, эта композиция получилась очень дорогой. За нее могли платить Минобороны и Минсредмаш, которым были важны его характеристики, а не цена».
По словам Жанетты Галиевой, попытки «пристроить» скандий в гражданскую промышленность не увенчались успехом: предприятия признавали высокие потребительские качества сплавов с применением скандия, но не были готовы так много за него платить. «Цену снижать мы не хотели, — говорит Галиева. — Мы тогда оценивали стоимость одного килограмма высокочистого (99,99 процента) металлического скандия от 30 до 50 тысяч долларов. А потом наступили девяностые, промышленность остановилась, и скандий стал никому не нужен по любой цене».
Схожая ситуация наблюдается и сейчас.
Алюминий с добавками скандия мог бы заменить стальной прокат во многих изделиях — например, из него можно было бы делать кузова автомобилей. Это позволило бы облегчить конструкцию и сделать кузов чуть ли не вечным, поскольку этот сплав практически не подвержен коррозии.
Руслан Димухамедов, директор по развитию бизнеса АРМЗ, так объяснял ситуацию с внедрением в промышленность этого материала корпоративному изданию «Росатома»: «Автопроизводители требуют, чтобы цена сплавов со скандием отличалась от цены традиционных сплавов только в той мере, насколько они качественнее: если прочнее в полтора раза, то и дороже в полтора раза, не больше».
Гонка за скандием
О намерениях наладить производство в России столь ценного материала заявлялось неоднократно. Ранее производством алюмо-скандиевой лигатуры в ограниченных количествах занималось предприятие «Интермикс Мет», созданное на базе ГХРУ. Здесь производилось от 7 до 48 тонн лигатуры в год, из которых 60% поставлялось на внутренний рынок, а 40% отправлялось на экспорт. Сейчас предприятие остановлено.
В августе 2014 года «Русал» объявил о запуске на Уральском алюминиевом заводе (УАЗ) установки по выпуску из красного шлама, который является отходом глиноземного производства, первичного концентрата оксида скандия. Полученный продукт концерн планировал направить на изготовление алюминий-скандиевых сплавов на своих предприятиях. Заявленная мощность установки составляла полтонны оксида скандия в год. Как отмечают в компании, «Русал» обладает наибольшими в мире запасами скандия в накопленных красных шламах — около 32,5 тыс. тонн. «При этом хранящийся на полигонах шлам уже готов к переработке, нет необходимости в дополнительных затратах на его добычу и измельчение», — отмечается на официальном сайте компании. Впрочем, на какой уровень производства оксида скандия удалось выйти за последние годы, в компании не уточняют.
В интервью «Эксперту» летом этого года технический директор «Русала» Виктор Манн отмечал, что у компании «есть технология извлечения скандия из красных шламов, однако нам нужно снижать себестоимость изготовления оксида скандия. Как только мы увидим экономическую модель, можно будет строить фабрику по его производству».
Пока же компания осваивает производство высокопрочных алюминиевых порошков для аддитивных технологий, экономнолегированных скандием материалов для судостроения и космической техники.
В августе 2015 года о своих претензиях на скандий заявила госкорпорация «Росатом», где приняли решение профинансировать инвестиционный проект по организации его попутного извлечения в процессе добычи урана компанией «Далур» (Курганская область). Здесь используется метод подземного выщелачивания руд месторождений Зауральского уранорудного района, в которых присутствует скандий. Ранее «Далур» запустил опытную установку по получению коллективного концентрата редкоземельных металлов.
По словам Руслана Димухамедова, сейчас основным товарным продуктом компании в части РЗМ является оксид скандия: «В 2018–2019 годах мы произвели его суммарно около 500 килограммов, план на этот год — порядка 700 килограммов, на следующий год — уже до полутора тонн. С 2022 года мы намерены держать планку на уровне двух тонн. Это показатель, при котором объем внутреннего рынка и его потребление будут сбалансированными».
Большая часть конечных потребителей отечественных сплавов, говорит Руслан Димухамедов, — предприятия оборонно-промышленного сектора, которым жестко приказано использовать только российские компоненты для выпуска вооружения. «Если какой-нибудь обтекатель — то точно из российского сплава, предприятия четко за этим следят, пояснил он. — Заводы по выпуску легких сплавов, безусловно, смотрят за тем, чтобы у них и лигатура была российская. А вот сырье для лигатур — отдельная тема, там контролируют не всю цепочку поставок».
В этом году на предприятии планируют резко нарастить производство скандия — с 270 кг в прошлом году почти до тонны. Как заявил глава отдела по связям с общественностью и региональными органами власти АРМЗ Юрий Мурашко, это значительный объем, поскольку мировой рынок скандия в целом составляет 15–23 тонны в год. Более того, как сообщили в компании, весь объем произведенного ею скандия уже законтрактован. Но покупателя не назвали.
