稀土在冶金工业的应用_稀土在农业方面的应用

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稀土在冶金工业中的应用

摘要：稀土元素是元素周期表中15种镧系元素，以及与镧系元素化学性质相似的钪（Sc）和钇（Y）共17 种元素。稀土元素在冶金、石油、化工、纺织、陶瓷、玻璃、永磁材料等领域都得到了广泛的应用。正因为稀土元素在工业中应用十分广泛，所以稀土享有“工业维生素”“工业味精”的美称。稀土曾经被作为廉价的物品出口；现如今，国家已把稀土作为重要战略物资储存，减少了出口，防止了国家重要资源的流失。

关键字：稀土元素；冶金；工业 1前言：稀土简介

1.1稀土元素：17个稀土元素分别是门捷列夫周期表中ⅢB族，第四周期原子序数21的钪（Sc）、第五周期原子序数39的钇（Y）、和位于周期表的第六周期的57~71的镧（La）、铈（Ce）、镨（Pr）、钕（Nd）、钷（Pm）、钐（Sm）、铕（Eu）、钆（Gd）、铽（Tb）、镝（Dy）、钬（Ho）、铒（Er）、铥（Tm）、镱（Yb）、镥（Lu）。

1.2稀土史略：

1.2.1稀土发现史：1788 年盛夏，瑞典一位名叫卡尔·阿雷尼乌斯的军官在斯德哥尔摩附近的伊特比小镇上，找到一块不常见的黑色石头。1794 年，芬兰的著名化学家加多林研究了阿雷尼乌斯所得到的这块矿石，发现其中含有一种新的土性氧化物。这种氧化物难溶于水，于是发现了第一种稀土元素的氧化物“钇土”。1803年发现了硅铈石，1843年从钇土中分离出来了钇、铒、铽的氧化物。随后更多的稀土元素被陆续发现，最后在l947 年马林斯基等人发现了最后一个稀土元素钷，前后经历了l50 多年的时间，终于找到了全部的稀土元素。1.2.2稀土发展史：1787-1949被成为稀土发展的摇篮时代；1950-1969被成为稀土发展的启蒙时代；1970-被成为稀土发展的黄金时代。

1.3稀土在自然界的分布情况：整体稀土元素在地壳中的丰度比一些常见的元素要多，轻稀土比重稀土的丰度大，稀土元素在自然界分布不均匀，主要集中在岩石圈内，稀土元素主要以类质同晶，吸附矿的状态存在。

1.4我国的稀土资源：中国稀土资源占世界的50%左右，包头的稀土资源占中国的84%，包头矿为混合型稀土矿白云矿（氟碳铈矿）和鄂博矿（独居石矿）比值约为3：1。包头的稀土主要以轻稀土为主（La-Ga）其中Ce含量最多占50.07%。除了包头矿还有江西寻乌矿，重稀土（Tb-Lu）居多。主要是离子型吸附矿。我国稀土的应用领域

我国稀土的主要应用领域分为两大类: 一是在传统领域中的应用, 如冶金机械、石油化工、玻璃陶瓷、农轻纺等;二是在高新技术领域中的应用, 如稀土永磁材料、稀土荧光粉、稀土储氢材料、稀土催化材料等,如图1所示是我国稀土消费领域及消费结构比例图

从图中可以看出来占比例最大的 部分是新材料领域，其次才是冶金 机械领域，出现这样的情况主要有 两方面的原因：一是国内稀土消费 量增长的速度加快;二是在其它领 域,特别是在高新技术领域中的应用 量增长的更快。稀土的消费趋势正 向着新材料领域发展。

2.1各种稀土元素在工业领域的应用

1.镧(la)镧的应用非常广泛，如应用于 压电材料、电热材料、热电材料、磁阻 材料、发光材料（兰粉）、贮氢材料、光学玻璃、激光材料、各种合金材料等。2.铈(Ce)铈作为玻璃添加剂、汽车尾气 净化催化剂、硫化铈可以取代铅、镉等 对环境和人类有害的金属应用到颜料中，抛光粉、储氢材料、热电材料、铈钨电极、陶瓷电容器、压电陶瓷、铈碳化硅磨料、燃料电池原料、汽油催化剂、某些永磁材料、各种合金钢及有色金属等。3.镨(Pr)镨被广泛应用于建筑陶瓷和日用陶瓷中;用于制造永磁体;用于石油催化裂化;镨还可用于磨料抛光。

4.钕(Nd)金属钕的最大用户是钕铁硼永磁材料；钕还应用于有色金属材料。在镁或铝合金中添加1.5～2.5%钕，可提高合金的高性能、气密性和耐腐蚀性，广泛用作航空航天材料；钕也用于玻璃和陶瓷材料的着色以及橡胶制品的添加剂。5.钷(Pm)可作热源、X-射线仪、制备荧光粉、度量厚度以及航标灯中等。6.钐(Sm)钐钴磁体是最早得到工业应用的稀土磁体,还可以做屏敝材料和控制材料

