журналы подразделения новости подписка контакты home

архив
2001 год
2002 год
2003 год
2004 год
рубрики
ТЕМА НОМЕРА

ИТОГИ И ТЕНДЕНЦИИ

КОМПАНИИ И РЫНКИ

РЫНОК ЧЕРНЫХ МЕТАЛЛОВ

РЫНОК ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

гостям
Агентство "Стандарт" предлагает вам подписаться на экномические журналы – лидеры в своей области.
























"Металлы мира" – №2, 2001

РЫНОК ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ

Бериллий: необходимый стратегический металл с отдельными недостатками

Бериллий обладает уникальной комбинацией механических, физических и тепловых характеристик: его модуль упругости в четыре раза выше, чем у алюминия, и в два с половиной раза больше, чем у титана; в широком температурном интервале ему свойственны большая ударная вязкость и сопротивление усталостному растрескиванию, высокий предел прочности при сдвиге и низкие коэффициенты теплового расширения, а высокая прочность на разрыв сохраняется вплоть до 816 градусов С. Наконец, по теплоемкости он превосходит все остальные металлы. При этом бериллий – один из самых легких материалов, и для него характерно высокое соотношение твердости и плотности. Соответственно, как металл, так и его сплавы используются в авиационной, космической и военной промышленности. Кроме того, высокая электро- и теплопроводность обеспечивает бериллию широкое применение в электротехнике и электронике, а его способность тормозить и отражать тепловые нейтроны используется в ядерной технике.

Бериллий – легкий и твердый металл светло-серого цвета – был открыт в 1798 году Л. Вокленом в виде оксида (в природе – минерал бромеллит), а в металлической форме его независимо получили Ф. Веллер и А. Бюсси в 1828 году.

В природе бериллий встречается в виде 54 минералов, важнейшие из которых – полудрагоценный камень берилл (разновидности – изумруд, аквамарин, гелиодор и др.), а также – бертрандит, фенакит и гельвин. Вплоть до 90-х годов основным источником металла служил берилл, однако в последние годы были открыты богатейшие месторождения бертрандитно-фенакитных руд (главным образом, в США). Содержание окиси бериллия в этих рудах гораздо выше, чем в берилле, а их резервы весьма значительны. Месторождения имеются во многих странах мира, но главные производители руды – США, Китай, Россия и Казахстан. По данным US Geological Survey (USGS), в 1999 году объем добычи бертрандита составил 336 тыс. т. Крупнейший производитель металлического бериллия – США; мощности для производства металла имеются также в Китае и Казахстане. Данные по утилизации бериллия недоступны, известно только, что проводится переработка нового производственного лома и устаревшего военного оборудования.

Для получения металлического бериллия используют его окись или гидроокись, которые с этой целью переводят во фторидную или хлоридную форму. Фторид бериллия восстанавливают магнием при 1400 градусов С, а расплав смеси хлоридов бериллия и натрия подвергают электролизу. Полученный в этих процессах металл доводят до 99,98% чистоты методом вакуумной дистилляции, а для производства пластичного бериллия, содержащего не более одной десятитысячной доли процента примесей, используют технологию зонной плавки.

Для получения гидроокиси и окиси бериллия – полуфабрикатов для производства металла – руду подвергают обработке с использованием сульфатной или фторидной технологии. В первом случае концентрат берилла сплавляют (при 750 градусах С) с карбонатом натрия или калия при последующей обработке горячей концентрированной серной кислотой; при этом образуется раствор сульфатов бериллия, алюминия и других металлов. Чтобы отделить от этого раствора алюминий, в него добавляют сульфат аммония (при этом алюминий выделяется в виде квасцов); остаток обрабатывают избытком едкого натра, затем проводят кипячение. На этом этапе из раствора выпадает в осадок гидроокись бериллия. По фторидному способу концентрат берилла спекают (750 градусов С) с карбонатом и гексафторасиликатом натрия; в этом процессе образуется фторбериллат натрия, который далее выщелачивают водой. Затем раствор обрабатывают едким натром, чтобы выделить гидроокись бериллия в виде осадка.

Для получения бериллия из бертрандита тоже используют сульфатный способ, при котором сернокислый раствор экстрагируют смесью керосина с фосфорорганической кислотой; далее органическую фракцию обрабатывают водным раствором карбоната аммония, чтобы выделить в осадок соединения железа и алюминия. При нагревании полученного раствора до 95 градусов С соединения бериллия выпадают в осадок; при прокаливании (195 градусов С) этого осадка образуется гидроокись бериллия. Именно эту схему использует крупнейший производитель металлического бериллия – компания Brush Wellman (Кливленд, США). Первичный бериллий компания производит в виде "корольков", восстанавливая магнием безводный фторид бериллия. Далее корольки переплавляют в вакууме и отливают в слитки, которые затем размалывают в порошок, поскольку слитки не обладают нужными механическими свойствами и их трудно обрабатывать.

