Лев Быховский, Леонид Тигунов
ВИМС им. Н.М. Федоровского

    Цирконий и сплавы на его основе являются одними из основных конструкционных материалов современной атомной энергетики. Этот металл отличает исключительно удачное сочетание физико-механических свойств, среди которых выделяются высокая температура плавления, коррозионная стойкость и хорошие механические свойства в пароводяной среде, низкий коэффициент термического расширения и малая плотность. Однако наиболее ценным качеством циркония является низкое сечение поглощения тепловых нейтронов – в 1,2 раза ниже, чем у алюминия, в 6 раз – ниобия, в 13 раз – железа, в 31 раз – титана. Именно эта «ядерная прозрачность» создала цирконию славу «материала атомного века» и обеспечила широкое практическое применение прежде всего для оболочек тепловыделяющих элементов (твэл) – наиболее ответственных конструкционных деталей активной зоны реакторов, использующих в процессе ядерного деления энергию тепловых нейтронов. В настоящее время более половины всех ядерных энергетических установок мира работают с использованием циркониевых сплавов.
Динамичный рост атомной энергетики за последние полвека способствовал развитию промышленного производства циркония, включая многоступенчатый цикл – от подготовки и переработки исходного сырья до выпуска готовой металлопродукции.
    Первые партии металлического циркония в нашей стране были получены в середине прошлого века на базе предприятий Министерства среднего машиностроения при активном участии научных подразделений – ВИАМ, Института атомной энергии им. И.В. Курчатова, ВНИИНМ им. А.А. Бочвара и др. Исключительно важна роль советской металловедческой школы в создании высокоэффективных промышленных сплавов циркония и технологии их обработки. Решающий вклад в создание циркониевой промышленности и решение ее научных проблем внесли А.А. Бочвар, Е.П. Славский, Р.С. Амбарцумян, А.С. Займовский, А.А. Киселев и многие другие ученые и инженеры.
    Сегодня крупнейшим производителем циркониевой продукции в России является Чепецкий механический завод, входящий в состав корпорации «ТВЭЛ», который полностью удовлетворяет потребности отечественной атомной энергетики в циркониевых полуфабрикатах высокого качества и широкого сортамента.

Ц

ирконий традиционно относится к редким металлам, хотя по распространенности в земной коре он превосходит медь, никель, цинк, олово, свинец, кобальт. Мировое производство циркониевых концентратов достигло 1 млн т в год (650 тыс. т ZrO₂), что превышает выпуск остальных редких металлов, а также олова, вольфрама, молибдена, кобальта вместе взятых. Цирконий можно называть редким металлом только потому, что он является сравнительно новым материалом, промышленное использование которого началось всего около 50 лет назад.
    В настоящее время подтвержденные мировые запасы циркония составляют 60 млн т (в пересчете на ZrO₂), при этом около 50 % относятся к Австралии, 24 % – ЮАР, 9 % – США. Кроме того, промышленные месторождения этого металла есть также на Украине, в Индии, Китае, Бразилии, России и других странах.
    В мире пока не выявлено крупных и богатых месторождений собственно циркония – он заключен, как правило, в комплексных рудах и россыпях совместно с титаном, железом, медью, танталом, ниобием, редкими землями, где является одним из основных или попутных компонентов. Более 95 % запасов циркония за рубежом учтено в прибрежно-морских рутил-циркон-ильменитовых россыпях, которые и являются главными источниками добычи. При этом добыча циркония из недр всегда осуществлялась параллельно с титаном в соотношении 1:5–1:6. Обычное содержание циркона в разрабатываемых россыпях 6–20, ильменита – 20–80, рутила – 5–15 кг/м³. На большинстве этих месторождений доля цирконового концентрата в реализации товарной продукции составляет 10–25 %. Небольшая часть запасов циркония – около 5 % – заключена в бадделеитсодержащих комплексных месторождениях. Известны также коренные месторождения эвдиалитовых руд в луявритах, циркона – в щелочных гранитах и нефелиновых сиенитах, но они пока не отрабатываются. Новый потенциально промышленный тип собственно циркониевых руд – гельциркон-бадделеитовые – выявлен в Хабаровском крае (месторождение Алгама).
