（一）稀土加入到有色金屬中的主要作用

稀土具有很高的化學活性和較大的原子半徑，加入到有色金屬及其合金中，可細化晶粒、防止偏析、除氣、除雜和淨化以及改善金相組織等作用，從而達到改善機械性能、物理性能和加工性能等綜合目的。

 由於稀土金屬的淨化、調質作用，對這些有色金屬都能起到細化晶粒，提高再結晶溫度，從而對鑄造合金能顯著地改善工藝性能，對變型合金能顯著地提高加工性 能；對鎳、鈷基的耐熱合金能提高抗氧化和抗高溫腐蝕的能力，對超硬合金可以改善韌性和耐磨性。這些性能的改善，都顯著地提高了生產企業及使用單位的經濟效 益，並能為國家減少這些寶貴資源的消耗。

（二）稀土在有色金屬中的應用

1、稀土在鋁電線、電纜中的應用

目前我 國的稀土鋁導線主要有高強度稀土鋁合金電纜，成份為Al－Mg－Si－RE，用於高壓輸電線路，它的抗拉強度達到26kg/mm2，弧垂性能和彎曲性能 好，使用壽命長。高導電鋁電線，成份為Al－RE，稀土的加入量為0.15～0.3%。在較高溫度下（＜150℃）使用的高導電稀土鋁導線其成份為 Al－Zr－RE，其載流量為純鋁線的1.6～2.0倍，用作大電流導線。每年生產的稀土鋁電纜、電線不僅滿足國內市場的需求，還大量出口，經濟效益顯 著。稀土鋁高導電電線和稀土鋁合金電纜線產量預計1999年將達到50萬噸左右，稀土消費量在1000噸左右。

2、6063稀土鋁合金及應用

這 是一種最常用的變形合金，多用於工業和民用建築，其成份（%）為Mg0.67～0.70，Si0.45～0.48，Fe0.20～0.21，餘為鋁。在該 合金熔煉過程中加入0.20～0.25%的稀土金屬，抗拉強度提高24%，擠壓速度提高0.5倍，成材率提高3%，並改善了表面品質。增加了耐蝕性和著色 性。另外還有添加稀土的Al－Si－M(M=Cu,Mg,Mn)合金用於製造汽缸缸體和活塞。

3、稀土鋅鋁熱鍍合金

為防止鋼材腐蝕，通常用Zn－Al熱鍍合金（Galfan）比鍍鋅具有更好的加工成形性和耐腐蝕性，但鋅耗較高，耐蝕性也有待改善。近年Zn－Al－Mg－RE熱鍍合金開發成功並投入生產。這種稀土熱鍍合金的流動性、耐蝕性、鍍層的形成性能都優於鋅和Zn－Al合金。

4、稀土銅耐磨合金

一般軸瓦材料用錫青銅（即巴氏合金），但價格較貴。稀土耐磨鉛青銅合金（RPH）的使用壽命是巴氏合金的1.5倍，而噸成本比後者又降低了5000～6000元。目前已在紡織機械中使用。

5、稀土硬質合金

硬質合金用於金屬切削、鑽頭、模具等方面，其硬度大、強度高，但抗彎性差、易打損。稀土添加劑同粘結劑與硬質相WC、TiC一起球磨鈦，製備硬質合金原料粉，再經壓型燒結工藝過程生產的硬質合金，抗彎強度提高約15%，硬度提高0.5RHA，使用壽命提高一倍以上。

6、稀土鎂合金

稀 土鎂合金比強度高，對減輕飛機重量，提高戰術性能具有廣泛的應用前景。中國航空工業總公司研製的稀土鎂合金包括鑄造鎂合金及變形鎂合金約有10個牌號，很 多牌號已用於生產，品質穩定。稀土元素在鎂合金中溶解度大，因而有明顯的熱處理強化作用。在鑄造和變型鎂合金中加入金屬釹、釔顯著地提高強度和工藝性能。 目前已工業生產的鑄造鎂合金有ZM2、ZM4、ZM6；變型稀土鎂合金有BM6、BM25。另外稀土鎂合金在醫學工程上的應用也在研究中，目前該材料正在 做醫學生物實驗，有望用稀土鎂合金作為人工骨接材料代替現用金屬夾具，減少病人第二次取出夾具的手術，這又將開闢稀土鎂合金一個新的廣闊的應用天地。

（三）稀土在有色金屬中的應用發展現狀

稀 土在有色金屬及合金中應用開發潛力大，但開發的深度和廣度不夠。目前稀土在有色金屬及其合金中應用研究表明，對加入稀土元素有明顯效果的有鋁、銅、鎂、 鈦、鉬、鎳、鈷、鉭、鈮及鉑族金屬等，稀土金屬在這些有色金屬及合金中的添加量通常不少於0.5%，但產生的效果極為顯著。

