Продолжаем серию материалов, посвященных различным металлам, истории их открытия, сферам применения и патентной активности. В данном выпуске рассматривается хром. Объемы добычи и потребления хрома во многом зависят от производства черных металлов, особенно коррозионностойких и нержавеющих сталей.
Но все по порядку.
История открытия
Хром — химический элемент с атомным номером 24 в периодической таблице Менделеева. Представляет собой твердый металл светло-голубого цвета. Его впервые обнаружили в 1761 году на Среднем Урале, в Березовском золоторудном месторождении. Открытие принадлежит профессору Петербургского университета И. Г. Леману. В 1763 году информацию о хроме опубликовал М. В. Ломоносов.Название элемента связано с его способностью образовывать соединения с разнообразной окраской. С греческого «хром» переводится как «цвет» или «краска».
Чистый металл поддается механической обработке и входит в число наиболее твердых металлов, уступая по твердости только вольфраму, урану, бериллию и иридию. В чистом виде хром обладает голубовато-белым оттенком.
Хром устойчив к воздействию воздуха, серной и азотной кислот. Температура плавления составляет 1890°C, температура кипения — 2680°C. При нормальных условиях металл пластичен, однако технические образцы обрабатываются при температуре 200–250°C. Элемент представлен четырьмя стабильными изотопами:
50Cr (изотопная распространенность 4,345%),
52Cr (83,789%),
53Cr (9,501%),
54Cr (2,365%).
Также известен нестабильный изотоп 51Cr с периодом полураспада 27,7 суток.
Области применения
Около 95% добываемого хрома используется в производстве нержавеющих сталей. Эти стали применяются в широком спектре изделий из металла, включая транспортные средства, строительные конструкции, аэрокосмическую и военную технику.В электротехнике хром применяется как проводящий материал благодаря высоким электропроводным характеристикам. Кроме того, он используется в изготовлении электродов для сварки и дуговых ламп, а также в электрохимической промышленности для производства хромированных покрытий.
Радиоактивный изотоп хром-51 применяется в медицине для маркировки эритроцитов с целью измерения их массы, объема, времени выживания и секвестрации. Он также используется для диагностики желудочно-кишечных кровотечений и маркировки тромбоцитов при изучении их жизненного цикла, а также служит радиоактивной меткой в биохимических исследованиях.
Добыча и запасы
Согласно данным геологической службы США (USGS) на 2023 год, мировые ресурсы хромовых руд превышают 12 млрд тонн. Около 95% запасов сосредоточены в Южной Африке и Казахстане. Значительные месторождения находятся также в Зимбабве, США, Индии, Филиппинах, Турции, Мадагаскаре, Бразилии и России. Основная часть запасов Южной Африки локализована в вулканогенном Бушвельдском комплексе (провинции Северо-Западная, Гаутенг, Мпумаланга), на который приходится около 70% мировых запасов хромитов.Справка: В России хромовые руды отнесены к группе дефицитных полезных ископаемых, внутреннее потребление которых значительно зависит от импорта, обусловленного недостаточным качеством местных руд и низкими объемами добычи.
Данные по добыче хромовой руды за 2022 год (по состоянию на 2023 год статистика по добыче обновляется), млн тонн:
Мировое производство — 41 млн тонн, в том числе:
ЮАР — 18;
Казахстан — 7;
Турция — 7;
Индия — 4;
Финляндия — 2;
Зимбабве — 1;
Россия — 1;
Другие страны — 1.
Лидером по добыче хрома является Южная Африка, на долю которой приходится около 50% мирового производства. Основные разработки ведутся на участках Бушвельдского интрузивного комплекса — стратиформного геолого-промышленного типа, характеризующегося рудой с содержанием Cr2O3 в среднем 42–44%.
В Казахстане добыча сосредоточена на альпинотипных (подиформных) месторождениях Кемпирсайского массива с высоким содержанием Cr2O3 и низким содержанием железа и фосфора.
В Турции разработка многочисленных мелких подиформных месторождений растет: в 2021 году производство увеличилось на 30%. Руды средних качеств содержат 34–43% Cr2O3. Половина добываемых руд перерабатывается на местных предприятиях в высоко- и низкоуглеродистый феррохром.