    Из примерно 20 известных цирконийсодержащих минералов промышленное значение имеют только два – циркон и бадделеит. Циркон (ZrSiO₄) содержит 60–67 % ZrO₂, бадделеит – 95–97 % ZrO₂. В последние годы в сферу практического использования стал привлекаться сложный полиминеральный агрегат циркония – так называемый калдесит (Бразилия), представляющий собой смесь бадделеита, циркона и других минералов с содержанием 65–80 % ZrO₂. На долю циркона приходится не менее 95 % общего производства циркониевого сырья, на долю бадделеита – около 5 %. Исследуются также возможности промышленного использования еще одного циркониевого минерала – эвдиалита, содержащего 11–16 % ZrO₂.
    Основными видами циркониевого минерального сырья являются цирконовый и бадделеитовый концентраты, а также продукты их переработки. За последнее десятилетие спрос на эту продукцию увеличился на 20 %. Основными производителями цирконового концентрата в настоящее время являются Австралия и ЮАР.
    Самый емкий и в то же время активно растущий рынок циркона – производство строительной керамики, выпуск высококачественной глазури, эмалей, сантехнического оборудования. Традиционно циркон применяется как важное неметаллическое сырье при изготовлении высококачественных плавленых огнеупоров для литейного, стекольного и других производств. Только 15 % циркониевого сырья (в СССР было около 25 %) используется для производства металлического циркония, его оксида и других соединений. Структура потребления цирконовых и бадделеитовых концентратов в мире приведена на рисунке.
    Полуфабрикаты из сплавов циркония широко используются как конструкционный материал активной зоны ядерных реакторов, в первую очередь, в качестве оболочек тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ). Кроме того, металлический цирконий применяется в качестве легирующих добавок для производства специальных сталей и сплавов, в химическом машиностроении как конструкционный материал, работающий в агрессивных средах, и других областях техники.


    Разнообразные соединения циркония – диоксид, сульфаты, оксихлораты, карбонаты и др. – идут для производства огнеупоров, керамики, глазури, используются в спецстеклах, для дубления кожи и т.п. Цирконовые концентраты – пока единственный источник получения еще одного редкого элемента – гафния, который содержится в них в количестве 0,5–2 % HfO₂.
    Основными экспортерами цирконового концентрата являются Австралия и ЮАР. Основными импортерами – страны Западной Европы (Италия, Испания, Германия, Франция, Нидерланды и Великобритания), а также Китай и Япония.
    Внешняя торговля металлическим цирконием, который реализуется на мировом рынке преимущественно в форме ферросплавов и скрапа, носит ограниченный характер, что обусловлено международным соглашением о нераспространении ядерного оружия. Объем торговли металлом и сплавами значительно меньше, чем концентратами.
    Основными экспортерами металлического циркония являются Тайвань и Италия, в меньших объемах его экспортируют США и Канада. Главными импортерами металла являются Китай и Япония, в меньшей степени – Чехия, Германия, Швеция и другие страны Западной Европы.
    Мировые цены на цирконовый концентрат после длительного периода неустойчивости характеризуются сейчас умеренным ростом – около 3 % в год. В марте 2003 года они приблизились к 370–400 долл./т фоб Австралии и США. Ожидается, что в обозримой перспективе эта тенденция сохранится, так как новые разведанные и разведуемые месторождения по качеству руд уступают эксплуатируемым, а перспективы обнаружения богатых месторождений нереальны. В отличие от концентрата, рынок металлического циркония относительно стабилен. Цены на циркониевую губку в последние 10 лет сохраняются на уровне 20–26 долл./кг. Также стабильными многие годы являются цены на бадделеитовый концентрат – 1300 долл./т (абразивный сорт) и 3000 долл./т (специальный сорт).
    Циркон был одним из самых дефицитных видов минерального сырья в СССР. Единственным производителем цирконовых концентратов оставался Верхне-Днепровский (ныне Вольногорский) горно-металлургический комбинат на Украине, отрабатывающий Малышевское россыпное месторождение и выпускавший этой продукции до 40 тыс. т в год. До 10–12 тыс. т концентрата ежегодно экспортировалось из Австралии. В 80-х годах в СССР ежегодно использовалось до 50 тыс. т цирконовых концентратов (почти 70 % мирового потребления). Около 40 % их шло на производство огнеупоров, 24 % – на выпуск формовочных смесей для литейного производства, около 12 % использовалось для производства металлического циркония и его соединений, строительной керамики и в других областях промышленности.
    После периода спада в России теперь наблюдается рост потребления цирконового концентрата, которое в 2000 году приблизилось к 12 тыс. т. Ожидается, что к 2005 году потребление этой продукции составит не менее 28–30 тыс. т, что соответствует началу 90-х годов. Потребление бадделеитового концентрата в РФ не превышает нескольких сотен тонн в год.
    Большая часть цирконового концентрата импортируется с Украины, реже – из Австралии. Частично потребность удовлетворялась за счет запасов госрезерва. По данным Industrial Minerals, объем поставок цирконового концентрата за 2000–2001 годы возрос на 11 % и составил около 14 тыс. т. Украина в последнее время продает его в Россию по 500–600 долл./т.
    Среди российских предприятий по выпуску продукции из циркониевого сырья нужно отметить следующие:
    – Чепецкий механический завод (г. Глазов, Удмуртия), выпускающий широкий сортамент металлопродукции из циркониевых сплавов (слитки, трубы, лист, пруток и др.) для объектов атомной энергетики, а также различные потребительские товары из высокочистых циркониевых соединений. Завод использует около 1,5–2 тыс. т цирконового концентрата в год (при производственной мощности 3 тыс. т);
    – Щербинский завод ЭПО (Московская область), выпускающий электроплавленые огнеупоры – бакоры для стекольной промышленности. Предприятие потребляет 4–5 тыс. т концентрата в год (при мощности 15 тыс. т);
    – Челябинский абразивный завод, выпускающий циркониевый корунд для обдирочного инструмента, применяемого в производстве товарных продуктов из высококачественных сталей и сплавов;
    – Ключевский ферросплавный завод (Свердловская обл.), выпускающий цирконийсодержащие ферросплавы для легирования стали и использующий ежегодно около 45 тыс. т концентратов.
    Кроме того, цирконовый концентрат без всякой переработки используется многочисленными предприятиями в других отраслях. Наиболее крупными потребителями являются заводы, выпускающие керамическую плитку и санитарно-строительные изделия. Потребление циркона в этом секторе составило в 2000 году 5,6 тыс. т концентрата. Сохраняется его использование машиностроительными и металлургическими заводами в литейном производстве.
    Циркониевое минеральное сырье в России производится только на Ковдорском ГОКе (Мурманская обл.), который попутно получает бадделеитовый концентрат при обогащении апатит-магнетитовых руд. Объем производства за последние годы увеличился более чем вдвое – до 6,8 тыс. т концентрата. Увеличение произошло за счет совершенствования технологии извлечения бадделеита (с 10 % до 27 %) и вовлечения в переработку лежалых хвостов мокрой магнитной сепарации.
    Ковдорский ГОК является единственным в мире производителем бадделеитового концентрата, после прекращения в 2001 году его выпуска на месторождении Палабора в ЮАР. Однако большая часть продукции (более 90 %) экспортируется в Норвегию, Японию, Германию и другие страны. В Норвегии построен завод по производству высококачественного диоксида циркония из ковдорского бадделеитового концентрата (5 тыс. т/год).


    Минимальные перспективные потребности России в циркониевом сырье в условиях экономической стабилизации страны оцениваются в 30– 35 тыс. т/год цирконовых концентратов, а к 2010 году – в 100 тыс. т. Оптимальные потребности после 2015 года могут составить 200–250 тыс. т/год, что соответствует потреблению высокоразвитых стран.
    Учитывая, что циркониевое сырье имеет очень высокую эффективность применения в самых разных отраслях промышленности, не вызывает сомнений необходимость освоения имеющейся в России минерально-сырьевой базы. По учтенным Государственным балансом РФ запасам циркония Россия занимает третье место в мире, но доля основного промышленного типа месторождений циркония – комплексных титано-циркониевых россыпей – составляет не более 21 % разведанных запасов категорий А+В+С₁+С₂ (в мире – 95 %). Менее 10 % приходится на единственное эксплуатируемое Ковдорское месторождение бадделеит-апатит-магнетитовых руд. Основные же запасы (около 69 %) заключены в двух коренных месторождениях, связанных со щелочными магматическими породами, – Улуг-Танзекским и Катугинским редкометалльными (Nb-Ta-Th), где циркон является попутным.
    Государственным балансом РФ учтены запасы диоксида циркония на 11 месторождениях, четыре из них отнесены к забалансовым (см. таблицу). Среди балансовых есть 4 месторождения с комплексными титано-циркониевыми песками – Лукояновское в Нижегородской области, Тарское в Омской, Туганское и Георгиевское в Томской. В забалансовых месторождениях до сих пор числится самое крупное россыпное месторождение России – Центральное в Тамбовской области, хотя имеются все основания для перевода его в группу балансовых.
    Есть также несколько объектов с крупными прогнозными ресурсами, из которых наиболее изученными являются Бешпагирское месторождение в Ставропольском крае, Ордынское в Новосибирской области, Кирсановское в Тамбовской и др.
    Несмотря на относительно малую долю россыпей в запасах, их вполне достаточно для удовлетворения ближайших потребностей отечественной промышленности. Это положение, в частности, нашло свое отражение в федеральных программах «Титан России» (утверждена Правительством РФ в 1992 г.) и «Руда России» (1996 г.), где было намечено ввести к 2000 году в освоение Туганское, Тарское, Лукояновское, Центральное россыпные месторождения. Однако до сих пор ни одно из них не используется. В последнее время появилось сообщение, что ГМК «Норильский никель» намерена начать освоение Центрального месторождения и в 2004 году выйти на проектную мощность в 5 млн т руды. Опытная добыча велась на Туганском и Тарском месторождениях. На все эти россыпи различным организациям выданы лицензии на отработку, но сроки начала эксплуатации не выдерживаются в основном из-за отсутствия необходимых инвестиций, потребность в которых оценивается не менее чем в 20 млн долл. на каждое. Отсюда следует, что наиболее реальным путем обеспечения минеральным сырьем производителей циркониевой продукции является промышленное освоение наиболее благоприятных в горно-геологическом и технологическом отношениях участков. Это Восточный участок Центрального месторождения, где коэффициент вскрыши составляет всего лишь 2,22 м³/м³, а рудный пласт песков содержит 5–6 кг/м³ циркона, 30–32 кг/м³ ильменита и 6–7 кг/м³ рутила. На Лукояновском месторождении проектируется для освоения участок Итмановский, где вскрыша более значительна (К=3–5 м³/м³), но пески характеризуются более высокими концентрациями циркона (более 24 кг/м³), рутила с лейкоксеном (9 кг/м³) и ильменита с хромитом и гематитом (90 кг/м³). На Туганском месторождении к первоочередному освоению намечен Южно-Александровский участок, где рудный пласт мощностью 5 м залегает на глубине всего около 7 м, а пески содержат 11 кг/м³ циркона, 30 кг/м³ ильменита, 4,6 кг/м³ рутила. На Левобережном участке Тарского месторождения рудные пески содержат 8 кг/м³ циркона, 50 кг/м³ ильменита, 7 кг/м3 рутила с лейкоксеном. Мощность пласта около 5 м, средняя глубина залегания – 50 м. Компанией «Цирконгеология» здесь в значительном объеме проведены опытно-промышленные работы методом скважинной гидродобычи и доказана возможность применения этого метода для освоения глубокозалегающих рудных песков.
    Предварительные исследования показали, что первоначальное освоение вышеперечисленных участков целесообразно при сравнительно небольшой производительности (около 0,5–1 млн м³/год) с тем, чтобы наряду с выпуском основных концентратов (цирконового, ильменитового, рутилового) иметь возможность выпуска и сбыта на месте попутной нерудной продукции обогащения песков – кварца, каолина, алюмосиликатов. В этом случае можно получать на этих участках до 25–30 тыс. т цирконового концентрата. Технико-экономические расчеты освоения Центрального, Лукояновского, Туганского и Тарского месторождений показали, что при выходе на проектную мощность они могут суммарно давать в год до 110 тыс. т такого концентрата. Этого достаточно для обеспечения первоочередных нужд промышленности России.
    После завершения геологоразведочных работ и технологических исследований в освоение можно вовлечь Ордынское, Бешпагирское, Георгиевское месторождения. При оценке этих и других подготавливаемых к промышленному освоению россыпей особое внимание следует уделять достоверности опробования рудных песков, вопросам их комплексного использования и проведения маркетинга для всех товарных продуктов.
    Завершение на Ковдорском ГОКе работ по совершенствованию технологии обогащения, реконструкции обогатительной фабрики и переработке лежалых цирконийсодержащих хвостов позволит в ближайшие годы увеличить выпуск бадделеитового концентрата до 8–10 тыс. т в год.
    Представляется необходимым продолжить исследования экономической целесообразности использования эвдиалитовых руд Ловозерского месторождения (участок Аллуайв) как крупнейшего, практически неограниченного источника не только циркония, но и редких земель иттриевой группы.
    Распоряжением Правительства РФ цирконий отнесен к стратегическим видам минерального сырья. Освоение российских месторождений циркона, прежде всего комплексных титано-циркониевых россыпей, является весьма актуальной задачей.