7.铕(Eu)氧化铕大部分用于荧光粉。

8.钆(Gd)钆镓石榴石中的钆对于磁泡记忆存储器是理想的单基片；其硫氧化物可用作特殊亮度的示波管和x射线荧光屏的基质栅网等的应。

9.铽(Tb)荧光粉用于三基色荧光粉中的绿粉的激活剂；磁光贮存材料；磁光玻璃。

10.镝(Dy)作为钕铁硼系永磁体的添加剂;镝用作荧光粉激活剂是制备大磁致伸缩合金铽镝铁合金的必要的金属原料;镝金属可用做磁光存贮材料;用于镝灯的制备。

11.钬(Ho)用作金属卤素灯添加剂；钬可以用作钇铁或钇铝石榴石的添加剂；另外用掺钬的光纤可以制作光纤激光器、光纤放大器、光纤传感器等等光通讯器件在光纤通信迅猛的今天将发挥更重要的作用。

12.铒(Er)铒也可应用于眼镜片玻璃、结晶玻璃的脱色和着色等。

13.铥(Tm)铥用作医用轻便X光机射线源;铥元素还可以应用于临床诊断和治疗肿瘤;铥在X射线增感屏用荧光粉中做激活剂;加入到玻璃中可制成稀土玻璃激光材料。

14.镱(Yb)作热屏蔽涂层材料, 作磁致伸缩材料, 用于测定压力的镱元件, 磨牙空洞的树脂基填料等。

15.镥(Lu)制造某些特殊合金;稳定的镥核素在石油裂化、烷基化、氢化和聚合反应中起催化作用;能源电池技术以及荧光粉的激活剂等。

16.钇(Y)钢铁及有色合金的添加剂;掺钇SrZrO3高质子传导材料;高喷涂材料、原子能反应堆燃料的稀释剂、永磁材料添加剂以及电子工业中作吸气剂等。17.钪(Sc)在冶金工业中，钪常用于制造合金（合金的添加剂），以改善合金的强度、硬度和耐热和性能。在电子工业中，钪可用作各种半导体器件，如钪的亚硫酸盐在半导体中的应用已引起了国内外的注意，含钪的铁氧体在计算机磁芯中也颇有前途3，在化学工业上，用钪化合物作酒精脱氢及脱水剂，生产乙烯和用废盐酸生产氯时的高效催化剂。4，在玻璃工业中，可以制造含钪的特种玻璃等。

3.稀土在钢铁冶金工业中的应用

将稀土元素运在钢铁冶金这个行业已经有很长一段历史了。早在第一次世界大战时期德国人已经把稀土金属成功地用于镁合金和铝合金, 1920年开始在生铁中试用;七十年代达到了高潮。近二十多年来美、日、西欧等国把稀土研究开发重点转向高新技术应用的新材料。现在国际上把稀土誉为新技术革命中的战略元素、高技术的生长点、新材料的宝库。3.1稀土元素在冶金工程中有什么作用 3.1.1降低金属材料中有害元素

(1)脱氧作用(2)脱硫作用(3)同时脱氧脱硫作用(4)降低金属材料中微量低熔点金属的危害作用(5)能稳定氢或吸住氢原子以降低氢的危害作用(6)去氮和降低氮的危害作用

3.1.2非金属夹杂物的变质以及降低和去除其残留在固态金属

稀土的基本作用与机理是控制稀土硫、氧等夹杂物的形态。当稀土加入量适宜时,稀土元素能减少夹杂数量,还能使之细化。由于夹杂的变质,能增加夹杂物与晶界之间及晶界抵抗裂纹形成与扩展的能力。

3.1.3 金属材料中的微合金化或合金化

(1)稀土在金属中有一定固溶量及强化作用,在固溶度小的铁、镍、钴等金属中有微合金化作用,在铝、镁、钛、铜合金中有明显的合金化作用。(2)稀土在金属中存在晶界偏聚,能强化晶界。

(3)稀土对金属的显微组织有影响。如稀土能抑制晶粒长大,使钢珠光体量减小,使铁素体量增加等。

(4)稀土对相变有影响。如影响钢的临界点,淬火钢回火以及马氏体和残余奥氏体分解热力学与动力学等。

(5)稀土降低碳、氮的活度,增加碳、氮的溶解度,降低其脱溶量,使它们不能脱溶进入内应力区或晶体缺陷中去,减小了钉扎位错的间隙原子数目;同时,稀土影响碳化物的形态、大小、分布、数量和结构,因而能提高金属和合金的机械等性能。(6)热力学研究说明在Fe、Ni、Cu、Al等金属中稀土元素与多数合金元素相互降低活度,相互增加溶解度,有利于合金化,只与少数合金元素相互增加活度,相互降低溶解度。

