CC BY
288
УДК 330.524:553
целесообразность разработки месторождений графита в якутии
а. и. Александров,
старший научный сотрудник E-mail: [email protected] Научно-исследовательский институт региональной экономики Севера Северо-Восточного федерального университета им. М. К. Аммосова
В статье показано, что Россия занимает одно из ведущих мест в мире по общим запасам графита. В то же время более 360 предприятий различных секторов промышленности испытывают трудности в обеспечении кристаллическим графитом. Потребность предприятий в кристаллическом графите составляет порядка 40-42 тыс. т, а в аморфном графите - около 14-16 тыс. т. Предложено, учитывая конкурентоспособность высококачественного южно-якутского графита, организовать промышленное освоение Надеждинского графитового месторождения в Южной Якутии.
Ключевые слова: графит, Южная Якутия, область применения, содержание, кристаллический графит, аморфный графит, месторождение.
Еще недавно никто не мог предположить, как может вырасти спрос на графит, но уникальные свойства этого минерала вкупе с последними научными исследованиями и открытиями в области ядерной энергетики, электроники и нанотехнологий полностью поменяли наше представление о возможностях использования данного минерала [1-3].
Уже сейчас США, Китай и Европейский союз классифицируют этот минерал как имеющий стратегическое значение. Китай, который производит графита больше всех в мире, ввел 20 %-ную экспортную пошлину (плюс 17 % НДС на вывоз минерала из страны). Также Китай учредил систему лицензирования экспорта, для того чтобы уменьшить вывоз сырья из страны и тем самым эффективнее обеспечивать им собственную промышленность.
Россия, занимая одно из ведущих мест в мире по общим запасам графита, оказалась в настоящее
время в трудном положении в обеспечении кристаллическим графитом. Более 360 предприятий различных секторов промышленности испытывают дефицит в данном виде графитовой продукции. Потребность предприятий Российской Федерации в кристаллическом графите составляет порядка 40-42 тыс. т, а в аморфном графите - около 1416 тыс. т. Производство кристаллического графита на единственном действующем предприятии АО «Уралграфит» даже в те годы, когда оно достигало значений, близких к проектной мощности (12 тыс. т), способно удовлетворить потребности основных секторов промышленности не более чем на 14-15 %. Порядка 25-29 тыс. т кристаллического графита импортируется Россией из Украины с Завальевского графитового комбината.
Анализ сырьевой базы кристаллического графита России показывает низкую ее обеспеченность графитовым сырьем в количественном и особенно в качественном отношении. Одним из направлений обеспечения промышленных предприятий графитовым сырьем является создание новых центров добычи и переработки графитовых руд высокого качества в целях изменения структуры балансовых запасов графита в РФ [1].
Обратимся к свойствам графита и областям его применения [3]. Природный графит - минерал с химическим составом С, удельный вес его колеблется от 1,9 до 2,6 г/см3. Основными его физико-химическими свойствами являются хорошая тепло- и электропроводность, жаростойкость, химическая инертность, антистатичность, устойчивость к высокому давлению. Совершенная спайность чешуек
- 31
графита в одном направлении обусловливает превосходные смазочные качества.
По внешнему виду графит имеет металлический свинцово-серый цвет, колеблющийся от серебристого до черного (в зависимости от крупности частиц), с характерным жирным блеском. Из-за разницы в цвете графит, обладающий свинцовым блеском, называют серебристым, а блестящий черный - черным. На ощупь графит жирен и мягок. Даже на мягких поверхностях он легко дает черту от серебристой до черной, блестящей. Графит отличается способностью прилипать к твердым поверхностям, что позволяет создавать тонкие пленки при натирании им поверхностей твердых тел. Твердость графита находится между тальком и гипсом в зависимости от его структуры, величины кристаллов и их взаимного расположения. Кристаллы графита легко расщепляются по плоскостям спайности на отдельные слои, которые хорошо скользят друг по другу и в этом направлении имеют малую твердость, равную, по шкале Мооса, показателю 2. В направлении, перпендикулярном плоскостям спайности, твердость графита равна примерно 5 (твердость апатита).
