Металл не только для топливных элементов и лазеров: краткая история скандия
Мы продолжаем серию наших материалов, посвященных различным металлам и их роли в IT-секторе и не только в нем. На этот раз речь пойдет о скандии.
История открытия
В 1871 г. Дмитрий Иванович Менделеев на основании открытого им периодического закона предсказал существование нескольких элементов, в том числе аналога бора, названного им экабором. Менделеев предсказал особенности, как-то: атомный и удельный вес, формулы окисла и хлорида, свойства солей. Спустя 8 лет его предсказание подтвердилось. Профессор аналитической химии в Уппсале Ларс Нильсон занимался изучением минералов эвксенита и гадолинита, содержащих редкие земли.
Его целью было выделить из минералов соединения редкоземельных элементов в чистом виде, определить их физико-химические константы и уточнить места элементов в периодической системе. Нильсон выделил из эвксенита и гадолинита 69 грамм эрбиевой земли с примесью других редких земель. Разделив эту пробу, он получил большое количество окиси иттербия и неизвестную землю, принятую им за окись редкоземельного элемента. Но более подробное исследование показало, что это какой-то новый элемент. Нильсон назвал его скандием в честь своего отечества — Скандинавии. До 1908 г. существовало мнение, что скандий встречается в природе крайне редко. Уильям Крукс и Чиммер Эберхард доказали широкое распространение этого элемента в рассеянном состоянии. Металлический скандий получен в 1914 г., а в 1936 г. Фишер разработал метод его выделения путем электролиза из расплава хлоридов щелочных металлов.
Потребление
Мировой рынок скандия мал по объему и непрозрачен. По разным оценкам, годовое потребление скандия составляет около 30 тонн в пересчете на оксид Sc2O3. Примерно 80% потребляемого промышленностью скандия используется в изготовлении твердооксидных топливных элементов; 15% в производстве легированных скандием алюминиевых сплавов (в основном используется сплав с содержанием Sc 0,1%), применяемых в авиа-, ракето- и судостроении.
Скандий также используется при производстве кристаллов для лазеров, люминофоров, прозрачной технической керамики, катализаторов, радиофармпрепаратов, ферритов с малой индукцией в устройствах хранения информации и другой продукции.
Примечательно, что оксид скандия (температура плавления 2450°C) имел важнейшую роль в производстве суперЭВМ. Хромит скандия используется как один из лучших и наиболее долговечных материалов для изготовления электродов МГД-генераторов.
Добыча из недр
Скандий не образует самостоятельных промышленных месторождений и извлекается как попутный компонент при добыче урана, а также из отходов производства железных руд, редкоземельных металлов, титана, циркония, никеля, вольфрама, олова, глинозема. В нашем веке, до 2018 г. его выпуск осуществлялся только в Китае и России, с 2019 г. к ним присоединились Филиппины, а с 2021 г. Канада.
Крупнейшим продуцентом скандия является Китай (66% от всего мира). Здесь скандий извлекается из отходов редкоземельного производства при переработке бастенезит-эгириновых руд месторождения Баян-Обо (Bayan-Obo), из отходов обогащения ильменит-титаномагнетитовых руд объектов рудного района Паньчжихуа (Panzhihua), а также из отходов производства вольфрама и олова, из кислотных стоков производства пигментного диоксида титана, в процессе получения химических соединений циркония, из красных шламов (отходов глиноземного производства). КНР располагает мощностями, позволяющими получать около 30 тонн оксида скандия в год. Вовлечение в производство скандия титановых заводов, использующих сульфатный процесс, позволит Китаю получать до 100 тонн оксида скандия в год.
На Филиппинах японская компания Sumitomo Metal Mining Co., Ltd. в 2021 г. выпустила 16 тонн оксалата скандия в ходе получения никель-кобальтовых сульфидов из руд латеритного месторождения Таганито (Taganito). Получаемый продукт экспортировался в Японию для дальнейшей переработки в оксид скандия на предприятии той же корпорации мощностью 7,5 тонн Sc2O3 в год.
В Канаде в 2021 г. Rio Tinto, подразделение англо-австралийской Rio Tinto Group, приступила к получению скандия на своем заводе Сорел-Трейси (Sorel-Tracy). Пилотная установка имеет производительность до 3 тонны оксида скандия в год, но в целом предприятие способно ежегодно вырабатывать 50–60 тонн Sc2O3 в зависимости от качества исходного сырья. Компания объявила о начале продаж алюминий-скандиевого сплава для аддитивного производства металлов.
В Австралии реализуется несколько проектов, предполагающих извлечение скандия при производстве никеля и кобальта. В зависимости от проекта потенциальный годовой объем производства металла может составить 50–100 т и более!
Доля России здесь менее 1%.
Патентный аспект
На портале Google.Patents указано 100 000 документов по слову scandium.