Фактически весь бериллий начинает свою жизнь как продукт порошковой металлургии. Основная форма выпускаемого бериллия – блоки, полученные горячим прессованием порошка в вакууме. Изменением химического состава, температуры и распределением частиц по размеру получают широкий ассортимент сортов для различных сфер использования. По данным USGS, в США, примерно, 75% бериллия используется для производства медно-бериллиевых сплавов (бериллиевой бронзы), которые применяют для изготовления пружин, вкладышей и коммутационных устройств в автомобилестроении, авиации и компьютерной технике. Цена на эти сплавы в течение 90-х годов оставалась стабильной: $160 за фунт содержащегося бериллия. В 1999 году в США потребление подобной продукции в пересчете на содержание бериллия составило 240 т; примерно, 60 т было отправлено на экспорт, главным образом, в Канаду, Японию и Германию.

Конструкционные сорта применяют в аэрокосмической отрасли для производства изделий широкого спектра – от узлов вертолетов до деталей спутников и ракет. Главным образом, используют листы и плиты, поскольку прокатная обработка бериллия в различных направлениях позволяет в определенных пределах регулировать соотношение сопротивлений сдвигу и растяжению при экстремальных температурах с обеспечением оптимального соотношения прочности и веса. Инструментальные сорта, применяемые в этих сферах, используют способность бериллия сохранять размеры и форму при экстремальных температурах.

Оптические сорта, получаемые в изостатическом процессе, предназначены для использования в аппаратуре, функционирующей при высоких рабочих напряжениях: в оптике для астрономических телескопов, системах контроля огня в танках и самолетах, зеркалах метеорологических спутников. Применяются они и в инструментах для инерциальных измерений. Поскольку бериллий проницаем для рентгеновского излучения, его фольгу используют для изготовления окошек рентгеновских установок, применяемых в медицине, аналитической аппаратуре, промышленности и в научных исследованиях. Кроме того, листы бериллия в связи с его высокой теплопроводностью используются в электронике в качестве теплоотводов для защиты монтажных плат.

В ядерных сортах используется высокая способность бериллия к рассеянию нейтронов, что позволяет применять его как замедлитель нейтронов, снижающий их скорость до уровня, необходимого для эффективного функционирования реактора. При использовании в качестве ядерного отражателя бериллий предотвращает утечку нейтронов, возвращая их в активную зону реактора.

Компания Brush Wellman разработала метод изостатического прессования, что значительно расширило сферу применения бериллия и композиционных материалов с его включением. При сохранении всех свойств материала, полученного горячим прессованием в вакууме, можно производить детали сложной формы, при этом горячее изостатическое прессование рекомендовано, когда требуется высокая пластичность при повышенных температурах, а холодное, когда требования к материалу не так высоки.

Из соединений бериллия наибольшее промышленное применение получили его оксид и фторид. Оксид бериллия – химически стойкий и огнеупорный материал. Его применяют для изготовления тиглей, которые в инертной атмосфере или в вакууме могут использоваться при температурах до 2000 градусов С, а также для производства высокотемпературных изоляторов, труб, чехлов для термопар; на основе этого соединения производят специальные сорта керамики. Оксид бериллия используют также как компонент стекол, хорошо пропускающих ультрафиолетовые лучи и обладающих малым коэффициентом преломления. Как и металлический бериллий, оксид применяют для изготовления замедлителей и отражателей нейтронов в ядерных реакторах. Все изделия из этого материала обладают высокой устойчивостью к тепловому удару. Фторид бериллия используют как компонент фторбериллатных стекол и солевых смесей ядерных реакторов на расплавленных солях.

Хотя великолепные характеристики бериллия и его соединений обеспечивают им широкое промышленное использование, у них имеется весьма существенный недостаток: эти материалы высокотоксичны в дисперсной и аэрозольной форме, а также в виде растворов. Они обладают аллергическим и канцерогенным действием, вызывают дерматозы, конъюнктивиты и другие заболевания кожи и слизистых оболочек; даже через десять-пятнадцать лет после прекращения контакта с бериллием у человека могут возникнуть заболевания легких и бронхов – трахеобронхит, пневмония и отек легких. Попадание бериллия в дыхательные пути вызывает легочную болезнь – бериллиоз.

Соответственно, на предприятиях по производству бериллия, а также во всех сферах его использования установлены жесткие правила техники безопасности и используются надежные системы для защиты окружающей среды. Environmental Protection Agency согласно закону США о контроле загрязнения воздуха требует наличия на бериллиевых предприятиях аппаратуры для наблюдения за выбросами, а также тщательной очистки рабочих мест от пыли, дымов и паров. Другой важный недостаток бериллия – его высокая стоимость. В связи с этим потребители стремятся использовать альтернативные материалы. В некоторых сферах конкуренцию бериллию составляют графит, сталь и титан, а вместо медно-бериллиевых сплавов иногда используют фосфористую бронзу. Заменителем окиси бериллия иногда служит нитрид алюминия. Однако в большинстве случаев найти достойную замену бериллию крайне трудно или вовсе невозможно.

Галина Резник,
по материалам MBM, Nature,
Canadian Mining and Metallurgy Bulletin

 
© агенство "Стандарт"