Алексей Быбочкин
Академик РАЕН

    Для индустриальных стран своеобразным пропуском в XXI век станут дальнейшее развитие производства редких металлов, снижение их стоимости и на этой основе расширение сферы их применения. В настоящее время редкие металлы используются в атомной промышленности, самолето- и ракетостроении, оптике и электронике, производстве специальных сплавов и сверхпроводников. С их помощью удается значительно повысить прочность и надежность оборудования, функционирующего в условиях высоких давлений, температур и скоростей. Можно с уверенностью сказать: без применения редких металлов уже невозможно создание новых высокоэффективных материалов и образцов современной техники.
    Промышленное производство и использование редких металлов начались в XX веке, особенно после второй мировой войны. Вместе с тем многие редкие металлы до сих пор используются в малых количествах, что обусловлено не только технологическими трудностями их производства, но и высокой стоимостью. Основными потребителями всех производимых в мире редких металлов являются наиболее промышленно развитые страны – США, Япония, Германия, Англия, Франция, Канада. Объемы производства редких и редкоземельных металлов, а также металлов рассеянной группы на сегодняшний день достаточны для обеспечения текущих потребностей и создания стратегических резервов в этих странах.
    К редким металлам относят более тридцати химических элементов, объединенных в пять групп: щелочные, легкие, тугоплавкие, редкоземельные и рассеянные (см. таблицу). По своим геохимическим и физическим свойствам, характеру размещения и локализации в земной коре химические элементы, ассоциирующиеся с понятием «редкие металлы», «редкоземельные металлы», «рассеянные элементы», объединяются в пять групп, представленных в таблице.
    Понятия «редкие металлы», «редкие и рассеянные элементы», «редкоземельные металлы» применяются не всегда логично. Например, содержание мышьяка в земной коре составляет 0,0002 %, но мышьяк – не редкий металл и для него характерно образование в недрах крупных месторождений качественных мышьяковистых руд. Действительно редкий металл – рубидий, содержание которого в земной коре достигает 0,015 %, т. е. в 75 раз превышая содержание мышьяка, не образует самостоятельных месторождений и встречается в рассеянном состоянии. Для подавляющего числа редких металлов характерно их низкое содержание в руде, которое не превышает десятые, а чаще сотые и даже тысячные доли процента. Исключение составляют цирконий, литий, некоторые металлы редкоземельной группы, содержание которых в рудах достигает иногда нескольких процентов.
    Понятие «рассеянные элементы» (металлы) отражает их тенденцию к рассеиванию в кристаллических решетках основных рудообразующих минералов месторождений черных (германий в железных рудах месторождения Каражал в Казахстане и др.), цветных металлов, горно-химического сырья (апатитовые руды Кольского полуострова), коксующихся и энергетических углей, гидроминерального сырья (литий озера Сальвер Пик, США). Сырьевым источником для производства металлов, относящихся к группе рассеянных элементов, являются комплексные руды в основном цветных металлов, а для германия и руды черных металлов, угли. При комплексной переработке этих руд, а также при коксовании или сжигании углей на ТЭЦ они накапливаются в концентратах меди, свинца, цинка, вольфрама, молибдена, олова, сурьмы, железа, пылях, золах и продуктах коксования. При последующей переработке концентратов редкие металлы накапливаются в пылях, шламах, илах, шлаках и других отходах металлургического производства. Месторождения редких металлов отличаются комплексным, крайне неравномерным, характером оруднения и невысоким содержанием полезных компонентов в руде, сложной текстурой и структурой руд. Только комплексная разработка месторождений и комплексная переработка редкометалльных руд с использованием новейших технологий и применением сбалансированных цен обеспечивают рациональное в технологическом, экологическом и экономическом отношениях производство редкометалльной продукции.
    Выявление, разведка и изучение месторождений редких металлов, исследование вещественного состава руд и, наконец, их разработка более сложны и капиталоемки, чем освоение месторождений других видов минерального сырья, т. к. здесь требуются прецизионные методы исследования, сложные технологии комплексной переработки руд и концентратов, сбалансированный механизм ценообразования на конечную редкометалльную продукцию с учетом ожидаемого экономического эффекта.

