Вадим Шелагуров
ИАЦ «Минерал» ФГУНПП «Аэрогеология»

Р

едкоземельные элементы (РЗЭ) занимают 17 мест в периодической системе Менделеева. Из них 15 считаются «классическими», с порядковыми номерами от 57 до 71 — лантаноиды, которые подразделяются на две группы. К «легкой», или цериевой группе относятся лантан, церий, празеодим, неодим, прометий, самарий и европий. В «тяжелую» иттриевую группу входят гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий и лютеций, а также иттрий и скандий.
    Кларки редкоземельных элементов в земной коре весьма различны: от 0,003 % для лантана до 0,00008 % для туллия и лютеция. Основными минералами — носителями РЗЭ являются бастнезит, монацит, ксенотим, лопарит, а также ионно-абсорбционные глины в корах выветривания гранитов и алюмосиликатных пород. Эти руды хорошо обогащаются, а редкоземельные элементы легко извлекаются при обработке концентратов растворами солей, щелочей и кислот.
    Мировые запасы РЗЭ в 2003 году оценивались почти в 146 млн т. При этом более 61 % приходится на долю Китая (табл. 1). Подтвержденные мировые запасы составляют более 86 млн т. Заметен значительный рост запасов редкоземельных элементов по сравнению с 1999—2000 годами, в особенности опять-таки в Китае (в 1,5 раза), что объясняется выявлением новых типов месторождений с ионно-абсорбционными рудами
    Производство редкоземельных элементов в мире составляло в 2002 году около 90 тыс. т, в 2003 году — более 98 тыс. т. Основным продуцентом РЗЭ является Китай, на который приходится более 91 % мирового производства редкоземельных элементов, или в пересчете на сумму TR2O3 — более 90 тыс. т, что обеспечивает, по экспертной оценке, более 85 % мирового спроса на данные материалы. Годовые производственные мощности китайских предприятий составляют более 180 тыс. т, однако задействованы они были только наполовину. На внутреннем рынке Китая используется около 30 % производимой в стране редкоземельной продукции.
    Редкоземельные элементы входят в состав многих материалов, используемых в производстве высокотехнологичной продукции. Наибольшее применение они нашли в электронике, автомобилестроении, выпуске промышленной керамики и высококачественного стекла, а также в производстве регенерируемых фильтров для выхлопных газов и катализаторов при крекинге нефти, синтезе каучука и полимеров, что минимум на треть снижает загрязнение окружающей среды и, по экспертным расчетам, позволяет экономить значительные средства, сохранять природу и здоровье людей. Кроме того, РЗЭ широко используются для изготовления экранов компьютеров и телевизоров, получения УФ-поглощающего стекла, аккумуляторных батарей с длительным сроком эксплуатации, в атомной технике и других отраслях хозяйственной деятельности.
    Рынки сбыта редкоземельных металлов подразделяются на два сегмента — сферы, потребляющие неразделенные РЗЭ и сферы, требующие использования разделенных, индивидуальных редких земель. До 80-х годов прошлого века доминировали те области потребления, которые требовали, в основном, неразделенных редкоземельных элементов. Неразделенные РЗЭ применяются в производстве катализаторов для нефтеперерабатывающей промышленности, полирующих средств и керамики, в металлургии. Наибольшим спросом они пользуются на китайском рынке, хотя потребности на разделенные продукты в этой стране растут, и по мере развития китайской промышленности отраслевая структура рынков сбыта РЗЭ постепенно приближается к таковой в западных странах.
    Спрос на разделенные «редкие земли» начал расти в 80-е годы, что было обусловлено появлением новых областей потребления – производством люминофоров (Y, Tb, Gd, Sm и Eu) и магнитов (Sm, Nd и Dy). Результатом этого стало существенное удорожание элементов иттриевой группы, поскольку извлекаемые металлы цериевой не находили применения как отдельные элементы. Существенное изменение ситуации произошло в середине 80-х годов, когда были выявлены новые сырьевые материалы – ионно-абсорбционные руды в Китае, состав которых оказался оптимальным для удовлетворения потребностей рынка. Именно тогда появилась возможность увеличить выпуск иттрия и европия без значительного переизбытка церия и неодима.
    Спрос на разделенные редкоземельные элементы продолжает увеличиваться и в настоящее время. При этом потребность в РЗЭ иттриевой группы удовлетворяется за счет переработки в основном ионно-абсорбционных руд, а на церий — за счет переработки бастнезита.