目前除稀土在鋁導線和少部分鋁合金上的應用開發達到工業化規模外，在其他有色金屬及合金中的應用，還未達到工業規模。我國生產的稀土鋁電纜年產約30萬噸，稀土在有色金屬中的用量呈逐年遞增的趨勢，1991～1997年我國稀土在有色金屬中的用量見表4。

表41991～1997年我國稀土在有色金屬中的用量（REO，噸）

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稀土在鋼中的應用有近30年的歷史，經過對稀土金屬在鋼中作用規律和機理的研究，搞清楚了稀土 在鋼中的作用；通過添加工藝方法的實驗研究，掌握了稀土加入的工藝條件、添加稀土金屬的品種和加入量。至八十年代末期，稀土在鋼中的應用已沒有技術方面的 障礙。我國稀土鋼產量從1985年的11萬噸增長到1997年的近60萬噸，品種80多個。僅武鋼一家，“八五”期間就生產了160萬噸稀土鋼，創造經濟 效益3.2億元，社會效益18.3億元，節約外匯5000萬美元。

稀土加入鋼中，可起到去氧、脫硫、改變夾雜物形態等淨化和變質作用，在某些鋼中還能有微合金化的作用，稀土能夠提高鋼的抗氧化能力，高溫強度和塑性、疲勞壽命、耐腐蝕性及抗裂性等。

（一）稀土加入鋼中的主要作用

淨化作用：鋼中加入稀土，可以置換鋼中可能生成的硫化錳、氧化鋁和矽鋁酸鹽夾雜物中的氧與硫，形成稀土化合物。這些化合物中有部分從鋼液中上浮進入渣中，從而使鋼液中的夾雜物減少，鋼液得到淨化，這就是稀土對鋼的淨化作用。

細化組織：由於稀土在鋼中同夾雜物反應生成的稀土化合物熔點較高，在鋼液凝固前析出，這些細小的質點，可作為非均質形核中心，降低結晶過程的過冷度，因此，不但可以減少偏析還可細化鋼的凝固組織。

對夾雜物的形態控制：鋼中加入稀土後，硫化錳將被在高溫塑性變形能力較小的稀土氧化物或硫化物取代，這些化合物在軋製過程中不隨鋼一起變形，仍保持為球狀，它們對鋼的機械性能影響較小，所以鋼中加入稀土可以提高鋼的韌性，改善鋼的抗疲勞性能。

在 耐大氣腐蝕鋼中加入稀土，使鋼的內鏽層緻密，而且與基體的結合力變強，不易脫離，可以阻止大 氣中O2和H2O的擴散，從而降低了腐蝕速度，加稀土的鋼的耐腐蝕性比不加稀土的鋼提高0.3～2.4倍。在MnNb系低合金高強度鋼中加入稀土可以顯著 改善鋼的冷彎性能、衝擊性能、低溫衝擊性和耐磨性，大大改善了鋼的加工性能並提高其使用壽命。在鐵路鋼軌中加入稀土，可顯著提高鋼軌的耐磨性、抗剝離性， 經多年使用證明鋼軌壽命提高1.5倍。

（二）我國主要稀土鋼種

我國稀土處理鋼有80多個牌號，年生產總量60萬噸。但大量 應用稀土的鋼種只有十幾種，主要鋼 種包括銅磷系耐大氣腐蝕鋼、錳鈮系列低合金高強度鋼、X系管線鋼、鈮稀土重軌鋼，此外還有齒輪鋼、軸承鋼、彈簧鋼、模具鋼、工程機械用鋼、低碳微合金深沖 鋼、不銹鋼和耐熱鋼等。耐蝕低合金鋼，經過稀土處理耐蝕率提高近10倍。用它製成的耐候貨車使用壽命提高1倍，返廠進行大修的週期由6年延長至10年。 1988年武鋼生產了18萬噸09CuPTiRE鋼，可製造車皮2萬輛，直接獲利潤4383萬元，噸鋼利潤為243元，節省車皮的維修費用1.7億元，而 二次效益（用戶效益）為944元/噸鋼。

目前稀土鋼新品種的開發，取得了重大成績。包鋼、北京鋼鐵研究總院、鐵道部科研院聯合研製的稀 土鈮重軌，耐磨壽命比U74、U71Mn重軌提高50%以上，1997年通過了冶金部和鐵道部的聯合鑒定，成為我國重軌的主要升級換代產品。另外，經二年 的鋪軌試驗，攀鋼和武鋼生產的加稀土的管線鋼，性能優異受到了石油部門的青睞。目前我國主要稀土鋼種用途及生產廠家見表1。