    Щелочные металлы
    По данным Горного бюро и Геологической службы США, общие запасы окиси лития в западных странах оцениваются в 18 – 19 млн. т. Около 80 % этих запасов и более 50 % подтвержденных сосредоточены в литиеносной рапе соленых озер Боливии (Салар-де-Уюни), Чили (Салар-де-Атакама), США (Сильвер-Пик). 19 % окиси лития сосредоточено в гранитных пегматитах Австралии (Гринбушес), США (Кингс-Маунтин), Заира (Маноно-Киттотого), Канады (Йеллоунайф-Болье, Берник-Лейк), Зимбабве (Бикита) и Намибии (Карибаб). Лидирующая роль в производстве лития (более 70 %) принадлежит США. На долю других производителей лития в Западной Европе, Японии, Южной Америке приходится около 30 % всей используемой странами Запада литиевой продукции.
    По оценке Горного бюро США, потребность Соединенных Штатов в литии в 2000 году составит 5,1 – 5,5 тыс. т, а всех западных стран с развитой рыночной экономикой достигнет, вероятно, 13,5 – 15,0 тыс. т. Цена металлического лития в слитках (содержание лития 99,9 %) – 73,5 долл. за 1 кг.
    Рубидий – типичный рассеянный элемент, встречается очень редко и не образует крупных концентраций. Содержится в рудообразующих минералах месторождений калийных солей, рассолах и рапе соляных озер, а также в водах нефтегазовых месторождений, иногда совместно с литием, бромом, иодом, цезием и стронцием. Запасы рубидия в месторождениях калийных солей оцениваются многими тысячами тонн.
    Цезий чаще встречается в рассеянном состоянии в месторождениях калийных солей, в литийсодержащих рассолах соляных озер, редко – в пегматитах, где он представлен поллуцитом – соединением цезия, кремния, алюминия и кислорода. Содержание цезия в поллуците достигает 25 %, а в руде – не превышает десятых долей процента. Запасы цезия в рудных месторождениях не превышают нескольких десятков тысяч тонн.
    Производство цезия в мире непрерывно растет, что требует крупных инвестиций на поиски, разведку и разработку его месторождений. По этим причинам стоимость цезия на мировом рынке в 4 – 5 раз превышает цену золота. Цезий обладает уникальными свойствами и рассматривается в настоящее время как один из важнейших компонентов новейшей техники. Наиболее важными являются фотоэлектрические свойства цезия и его способность термоионизировать, т. е. под воздействием тепла выделять по одному электрону на каждый атом, становясь источником электрического тока.

    Легкие металлы
    Месторождения ериллия установлены в двух десятках стран мира. Промышленное его получение началось только в двадцатых годах XX столетия и до сороковых годов масштабы производства и применения бериллия были невелики. Однако рост потребности в высококачественных материалах с новыми свойствами вызвал увеличение спроса на бериллий, его сплавы и соединения. Использование бериллия в атомной промышленности, ракето- и самолетостроении существенно увеличило его производство.
    Наиболее крупными запасами обладают Индия (178 тыс. т), ЮАР (42 тыс. т), Уганда (41 тыс. т), Руанда (30 тыс. т), Зимбабве (27 тыс. т), Заир (20,2 тыс. т), Бразилия (387 тыс. т), Аргентина (70 тыс. т), а также Канада, США и Австралия (примерно по 65 – 70 тыс. т).
    Общие суммарные запасы окиси бериллия западных стран оцениваются в 1,0 млн. т, в том числе подтвержденные 160 тыс. т. Общий объем производства окиси бериллия в концентрате с 11 %-ным ее содержанием составляет более 850 т в год, в том числе США производят 650 – 700 т, Бразилия – 125 – 130 т, Зимбабве и Мадагаскар – по 5 т. Основным потребителем являются США – около 800 т, страны Западной Европы – 255 – 260 т, Япония – 120 т, Индия – 20 т. К 2000 году потребность в окиси бериллия оценочно будет ежегодно увеличиваться на 10 – 15 %. Структура потребления бериллия в США следующая: 22 % используется в атомной и аэрокосмической технике, 36 % – в электротехнике, 20 % – в электронике, 22 % – для производства металла, сплавов с медью и другими металлами и различных соединений.
    Основным экспортером бериллиевых концентратов является Бразилия. США экспортируют в страны Западной Европы и Японию сплавы, скрап и соединения бериллия. Одновременно США импортируют сплавы и соединения бериллия из ФРГ, Англии, КНР. Япония и западноевропейские страны импортируют бериллиевую продукцию из стран Африки, Южной Америки и КНР. Цены бериллия остаются высокими – до 650 долл. за 1 кг, что сдерживает его потребление.
