Матеріалознавство у товарознавчій експертизі 7 Рідкісноземельні метали




Сторінка3/3
Дата конвертації23.04.2016
Розмір0.73 Mb.
1   2   3
Рідкісноземельні постійні магніти. Аналіз застосування РЗМ у різних галузях свідчить про невпинне зростання частки магнітних матеріалів, яка становить 22% світового масштабу (див. рис. 76). Зокрема у Китаї, що є не тільки найбільшим виробником РЗМ, а й основним споживачем цього ресурсу, на виробництво РЗМ-магнітів припадає близько 45%. Крім того, експерти прогнозують, що у США у 2015 р. частка даної галузі становитиме 13%, що майже на 10% більше порівняно із 2010 р., при цьому в ряді інших застосувань передбачається скорочення застосування РЗМ (рис. 1.84). Додатковим підтвердженням довгострокової перспективності індустрії рідкісноземельних магнітів є зосередженість більшості діючих дослідницьких проектів з рециклювання РЗМ саме на переробці магнітних матеріалів, про що було сказано вище.

Перші рідкісноземельні магніти були створені у середині 1960-х років на основі сполуки SmCo5, яка має високу намагніченість насичення, одновісну магнітокристалічну анізотропію і температуру Кюрі (720°С), а також термічну і



рис10

Рис. 1.84. Застосування РЗМ у різних галузях промисловості США

у 2010 та 2015 (очікуване) рр. [9]
корозійну тривкість. Трохи згодом було встановлено, що сполука Sm2Co17 із вищим вмістом Co має ще вищі значення температури Кюрі (800°С) і намагніченості насичення (табл. 1.72). Основний недолік таких магнітних матеріалів – порівняно висока вартість Sm і Co, що значною мірою обмежує їх широке промислове використання.

У зв’язку з цим наступні зусилля дослідників були сконцентровані на пошуку більш дешевих матеріалів на основі сполук РЗМ, з характеристиками аналогічними до самарій-кобальтових магнітів. В результаті у 1984 р. було вперше повідомлено про надзвичайно високі магнітні властивості потрійної сполуки Nd2Fe14B (табл. 6). Завдяки високим експлуатаційним характеристикам та відносно низькій ціні, магніти на основі цієї сполуки почали швидко витісняти Sm-Co магніти, і сьогодні є найбільш перспективними магнітними матеріалами. Виняток становить лише експлуатація за високих робочих температур, для якої самарій-кобальтові магніти, завдяки високій температурі Кюрі, є поки що незамінні [16, 17].

Основна перевага постійних магнітів на основі сплавів системи Nd-Fe-B – найвище серед всіх відомих феромагнетиків значення магнітної енергії (BH)max, яка майже у чотири рази перевищує це значення найкращих магнітів типу альніко. Однак це не межа – з теоретичних розрахунків випливає, що для магнітів цього класу максимальна величина магнітної енергії може становити 90 МГсЕ. Іншою визначальною перевагою магнітів Nd-Fe-B є порівняно низька ціна в перерахунку на одиницю магнітної енергії порівняно з іншими типами магнітних матеріалів (табл. 1.72).

Таблиця 1.72

Основні характеристики найбільш відомих магнітних матеріалів




Матеріал

(BH)max,

МГс·Е


Br,

Тл


Hc,

кЕ


Ціна,

дол./кг


Ціна, дол. на

одиницю (BH)max



Кераміка (ферит)

3

0,4

2,4

1,0-2,5

0,3-0,85

Альніко (Al-Ni-Co)

9

1,35

1,4

44,1

4,9

Sm–Co

20

1,05

9,2

250-500

12,5-25,0

Спечені Nd-Fe-B

50

1,42

12,5

70-150

1,4-3,0

Завдяки цим матеріалам за останні 30 років властивості постійних магнітів стрибкоподібно зросли, на що вказує діаграма динаміки їх розвитку (рис. 1.85).


описание: р

Рис. 1.85. Динаміка розвитку властивостей найбільш застосовуваних магнітних матеріалів: 1 – феритні магніти; 2 – магніти типу альніко; 3 – самарій-кобальтові магніти; 4 – магніти на основі системи неодим-залізо-бор [16]

Як зазначалось вище, магніти на основі сполуки Nd2Fe14B мають низьку температуру Кюрі (310°С) і з її підвищенням їх коерцитивна сила істотно знижується, що обмежує їх застосування при підвищених робочих температурах (вище 100°С). У зв’язку з цим для забезпечення необхідного рівня температурної стабільності магнітні сплави на основі системи Nd-Fe-B повинні містити значну кількість диспрозію, що пов’язано з деякими проблемами. Насамперед легування Dy знижує магнітну енергію, крім того, це доволі дефіцитний і дорогий метал, природні запаси якого обмежені, так само як і кількість країн – його виробників.