Значительные запасы скандия находятся в отвалах Качканарского ГОКа. «Это очень перспективное скандиевое сырье», — говорит Жанетта Галиева. По ее словам, в команде, занимавшейся созданием технологии извлечения скандия как попутного материала при добыче урана, было две группы специалистов — из МХТИ им. Д. И. Менделеева и Уральского политехнического института. В начале 1990-х уральские специалисты сумели доработать технологию и получить скандиевую лигатуру из отходов горно-обогатительного комбината. Но внедрить в гражданское промышленное производство полученный материал у них тогда тоже не получилось.
Впрочем, судя по всему, эта тема не забыта.
В июле прошлого года в ходе визита Владимира Путина в Екатеринбург ректор Уральского федерального университета (УрФУ) Виктор Кошкаров и председатель наблюдательного совета УрФУ, глава Трубной металлургической компании (ТМК) Дмитрий Пумпянский рассказали президенту, что готов к реализации масштабный инновационный проект, который может обеспечить стране солидную долю на мировом рынке скандия. «Есть возможность выйти на десять процентов мирового производства», — подчеркнул Пумпянский.
К сожалению, в УрФУ не смогли прояснить подробности, в частности то, какая сырьевая база и технология могут быть использованы для производства скандия в представленном Владимиру Путину проекте.
Второй подход к снаряду
В советские годы в стране существовала развитая РЗМ-промышленность полного производственного цикла. Эта отрасль, базируясь на отечественном сырье, выпускала широкую номенклатуру продукции высокого качества (от высокочистых оксидов редкоземельных материалов до люминофоров, магнитов и высокотемпературных проводников) и обеспечивала не только внутренние потребности, но и экспортные поставки. Суммарное производство РЗМ-продукции в 1991 году достигало 8500 тонн, что составляло порядка 15% мирового рынка и обеспечивало СССР третье место в мире по этому показателю.
Но уже в начале 2000-х пришлось констатировать, что российской РЗМ-промышленности как таковой не существует. Это при том, что страна находится на втором месте в мире по объему запасов редкоземов.
Исправить ситуацию была призвана принятая в 2014 году программа «Развитие промышленности редких и редкоземельных металлов». Согласно документу, как уже было сказано, планировалось полностью заместить импорт редкоземельных металлов. При этом потребность промышленности в них (по базовому варианту) оценивалась в пять-семь тысяч тонн в год.
По итогам 2019 года потребность отечественной промышленности в оксидах редкоземельных металлов составляла 1100 тонн, тогда как объем собственного производства составил лишь около 250 тонн. Все остальное пришлось импортировать.
В этом году власти вместе с госкорпорацией «Росатом» утвердили «дорожную карту» развития отрасли, включив в нее 11 проектов с участием частных инвесторов. Объем инвестиций превышает 100 млрд рублей, а реализация намеченных проектов, по идее Минпромторга, позволит России в ближайшие пять лет стать более обеспеченной редкоземельной продукцией.
Например, в 2026 году страна должна начать ее экспорт, а еще через четыре года превратиться в крупного мирового игрока с долей производства 10%. По оценке ведомства, производство редкоземельных металлов в концентрате к 2024 году может составить в России 7000 тонн.
Власти готовы стимулировать добычу РЗМ, прежде всего с помощью облегчения налогового бремени. С января этого года налог на добычу редких металлов, который до этого составлял 8%, снижен почти вдвое — до 4,8%.
Кроме того, планируется освоение крупнейшего в России якутского Томторского месторождения редкоземельных металлов и Зашихинского месторождения в Забайкалье. Ранее сообщалось, что на Томторском месторождении добыча может начаться уже в 2025 году.
Со своим самоваром
Развивать отрасль производства редкоземельных материалов необходимо, но существующая модель принятия решений требует пересмотра. «Я принимал участие в разработке многих стратегий и вывел единую для всех них системную проблему: они никак между собой не связаны, а потому обречены на неудачу, — отметил в беседе с “Экспертом” профессор, заведующий кафедрой химической технологии редких элементов Российского технологического университета МИРЭА Александр Дьяченко. — У нас в последние годы приняты стратегии развития минерально-сырьевой базы, электронно-компонентной базы, сейчас готовится стратегия развития отрасли РЗМ. Но они никак между собой не взаимодействуют, хотя взаимосвязь очевидна: одно без другого существовать не может». По словам Александра Дьяченко, нужна цепочка взаимосвязей, создать которую пока не получается.
«Наш выход — снижение себестоимости производства, по которой мы пока и близко не можем подойти к Китаю. Производства, которое завязано на промышленную базу периода 80–90-х годов прошлого века», — отмечает он. В принципе, Россия может производить все материалы, но при этом она неизбежно будет проигрывать по стоимости и продукция окажется невостребованной не только за рубежом, но и внутри страны, поскольку высокотехнологичных отраслей у нас крайне мало и внутреннее потребление отсутствует.