    Скандий – светло-серый металл, менее легкий, чем бериллий, и очень тугоплавкий: температура его плавления 1538 ^oС. Известны три собственных скандиевых минерала – тортвейтит, стерриттит и бацит. В форме рассеянной примеси скандий установлен почти в 100 минералах. В последние годы скандий обнаружен в месторождениях титана на Украине (Стремигородское). Основным источником получения скандия являются вольфрамитовые, касситеритовые и ильменито-рутиловые концентраты, а также некоторые урановые руды.

    Тугоплавкие металлы
    Эти металлы, за исключением гафния, образуют самостоятельные месторождения, разведанные во многих странах мира. Для ниобия и тантала характерно совместное их нахождение в ниобиевых или танталовых месторождениях, а для циркония – в титановых, железо-апатито-циркониевых и апатито-нефелиновых. Тантал в виде рассеянной вкрапленности содержится в некоторых месторождениях олова, вольфрама и титана. Организация извлечения тантала при переработке концентратов касситерита, вольфрамита и рутила ряда месторождений позволит существенно пополнить баланс его производства.
    Общие запасы пентоксида ниобия в зарубежных странах оцениваются в 16 – 18 млн. т, в том числе подтвержденные 5 – 7 млн. т. Большинство их приходится на долю Бразилии (оценочно – 13 млн. т), Канады (1,8 млн. т), Заира и Нигерии (соответственно 0,7 и 0,13 млн. т), Австралии (0,25 млн. т). Основные производители ниобия в концентрате – Бразилия (более 13,5 тыс. т) и Канада (более 2,0 тыс. т). Используется ниобий при производстве макролегированных и нержавеющих высокопрочных сталей, суперсплавов. Структура использования ниобия двумя наиболее крупными его потребителями – США и Японией – различна. Так, США почти половину потребляемого ниобия используют для производства стали, применяемой в строительстве и на транспорте (25 %), в нефтяной и газовой промышленности (18 %), в машиностроении (10 – 12 %). Япония более 95 % ниобия использует для производства сталей различных марок и различного назначения, а также феррониобиевых сталей, около 3 % – в оптике и электронике, 1 % – для производства ниобиевых сверхпроводников, 0,5 % – для производства твердых (карбонатных) сплавов.
    Общие запасы тантала за рубежом оцениваются в 158 тыс. т, в том числе подтвержденные около 60 тыс. т. Подавляющая их часть заключена в недрах Австралии (месторождение Гринбушас), Египта (месторождения Абу Деббат и Нувейбу), Мозамбика (Марку и др.), Тайланда (прибрежно-морские россыпи Пхукет, Данаиг), Канады (Барник-Лейк), Нигерии (россыпи Кафо-Валли, Джос-Бокуру). Основные области применения танталового сырья – производство электрических конденсаторов, карбидов, суперсплавов в виде монокристаллических компонентов, электронная промышленность. Главные потребители тантала – США (36 %), Япония (17 %), страны Западной Европы (47 %). США используют около 400 т тантала в виде металла, порошка, слитков, соединений, сплавов и готовых изделий, в том числе в электронной промышленности (59 %), машиностроении (19 %), транспорте (15 %) и других областях (7 %). Япония потребляет около 200 т тантала, в том числе в виде порошка (50 %), сплавов и соединений (29 %), проката (21 %).
    Цирконий содержится как в коренных, так и в россыпных месторождениях. Главным импортером циркониевого сырья являются США, Япония, страны Западной Европы, а экспортерами – Австралия, Индия, Сьерра-Леоне, Норвегия.
    Гафний – металл серебристо-белого цвета, легко поддается горячей и холодной обработке и по химическим свойствам близок к цирконию. Однако, удельный вес гафния (13,3) значительно выше, чем у циркония. Температура его плавления 2130 ^oС. Особой тугоплавкостью обладает карбид гафния, температура плавления которого достигает более 3900 ^oС. Это самое тугоплавкое вещество в природе. Гафний в отличие от циркония менее прозрачен для нейтронов, его эффективный радиус захвата более 100 барнов, что почти в 500 раз больше, чем у циркония. Благодаря этим свойствам он находит применение в контрольно-измерительных устройствах атомных реакторов для регулирования потока нейтронов.
    Гафний – рассеянный элемент, собственных минералов не образует и в природе обычно сопутствует цирконию, в котором его содержание колеблется от 1 – 2 до 6 – 7 %. Гафний используется в атомной энергетике, а также для производства жаропрочных сплавов, применяемых в авиационной и реактивной технике.