Рейтинг патентообладателей:
Bridgestone Corporation (株式会社ブリヂストン) — 3,2%;
United Technologies Corporation — 2,4%;
Avago Technologies General Ip (Singapore) Pte. Ltd.— 1,6%;
Sumitomo Metal Mining Co., Ltd. — 1%;
CHINA ENFI ENGINEERING CORP. (中国恩菲工程技术有限公司) — 0,9%.
Как видите, пьедестал оккупировали в основном азиатские корпорации с японской Bridgestone во главе. На втором месте, правда, американская United Technologies Corporation. Но лидерство в патентах на скандий, безусловно, за японскими и китайскими предприятиями.
Много патентов посвящено сплавам (C22C — 17%), их обработке с изменением структуры (C22F — 9%), металлическим покрытиям (C23C — 9%), получению и рафинированию скандия (C22B — 9%), керамике (C04B — 7%). Существенная часть патентов касается полупроводниковых приборов (H01L — 10%), газоразрядных устройств (H01J — 7%) и топливных элементов (H01M — 5%).
В российской базе ФИПС имеется 504 патента на изобретения, из которых 184 действует. Большинство посвящено металлургии и химии скандия, в частности способ производства сплавов со скандием №2516680; способ переработки руд №2795929; сорбционное извлечение скандия №2531916; получение скандия из красных шламов №2603418.
В тематику удовлетворения жизненных потребностей человека превалируют медицинские устройства, например №2325145 (способ воздействия на биологически активные точки при рефлексотерапии дисфункции почек); №2670865 — скандий в сцинтилляторах на основе гадолиний-галлиевых гранатов.
В базе имеется 16 патентов РФ на полезные модели (ни один не действует).
На две программы ЭВМ получены Свидетельства РФ:
№2017619941 — «Программа для исследования динамики изменения структурных параметров соединений с разной симметрией» для нахождения пределов существования соединений редкоземельных скандиевых боратов с общей формулой RESc3(BO3) от Московского технологического университета;
№2022610281 — «Программа расчета параметров микроэлектронного ОАВ резонатора на основе пьезоэлектрической пленки нитрида алюминия-скандия» (Омский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук).
Баз данных по скандию в РФ 9 ед., почти все по легким сплавам, например №2021623217 «Влияние скорости охлаждения и химического состава на размер зерна в отливки сплавов системы Al-Mg-Si-Sc-Zr», №2023620040 «Влияние химического состава на механические свойства в отливках сплавов системы Al-Mg-Si-Sc-Zr» и №2023620085 «Параметры кинетики распада сплавов системы Al-Mg-Si с малыми добавками циркония и скандия» (Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева).
Скандий в России
В соответствии со Стратегией развития минерально-сырьевой базы до 2035 года, скандий относится к полезным ископаемым первой группы, сырьевая база которых достаточна для обеспечения потребностей экономики в долгосрочной перспективе при любых сценариях ее развития и не требует проведения активных геологоразведочных работ, направленных на ее воспроизводство. Кроме того, скандий входит в перечень основных видов стратегического минерального сырья, утвержденный распоряжением Правительства РФ от 30.08.2022 № 2473-р.
Самыми крупными запасами скандия (71% балансовых запасов страны) обладает Дальневосточный ФО. Практически в полном объеме они заключены в редкометальном Томторском месторождении (Якутия) в коре выветривания карбонатитов. ООО «Восток Инжиниринг» подготавливает к освоению участок Буранный этого месторождения.
Все запасы Сибирского ФО (17,5% национальных) сосредоточены в коре выветривания по карбонатитам редкометального Чуктуконского месторождения (Красноярский край); получение скандиевой продукции из его руд не предусматривается. Кроме того, в Томской области на Туганском россыпном циркон-рутил-ильменитовом месторождении учитываются забалансовые запасы скандия; с декабря 2021 г. месторождение разрабатывает АО «ТГОК «Ильменит», однако скандий учитывается на участке, не переданном в освоение
Ценным источником получения скандия могут стать отходы добычи и переработки целого ряда других видов полезных ископаемых (руд железа, олова, вольфрама, титана, каменного и бурого угля и др.), в составе которых Sc присутствует как попутный компонент. Наиболее перспективны для извлечения скандия красные шламы — отходы глиноземного производства, в меньшей мере — золы и шлаки от сжигания каменного и бурого углей, а также разнообразные отходы гидро- и пирометаллургических производств.
Добыча скандия из недр России началась в 2015 году в ходе опытно-промышленной отработки рудных песков на Туганском месторождении в Томской области (0,1 т/год).
Компанией ПАО «ОК РУСАЛ» разработана технология карбонизации для извлечения скандия из красных шламов. В 2016–2018 гг. действовала опытная установка производительностью 96 кг скандия в год. Была создана система глубокой очистки чернового скандиевого концентрата, содержащего 22–52% Sc2O3, включающая двойной гидролиз, осаждение скандия в виде двойного сульфата скандия и натрия (при этом сопутствующие примеси остаются в жидкой фазе) и окончательную очистку скандиевого концентрата через последовательное получение гидроксида скандия — оксалата скандия — оксида скандия.