Для того чтобы снижать себестоимость, по мнению Александра Дьяченко, необходимо наладить массовое производство — на уровне более 10 тыс. тонн редкоземельных материалов в год.
Заместитель министра промышленности и торговли России Алексей Беспрозванных — о перспективах производства и применения скандия в России.
— Есть ли потенциальный спрос на скандий со стороны российской промышленности? И есть ли спрос на материалы, произведенные с применением скандия?
Новодережкин
/ТАСС
— Спрос на скандий, безусловно, есть. Скандий — это уникальная легирующая добавка к алюминиевым сплавам, повышающая их прочность при низких и высоких температурах, а также способность к свариванию, что позволяет снижать вес конструкции. Это свойство скандия предопределило его использование в аэрокосмической отрасли. Кроме того, сплавы со скандием можно использовать в авиастроении, автомобилестроении, судостроении, в том числе в производстве спортивного инвентаря высоких достижений.
Алюмо-скандиевые сплавы очень перспективны для применения в такой стремительно развивающейся отрасли, как 3D-печать: они позволяют создавать легкие и прочные детали сложнейших форм с весом чистого алюминия, а прочностью не уступающие титану.
Оксиды скандия высокой чистоты применяют в лазерной технике, специальной керамике. В настоящее время внутренняя потребность в скандии составляет около полутора тонн в год в пересчете на оксид высокой чистоты.
Потребителями алюмо-скандиевой лигатуры в России в настоящее время являются Каменск-Уральский металлургический завод и завод «Алюминий Металлург Рус», выпускающие сплавы для Государственного космического научно-производственного центра имени М. В. Хруничева и Государственного ракетного центра имени В. П. Макеева.
Используя современные разработки российских ученых, Россия может стать значимым игроком на мировом рынке скандия. Общая ежегодная мировая добыча скандия составляет 15–20 тонн, а его цена на сегодняшний день в зависимости от чистоты колеблется от 550 до 950 долларов за килограмм оксида.
Сейчас основная проблема производителей скандиевой продукции — поиск потребителей и снижение стоимости производства.
— Намерено ли министерство каким-то образом поддерживать проекты по производству скандия и других редкоземельных металлов?
— Минпромторг профинансировал две НИОКР, связанные с разработкой скандиевых технологий. «Русал ИТЦ» разработал технологию извлечения скандия и оксидов редкоземельных элементов из отходов красных шламов, получаемых при переработке глинозема. На базе Уральского алюминиевого завода в Свердловской области организовано опытное производство оксида скандия. В перспективе планируется создание промышленного производства оксида скандия объемом от нескольких сотен килограммов до 15 тонн.
АО «ВНИПИпромтехнологии» (входит в структуру «Росатома») разработало промышленную технологию разделения группового концентрата РЗМ и скандия, полученных из растворов подземного выщелачивания после выделения урана. На промышленной площадке АО «Хиагда» (Бурятия) создана мобильная установка для попутного извлечения редкоземельных металлов и скандия при добыче урана методом подземного скважинного выщелачивания с получением суммарного концентрата РЗМ и оксида скандия объемом несколько сотен килограмм в год.
Руды Томторского месторождения также богаты скандием, и в перспективе возможна организация попутного его извлечения с объемом производства около десяти тонн в год по оксиду.
— Предполагается ли экспорт скандия или все объемы будут востребованы на российском рынке?
— Экспорт скандия возможен. У нас достаточно его запасов. Как я уже упоминал, на сегодняшний день в России имеются три опытно-промышленных производства с суммарным объемом выпуска скандия в пересчете на оксид от одной до полутора тонн в год.
Широкому использованию скандия не только в России, но и в мире
препятствует высокая цена скандийсодержащей продукции. Во всем мире скандий получают попутно из отходов основного производства, и даже в этом случае, когда исходное сырье практически бесплатное, себестоимость этого редкого металла остается пока довольно высокой. А это вопросы усовершенствования технологии, над которыми мы будем работать.
В частности, хочу упомянуть, что специалисты АО «Далур» и ученые Уральского федерального университета разработали и запатентовали технологию производства специальной ионообменной смолы, применяющейся в процессе извлечения скандия из сбросных растворов уранового производства, которая позволяет увеличить степень извлечения скандия до 95 процентов. Так что эта работа у нас ведется.
— Известно, что в отвалах Качканарского ГОКа содержится значительное количество скандия. В разное время заявлялись проекты, связанные с его извлечением. Существует ли сегодня такая технология? Может ли она быть экономически целесообразной? Возможна ли реализация такого проекта?
— Реализация такого проекта возможна, но сейчас нет технологии, которая позволила бы создать экономически окупаемое предприятие со скандием как основным продуктом производства. Чтобы развернуть эффективное производство на базе отвалов, необходимо разработать комплексную технологию извлечения всех полезных элементов. Минпромторг следит за подобными исследованиями и поддерживает их.
Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl