Сергей Яценко
Заведующий лабораторией Института химии твердого
тела УрО РАН,
доктор химических наук,
профессор
Валерий Диев
Заведующий лабораторией, кандидат технических наук
Борис Овсянников
Главный специалист
по литейному производству ОАО «КУМЗ»,
кандидат технических наук

П

реобладающей формой нахождения скандия в рудах и породообразующих минералах является изоморфное замещение главных компонентов (Fe, Ti, U, P, Al и др.). Полезные ископаемые, содержащие 0,01 % этого элемента, считаются минералами с повышенной скандиеносностью. Именно такое количество скандия содержат и красные шламы, отходы глиноземного производства. Главное, что при обработке шламов содовыми растворами этот полезный компонент комплексуется и переходит в раствор. Более того, красный шлам может быть подвергнут магнитному обогащению, что позволяет повысить содержание скандия в концентрате в три раза.
    С другими источниками скандия в России сложилась очень сложная ситуация: основные из них остались в странах ближнего зарубежья. Концентрат РЗМ, попутно получаемый при добыче урана в месторождении «Меловое» (г. Актау, Казахстан), ранее подвергался первичной переработке на Приднепровском химическом комбинате (Украина). В связи с прекращением добычи основного целевого продукта прекращена и добыча концентрата из-за ее убыточности. На месторождении Актюз (Киргизия) ввиду экономических сложностей производство РЗМ прекращено. Лопаритовый концентрат Ловозерского ГОКа (Мурманская обл.) проходил переработку по цепочке: Соликамск (магниевый завод) – Казахстан (Иртышский ХМЗ) – Эстония (завод в Силламяэ). В настоящее время эта схема не работает, и редкоземельные металлы из лопарита не извлекаются.
    В середине 80-х годов в СССР была разработана Государственная программа создания производства скандия и его использования. Согласно этой программе, основным продуктом считался оксид скандия (99 % Sc2O3), из которого предполагалось получать скандийсодержащие материалы. Программа предусматривала в 2002–2005 годах производить ежегодно по 40–50 т оксида скандия (Sc2O3), а также 1000 т алюминий-скандиевой лигатуры. Выпуск продукции из черновых концентратов предполагалось сосредоточить на Прикаспийском ГМК (г. Шевченко, Казахстан) и в Лермонтовском ГХРУ (Ставропольский край). Но в связи со свертыванием урановой программы такие концентраты перестали поступать, и производство оксида скандия не осуществляется.
    Россия обладает значительными ресурсами скандия. В разведанных запасах учтены и бокситы Северо-Уральского и Тиманского районов. Но пока скандий не извлекается ни из одного месторождения, состоящего на балансе. Есть и резервные источники этого РЗМ – отходы железорудного производства Качканарского ГОКа (несколько млн т при содержании Sc в 50–120 г/т), руды Томторского месторождения (запасы 7,7 тыс. т, 500 г/т), урановое сырье (Долматовское, Добровольное, Хиагдинское, Имское месторождения). Источником скандия может стать также титановое сырье, из которого возможно его попутное извлечение при получении пигментного диоксида титана, и апатитовые руды Кольского полуострова.
    Мировые запасы скандия по-настоящему не оценены. По оценке экспертов, в потенциальном промышленном сырье они могут составлять от 1 до 3 млн т., из которых 70–80 % приурочены к бокситам. Большие запасы скандия содержатся в титаномагнетитах Норвегии. Значительные ресурсы скандийсодержащих руд есть в Китае. В США основные запасы сосредоточены в хвостах разработки флюоритового месторождения Crystal Mountain. В Австралии скандий содержится в урановых рудах и хвостах их разработки.
    Из стран ближнего зарубежья наибольшими балансовыми запасами скандия обладает Украина: в Криворожском бассейне есть единственное в мире месторождение Желтореченское, где скандий является главным промышленным компонентом. По оценке, запасы этого элемента составляют здесь около 900 т (среднее содержание 105 г/т). Значительный интерес представляет также Стремигородское апатит-ильменитовое месторождение. В настоящее время крупным производителем скандия на Украине является комбинат «Желтые Воды». Предприятие производит алюминий-скандиевую лигатуру (производственная мощность – 900 т/год).
    В Казахстане промышленным источником скандия является месторождение костного детрита в Прикаспийской низменности (100–200 г/т). Запасы учтены также в Обуховском ильменит-рутил-цирконовом месторождении и Аркалыкском месторождении бокситов, а также в урановых рудах.
