Наверх
29 января 2020
USD EUR

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

Основной профиль завода «Уралэлектромедь» – производство медных катодов (на фото: медеплавильный цех). При этом работу с редкими металлами, сплавами и химическими соединениями на их основе пышминцы считают одним из наиболее многообещающих направлений

©Иван Дмитриенко / Профиль

Что представляет собой солнечная батарея? Наверняка при ответе на этот вопрос первым делом вспоминаются такие термины, как преобразователи, фотоэлементы, полупроводники… Но мало кто знает, что для их изготовления необходимы химические элементы, редко встречающиеся в природе и требующие немалого мастерства для их извлечения. Эту непростую работу выполняют металлурги, чтобы затем, пользуясь ее результатами, инженеры в стерильных лабораториях «сочинили» очередной хитроумный прибор, фармацевтический препарат или радиотехническое изделие.

«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».

Больше интересного на канале: Дзен-Профиль
Скачайте мобильное приложение и читайте журнал "Профиль" бесплатно:
Самое читаемое

Зарегистрируйтесь, чтобы получить возможность скачивания номеров

Войти через VK Войти через Google Войти через OK