    Редкоземельные металлы
    В прошлом «землями» химики называли окиси металлов, зачастую не умея получить из них соответствующие металлы. Для редкоземельных металлов это название сохранилось до наших дней еще и потому, что в редкоземельных месторождениях они почти всегда встречаются совместно. В настоящее время имеются технологии получения отдельных металлов, входящих в группу редкоземельных, благодаря чему стало возможным достаточно полно охарактеризовать их замечательные свойства и на этой основе определить области применения.
    Внешне – это серебристо-серые металлы, свойства которых закономерно изменяются от лантана до лютеция. Например, их удельный вес повышается с 6,1 у лантана до 9,8 у лютеция, за исключением европия (5,1) и иттербия (6,9). В том же порядке повышается их температура плавления: от 920 ^oС (лантан) до 1750 ^oС (лютеций), за исключением церия (805 ^oС), иттербия (825 ^oС) и европия (900 ^oС). На воздухе редкоземельные металлы относительно устойчивы, но во влажном воздухе и при нагревании окисляются, а при температуре 200 – 400 ^oС воспламеняются.
    Замечательны магнитные свойства редкоземельных металлов, возрастающие от лантана до тербия, магнитная восприимчивость которого в 20 тыс. раз превышает магнитную восприимчивость магния. Эти свойства редкоземельных металлов используются для производства специальных магнитных сплавов. Редкоземельные металлы обладают способностью более эффективно поглощать тепловые нейтроны, выделяющиеся в процессе использования атомной энергии. Например, у гадолиния этот показатель составляет 46 тыс. барнов, что во много раз превышает подобные свойства многих других веществ. Достаточно хорошо изучены и определены возможности эффективного применения редкоземельных металлов в металлургии, химической промышленности, машиностроении и приборостроении, в производстве стекла.
    Термин «редкоземельные элементы» не исключает возможности образования крупных месторождений. Например, в КНР (Внутренняя Монголия) известно крупное магнетито-редкоземельное месторождение Байюньобо, руды которого содержат 50 – 60 % железа и 2 – 6 % и более металлов редких земель цериевой группы.
    В природе известно более 70 собственных редкоземельных минералов и около 280 минералов, в которых они содержатся в форме примесей. Важнейшими минералами редкоземельных элементов являются монацит, ксенотим, бастнезит.
    В промышленных условиях редкоземельные элементы извлекают из руд и концентратов методами гидрометаллургии, электролиза и металлотермического восстановления. Выделение отдельных редкоземельных элементов осуществляется методом ионообменной хроматографии.

    Металлы рассеянных элементов
    Технический прогресс в области технологии комплексной переработки минеральных ресурсов позволяет извлекать металлы этой группы из концентратов черных и цветных металлов, а также углей.
    Индий встречается в рассеянном состоянии в минералах олова, цинка, меди, колчедана оловянных, полиметаллических, медноколчеданных месторождений. Содержание индия в рудах указанных месторождений колеблется от 0,001 до 1,0 %.
    Таллий в основном встречается в рассеянном состоянии в пиритах, сфалеритах, галенитах, пиролюзитах колчедан-полиметаллических, полиметаллических и марганцевых месторождений. Содержание таллия в указанных месторождениях колеблется от 0,001 до 0,3 % (свинцово-цинковые с пиритом месторождения). Известно несколько собственных минералов. Источником для получения в промышленных масштабах являются концентраты пирита, сфалерита, халькопирита, галенита, марказита, в которых содержание таллия достигает 10 – 15 г/т и даже более 30 г/т (свинцово-цинковые концентраты).
    Галлий встречается в рассеянном состоянии, всегда сопутствуя алюминию. Галлий представлен собственным минералом – галлитом в единственном в мире месторождении Цумеб в Африке, где ассоциирует с германием в минерале германит. Источником для получения галлия в промышленных масштабах являются нефелиновые концентраты, бокситы и концентраты полиметаллов. Содержание галлия в бокситах колеблется от 15 до 300 г/т, в цинковых концентратах – 10 – 12 г/т.
    Селен образует несколько минералов, для него характерно самородное состояние. Однако чаще всего селен представлен в форме изоморфной примеси в сульфидных минералах железа, меди, свинца, цинка, молибдена колчеданных, полиметаллических и кварц-молибденитовых месторождений. Содержание его в рудах указанных месторождений колеблется от 0,0001 до 0,24 %. Сырьем для промышленного извлечения селена являются концентраты: медные, содержащие около 60 г/т, пиритные – 30 – 120 г/т, свинцовые – 100 – 300 г/т, медно-никелевые и цинковые – 40 – 50 г/т.