(7)稀土能提高铁基、镍基、钒基、铬基等合金的再结晶温度,降低钛基等合金的再结晶温度。

(8)稀土能改善合金氧化膜结构,增加氧化膜与基体粘附性,明显提高抗氧化能力,能有效防止铬的氮脆等。

(9)稀土对金属表面具有改性作用。因为稀土对表面扩散及渗层组织有明显影响,存在催渗作用和共渗作用,能增加工件表面处理的渗浸速度、渗层厚度、降低共渗温度,节约能源,提高表面渗层的抗磨性能、抗腐蚀性能等,并能延长使用寿命。(10)稀土在一些合金中可以节省Ni、Mn、贵金属等合金元素。

3.2稀土对钢组织和性能的影响

(1)稀土改善钢的疲劳性能；(2)改善易切削钢的切削加工性能；(3)提高不锈钢的耐点蚀能力；(4)改善高合金钢的热加工性；

(5)抑制钢的回火脆性、降低韧-脆转变温度；(6)稀土提高了含磷钢的耐大气腐蚀性；

(7)稀土提高高合金钢高温蠕变断裂强度和塑性；

(8)稀土元素改善高合金钢焊缝金属抗晶间裂纹形成能力；(9)稀土对钢淬透性的影响；(10)提高铸钢的强度和塑性、韧性；(11)提高铸钢的耐磨性；

(12)提高钢和合金的高温抗氧化性能；

(13)稀土对钢的室温强度、硬度和短时高温拉伸强度的影响；(14)通过改变钢的组织影响钢的性能；

(15)稀土元素可消除Fe-Cr-Al合金高温使用时的脆化倾向。

3.3简单介绍稀土在几种钢铁应用的效果

1在纯铁中确定稀土的主要作用是纯化作用，并有改善铸造组织、细化晶粒的作用，因而显著改善了塑性、韧性、耐腐触性能和收得率，对强度没有显著影响。2铸铁加0.2多左右的稀土(如FeCe)就能加倍地提高铁的机械性能，使复杂的铸件能得到良好的机械性能。

3工具钢、高速钢冶金工业部锢铁研究院等确定稀土可以改善热加工性能，若使用恰当能减小一些工具铜中炭化物相的偏折。

4不锈钢国外的一些文献都认为稀土能改善镍铬奥氏体型不锈锢的表面厦量、加工性能、塑性、韧性、抗氧化性，以及耐腐触性能。对铁素体铬不锈钢同样有好的影响。对铬锰氢铜来说，微量稀土也有好的影响。

3.4防止稀土加入方法不当和应用不当引起的不良作用

防止在金属液中保留大量局部聚集的非金属夹杂。稀土不宜作预脱氧、预脱硫剂,适宜脱氧、硫良好后再加入,有深度脱氧硫作用,并能很好控制氧、硫夹杂物形态,防止生成大块不均匀分布的脆性大的稀土金属间化合物,防止减弱或消除某些元素的合金化作用,防止浇注水口的结瘤等。

4稀土冶金工业的问题和展望 目前我国铁水预处理比、钢水精炼比较先进国家低，一大部分中小型钢厂低合金钢硫含量现状仍是钢铁强国20 世纪 70 年代末到80年代初的水平，硫含量 0.012%左右。这样的硫含量比国外现状高数倍，仅用钙处理是不够的，我国的国情需要再加一道稀土处理工艺来彻底地控制硫化物夹杂形态，才能保证生产优质低合金钢、合金钢，参与国际竞争。

4.1大力发展稀土处理钢还存在下述问题：

一是重点解决稀土加入方法问题。我国稀土在钢中应用虽然取得了较大成绩，但是钢中稀土的加入工艺和设备尚满足不了从国外引进的炼钢和炉外精炼设备高度自动化、连续化的要求。还有稀土加入方法必须与炼钢工艺相适应，这是解决稀土处理钢生产问题的重中之重。

4.2怎样解决上述问题

要认真的培养并集中优秀人才，发挥专家作用，科技人才战略是科技发展的三大战略之一，其核心是落实以人为本的发展观，牢固树立人才资源是第一资源的观念，稀土在钢铁中应用重大发展的问题，应当征求稀土在钢中应用的专家意见及建议，充分发挥他们的作用，只有这样才能更好的利用稀土资源并应用于冶金行业。

结语：无论是在冶金工业还是在其他的石油化工、农业医药、无机非金属材料或新型的材料领域，稀土都是必不可少的添加剂，国家应该重点开发和保护这部分宝贵的资源，使稀土的开发技术真正的掌握在自己的手里，这样才能生产出来高质量的产品，而不是半成品，稀土在前些年的低价出口非常严重，造成了很大的资源流失，近年来国家终于将稀土定为了重要的战略储备资源，希望将来可以更好的利用和还发稀土资源。

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