В связи с низкой твердостью и весьма совершенной спайностью графит легко оставляет след на бумаге. Эти свойства графита обусловлены слабыми связями между атомными слоями. Прочные характеристики этих связей характеризует низкая удельная теплоемкость графита (общий коэффициент теплопроводности равен 0,041) и его высокая температура плавления (около 3 900 оС). Благодаря этому графит обладает чрезвычайно высокой огнеупорностью. Кроме того, он хорошо проводит электричество и тепло, не уступая по этим свойствам ряду металлов, устойчив при воздействии многих кислот и других химических реагентов, легко смешивается с другими веществами, отличается малым коэффициентом трения, высокой смазывающей и кроющей способностью. Графит химически инертен. Растворение графита может произойти только в жидком металле, особенно при высокой температуре. Продуктом такого растворения являются карбиды, причем наиболее широко известны карбиды вольфрама, титана, железа, кальция и бора. В нормальных условиях графит практически не вступает в реакцию с другими веществами. Графит не эластичен, но поддается резке и изгибу.
Как известно, графит в природе встречается в трех видах:
а) в виде кристаллического графита с кристаллами в форме шестиугольных табличек с хорошо развитой гранью базопинакоида;
б) в виде чешуйчатого (разновидность кристаллического) графита;
в) в виде скрытокристаллического (аморфного) графита.
В промышленности ценятся крупночешуйчатый и кристаллический графиты, они обладают высокими качественными характеристиками и легко обогащаются простой флотацией в водной среде. Поэтому эти графитовые руды уже при содержании графита в 2-3 % относятся к промышленным. Из них получаются кондиционные графитовые концентраты с содержанием более 60 % графита при зольности 1-6 %. Скрытокристаллический аморфный графит почти не поддается обогащению, поэтому такая руда вовлекается в освоение при содержаниях не менее 70 %. Он используется в основном в литейном производстве и в качестве наполнителей для пластмасс.
Ценными качествами графита являются уникальная способность замедлять скорость нейтронов в ядерных реакциях (используемая в специальных графитовых стержнях), высокая огнеупорность (температура плавления графита 3 800-3 900 °С) и анизотропная электропроводность (в одном направлении - по спайности; перпендикулярно спайности электропроводность в сотни раз меньше). Как уже отмечалось выше, графит также характеризуется высокой химической стойкостью к щелочам, ко многим жидким и газообразным агрессивным средам, он обладает повышенной жирностью и пластичностью, что обусловливает весьма малый коэффициент трения и применение графита для производства разнообразных высококачественных смазок.
Благодаря своим уникальным свойствам графит почти не имеет заменителей и находит применение в различных секторах промышленности.
Высококачественный крупночешуйчатый и кристаллический графит используется, в частности:
• в качестве замедлителя нейтронов в ядерных реакторах (графитовые стержни), а также для изготовления отдельных специфических блоков и деталей атомных реакторов;
• в космической технологии (покрытие сопла ракетных двигателей, различные огнестойкие детали ракет, электрооборудование);
• в производстве высококачественной износостойкой резины для шасси самолетов палубной авиации на авианосцах;
• для получения синтетических алмазов и искусственного графита;
• для извлечения из графита содержащихся в нем золота, серебра, платиноидов (платины, палладия, иридия, осмия, рутения, родия и др.). Методом ионной масс-спектрометрии установлено содержание золота до 17,8 г/т графитовой руды;
• для электролизного получения ряда химически активных металлов (алюминия и др.);
• в литейном деле и в порошковой металлургии для получения тугоплавких и композитных материалов, используемых при производстве тиглей, изложниц, сталеразливочных стаканов, сифонов для разливки чугуна, сталей, различных расплавов;
• в составе химически стойких композитных материалов для хранения агрессивных жидких и газовых веществ;
• для создания различных твердых, пластичных, жидких и тугоплавких графитовых смазок;
• для производства графитовых антифрикционных изделий, вкладышей, втулок в подшипниках, уплотнителей и колец для поршней, антикоррозийных и антифрикционных покрытий;
• в электротехнике - для производства электродов, гальванических элементов, контактных щеток, скользящих токосьемников мощных мостовых подъемных кранов, крупных промышленных реостатов, щелочных аккумуляторов, промышленных токопроводящих клеев и др.;
• для производства карандашных стержней, типографской краски и китайской туши.
Аморфный графит используется:
• в литейном производстве для создания огнеупорных футеровочных материалов;
• в качестве наполнителей для несгораемых, химически стойких пластмасс, термопластов (полиамидов, фторопластов).