    Теллур установлен в сульфидных минералах колчеданных, полиметаллических и золото-кварцевых месторождений, содержание теллура в которых колеблется от 0,001 до 57,6 %. Наиболее высокие его концентрации установлены в минералах золото-кварцевых, колчеданных и полиметаллических месторождений, содержание теллура в которых достигает 36 – 60 г/т. Источником для промышленного получения теллура являются концентраты: медные, содержащие 20 – 35 г/т, пиритные – 15 – 50 г/т, медно-никелевые – 5 – 7 г/т, свинцовые – 50 – 60 г/т, цинковые – 25 – 30 г/т.
    Рений является наименее распространенным металлом. Он встречается в рассеянном состоянии в виде изоморфной примеси в молибдените, халькопирите и халькозине медно-молибденовых, кварц-молибденовых, молибден-шеелитовых и медноколчеданных месторождений. Установлены собственно рениевые минералы в рудах ряда медно-молибденовых месторождений. Содержание рения в этих рудах колеблется от 0,0001 до 0,06 %. Российскими вулканологами на Камчатке открыто собственно рениевое месторождение, генетически связанное с деятельностью вулканизма. Геолого-экономическая оценка этого месторождения не производилась. Источником для промышленного получения рения являются концентраты: медные, содержащие 20 – 30 г/т; молибденовые, содержащие 250 – 450 г/т и выше.
    Германий встречается в природе преимущественно в рассеянном состоянии в углях, сульфидных минералах цинка, меди, свинца и железа. Известны также собственные минералы германия – германит, содержащий 6 – 10 % германия, ренерит – 5 – 7 %, аргиродит – 5 – 7 %. В сфалерите его содержание достигает 0,1 %, а в магнетитах – до 0,004 %. Источником для промышленного получения германия являются продукты коксования и сжигания коксующихся и энергетических углей, а также колчеданные, медные и железные концентраты.
    Кадмий по химическим особенностям имеет ряд общих характерных черт с цинком. Известно более пятидесяти минералов, которые в виде рассеянной изоморфной примеси содержат кадмий. Практическое значение для получения кадмия в промышленных масштабах имеют концентраты сфалерита, галенита и халькопирита. Извлекают кадмий из отходов переработки указанных концентратов – пылей и кеков цинковых заводов.
    Резюмируя изложенное, можно сделать следующие выводы.

    1. Себестоимость производства редких металлов до сих пор остается достаточно высокой, а освоение редкометалльных месторождений – капиталоемким, что сдерживает, в частности в России и странах СНГ, крупномасштабное развитие производства редких металлов и их широкое применение в различных отраслях экономики.
    2. Месторождения редких металлов выявлены во многих странах мира. Разрабатываются в настоящее время наиболее конкурентоспособные из них при финансовом, технологическом и стратегическом контроле со стороны индустриально развитых стран – основных потребителей редких металлов.
    3. Для развития научно-технического прогресса во многих отраслях экономики (горная промышленность, металлургия, машиностроение, транспорт, энергетика, электроника, авиация, ракетостроение, космонавтика, химия и др.) необходимо в больших масштабах и значительно чаще, чем это делается в настоящее время, использовать редкие металлы.
    Рост их потребления окажет позитивное воздействие на совершенствование технологии переработки редкометалльного сырья и технологии получения сверхчистых редких металлов, сплавов на их основе, на снижение затрат на производство конечной продукции, а также на существенное повышение уровня технологии производства и качества выпускаемой продукции.
    4. Будущее науки, техники и экономики России зависит от развития качественной металлургии и применения редких металлов, что подтверждается опытом индустриальных стран Запада. Необходимо усилить поиски и разведку наиболее качественных, конкурентоспособных в условиях рыночной экономики редкометалльных месторождений на территории России, постоянно совершенствовать технологию комплексной переработки сырьевых ресурсов, содержащих редкие металлы, и за счет этого повышать сквозное их извлечение на рациональной технологической, экологической и экономической основе.
    5. В России и странах СНГ на взаимовыгодных условиях необходимо активизировать производство редких металлов и научно-исследовательских работ в целях их широкого использования в различных областях науки, техники, экономики. Для координации работ, связанных с более широким внедрением редких металлов, целесообразно создать финансово-промышленную группу.