    В нашей стране разработана технология производства скандия из хвостов обогащения Качканарского ГОКа (80 г/т). Крупным источником получения этого элемента, как уже сказано, могут служить красные шламы, которых только на уральских заводах ежегодно сбрасывается в отвалы более 2 млн т. Комплексное освоение техногенных отходов с целью получения скандия и других элементов позволит снизить расходы на восстановление земель под шламохранилищами. Кстати, проблема утилизации этих отходов является предметом научных исследований и в России, и за рубежом.
    Сказанное выше позволяет сделать вывод: в России в настоящее время нет промышленности скандия как комплексного хозяйства, включающего полный технологический цикл – от переработки сырья до выпуска товарной продукции. Между тем потребность в этом элементе весьма высока.
    Перспективы потребления скандия связаны с различными отраслями. В металлургии важнейшая область его использования – микролегирование алюминия. Добавка в алюминиевые сплавы 0,1–0,3 % скандия приводит к увеличению прочности в 3 раза. Вторым важным преимуществом легированных сплавов является их способность к свариванию, что недоступно для чистого алюминия.
    Модифицирование скандием алюминий-магний-литиевых сплавов позволяет существенно снизить вес авиакосмической техники. Скандий может также использоваться в качестве незначительных добавок для легирования никелевых, медных и циркониевых сплавов
    В России создана целая группа новых специальных сплавов, легированных скандием, в том числе сверхпластичных, коррозионно- и радиационностойких, обладающих высокой прочностью, пониженным удельным весом. Крупнейшие фирмы-производители алюминия за рубежом ведут исследования по использованию алюминийскандиевых сплавов многоцелевого назначения. Первоочередной областью их промышленного использования являются сварочные материалы.
    Упроченные скандием алюминиевые сплавы представляют собой новую серию материалов с высокими эксплуатационными характеристиками. Они обладают большей прочностью, значительно более мелкой зернистостью, повышенной сопротивляемостью к образованию трещин и, кроме того, проявляют высокую стойкость к коррозии. Скандийсодержащие сплавы из-за их меньшего веса и высокой прочности по сравнению со сплавами на основе Al-Mg применяются в деталях самолета «МИГ-29». А новые сплавы системы Al-Li-Sc на 10–12 % легче дуралюмина, обладают, кроме того, хорошей свариваемостью, повышенным модулем упругости, достаточной статической прочностью. Из их полуфабрикатов изготавливаются самолеты в сварном варианте, что позволило снизить вес планера на 24 %. Высокие прочностные характеристики достигаются благодаря введению в алюминиевые сплавы скандиевой лигатуры без существенного изменения технологии производства и переработки материала и принципиального изменения конструкций созданных машин.
    Высокую устойчивость к коррозии при напряжении показали испытания магистральных, бурильных и обсадных труб из сплава системы Al-Mg-Mn-Sc-Zr.
    Крупной потенциальной областью применения скандийсодержащих сплавов является производство транспортных средств: высокоскоростных поездов, морских судов, автомобилей и даже велосипедов.
    Оксид скандия обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционными керамическими материалами. Он имеет максимальное значение прочности при 1000 оС. Кроме того, оксид скандия отличается большой термостойкостью. Керамика на основе оксидов скандия и циркония хорошо показала себя в качестве материала для термоизоляционного барьерного покрытия деталей, работающих в атмосферах, характерных для газовых турбин и дизельных двигателей.
    В атомной энергетике в теплоэмиссионных преобразователях применяют в качестве теплоизоляции керамику из чистых оксидов скандия и иттрия, как наиболее стойкую в плазме щелочных металлов. В небольших количествах скандий может использоваться в оптике.
    Скандийсодержащие алюминиевые и галлиевые гранаты редкоземельных металлов – перспективные материалы для создания новых высокоэффективных лазерных сред. Высокими геттерными свойствами обладает скандиевая фольга, которая в электронно-вакуумных трубках цветных кинескопов для телевизоров позволяет резко повысить чистоту изображения. Одной из перспективных областей использования скандия является изготовление кристаллов синтетических гранатов для запоминающих устройств на цилиндрических магнитных доменах, используемых в ЭВМ нового поколения.
    В настоящее время имеются все предпосылки для создания массового производства изделий и полуфабрикатов из алюминиевых сплавов, легированных скандием, которые найдут широкое применение как в России, так и за рубежом. Однако широкое использование таких сплавов сдерживается дороговизной лигатуры. Цены на биржах металлов (LBM): оксида скандия – 1800 долл./кг и «мастер-сплава» (Al-2%Sc) – 170–250 долл./кг. Расчетная себестоимость Sc2O3 (99,5 %) в ОАО «АВИСМА» (Березниковский титано-магниевый комбинат) составляла в 2002 году 1200 долл./кг. Максимальное производство лигатуры в России достигло 100 т в 1989 году, но затем из-за сокращения оборонных заказов резко снизилось. Сегодня выпуск лигатуры в России оценивается лишь в несколько тонн в год.