У табл. 1.73 подано дані про світове виробництво постійних магнітів у 2007 р. Як бачимо, майже 95% постійних магнітів припадає на ферити, при цьому частка РЗМ-магнітів становить лише 4,5% світового виробництва.

Таблиця 1.73

Світове виробництво постійних магнітів у 2007 р.




Країна

Виробництво постійних магнітів, тис. т/рік

Разом

Альніко

(Al-Ni-Co)



Ферити

Nd-Fe-B

т

%

Японія

0,30

47

10

57,3

8,0

Китай

2

439

20

461

63,8

Південно-Східна Азія

0,80

39

1

40,8

5,7

США

0,30

50

0,16

50,46

7,0

Європа

0,60

60

0,95

61,55

8,6

Інші



50

0,17

50,17

6,9

Разом

т

4

685

32,28

721,28



%

0,6

94,9

4,5

100

100

Однак індустрія рідкісноземельних магнітів зростає надзвичайно швидкими темпами – 2012 року у світі було виготовлено вже 63 тис. т, а в 2015 р. очікується випуск 78 тис. т магнітів типу Nd-Fe-B (табл. 1.74).

За прогнозами аналітиків, виробництво неодимових магнітів з 2015 до 2020 року зростатиме щорічно на 5%. Водночас слід зазначити, що в загальному виробництві постійних магнітів частка РЗМ-магнітів у найближчій перспективі не перевищуватиме 10-13%. При цьому домінуючими залишаться феритні магніти завдяки низькій вартості та доступності. З другого боку, у вартісному вираженні в 2005 р. ринок всіх магнітних матеріалів був оцінений у 8 млрд дол., при цьому частка РЗМ-магнітів становила майже 4,5 млрд дол. Очікується, що 2020 року обсяги продажів лише Nd-Fe-B-магнітів перевищать 17 млрд дол., при цьому їх виробництво становитиме близько 130 тис. т. Для порівняння: у цьому ж році передбачається виготовлення 1,1 млн т феритних магнітів, що у вартісному вираженні відповідає 7 млрд дол.

Таблиця 1.74

Виробництво постійних магнітів Nd-Fe-B у 2012 та 2015 (очікуване) рр.




Країна

Виробництво, тис. т/рік

2012

2015

Японія

10

8

Китай

50

65

Європа

1

1

США

0

2

Інші

2

2

Разом

63

78

Найбільшим споживачем рідкісноземельних магнітів є Японія, що пов’язано з високотехнологічним рівнем її промисловості. З рис. 1.86, який показує динаміку продажу магнітних матеріалів у Японії, видно, що, починаючи з 1995 р., домінуючими на ринку цієї країни стали саме РЗМ-магніти, а обсяги продажів феритних магнітів і магнітів типу альніко постійно знижуються.



рис12

Рис. 1.86. Динаміка продажу постійних магнітів у Японії [16]

На даний час подальший розвиток індустрії постійних магнітів пов’язують з розробкою нового покоління РЗМ-магнітів у нанокристалічному стані, що дозволить підвищити їх магнітні властивості майже удвічі [18]. Теоретично обґрунтовано та експериментально підтверджено, що за умов формування наноструктурного стану між магнітотвердою (Nd2Fe14B) та магнітом’якою (Fe) фазами виникає обмінна взаємодія, що дозволяє отримувати постійні магніти із залишковою індукцією до ~2 Тл при високій коерцитивній силі та максимальній питомій магнітній енергії до 90 MГсЕ. У цьому напрямі розвиваються декілька технологічних підходів, зокрема механохімічний синтез з вихідних компонентів або помел сплаву в інертній атмосфері в механічних млинах з наступною кристалізацією; виливання розтопленого сплаву на мідний водоохолоджуваний барабан, який обертається; термомеханічне оброблення шляхом витискання при підвищеній температурі (700-800°С) під тиском у прес-формах з різною площею поперечного перерізу і тощо. Однак спільним недоліком названих методів є отримання ізотропних або з низьким ступенем анізотропії магнітів, що стримує їх виготовлення у промислових масштабах. У зв’язку з цим основна увага дослідників зосереджена на розробці технологій отримання анізотропних наноструктурованих магнітів, що забезпечить новий якісний стрибок властивостей постійних магнітів і подальший розвиток пов’язаних з цим галузей. Подібні дослідження виконують і в Україні, зокрема у Фізико-механічному інституті НАНУ (м. Львів).

