скандий
Скандий металл космического века
к.х.н. О.Н.Новиков
 
Эта статья написана после тщательного всесторонего анализа тенденций развития техники в области металлов и сплавов. Среди одной из очевидных тенденций - поиск новых материалов, без которых невозможно создание перспективных образцов техники. Среди таких материалов скандий занимает ключевое место.  Скандий моноизотопный элемент и на 100 % состоит из атомов Скандий Sc45. Наиболее богатый скандием минерал — тортвейтит — один из редчайших минералов. Самые значительные месторождения тортвейтита расположены на юге Норвегии и на Мадагаскаре.

           Насколько «богаты» эти месторождения, можно судить по таким цифрам: за 40 с лишним лет, с 1911 но 1952 годы, на норвежских рудниках было добыто всего 23 кг тортвейтита. Правда, в последующее десятилетие в связи с повышенным интересом к скандию многих отраслей науки и промышленности добыча тортвейтита была предельно увеличена и в сумме достигла 50 кг. Немногим чаще встречаются и другие богатые скандием минералы — стерреттит, кольбекит, больцит.
        Зато в сотых (0,01) и тысячных (0,001) долях процента этот элемент встречается и в железных, и в урановых, и в оловянных, и в вольфрамовых рудах, и в низкосортных углях, и даже в морской воде и водорослях. Несмотря на такую рассеянность, были разработаны технологические процессы получения скандия и его соединений из различных видов сырья. Вот как выглядит, например, один из способов получения окиси скандия, разработанный чехословацкими учёными.

        Первая стадия — обжиг отходов обработки вольфрамовых руд. При этом выжигаются летучие компоненты. Твёрдый остаток разлагают концентрированной серной кислотой, добавляют воду и аммиаком осаждают из раствора гидроокись скандия. Затем её высушивают и прокаливают в газовой печи при 600—700 °C. В результате получают светлорозовый порошок окиси скандия (Sc2O3) с довольно значительными примесями твёрдой кремневой кислоты и различных окислов, в первую очередь окиси железа. Эти примеси можно удалить, растворяя порошок окиси в чистой соляной кислоте с последующим выделением разных фракций. Кремневую кислоту удаляют с помощью раствора желатины, а образовавшееся хлорное железо — методом эфирной экстракции. Затем следует ещё серия операций, в которых участвуют различные кислоты, роданистый аммоний, вода, эфир. Снова выпарка, промывка, сушка. Очищенную окись скандия ещё раз растворяют в соляной кислоте и щавелевой кислотой осаждают оксалат скандия. Его прокаливают при 1100 °C и превращают в окись.

         Вторая стадия, получение металлического скандия из окисла, не менее трудоёмкий процесс. По данным Эймской лаборатории США, наиболее целесообразно превратить окись скандия во фторид. Этого достигают, обрабатывая её фтористым водородом или бифторидом аммония NH4F • HF. Чтобы переход оксида скандия Sc2O3 во  фторид скандия ScF3 был полным, реакцию проводят дважды. Восстанавливают фтористый скандий в танталовых тиглях с помощью металлического кальция. Процесс начинается при 850 °C и идёт в атмосфере аргона. Затем температура повышается до 1600 °C. Полученный металлический скандии и шлак разделяют при переплавке в вакууме. Но и после этого слиток скандия не будет достаточно чистым. Главная примесь в нем — от 3 до 5 % тантала.
И, наконец, третья стадия очистки скандия — вакуумная дистилляция. Температура 1650—1750 °C, давление 10—5 мм рт. ст. После окончания операции в слитке будет около 95 % скандия. Дальнейшая очистка, доведение скандия до чистоты хотя бы 99 % — ещё более сложный многоступенчатый процесс. Несмотря на это, учёные идут все дальше, стремятся достигнуть максимальной чистоты редкого металла, изучают свойства его соединений, разрабатывают новые методы их получения. В последнее время важное значение приобрело попутное извлечение скандия из урановых руд.

      Следует отметить значительные ресурсы скандия в золе каменных углей до 10 г/т. Извлечение скандия из такого сырья возможно в результате комплексного процесса при переработке углей на искуственное жидкое топливо, аналогичное товарным бензинам или дизельным топливам. После извлечения компонентов жидкого топлива, останется шлак, который возможно использовать для извлечения и скандия с том числе. Подход  ООО "Экологическая группа" к данной проблеме заключается в применении процессов селективной сорбции,  при участии оборудования "Альфа-9М" посредством которого задача извлечения микрокомпонента упрощается и удешевляется. Что, безусловно, скажется на себестоимости его извлечения.
 