Таким образом, широкое применение графита в ряде ключевых секторов экономики - атомной энергетике, ракетно-космической сфере, металлургии, электротехнике, технологии производства важных искусственных, композитных материалов -определяет значение графита как исключительно важного стратегического сырья для экономики любой страны.
В настоящее время в традиционных секторах графит используется в основном в металлургии,
на карандаши идет лишь 14 % от общего мирового потребления, остальное идет на производство различных смазок, графитовых стержней для ядерных реакторов, литиево-ионных батарей, углеродного волокна, синтетических алмазов и др.
Таким образом, графит давно уже простился со своим скромным местом в качестве минерала, пригодного лишь для изготовления карандашей. Открытия последних лет произвели настоящую революцию в области использования этого минерала. Графит в настоящее время находит самое широкое применение в области электроники, экологически чистой энергии, медицины, горнодобывающей и даже военной промышленности.
Однако кроме традиционных областей применения все больше природного графита потребляется в областях, ставших доступными в последние годы в результате научных исследований и открытий. Каковы же новые области применения графита? Анализ по секторам промышленности дает следующую картину.
Графит в автомобильной промышленности Поскольку графит является одним из самых легких из всех армирующих наполнителей и обладает высоким природным смазывающим эффектом, он играет важную роль в автомобилестроении. Графит является важным составляющим материалом в головках блоков цилиндров, различных прокладках, тормозных системах и двигателях.
Графит заменил асбест в качестве основного компонента в дисковых тормозных колодках и накладках, имея одно преимущество перед асбестом -тихий тормоз.
Технология CarbonFiber (CÄR Ps) Графит является основным материалом для ультралегких карбоновых пластмасс. Если раньше этот материал применялся в основном только в аэрокосмической сфере и создании болидов в гонках «Формула-1», то теперь все чаще находит применение в современном автомобилестроении как более легкий, чем сталь, материал, что позволяет сократить потребление топлива и снизить уровень выбросов СО2.
В сентябре 2011 г. компания SGL Carbon, крупнейший в мире производитель графита и эксклюзивный поставщик тормозных колодок BMW, объявила о создании совместного предприятия с компанией BMW Group по производству карбо-новых пластмасс, которые будут использованы в новом автомобиле BMW.
Технология углеродного волокна позволяет в корне изменить автомобильную промышленность, немецкие производители автомобилей уже сосредоточили свое внимание на этом материале. В ноябре 2011 г. компания BMW приобрела 15,2 % акций SGL Carbon, ранее за восемь месяцев до этого другая известная немецкая автомобильная компания -Volkswagen также купила около 10 % акций этой компании.
Графит в литиевых батареях Литиевые батареи меньше, легче и мощнее, чем традиционные аккумуляторы. Также они не имеют так называемого «эффекта памяти» и отличаются более низким уровнем разрядки в то время, когда они не используются. Как результат, большинство современных портативных потребительских устройств, таких как ноутбуки, сотовые телефоны, МР3-плееры, цифровые камеры, а также электроинструменты, используют литиевые батареи.
Также литиевые батареи используются в производстве электромобилей, потребности графита при создании гибридного автомобиля оцениваются в среднем в 3-10 кг на один автомобиль, при производстве электромобиля - 25-50 кг. О перспективах этого направления убедительно говорят слова президента Б. Обамы о том, что только на дорогах США к 2015 г. будет 1 млн электромобилей. Графит в топливных элементах В то время как батареи просто хранят электрическую энергию для последующего использования, топливные элементы производят электричество с помощью химических реакций, и потому их необходимо периодически «заправлять».
Топливные элементы могут использоваться как в стационарных, так и мобильных устройствах, они надежны, не имеют движущихся частей, работают на одной заправке достаточно длительное время. Таким образом, они имеют очень низкие эксплуатационные расходы. Это неслучайно, ведь они не имеют движущихся частей, производят мало или вообще не производят отходов, очень тихи в использовании. Топливные элементы также гораздо более эффективны, чем двигатели внутреннего сгорания в преобразовании энергии топлива.
Уже сейчас все основные автопроизводители работают над коммерциализацией автомобилей на топливных элементах. Для производства одного автомобиля на топливных элементах потребуется в среднем 80 кг графита. Некоторые автопроизводители заявляют, что начнут выпускать автомобили
на топливных элементах уже в ближайшее время. Так, компания Toyota объявила, что имеется ясный путь к коммерческому производству автомобилей на топливных элементах с 2015 г.