Крім того, триває пошук нових матеріалів для виробництва високоефективних магнітів. Зокрема це стосується сплавів на основі сполук типу ThMn12 та модифікованих азотом сполук типу Sm2Fe17, ThMn12 і Nd3(Fe,Ti)29. Найбільший інтерес серед них викликає сполука Sm2Fe17Nx, яка дає можливість отримати магніти з високою температурою Кюрі (476°С) і кращими магнітними характеристиками порівняно з магнітами на основі Nd2Fe14B.

Перспективи України на ринку РЗМ. Україна володіє значними ресурсами РЗМ, хоча і не видобуває їх (рис. 1.87). Зокрема у Приазов'ї розвідане Петрово-Гнутівське родовище з проявом багатих руд церієвої групи, яке за вмістом і складом РЗМ подібне до таких родовищ світового рівня, як Маунтін-Пасс і Баян-Обо. Особливий інтерес також становлять такі родовища, як Новополтавське (прогнозовані ресурси сягають 1 млн т монациту і 200 млн т апатиту), Жовтневе (до 200 тис. т R2O3), Азовське (710 тис. т R2O3, з яких 20% Y-лантаноїди, а також 840 тис. т Zr2O3) та інші.

рис13

Рис. 1.87. Схема розташування родовищ рідкісних та рідкісноземельних

родовищ України [3]
Примітки: 1 – Малобеганське (Ge); 2 – Ястребецьке (РЗМ, Zr); 3 – Пержанське (Be); 4 – Станкуватське (Li, Ta, Nb); 5 – Лозоватське (РЗМ, U, Th); 6 – Калинівське (РЗМ, U, Th); 7 – Полоховське (Li, Ta, Nb); 8 – Південне (РЗМ, U); 9 – Тарасівське (РЗМ); 10 – Жовторіченське (Sc, U, Th); 11 – Новополтавське (Nb, РЗМ); 12 – Успенське (РЗМ); 13 – Шевченківське (Li); 14 – Воскресенівське (Li); 15 – Крута Балка; (Ta, Nb, Li); 16 – Азовське (РЗМ, Zr, Nb); 17 – Мазуровське (Nb, Zr); 18 – Анадольське (РЗМ); 19 – Покрово-Кирієвське (Be, TR); 20 – Петрово-Гнутівське (РЗМ).
За запасами скандію Україна посідає перше місце в Європі і входить до кола світових лідерів. Значні поклади цього елемента зосереджені, зокрема, в рудах Жовторіченського, Стремигородського, Торчинського та Злобицького родовищ.

Окрім сировинної бази Україна володіє розвиненою інфраструктурою, науково-технічним та промисловим потенціалом для видобутку та переробки РЗМ. Наприклад, переробка концентратів, отриманих із руд Азовського родовища, на селективні рідкісноземельні продукти можлива на Придніпровському хімічному заводі (ПХЗ, м. Дніпродзержинськ). Скандій можна добувати на базі розроблюваних родовищ ільменітових та цирконієвих руд, що міг би виконувати Запорізький титано-магнієвий комбінат. Перспективним також є його вилучення з перероблюваних Миколаївським глиноземним заводом бокситів Високопільського, Південнонікопольського та Смілянського родовищ [3].

Таким чином, Україна у найближчому майбутньому, безумовно, може стати одним із учасників ринку РЗМ, оскільки має для цього весь необхідний потенціал. Наявні ресурси здатні не лише забезпечити внутрішні потреби України в РЗМ, але й стати надійним джерелом валютних надходжень завдяки експорту їх концентратів (монацит, хлориди, оксиди и фториди РЗМ, ксенотим та ін.).

Разом з тим цілком зрозуміло, що розвиток галузі неможливий без істотних фінансових інвестицій та державної підтримки. Крім того, необхідне впровадження інноваційних технологічних підходів, оскільки руди більшості відомих родовищ є порівняно бідними і в деяких випадках залягають на значній глибині, що ускладнює їх видобуток і знижує рентабельність. Однак, враховуючи важливість такої сировини для економічного розвитку країни, у тому числі можливості розробки і впровадження високотехнологічної інноваційної продукції (зокрема підприємствами оборонно-промислового комплексу), а також стабільно зростаючий світовий попит на РЗМ, можна стверджувати, що після подолання всіх негараздів нинішнього періоду індустрія видобутку РЗМ в Україні має всі перспективи стрімкого розвитку.