Наша справка:
Мировые ресурсы скандия
При развитии технологии скандия стоит учесть что важнейшим вопросом его технологии является полное извлечение его из перерабатываемых руд и по мере развития металлургии рудносителей скандия, его ежегодный объём добычи будет возрастать. Основные рудыносители и объём попутного скандия:
 
Содержание скандия в природных минералах
 Минерал, добыча тонн в год Содержание скандия тонн
Бокситы — 71 млн 
710—1420
 
Урановые руды — 50 млн  50—500
Ильмениты — 2 млн  20—40
Вольфрамиты  30—70 
Касситериты — 200 тысяч 20—25
Цирконы — 100 тысяч  5—12 тонн в год.

 
Итого налицо ресурсы, которые по большей части совершенно не используются!  Как мы видим ресурсы эти весьма значительны. В этой же связи стоит указать на каменноугольный скандий, и как первый шаг его добычи — переработка доменных чугунолитейных шлаков начавшаяся в последние годы в ряде развитых стран.

Производство и потребление скандия.
В 1988 году производство оксида скандия в мире составило:
Китай — 50—60 кг/год.
Франция — 100 кг/год.
Норвегия — 120 кг/год.
США — 500 кг/год.
Япония — более 30 кг/год.
Казахстан — более 700 кг/год.
Украина — более 610 кг/год.
Россия — более 958 кг/год.
 
          Следует учесть колоссальные ресурсы скандия в России и бывшем Советском Союзе (данные по добыче весьма разрозненны, но объёмы добычи по оценкам независимых специалистов равны или превышают официальную мировую добычу). В целом, по оценкам независимых специалистов, в настоящее время, основными продуцентами скандия (оксида скандия) являются Россия, Китай, Украина и Казахстан. Публикуемые в печати объёмы скандия/оксида скандия в США, Японии, Франции --  это в большей степени вторичный металл и металл закупленный на мировом рынке. В определенной степени, в ближайшие годы, ожидается значительный объём поступлений скандиевого сырья из Австралии, Канады, Бразилии.
          Следует также отметить, что запасы редкоземельного сырья в Монголии, содержащего скандий, это также перспективный источник скандия для скандиевой промышленности и развития металлургии скандия. Скандий имеется в попутных нефтяных водах в концентрации, сопоставимом с содержанием его в ЗШО.  Скандий есть практически везде, даже в морской воде, но экономически целесообразно добывать его исключительно нашей технологией.

Цены
        Скандий смело можно назвать металлом XXI века и прогнозировать резкий рост его добычи, рост цен и спрос в связи с переработкой огромного количества каменных углей (особенно переработка каменных углей России), на жидкое топливо. К сожалению, очень высокие цены на скандий будут сохраняться довольно долго (последние пять лет цены на металлический скандий на мировом рынке колеблются от 12 до 20 тыс. долл за один кг (время от времени наблюдаются резкие скачки цен на скандий и его оксид, мало объяснимые с точки зрения специалистов, так например в 1991 году по данным Горного бюро США, оксид скандия оценивался в 3500 долл/кг (99,9 %), 10 000 долл/кг (99,999 %), металлический порошок крупностью 250 мкм (дистиллят 99,9 %) — 296 000 долл/кг, куски дендритов (99,9 %) — 248 000 долл/кг), в зависимости от чистоты металла, а оксид скандия в среднем 3500 долл/кг). Их снижение (порядка уровня цен на чистый бериллий) произойдёт по мере насыщения промышленности и разработки технологий утилизации скандия уже в середине и во второй половине XXI столетия.

Применение
1) Источники света. Порядка 80 кг скандия (в составе Sc2O3) в год используется для производства осветительных элементов высокой интенсивности. Иодид скандия добавляется в ртутногазовые лампы, производящие очень правдоподобные источники искусственного света, близкого к солнечному, которые обеспечивают хорошую цветопередачу при съёмке на телекамеру.
 
2) Производство ферритов. Оксид скандия (температура плавления 2450°C) имеет важнейшую роль в производстве суперкомпьютеров (ферриты с малой индукцией).
 
3) Изотопы скандия. Радиоактивный изотоп Sc46 (период полураспада 83,83 сут) используется в качестве «метки» в нефтеперерабатывающей промышленности, для контроля металлургических процессов, и лечения раковых опухолей. Изотоп Sc47 (период полураспада 3,35 сут) один из лучших источников позитронов.
 
4) Сплавы скандия. Главным по объёму применением скандия является его применение в алюминиевоскандиевых сплавах, применяемых в аэрокосмической промышленности, спортивной технике (мотоциклы, бейсбольные биты и т. п.) — везде, где требуется высокопрочные материалы. В сплаве с алюминием скандий обеспечивает дополнительную прочность и ковкость. Предел прочности на разрыв у чистого скандия около 400 Мпа (40 кг/мм), у титана например 250—350 Мпа, а у нелегированного иттрия 300 Мпа. Применение скандиевых сплавов в авиации и ракетостроении позволит значительно снизить стоимость перевозок и резко повысить надежность эксплуатируемых систем, в то же время при снижении цен на скандий и его применение для производства автомобильных двигателей так же значительно увеличит их ресурс и частично КПД. Очень важно и то обстоятельство что скандий упрочняет алюминиевые сплавы легированые гафнием.
5) Важной и практически не изученой областью применения скандия является то обстоятельство что подобно легированию иттрием алюминия, легирование чистого алюминия скандием так же повышает электропроводность проводов и эффект резкого упрочнения имеет большие перспективы для применения такого сплава для транспортировки электроэнергии (ЛЭП). Сплавы скандия наиболее перспективные материалы в производстве управляемых снарядов, а также технологий производства высокопрочных металлических тросов (космический лифт).
6) Ряд специальных сплавов скандия композитов на скандиевой связке весьма перспективен в области конструирования скелета киборгов. В последние годы важная роль скандия (и от части иттрия и лютеция) выявилась в произведстве некоторых по составу суперпрочных артенситностареющих сталей, некоторые образцы которых показали почность свыше 700 кг/мм (свыше 7000 Мпа)!
 
7) Сверхтвердые материалы. Скандий используется для получения сверхтвёрдых материалов. Так, например, легирование карбида титана карбидом скандия весьма резко поднимает микротвёрдость (в 2 раза), что делает этот новый материал четвёртым по твёрдости после алмаза (около 98,7 — 120 ГПа), нитрида бора (боразона), (около 77—87 ГПа), сплава боруглеродкремний (около 68—77 ГПа), и существенно больше чем у карбида бора(43,2 — 52 ГПа), карбида кремния (37 ГПа), микротвёрдость сплава карбида скандия и карбида титана около 53,4 ГПа (у карбида титана например 29,5 ГПа). Особенно интересны сплавы скандия с бериллием, обладающие уникальными характеристиками по прочности и жаростойкости. Так, например, бериллид скандия (1 атом скандия и 13 атомов бериллия) обладает наивысшим благоприятным сочетанием плотности, прочности и высокой температуры плавления, и может явится лучшим материалом для строительства аэрокосмической техники, превосходя в этом отношении лучшие сплавы из известных человечеству на основе титана, и ряд композиционных материалов (в том числе ряд материалов на основе нитей углерода и бора).
 
8) Ядерная энергетика. В атомной промышленности с успехом применяется гидрид- и  дейтерид скандия — прекрасный замедлитель нейтронов, и мишень (бустер) в мощных и компактных нейтронных генераторах. Диборид скандия (температура плавления 2250 °C) применяется в качестве компонента жаропрочных сплавов, а так же как материал катодов электронных приборов. В атомной промышленности находит применение бериллид скандия в качестве отражателя нейтронов, и в частности этот материал, равно как и бериллид иттрия предложен в качестве отражателя нейтронов в конструкции атомной бомбы.
 
9) Медицина. Важную роль оксид скандия может сыграть в медицине (высококачественные зубные протезы).
 
10) Лазерные материалы. Применяют скандий в материалах с высокотемпературной сверхпроводимостью, производстве лазерных материалов (ГСГГ). Галлий-скандий-гадолиниевый гранат при легировании его ионами хрома и неодима позволил получить 4,5 % КПД и рекордные параметры в частотном режиме генерации сверхкоротких импульсов, что даёт весьма оптимистичные предпосылки для создания сверхмощных лазерных систем для получения термоядерных микровзрывов уже на основе чистого дейтерия (инерциальный синтез) уже в самом ближайшем будущем. Так например ожидается что в ближайшие 10—13 лет лазерные материалы на основе ГСГГ и боратов скандия займут ведущую роль в разработке и оснащении лазерными системами активной обороны для самолётов и  вертолётов в развитых странах, и параллельно с этим развитие крупной термоядерной энергетики с привлечением гелия3 (добываемого на Луне), в смесях с гелием3 лазерный термоядерный микровзрыв уже получен.
 