Цены на металлический хром и феррохром в последнее время имеют тенденцию к снижению. Например, стоимость высокохромистого феррохрома (с содержанием хрома не менее 85%) на рынке Европейского союза снизилась с 8,9 до 6,4 тысяч долларов за тонну.
Положение в России
В соответствии со Стратегией развития минерально-сырьевой базы Российской Федерации до 2035 года, утвержденной распоряжением Правительства РФ от 22.12.2018 № 2914-р, хромовые руды относятся к дефицитным полезным ископаемым. Внутреннее потребление этих ресурсов в значительной мере обеспечивается импортом, что обусловлено ограниченными объемами добычи и низким качеством местных руд. Также хром включен в перечень стратегического минерального сырья, утвержденный распоряжением Правительства РФ от 30.08.2022 № 2473-р.Россия является одним из ключевых производителей и экспортеров ферросплавов на основе хрома. При этом около половины потребностей отечественной ферросплавной промышленности в хромовом сырье покрывается за счет импортных высокохромистых руд, преимущественно из Казахстана.
На российских предприятиях производится как высоко-, так и низкоуглеродистый феррохром.
Патентная активность
На платформе Google Patents насчитывается порядка 100 000 документов, связанных с термином «Chromium». Патенты распределены среди множества промышленных компаний, при этом явных лидеров среди патентообладателей нет. Топовые компании по доле патентов представлены следующим образом:-
Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. (株式会社半導体エネルギー研究所) — 2,5%;
-
Hoya Corporation — 1,6%;
-
Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. — 0,8%;
Ведущие позиции занимают транснациональные компании из Японии и США, специализирующиеся на электротехнике и нефтехимии. В микроэлектронике хром используется как функциональная добавка в многокомпонентных пленках различных устройств, включая электрофоретические дисплеи (например, патент JP5640045). Наиболее активным патентообладателем является Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd., а одним из ведущих изобретателей — Ямадзаки Сюмпэй, который известен своим вниманием к оформлению патентов на собственное имя.
Среди авторов патентов преобладают изобретатели из Японии, Китая и США. Основные авторы и их доли в патентном фонде:-
Yamazaki Shunpei (舜平 山崎) — 2,1%;
-
Niall R. Lynam — 0,8%;
-
Yuhang Cheng — 0,7%;
-
Hiroaki Shishido — 0,7%;
-
Osamu Nozawa — 0,6%.
Основные тематические направления патентов, классифицированные по международной патентной системе, включают:
- Сплавы с содержанием хрома — 15,8%;
- Покрытия на основе хрома — 12,4%;
- Технологии по снижению выбросов парниковых газов, связанных с производством и распределением энергии — 11,6%;
- Полупроводниковые устройства — 11,5%;
- Технические устройства — 11,2%;
- Химические и физические процессы — 10,9%;
- Биологический синтез и очистка — 9,5%;
- Органическая химия — 7,8%;
- Слоистые материалы — 7,8%;
- Методы и устройства для прямого преобразования химической энергии в электрическую (например, батареи) — 7,6%.
Лидируют патенты в области сплавов и химических покрытий с хромом (C22C и C23C). Также около 12% патентов посвящены полупроводниковым устройствам (H01L).
В базе данных ФИПС по ключевому слову «хром» зарегистрировано 6313 российских патентов на изобретения, из которых 2306 находятся в статусе действующих. Это весьма высокий показатель в сравнении с другими металлами.
Выводы
Хром — это не только известный элемент в производстве обуви и популярный веб-браузер, но и важный материал для электроники.Изначально применявшийся в качестве легирующей добавки для нержавеющих сталей, хром активно внедряется в радиотехнику и микроэлектронику. Этот факт подтверждается как зарубежными, так и отечественными патентами. Примечательно, что в России ситуация в этой области достаточно позитивна: количество патентов, связанных с применением хрома, исчисляется тысячами охранных документов, что свидетельствует о значительном научно-техническом потенциале.
Одним из потенциальных препятствий для развития может стать необходимость получения лицензий на зарубежные патенты, особенно учитывая, что основные патентообладатели — компании из США и Японии. Это особенно актуально для таких отраслей, как нефтегазовая промышленность. Тем не менее, существует надежда, что российские компании смогут разрабатывать собственные инновационные решения, уменьшая зависимость от иностранных технологий.