На завершення розглянемо ще один перспективний напрям інтеграції України у світовий ринок РЗМ. Аналіз тенденції розвитку ринку свідчить про особливу увагу світової спільноти до постійних РЗМ-магнітів, і передусім на основі сплавів системи Nd-Fe-B. Як зазначалось вище, за останні роки саме ця галузь застосування РЗМ стабільно зростає. Крім того, більшість проектів з рециклювання РЗМ, які виконуються тепер, націлені власне на технології повторної переробки магнітних матеріалів і вилучення таких важливих елементів, як неодим та диспрозій.

Слід зазначити, що у більшості рідкісноземельних руд містяться суміш Nd і Pr, через що раніше її сприймали як окремий елемент, названий дидимом (Dd). Тому вартість магнітів на основі системи Nd-Fe-B визначається, в основному, витратами на її розділення. В Україні немає значних родовищ неодиму, але у відходах деяких виробництв є дидим – природна суміш кількох РЗМ, у якій вміст Nd становить 70-90%. Зокрема на Придніпровському хімічному заводі свого часу було освоєно виробництво сплавів дидим-залізо-бор, вихідним матеріалом для виготовлення яких є рідкісноземельний концентрат, який отримують у процесі переробки апатиту при виробництві фосфорних добрив. Це зумовлено тим, що неодим входить до складу легкої групи рідкісноземельних металів, які є обов’язковою складовою частиною будь-яких фосфоритових концентратів, з яких у 1990 р. на ПХЗ була отримана суміш РЗМ, що крім неодиму (80-90%) містить до 20% празеодиму, до 6% церію, а також незначні домішки лантану, самарію, диспрозію, гольмію та ітрію. Її подальша переробка з додаванням заліза і бору дозволила у 1992 р. отримати перші постійні магніти з вітчизняної сировини на основі системи Dd-Fe-B [19].

Фізико-механічні характеристики спечених магнітів Dd-Fe-B у вихідному стані (Br = 0,96 Тл, Hc = 10,3 кЕ, (BH)max = 23 МГсЕ) дещо поступалися магнітам системи Nd-Fe-B (див. табл. 6). Однак їх порівняно низька вартість (ціна в доларах США за кг на одиницю магнітної енергії рівна 1,7-1,9 порівняно з Nd-Fe-B – 1,4-3,0 і сплавами Sm-Co – 12,5-25,0) та перспективи поліпшення магнітних характеристик завдяки оптимізації хімічного складу та технологічним етапам отримання робили ці магніти конкурентоспроможними для промислового застосування. За фінансової підтримки Науково-Технологічного Центру в Україні (НТЦУ) у 2000–2003 рр. було реалізовано проект з поліпшення властивостей постійних магнітів на основі даної сировини [20]. Розроблені технології обробки сплавів системи Dd-Fe-B у середовищі водню дозволили підвищити їх магнітні характеристики на 8-10% і були успішно впроваджені у технологічний процес виготовлення постійних магнітів на фірмі Експромаг (м. Дніпродзержинськ). На жаль, це підприємство через фінансові труднощі припинило свою діяльність у кінці 2000 року. Однак, враховуючи сучасний стан ринку РЗМ, стабільно зростаючий попит на магніти даного типу та наявну сировинну базу, відновлення виробництва постійних магнітів на основі вітчизняних сплавів Dd-Fe-B є надзвичайно актуальним і потенційно привабливим для інвесторів. Додатковим підтвердженням цього можуть бути плани всесвітньо відомої корпорації Molycorp, яка на даний час основний акцент робить власне на екстрагуванні Dd для наступного виробництва постійних магнітів, причому сировину постачають з Каліфорнії на розділове виробництво Силмет у Естонії.


**Дурягіна Зоя Антонівна – д-р. техн. наук, професор, завідувач кафедри прикладного матеріалознавства та обробки матеріалів Національного університету «Львівська політехніка».

Тростянчин Андрій Миколайович – асистент кафедри прикладного матеріалознавства та обробки матеріалів Національного університету «Львівська політехніка».


1   2   3


База даних захищена авторським правом ©mediku.com.ua 2016
звернутися до адміністрації

    Головна сторінка