    Среди разделенных РЗЭ наибольшим спросом пользуются неодим и диспрозий (рост до 10 % в год), благодаря их применению в постоянных магнитах. Появление самарий-кобальтовых, а затем неодим-железо-боровых магнитных сплавов для производства малогабаритных магнитов с высокой стабильностью при эксплуатации значительно стимулировало разработку новых редкоземельных магнитных материалов. Постоянные магниты на основе неодима и диспрозия являются более мощными, чем все предыдущие, и их производство требует меньших затрат. Интересно, что за десятилетие (1990—2000 гг.) спрос на оксид неодима вырос почти в 10 раз — с 680 т до 6300 т. Предполагается, что темпы спроса на редкоземельные магниты должны несколько замедлиться, хотя масштабы мирового спроса на эту продукцию не поддаются точному определению из-за большого числа мелких потребителей.
    На рынке редкоземельных магнитов в настоящее время доминирует Япония. Но поскольку китайская фирма Sua Han стала частично контролировать крупного продуцента магнитов — американскую фирму Magnaquench International, можно ожидать, что мировой центр производства РЗ-магнитов переместится из Японии в КНР.
    На иттрий и европий рост потребления удерживается на стабильном уровне — около 8 % в год. Невелик он пока на лантан, празеодим и самарий.
    Значительной составляющей мирового рынка является в настоящее время производство соединений на основе церия, которые используются при производстве фильтров- нейтрализаторов выхлопных газов автомобилей, способствующих удалению диоксида серы. Кроме того, «редкие земли» цериевой группы используются в производстве стекла, для изготовления полировальных порошков для линз, зеркал и электронно-лучевых трубок. В последнее время цериевые порошки применяются для механохимической полировки чипов. Эта новая область применения в настоящее время расширяется темпами, превышающими 50 % в год.
    Одной из самых важных сфер потребления РЗЭ в стоимостном выражении является производство люминофоров. Она является крупнейшей на рынке сбыта иттрия, европия и тербия (табл. 2). По оценкам экспертов фирмы Roskill, в ближайшей перспективе в этой сфере потребления ожидается стабильный рост спроса на «редкие земли», в связи с растущими потребностями продуцентов телевизионных и компьютерных экранов, электронно-лучевых трубок и высокомощных флюоресцентных ламп.
    Производство люминофоров на основе соединений редкоземельных металлов было связано, в первую очередь, с развитием выпуска новых типов кинескопов для цветных телевизоров, малогабаритных кинескопов для черно-белых телевизоров и ртутных ламп высокого давления. В дальнейшем удалось выявить эффективность применения РЗМ для производства осциллографических трубок, приборов для радиолокации, проекционных кинескопов, плазменных дисплеев, усилителей рентгеновских экранов, которыми в настоящее время оснащены большинство современных клиник, и другой продукции. Люминофоры с использованием редкоземельных металлов обладают большой термической устойчивостью, низким количеством дефектов, связанных с гашением люминесценции, значительно большей светоотдачей экранов и их повышенной разрешающей способностью экранов.
    Узкополосные люминофоры на основе соединений редкоземельных металлов с улучшенной цветоотдачей используются в растениеводстве. В районах с умеренным климатом круглогодичное выращивание растений возможно только при применении искусственных источников света. Большая часть биологических процессов в растениях протекает при облучении сине-фиолетовой и оранжево-красной составляющих спектра. Поэтому лампы белой цветности обладают низкой эффективностью. Ведутся эксперименты по использованию люминоформных ламп в виноградарстве и птицеводстве.
    Крупнейшим мировым центром производства редкоземельных люминофоров становится Китай. Этому способствует передача в эту страну японскими продуцентами люминофоров соответствующих технологий. Производители из Страны восходящего солнца для снижения затрат стремятся перебазировать свои предприятия за рубеж.
    Из суммарного количества разделенных, наиболее дорогостоящих редкоземельных элементов 75 % потребляются в Японии, Европе и США. Наиболее крупными региональными рынками сбыта РЗЭ являются Япония, США, Китай и страны Западной Европы, в которой доминирует Франция. На ее долю в 2003 году. приходилось около 65 % всех соединений РЗЭ, ввозимых в ЕС. Среди компаний-потребителей лидирует французская фирма Rhodia Electronics and Catalysis. В 2002 году она контролировала более трети мирового рынка разделенных редкоземельных элементов.
    По мнению экспертов фирмы Roskill, мировой спрос на РЗЭ будет расти в среднем на 6—7 % в год и в 2005 году достигнет более 100 тыс. т в год. Ожидается, что в ближайшие несколько лет на мировом рынке сохранится тенденция к росту спроса на разделенные РЗЭ, их соединения и металлы. Кроме того, быстрое увеличение спроса прогнозируется на оксид церия, особенно в развитых странах, в связи с расширением выпуска телевизоров с широкоформатными экранами. Можно предположить, что редкометалльная промышленность для удовлетворения растущих потребностей продолжит исследования по разработке новых материалов, развитию новых сфер потребления РЗЭ.
