Добыча и месторождения редкоземельных металлов

Редкоземельные металлы (РЗМ) относятся к обширной группе в периодической таблице Менделеева. Она состоит из 17 химических элементов, которые похожи строением атомов, физическими, химическими и механическими свойствами. Они применяются в разных сферах деятельности, до конца не изучены.

Какие металлы относятся к редкоземельным?

К этой группе относятся элементы, которые:

• быстро тускнеют на открытом воздухе;
• при взаимодействии с кислородом образуют нерастворимые оксиды;
• редко встречаются в природе.

Одно из главных отличий РЗМ — изменение химической активности. Этот параметр возрастает, начиная от скандия и заканчивается лантаном. Обозначения РЗМ:

• REM;
• REE;
• TR.

Самый редкий из всех редкоземельных металлов — европий. Общее количество этого химического элемента на планете — около 0,0012%.

История открытия

Первым внес вклад в изучение редкоземельных металлов известный финский химик Юхан Гадолин. Первые открытия он сделал в конце XVIII века. Дополнительные исследования ученый проводил в 1794 году. Тогда он открыл иттриевую землю. К началу XIX века Мартин Клапрот классифицировал РЗМ. Он выделил две группы — цериевые, иттриевые металлы. Новые РЗМ открыл шведский химик Мосандер в 1840 году.

К концу XIX века, началу XX столетия, ученые смогли открыть 16 разновидностей РЗМ. В XX веке был открыт последний элемент из этой группы химических элементов.

Запасы и месторождения

Количество редкоземельных металлов, которые находятся в природе, достигает 0,02%. Они содержатся в составе 240 видов минералов. Только 64 разновидности применяются для промышленной переработки.

Основные месторождения РЗМ находятся в США, Китае, Бразилии, Индии, Австралии, Малайзии. В России крупных месторождений нет. Примерно 90% этих материалов завозятся из других стран.

С середины 1990 годов сфера добычи, производства РЗМ была практически полностью занята Китаем. К 2015 году эта страна обладала уже 80% мирового рынка РЗМ. Сейчас общее количество упало до 70%, но это не мешает Китаю занимать лидирующую строку по добыче, получению, экспорту этих химических элементов.

Добыча и промышленное получение

Наиболее инновационная технология получения РЗМ — добыча металлов из отходов от фосфорных удобрений. С ее помощью можно получить около 800 тысяч полезных химических элементов.

Для переработки расходного сырья, существует несколько технологий получения редкоземельных металлов:

1. Хлорирование. Осуществляется химическая реакция, в результате которой атомы неметаллов замещаются на хлор.
2. Химическое восстановление с помощью кальция. Данные реакции проводятся в газовой защитной среде (емкость заполняется аргоном). С помощью этой процедуры можно избавиться от посторонних примесей, прочных химических элементов.
3. Сплавление гидроксидами, которые растворяются в воде. РЗМ очищаются от поверхностно-активных веществ с помощью гидролиза.
4. Разложение сложных соединений с помощью серной или плавиковой кислоты. Позволяет удалить из РЗМ оксиды азота.

Свойства и характеристики

При изучении редкоземельных металлов нужно обратить внимание на их свойства — физические, химические, механические и технологические.

Физические

Свойства:

1. Диапазон плотности для разных представителей группы — от 6000 до 7000 кг/м3.
2. Температура плавления — 900°C.
3. Повышение пластичности при температуре 20–800°C.
4. Максимально допустимый показатель устойчивости к растяжению — до 150 Мпа.
5. Показатель удельного растяжения — 12%.

Физические, механические свойства зависят от количества примесей — углерода, азота, серы, кислорода. Если металл чистый, с процентным содержанием примесей менее 1%, он будет иметь средний показатель твердости 500 Мпа.

Химические

Свойства:

1. На открытом воздухе поверхности редкоземельных сплавов быстро покрываются оксидной пленкой. Она защищает материал от деформирования, разрушительного воздействия химических веществ.
2. Длительное воздействие повышенной влажности приводит к ускорению окислительных процессов. Металлы постепенно превращаются в щелочи.
3. Химический процесс разложения материала ускоряется при нагревании до 250°C.

Если нагревать металлы в камере, заполненной кислородом, окисление будет проходить с выделением большого количества тепла.

Механические

Свойства:

1. Твердость по шкале Бринелля — от 300 до 500 Мпа (при условии, что металлы имеют чистоту, не превышающую 98%).
2. Температура испарения — от 3500°C.
3. Элементы обладают магнитными свойствами. Их относят к сплаву парамагнетиков.
4. Сверхпроводящее состояние наблюдается при снижении температуры до -268 градусов.
5. В естественной среде, РЗМ — сверхпроводники.

Чтобы материалы легче поддавались прокатке, ковке, их нужно нагреть до высокой температуры.

Технологические

Свойства:

1. Заготовки из этих материалов хорошо обрабатываются разными технологическими способами (основные — ковка, прессование, прокатка) при температуре 20–30°C.
2. Из-за малой вязкости обрабатывать РЗМ нужно крайне аккуратно.

Чаще из этих материалов изготавливают разные типы металлопроката. Наиболее популярные из них — фольга, металлические ленты, прутки сечением от 1 до 5 мм.

Без дополнительной обработки детали из редкоземельных металлов начнут быстро окисляться. Чтобы это предотвратить, их разогревают в среде защитных инертных газов.

Сферы применения

Сплавы редкоземельных металлов нашли свое применение в разных сферах промышленности:

1. Производство ЖК дисплеев, рентгеновских систем, аппаратов КТ, МРТ, ядерных реакторов, энергосберегающих ламп.
2. Изготовление усиленных сплавов металлов, стекол. Они должны выдерживать высокие нагрузки, поскольку будут применяться для производства защитных строительных масок, деталей авиационных моторов.
3. Переработка нефтепродуктов.
4. Изготовление проекторов, объективов для профессиональных видео- и фотокамер, аккумуляторов, проекторов, осветительных устройств для студий.
5. Производство динамиков, винчестеров.
6. Изготовление люминофоров, электронно-лучевых трубок, микроволновых фильтров, постоянных магнитов.
7. Производство конденсаторов, радаров, сенсоров, сверхпроводников.

Редкоземельные металлы применяются в химической, ядерной, атомной промышленностях, автомобилестроении, медицине, металлургии.

К редкоземельной группе относится множество металлов. Многие из них до конца исследованы, что дает перспективы для их дальнейшего применения. Даже сейчас РЗМ применяются в разных сферах промышленности.