В 2019 г. на Уральском алюминиевом заводе запущен промышленный участок по получению оксида скандия чистотой 99,4%, в 2021 г. — установка по извлечению оксида скандия из красных шламов проектной мощностью 3 т/год. Кроме того, инициировано производство скандиевых сплавов (под маркой «ScAlution»), которые обладают улучшенными эксплуатационными характеристиками при низких (обычно 0,1%) концентрациях скандия.
Потребление скандия в России
Уровень видимого потребления оксида скандия в 2021–2023 гг. составляет около 4 т (2,6 т в пересчете на металл). Основным его потребителем является ООО «Орион-Спецсплав-Гатчина» (Ленинградская обл.), производящее лигатуры и сплавы на основе алюминия.
Главной сферой применения скандия в России является производство алюминиево-скандиевых сплавов. Добавка скандия в виде микролегирующей примеси к алюминию и его сплавам увеличивает термическую стабильность, прочность и твердость сплава без потери пластичности. Кроме того, он применяется в производстве осветительных элементов высокой интенсивности, ядерной энергетике и медицине.
Перспективные исследования по скандию
В базе научно-исследовательских, опытно-конструкторских и технологических работ гражданского назначения числится 673 документов, в основном отчёты по НИР по грантам (твердооксидные электролиты со скандием; лёгкие спецсплавы, в том числе для аддитивный технологий; керамики для лазеров; скандиевые плёнки на кремниевых подложках для алмазной микроэлектроники; радиофармпрепараты для тераностики онкологических заболеваний и пр.) и диссертации (например, извлечение из отходов глиноземного производства; экстракция скандия триизоамилфосфатом из хлоридно-нитратных растворов).
Наше внимание привлекли сведения о начинаемых научно-исследовательских работах. Большинство из них в области оптической связи и коммуникаций.
Разработкой оптической керамики на основе иттрий-скандий-алюминиевого граната легированного иттербием и эрбием занялся Северо-Кавказский Федеральный Университет. Данный проект направлен на разработку способов получения и исследование свойств оптической керамики на основе содержащих скандий твердых растворов со структурой граната легированных катионами эрбия и иттербия. Предполагается, что YSAG: Er: Yb может стать перспективным материалом для создания активных сред твердотельных лазеров, лидаров и активных реконфигурируемых элементов в системах связи C-диапазона.
Поиск и разработка новых функциональных материалов для фотоники, оптики и ионики твердого тела на примере оксидных систем со скандием стали темой НИР Байкальский институт природопользования СО РАН.
Численное исследование тепловых полей в расплаве и формы фронта кристаллизации в зависимости от конструкции экранировки тигля при выращивании монокристаллов галлий-скандий-гадолиниевых гранатов (ГСГГ) для пассивных лазерных затворов, используемых в современных лазерах, работающих в ИК-области спектра взялся исследовать Институт физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна РАН.
Заключение
В последние годы из-за вялого развития мирового производства топливных элементов возникло избыточное предложение оксида скандия, и цена на него в 2021 г. снизилась почти вдвое, тогда как уровень цен на сплавы не изменился.
В целом рост мировой скандиевой промышленности сдерживается низким уровнем спроса на ее дорогостоящую продукцию. Снижение цен, провоцирующее увеличение спроса, в свою очередь приводит к низкой рентабельности новых проектов по добыче этого металла. Тем не менее, перспективы более интенсивного использования скандия в сплавах, главным образом с алюминием, а также в твердооксидных топливных элементах побуждают инвесторов рассматривать возможности извлечения металла и из техногенного сырья, и из комплексных руд скандий содержащих месторождений.
В США, странах Евросоюза, Австралии и России скандий отнесен к стратегическим металлам. Поэтому, пытаясь избавиться от зависимости от его поставок из Китая (основной продуцент), правительства этих стран поддерживают проекты, связанные с возможностью производства скандия на своей территории.
Интенсивное развитие производства алюминий-скандиевых лигатур в России обусловило неуклонной рост потребления оксида скандия, что в свою очередь требует активизации сырьевых проектов по производству этого стратегического металла.
В патентом плане ситуация со скандием в России удовлетворительная. Потенциально возможна кооперация с китайскими компаниями и институтами по данному металлу. Вряд ли японские и американские корпорации согласятся делиться своими наработками по этому стратегическому металлу в ближайшие годы. Что хорошо, у России есть собственная ресурсная база по добыче и переработке скандия.
Полезное от Онлайн Патент:
→ Что такое Реестр отечественного ПО?
→ Бесплатный онлайн-поиск по базам данных Роспатента и Мадридской системы (доступно после регистрации).
→ Может ли иностранная компания внести свою программу в Реестр отечественного ПО?
→ Как IT-компаниям сохранить нулевой НДС и попасть в Реестр отечественного ПО
→ Как запатентовать технологию?