Графит в ядерных реакторах Pebble Bed
Pebble Bed (PBMR) представляет собой небольшой модульный ядерный реактор. В качестве топлива используется уран, вложенный в графитовые шары размером с теннисный мяч. PBMR имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными большими реакторами помимо того, что они позволяют снизить капитальные и эксплуатационные расходы.
Во-первых, они используют инертный газ, а не воду в качестве теплоносителя, поэтому они не нуждаются в больших, сложных системах водяного охлаждения и инертные газы не загрязняют окружающей среды.
Во-вторых, отпадает необходимость в избыточных системах безопасности. Другими словами, PBMR охлаждается естественным образом, в закрытом состоянии. Наконец, PBMR работает при более высоких температурах, более эффективно использует топливо, поскольку непосредственно нагревает жидкость с низким давлением газовых турбин.
Первый прототип такого реактора работает в Китае, к 2020 г. планируется построить еще 30 таких реакторов. Маленькие модульные реакторы очень привлекательны для небольших населенных пунктов, а также мест проживания, удаленных от систем энергоснабжения крупных промышленных предприятий.
Каковы общие сведения о графите Южной Якутии? Тут следует отметить, что дефицит графита в России обусловлен отсутствием надежной сырьевой базы. Специалисты считают, что «одним из направлений обеспечения промышленных предприятий графитовым сырьем является создание новых минерально-сырьевых баз и центров горной добычи и переработки графитовых руд высокого качества» [1].
Учитывая, что графит является продуктом метаморфизма каменноугольных толщ, вполне логичным является выявление залежей минерала именно в Южной Якутии, на территории ЮжноЯкутского каменноугольного бассейна, перспективной Алданской графитовой провинции, в составе которой установлено 4 графитоносных района и 7 графитоносных зон. Общий прогноз графита по Ал-
данской провинции по сумме категорий Р1 + Р2 + Р3 оценивается в 303 млн т, из них по категории Р1 -3,3 млн т, по категории Р2 - 134 млн т. В наиболее изученном и крупном из них Тимптоно-Учурском графитоносном районе в период 1980-1991 гг. выявлены и на стадии предварительной разведки изучены два месторождения графита - Надеждин-ское и Чебере, а также выявлены перспективные Керакское проявление графита и Курунг-Юряхская графитоносная структура (поле).
Надеждинское месторождение расположено на левом берегу р. Короть (междуречье Короть - Правый Нимгеркан) [2]. По прямой линии расстояние до железной дороги Беркакит - Томмот составляет 25 км. Расстояние до близлежащего крупного населенного пункт г. Томмота - 250 км, до узловой железнодорожной станции Беркакит - 210 км.
Основной водной артерией района месторождения является р. Большой Нимныр (правый приток р. Алдан) с притоками Короть, Правый и Левый Нимгеркан, Саваки, Большой Горкит. В 5 км к юго-западу от месторождения проходит линия электропередачи - 110 кВт от Чульманской ГРЭС.
На Надеждинском месторождении графита выявление минерала произошло еще в 1980 г. Поисково-оценочные работы и предварительная разведка были завершены в 1985 г. Было оконтурено 10 линзовидных рудных тел мощностью от 3-8 м до 25-30 м и протяженностью 100-1500 м. Среднее содержание графита в рудах составляет от 3,5 до 7,6 %, а по отдельным линзам - от 24,6 до 48,4 %. Разведанные запасы по сумме категорий С1 + С2 составляют 1,375 млн т, прогнозные ресурсы по категории Р1 оцениваются в 400 тыс. т. Графит высококачественный, легко обогащается флотационным методом, отвечает наиболее высоким требованиям, предъявляемым для изготовления высокотехнологичных графитовых изделий. При химическом дообогащении может использоваться в качестве специализированного тигельного и электролитического сырья. Рентабельная добыча может быть обеспечена при годовой производительности в 15-20 тыс. т товарного графита [2].
Месторождение Чебере находится в том же районе, что и Надеждинское месторождение, только восточнее его. От Чебере по прямой линии расстояние до железнодорожной станции Таежная железной дороги Беркакит - Томмот составляет 38 км. Однако транспортная связь в летнее время осуществляется по объездным грунтовым дорогам и тогда
общая протяженность автодороги от Чебере до ж/д ст. Таежная составляет порядка 50 км. Ближайшим поселком является Каталах, расположенный в 30 км северо-западнее месторождения. После закрытия в 1990-х гг. флогопитового рудника Каталах в поселке, увы, нет постоянных жителей.