    Для снижения себестоимости лигатуры Институтом химии твердого тела УрО РАН совместно с ООО «КУМЗ» разработана технология, позволяющая использовать менее качественные соли скандия с удалением только примесей, ухудшающих свойства конечного сплава, а процесс получения лигатуры проводить при более низких температурах расплава солей с минимальным перенапряжением выделения скандия на жидком сплаве.
    Удаление таких макрокомпонентов скандиевого концентрата, как алюминий, титан, цирконий, бериллий, необходимо вести при получении технической соли (оксида или фторида) скандия только в тех пределах, чтобы не снизить металлургический выход скандия из солевого расплава в лигатуру.
    Для снижения энергетических затрат при проведении цементационного (алюмотермического) метода получения алюминий-скандиевой лигатуры выбран подходящий солевой состав. Криолитсодержащие расплавы способны растворять определенные количества оксидов металлов, включая скандий. Однако используемые при электролизе алюминия фторидные расплавы обладают высокой температурой плавления и агрессивностью к материалу тигля. Добавки хлоридов щелочных металлов позволяют уменьшить эти параметры. Образующиеся фторидно-хлоридные комплексы способны растворять необходимое для проведения цементации скандия количество его оксида.
    На основании полученных термографических, электрохимических и термодинамических данных был разработан оптимальный состав и способ производства скандий-алюминиевой лигатуры (патент РФ №2124574).
    Технико-экономическая оценка получения Al-2%Sс лигатуры для опытно-промышленной установки с использованием российского индукционного плавильного комплекса УИП-100-2.4-0.06 c ценой исходного фторида (ScF3) в 600 долл./кг и других расходных показателей, действовавших в 2003 году, дало значение стоимости лигатуры в 34 долл./кг. Это более чем в 5 раз ниже цен на мировых биржах – 170–250 долл./кг.
    В Институте химии твердого тела УрО РАН созданы блочные технологии глубокой переработки красного шлама глиноземного производства (патенты РФ № 2201988, 2140998, 2085509, 2040587) с получением всей гаммы продуктов. Предусмотрено получение оксида и фторида скандия, а также Al-2%Sс лигатуры. Расчеты показывают, что при организации производства оксида или фторида скандия из красного шлама в объеме более 3 т/год по содощелочной технологии ИХТТ себестоимость Sc2O3 составит менее 200 долл./кг, а цена алюминий-скандиевой лигатуры составит менее 20 долл./кг.
    На Каменск-Уральском металлургическом заводе с использованием алюминий-скандиевой лигатуры выпущена опытная партия труб из скандийсодержащего алюминий-магниевого сплава для газоконденсатного месторождения нефти в Астраханской области. Эти трубы показали хорошие эксплуатационные свойства и большую коррозионную стойкость, чем импортные японские трубы. Стоимость одной 12-метровой трубы из скандийсодержащего сплава составила 1000 долл., причем вес 1 км таких труб – 6 т. Для сравнения: стоимость импортной трубы – 2833 долл., а вес 1 км этих труб – 16,8 т. Разница ощутима. При организации производства одних только труб из скандийсодержащего сплава и получения скандиевых солей и лигатуры на отечественных заводах можно получить на внутреннем рынке значительный экономический эффект и еще больший – при экспорте продукции.
    На наш взгляд, организация производства скандия из отходов глиноземного производства отвечает задаче создания самостоятельной промышленности скандия, обеспечивающей на первом этапе освоения проекта минимальную потребность приоритетных отраслей промышленности, а на втором – широкое внедрение в стране алюминиевых сплавов, легированных скандием, и благоприятную перспективу их экспорта.
    Наличие большого количества отходов переработки бокситов позволит в перспективе осуществлять их полную переработку, извлекая глиноземисто-известковый концентрат, коагулянт, пигменты, железорудный концентрат, концентраты редких и редкоземельных металлов. Это резко снизит экологическую нагрузку. В части же производства скандиевых солей (оксида и фторида) и лигатуры позволит уменьшить в технологии число переделов и довести себестоимость производства лигатуры до 15–20 долл./кг.
    Необходимо отметить, что минимальная потребность внутреннего рынка скандия, обусловленная внедрением легированных им алюминиевых сплавов в нефтегазовом комплексе и для ракетно-космической техники, составит 40 т/год в пересчете на алюминиево-скандиевую лигатуру. А перспективные потребности российской авиапромышленности в алюминий-скандиевых сплавах, согласно оценке ВИАМ, составляют 100 т, или 2 т скандия.