Как на Урале производят редкие элементы, без которых немыслимы технологии XXI века

«Профиль» решил рассказать о двух таких элементах, которые российские заводы производят для наукоемких отраслей промышленности, занимая видное место на мировом рынке, – селене и теллуре. Чтобы воочию убедиться, какой это трудоемкий процесс, наш обозреватель отправился в город Верхняя Пышма Свердловской области на предприятие «Уралэлектромедь» Уральской горно-металлургической компании (УГМК).

Извлечь по полной

Ни одного чистого месторождения селена и теллура нет на планете Земля. Это так называемые рассеянные элементы. Они скрыты в местах залегания «соседей» по таблице Менделеева, добываются всегда с другими металлами, и прежде всего с медью, химическими спутниками которой являются: принято называть селен и теллур халькогенами (в переводе с греческого – «рождающими медь»). В рудах они присутствуют в незначительном количестве как примесь.

Поэтому выделить эти элементы на стадии обогащения руды не представляется возможным. Они начинают «просматриваться» только на финише создания готового металлургического продукта – чистой (катодной) меди.

При электролитическом рафинировании меди в качестве «бонуса» металлурги получают шлам (от нем. schlamm – грязь) – черное пастообразное вещество, оседающее на дне электролизных ванн. Несмотря на непритязательный вид, это настоящий кладезь металлов: в шламе содержатся серебро, золото, свинец, сурьма, олово, другие химические элементы, в том числе селен и теллур. Причем доля халькогенов в шламе относительно других металлов достаточно велика: содержание селена составляет 10–14%, теллура – 4–5%. Тогда как золота, для сравнения, меньше процента. Такому добру уральские металлурги не дают пропасть, занимаясь переработкой шламов с 1934 года, то есть с момента пуска завода.

Борьба за чистоту

Как же «вытащить» из шлама селен и теллур? Согласно технологической цепочке, медеэлектролитный шлам, содержащий эти элементы, из цеха электролиза меди перекачивается в химико-металлургический цех. И уже здесь, по самостоятельным технологиям, из него получают технический селен и технический теллур. При этом путь до готового продукта небыстрый: схема переработки шлама отличается многостадийностью, включает целый комплекс металлургических процессов.

Несмотря на то, что технические селен и теллур уже являются востребованным товаром, уральские металлурги пошли дальше. Отвечая на современные вызовы рынка, специалисты «Уралэлектромеди» начали работу по получению продукции высокой степени чистоты. Она характеризуется содержанием примесей в основном веществе: чем меньше примесей, тем чище продукт. Например, в 5N-селене (99,999%) содержание примесей не превышает 0,001%. И каждое следующее снижение уровня примесей достигается значительным усложнением технологий переработки. Отметим, что до 2010‑х годов на «Уралэлектромеди» в основном производили 2N-селен. С 2017 года получают селен с содержанием 99,999% – 5N.

Пока «пять девяток» производятся опытными партиями, но на заводе разработаны технологии получения сопутствующих видов продукции, одновременно с этим в лабораториях Технического университета УГМК пытаются получить еще более чистый селен – 99,9995%.

«Зачем расставаться со своим сырьем на стадии полуфабриката, если можно самостоятельно довести его до готового «к употреблению» продукта?» – следуя этому принципу, в Верхней Пышме разработали технологию получения селенита натрия (Na2SeO3). Селен – полезный микроэлемент для процессов роста и обмена веществ, что вызывает интерес к данной продукции со стороны аграриев (добавка-витамин в корм животных) и фармацевтов (компонент лекарств). Только в России годовой спрос на селенит натрия достигает 40 тонн в год. Также в лабораториях Технического университета УГМК научились получать селенит цинка (ZnSeO3), применяемый в стекольной и химической промышленности.

Также в 2017 году верхнепышминцы разработали технологию и с 2018 года стали получать высокочистый 5N-теллур, введя в эксплуатацию участок по его производству мощностью 2 тонны в год. В перспективе – освоение предложенной Техническим университетом УГМК технологии по рафинированию теллура зонной плавкой, которая позволит получать еще и 6N-теллур (99,9999%).

Печь зонной плавки – уникальная разработка, другой такой в мире нет, рассказал «Профилю» директор по науке Технического университета УГМК Сергей Краюхин: «Вообще этот метод известен с 1960‑х годов, но везде он применяется по-разному. Каждая установка создается под задачи и сырье конкретного завода, не для тиражирования. Ведь редкие металлы – узкопрофильное производство, секретами которого не любят делиться. Входить в лицензионное соглашение и копировать чужое решение дорого и нецелесообразно. Поэтому, понимая химическую основу перечистки металлов, наши умельцы придумали уникальную технологию. Это творческий процесс, где нужно отработать все режимы: например, используемый в начале опытов преобразователь частоты оказался слишком мощный, и мы его заменили».

Методы работы с редкими элементами находятся в постоянном развитии, добавляет главный инженер «Уралэлектромеди» Алексей Королев: «Нельзя установить агрегаты, наладить выпуск, а дальше сидеть сложа руки. Поиск продолжается ежедневно. Селен и теллур, как элементы со схожими свойствами, «загрязняют» друг друга, усложняя процессы разделения и очистки. Чем раньше мы их извлекаем, тем меньше затраты и совершеннее результат».