В 20 км от месторождения проходит линия электропередачи - 110 кВт от Чульманской ГРЭС.
Основная водная артерия района месторождения - р. Правый Ылымах с широко разветвленной сетью притоков с непостоянным водным режимом.
Месторождение Чебере завершено предварительной разведкой в 1991 г. Разведанные запасы графита по сумме категорий С1 + С2 составляют 1 млн т при высоком содержании графита в руде (20 %). Обогащается простой флотацией, с получением малозольного графитового концентрата с высоким содержанием углерода в нем - до 96,8 %, а при извлечении 91,7-94,7 %. Качество этого графита еще выше, он превосходит даже знаменитый цейлонский графит, добываемый в Шри-Ланке.
Как уже было отмечено, в этом же графито-носном районе выявлены также перспективные Керакское проявление графита с прогнозируемыми ресурсами по категории Р1 в 1,5 млн т графита с содержанием 10 %, и Курунг-Юряхское графито-носная структура (поле) с прогнозными ресурсами по категории Р1 в 4,0 млн т графита и содержанием его в 13 % (до глубины в 100 м).
Целесообразность разработки месторождений графита Надеждинского и Чебере. Существующий дефицит в кристаллическом графите (до 36 тыс т графита) может быть в значительной мере восполнен при вводе даже одного из рассматриваемых южно-якутских месторождений, к детальной разведке рекомендуется, в частности, Надеждинс-кое. Поскольку все основные горно-геологические, горно-технические и технологические параметры месторождения в основном уже определяются в результате предварительной разведки, то на стадии детальной разведки лишь уточняются, детализируются геологическое строение месторождения, морфология, параметры, вещественный состав графитовых рудных тел, уточняются детали их вскрытия, технологические процессы переработки руд и производства графитового концентрата.
В результате уточнения горно-геологических, горно-технических, технологических параметров, гидрогеологических и экологических условий оп-
тимизируются экономические показатели освоения месторождения. По оценкам экспертов, нет оснований опасаться негативной экономической оценки месторождения по результатам рекомендуемой детальной разведки Надеждинского месторождения.
На сегодняшний день пока еще не имеется конкретных цифр и показателей геолого-экономической оценки Надеждинского месторождения по результатам детальной разведки. Но легко можно предположить, что замещение импорта, оплачиваемого значительными валютными средствами, отечественным аналогом этой продукции, как правило, крайне выгодно для страны. Тем более, если учесть, что налицо высокое качество южно-якутского графита, предопределенное его превосходными природными свойствами.
В этой очевидной ситуации, учитывая несомненную потребность в графите промышленных
предприятий восточной части страны, возможность экспорта графита в страны АТР, а также конкурентоспособность высококачественного южно-якутского графита, организация промышленного освоения Надеждинского графитового месторождения в Южной Якутии представляются целесообразными и своевременными.
Список литературы
1. Брагина В. И., Брагин В. И. Технология обогащения и переработки неметаллических полезных ископаемых. Красноярск, 2008.
2. Технико-экономический доклад целесообразности постановки детальной разведки на Надеждин-ском графитовом месторождении. Якутск, 1988.
3. Что такое графит и что делает его таким особенным? URL: http://www.energizerresources. com/graphite/about-graphite. html.
Вниманию руководителей органов власти, специалистов предприятий и учреждений, преподавателей, аспирантов и студентов вузов!
Журнал «Национальные интересы: приоритеты и безопасность»
ISSN 2073-2872
Выпускается с 2005 года. Включен в перечень ВАК.
Включен в Российский индекс научного цитирования (РИНЦ).
Формат A4, объем 80 - 88 с. Периодичность - 4 раза в месяц.
ПОДПИСКА ПРОДОЛЖАЕТСЯ!
Индекс по каталогу «Почта России» Индекс по каталогу «Роспечать» Индекс по каталогу «Пресса России»
34129 46573 12926
За дополнительной информацией обращайтесь в отдел реализации Издательского дома «ФИНАНСЫ и КРЕДИТ» телефон/факс: (495) 989-96-10, E-mail: [email protected]
Возможна подписка на электронную версию журнала, а также приобретение отдельных статей: Научная электронная библиотека: eLibrary.ru Электронная библиотека: dilib.ru
www.fin-izdat.ru