    Цены на редкоземельные элементы, по-видимому, из-за конкуренции в отрасли будут расти ограниченно, но при условии, что рынок не станет испытывать недостатка в поставках сырья.
    В СССР производилось около 8,5 тыс. т редкоземельных элементов в пересчете на TR2O3, из которых около 4,5 тыс.т на предприятиях Минсредмаша — в Днепродзержинске на Украине, в Москве на заводе «Полиметаллы», на предприятии Силламяе в Эстонии и на полуострове Мангышлак в Казахстане. Большая часть этих производств после распада Советского Союза оказалась за рубежом, отчего в настоящее время РЗЭ в Россию импортируются. Редкоземельные концентраты поставляются из Китая. На заводах по крекингу нефти катализаторы для каталитических установок закупаются во Франции. В Великобритании приобретается эрбий для добавок в урановые топливные элементы.
    Улучшение экономической ситуации в России должно привести к быстрому росту потребностей страны в редкоземельных элементах. Для достижения экономического уровня развитых стран, исходя из среднедушевого потребления РЗЭ, необходимо немалое время. В этом случае потребление РЗЭ может составить 20—30 тыс. т в год. При нынешней минерально-сырьевой базе России это вряд ли достижимо.
    Около 60 % запасов редкоземельных элементов заключено в апатитовых рудах Хибинских месторождений. Однако содержание суммы «редких земель» в производимых концентратах объединения «Апатит» не превышает 1 %, причем с существенным преобладанием цериевой группы. При существующей технологии РЗЭ не извлекаются и списываются с государственного баланса. Добыча же «редких земель» из лопаритовых руд Ловозерского месторождения мало рентабельна.
    Для обеспечения указанного выше уровня потребления требуется освоение новых месторождений. Из разведанных, стоящих на государственном балансе, заслуживают внимания Томторское (Якутия) с ультрабогатыми рудами, представляющими по существу природный концентрат (до 17 % TR2O3), Катугинское (Читинская обл.) с преобладанием в рудах иттриевых «редких земель» и Арысканское (Тува) с рудами, в которых доминируют тяжелые лантаноиды и иттрий. Освоение этих месторождений может не только обеспечить внутренние потребности России, но и позволит производителям РЗЭ выйти на международный рынок.
    Необходимо также проведение оценочных работ на глинистых корах выветривания линейного типа, развитых на магматических и осадочно-метаморфических (алюмосиликатных) породах для выявления на Среднем и Южном Урале месторождений ионно-абсорбционных руд. Кроме того, важным компонентом в обеспечении России редкоземельных элементов может стать разработка технологий их попутного извлечение при комплексной переработке апатитовых руд, бокситов, редкометалльных углей и лигнитов.
    Таблица 1
    Динамика мирового производства редкоземельных концентратов в пересчете на TR2O3, т
     1999 2000 2001 2002 2003
    США 10000 5000 5000 5000 5000
    Бразилия 1400 1400 200 200 200
    Китай 50000 70000 73000 80600 88000
    Индия 2700 2700 2700 2700 2700
    Малайзия 250 350 450 350 360
    Шри-Ланка 120 120 120 120 120
    СНГ 2000 2000 2000 2000 2000
    Итого 66500 81570 83470 90970 98380
    Таблица 2
    Структура мирового потребления РЗЭ
    Сферы потребления Производство в сумме TR2O3, % Стоимость, млн долл.
     1998 2003 1998 2003
    Катализаторы 16 24 44 66
    Полировальные средства 28 14 99 50
    Стекла 23 18 60 47
    Сплавы 10 19 33 63
    Магниты 4 14 21 75
    Люминофоры 2 8 39 158
    Керамика 17 3 170 30
    Итого 100 100 466 549
    Таблица 3
    Цены на разделенные РЗЭ на мировом рынке в 2003 г.
     Чистота, % Размер партии, кг Цена, долл./кг
     оксид металл
    Церий 99,5 900 12,33 7,4
    Диспрозий 99 3 54—120 80—142*
    Эрбий 96 2 80—320 275
    Европий 99,99 1 298—900 —
    Гадолиний 99,99 3 22—25 190—450
    Гольмий 99,9 10 120—191 —
    Лантан 99,99 25 13—23 15—30
    Лютеций 99,99 2 640—3500 —
    Неодим 95 20 18—120 22—32
    Празеодим 96 20 14—18 18—22
    Самарий 99,9 25 55—65 13—32
    Скандий 99,99 1 750—3200 1750—12000
    Тербий 99,99 5 160—185 335—690
    Туллий 99,9 5 2300 —
    Иттербий 99 10 340 260—420
    Иттрий 99,99 50 22—25 95—115
    *Цена варьируется в зависимости от чистоты продукта.