11) Металлургия. Применение скандия в виде микролегирующей примеси оказывает значительное влияние на ряд практически важных сплавов, так например прибавление 0,4 % скандия к сплавам алюминиймагний повышает временное сопротивление на 35 %, а предел текучести на 65—84 %, и при этом относительное удлинение остаётся на уровне 20—27 %. Добавка 0,3—0,67 %   к хрому, повышает его устойчивость к окислению вплоть до температуры 1290°C, и аналогичное но ещё более ярко выраженное действие оказывает на жаростойкие сплавы типа «нихром» и в этой области применение скандия куда как эффективнее иттрия. Оксид скандия обладает рядом преимуществ для производства высокотемпературной керамики перед другими оксидами, так прочность оксида скандия при нагревании возрастает и достигает максимума при 1030 °C, в то же время оксид скандия обладает минимальной теплопроводностью и высочайшей стойкостью к термоудару. Скандат иттрия это один из лучших материалов для конструкций работающих при высоких температурах. Определённое количество оксида скандия постоянно расходуется для производства германатных стёкол для оптоэлектроники. Скандий-галлиевая связка является одним из лучших металлических клеев и специальных покрытий.
 
12) Производство солнечных батарей. Оксид скандия в сплаве с оксидом гольмия используется в производстве фотопреобразователей на основе кремния в качестве покрытия. Это покрытие имеет широкую область прозрачности (400—930 нм), и снижает спектральный коэффициент отражения света от кремния до 1—4 %, и при его применении у такого модифицированного фотоэлемента увеличивается ток короткого замыкания на 35—70 %, что в свою очередь позволяет увеличить выходную мощность фотопреобразователей в 1,4 раза.
 
13) МГД- генераторы. Хромит скандия используется как один из лучших и наиболее долговечных материалов для изготовления электродов МГД-генераторов, к основной керамической массе добавляют предварительно окисленный хром и спекают, что придаёт материалу повышенную прочность и электропроводность. Наряду с диоксидом циркония как электродным материалом для МГД-генераторов, хромит скандия обладает более высокой стойкостью к эрозии соединениями цезия (используемого в качестве плазмообразующей добавки).
 
14) Рентгеновские зеркала. Скандий широко применяется для производства многослойных рентгеновских зеркал (композиции: скандий вольфрам, скандий хром, скандий молибден). Теллурид скандия очень перспективный материал для производства термоэлементов (высокая термоэ.д.с, 255 мкВ/К и малая плотность и высокая прочность). В последние годы значительный интерес для авиакосмической и атомной техники приобрели тугоплавкие сплавы (интерметаллические соединения) скандия с рением (температура плавления до 2575 °C), рутением (температура плавления до 1840 °C), железом (температура плавления до 1600 °C), жаропрочность, умеренная плотность и др.
 
15) Огнеупорные материалы. Важную роль в качестве огнеупорного материала специального назначения оксид скандия (температура плавления 2450 °C) играет в производстве сталеразливочных стаканов для разливки высоколегированных сталей, по стойкости в потоке жидкого металла оксид скандия превосходит все известные и применяемые материалы (так например наиболее устойчивая окись иттрия уступает в 8,5 раза оксиду скандия) и в этой области можно сказать незаменим. Его широкому применению препятствует лишь весьма высокая цена, и в известной степени альтернативным решением в этой области является применение скандатов иттрия армированых нитевидными кристаллами оксида алюминия для увеличения прочности), а так же применение танталата скандия.

16) Производство фианитов
Важную роль играет оксид скандия для производства фианитов, где он является самым лучшим стабилизатором. Некоторое количество скандия расходуется для легирования жаростойких сплавов никеля с хромом и железом (нихромы и фехрали) для резкого увеличения срока службы при использовании в качестве нагревательной обмотки для печей сопротивления.17) Люминофоры. Борат скандия, равно как и борат иттрия применяется в радиоэлектронной промышленности в качестве матрицы для люминофоров.
 
Как видно из вышеизложенного, скандий ключевой элемент развития новой техники. Без скандия не будет высоких технологий. Пора бизнесу обратить на него внимание. Извлечение скандия как элемент бизнеспланов по переработке отходов, который делает практически любой бизнесплан инвестиционно привлекательным. Например скандий из ЗШО содержится до 10 г/т, с учетом стоимости скандия это добавка к выручке 200 $US/т золы. Сам уголь стоит дешевле!
 
Материалы, опубликованные на сайте защищены согласно закону об авторских правах Закон РФ от 9 июля 1993 г. N 5351 "Об авторском праве и смежных правах" (с изменениями о от 19 июля 1995 г., 20 июля 2004 г.) и не могут быть использованы без разрешения автора. При перепечатке ссылка на ресурс и автора  бязательна.
Яндекс.Метрика Flag Counter Рейтинг@Mail.ru