Рынок не для всех

Технические теллур и селен в виде гранул и порошков востребованы в производстве сплавов черных и цветных металлов, резинотехнической (вулканизация каучука), лакокрасочной и стекольной (обесцвечивание и окрашивание стекла) промышленности. Кстати, красные звезды кремлевских башен получили свой сочный цвет в 1930‑е годы именно благодаря пышминскому селену. Диоксид селена используется при получении чистого марганца.

Совсем другой статус у «премиальных» селена (4N и выше) и теллура (4N и выше): без них не обойтись в электронике (полупроводники, термоэлементы), оптике (оптоэлектроника, монокристаллы и поликристаллы), фотовольтаика (тонкопленочные солнечные батареи). То есть высокая чистота открывает металлам путь на рынки высоких технологий.

Интересно, что спрос на очищенный теллур в мире выше, чем на технический: 280 тонн в год, из которых минимум 160 тонн приходится на 5N, против 120 тонн на 2N. Селен же, напротив, берут попроще: 3150 тонн в год – потребление технического селена, 350 тонн – высокочистого (4N–7N). В России по обоим металлам перевес в пользу технического выражен еще сильнее: у теллура – в девять раз (9 тонн в год против одной), у селена – в 150 (55 тонн против 348 кг). Очевидно, это связано с малочисленностью российских хай-тек предприятий, поэтому металлургам, выходя на рынок редких металлов, нужно сразу ориентироваться на экспорт.

Такой стратегии придерживаются и в УГМК. Помимо явного лидерства по производству этих химических элементов в России «Уралэлектромедь» занимает одно из ведущих мест и на международной арене, выпуская до 185 тонн селена и 50 тонн теллура в год. В эти цифры трудно поверить: 7% и 12% всего мирового сбыта соответственно!

Причем показатели не стоят на месте. В конце 2000‑х выпуск селена не превышал 80 тонн в год, теллура в 2011‑м произвели 30 тонн. Двукратный рост обеспечила как модернизация цехов, позволившая увеличить выход конечного продукта из того же количества шлама, так и воля матушки-природы, награждающей горняков все более богатой на редкие металлы рудой.

По словам Алексея Королева, на «Уралэлектромеди» готовы увеличить объемы производства селена. А выпуск теллура в 2020–2021 годах может достигнуть 55–60 тонн, в том числе 2 тонны высокочистого (5N).

Но на этом пути, помимо технологических барьеров, есть и рыночные. Как признаются собеседники «Профиля», вход на рынок редких металлов затруднен: чем чище металл, тем более специализированный спрос на него предъявляется. Поставщики и потребители давно знают друг друга, механизмы взаимодействия налажены и закрыты для новичков. Остается шаг за шагом формировать собственный пул клиентов, находя к ним индивидуальный подход, говорит Сергей Краюхин.

«Если раньше технический селен и теллур реализовывали только через крупных трейдеров, то теперь начинает формироваться собственная сеть прямых потребителей, от производителя, – поясняет он. – Было бы преувеличением сказать, что рынок с нетерпением ждет наш продукт.

Поэтому пока мы изучаем рынок, отправляем потенциальным клиентам опытные партии, зарабатываем репутацию. Помогает растущий спрос на редкие металлы благодаря буму на хай-тек: в нашей жизни все больше электроники, в космосе все больше спутников. Постепенно селен с теллуром становятся одними из самых незаменимых материалов».

Уральские сокровища

Помимо уже реализованных проектов в части редких элементов, определены направления работы на перспективу. «При рафинировании свинца образуется сплав, в котором до 10% составляет висмут, – рассказывает Сергей Краюхин. – В планах разработать технологию, позволяющую вывести из этого продукта свинец и получить висмут с содержанием 90–95%, который можно реализовывать в качестве чернового. Эта работа запланирована на следующий год. Дальше попытаемся в лаборатории довести висмут до чистоты 4N, а то и 5N. Для этого у нас уже есть опытно-промышленные установки».

Параллельно, по словам собеседника, идет работа над разделением компонентов сурьмяно-оловянного сплава, также получаемого из шлама. В результате у пышминцев образуется целый ассортимент редких элементов и металлов: селен, теллур, висмут, сурьма, олово. Они служат основой для создания разнообразных сплавов, необходимых для хай-тек индустрии: сверхточной и инфракрасной оптики (ZnSe, CdSe, HgSe, ZnTe, HgTe), полупроводниковой техники (CdTe, CdHgTe, CdZnTe, TeO2), термоэлектрических приборов (Bi2Se3, Bi2Te3, SbSe, SbTe), лазеров (GaSb, InSb). Это лишь верхушка айсберга: сплавов может быть бесконечно много, в том числе создаваемых по запросу конкретного клиента.

«Поскольку эти элементы присутствуют в полуфабрикатах медного производства, наша задача – выстроить комплексную работу по их получению, объединить научную и инновационно-промышленную деятельность с эффективным бизнес-планированием, – отмечает Алексей Королев. – Мы уже получаем высокочистые селен и теллур с высокой степенью повторяемости, что подтверждается аналитикой самых авторитетных лабораторий. Обладаем всем спектром металлургических и химических методов. Развиваем установки, на которых сможем программировать структуру вещества методом кристаллизации. Сами пишем технологический регламент и проектируем участки, в том числе лабораторию чистых сплавов. Все это возможно благодаря прочной связке Исследовательского центра предприятия и ресурсов АО «Урал-электромедь». Постепенно меняется позиционирование компании: мы готовимся стать поставщиками для тех, кто создает самые передовые технологии эпохи. Эта задача четко сформулирована руководством: редкие элементы и металлы – наше богатство, которому нужно найти достойное применение».