表1  我國主要稀土鋼種

（三）鋼中加入稀土的主要方法

鋼中稀土加入方法以喂絲法為主，其次是稀土金屬棒吊掛法，包內加入稀土矽鐵合金法及包內喂入稀土矽鐵合金包芯線法。各廠因鋼種、澆鑄工藝和設備不同選擇合適的方法。

在 稀土喂絲機的研製方面，包鋼稀土研究院和武鋼二煉鋼廠等單位取得了長足的進步。稀土絲、棒和 稀土矽化物合金、稀土矽鐵包芯線產品較好地滿足了各鋼廠生產稀土鋼的需要。鋼中加稀土的設備不但投資少，而且還能獲得明顯的經濟效益和社會效益。以喂絲法 為例，一台喂絲機僅5萬元，稀土加入量噸鋼費用不超過40元，而效果卻是事半功倍，能使鋼材的橫向衝擊韌性提高一倍，改善熱加工性能，從而提高成材率。

（四）稀土鋼的發展趨勢

最 近國家冶金工業局制定了稀土在鋼冶煉中的應用近期目標和遠景規劃，預計到2000年稀土處理 鋼產量將達到300萬噸，保守估計1999年全國各類稀土鋼產量將達到90～150萬噸，稀土應用量將達到500～850噸，將超過1998年的 1.3～2.3倍。1991～1997年稀土在鋼中消費量見表2。

表2  1991～1997年我國稀土在鋼中消費量（REO，噸）

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鑄鐵是高碳矽鐵合金的通稱，其碳含量在1.8～4.5之間，鑄鐵以碳在合金中的分佈狀態可分為灰口鑄鐵、球墨鑄鐵、珠光體鑄鐵、可鍛鑄鐵和白口鐵。 我國從60年代中期開始研究稀土與鐵的作用機理和處理工藝，先後解決了稀土球化劑、孕育劑的冶煉製備、稀土加入方法等問題。目前稀土處理的鑄鐵主要分三大 類：球鐵件、蠕鐵件和高強灰鑄鐵件以及稀土處理的合金鑄鐵件。

（一）稀土加入鑄鐵中的主要作用

變質作用：突出表現為使片狀石墨變成球狀石墨。石墨球化可以減少應力集中，並細化鑄態組織，改善非金屬夾雜物的形狀和分佈，有利於材質性能的提高，因而稀土球鐵具有高於灰鑄鐵的機械性能，其抗震性、耐磨性和切削加工性能比鋼還好。

淨化作用：鐵水中經常含有氧、硫等有害雜質，這些雜質會使鑄件產生氣孔、裂縫，並形成夾渣，使材質的強度、韌性和塑性降低。而稀土元素與硫、氧的結合能力強，生成難熔化合物，在鐵水中能起脫硫除氧作用。同時稀土還能消除鐵水中有害元素如Pb、Zn、Bi等的不良影響。

改善鑄造性能：稀土加入鐵水中能顯著的提高鐵水的流動性，並減少偏析和熱裂等鑄造缺陷。

（二）稀土鑄鐵發展現狀

目前，我國年生產稀土鑄鐵約150萬噸，其中球鐵管30萬噸。稀土在鑄鐵中的消費量占我國稀土消費總量的25%。1991～1997年稀土在鑄鐵中的用量見表3。

表31991～1997年稀土在鑄鐵中用量（REO，噸）

稀 土鑄鐵主要應用於冶金行業的軋輥、鋼錠模；汽車及拖拉機行業的曲軸、氣缸體、變速箱、履帶；機械行業的各種齒輪、凸輪軸、各種機座；建築行業的各種口徑的 輸水、氣的管線和暖氣片。我國稀土鑄鐵的產量自1993年以來均以9%的年增長速度遞增，1998年產量在110萬噸左右，其稀土用量為3800噸，占國 內稀土總用量的1/4左右，已成為國內稀土應用最大的領域。


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包頭市是國家鋼鐵工業基地之一，是世界著名的稀土之鄉，其稀土生產的主要原料來自白雲鄂博鐵礦。隨著世界稀土市場的不斷擴大，包頭市的稀土產業蓬勃 發展， 有著從稀土採礦、選礦到稀土冶煉、分離提純、應用等工藝技術路線和較完整的稀土工業體系，並在不斷完善，為繁榮包頭經濟和世界稀土事業做出了貢獻。但在發 展中也存在環境污染問題，尤其是近幾年來隨著生產規模的擴大，多數企業產品為稀土中、上游產品，且污染防治設施不完善和污染治理技術落後，在生產過程中產 生了大量的“三廢”，污染了周圍環境和飲用水安全，制約了稀土產業的持續、健康發展。

一、稀土冶金工業生產的“三廢”來源

稀 土冶金工業生產的“三廢”指除了生產出各種形式的稀土產品以外，伴隨產生一定數量的“廢棄物”，即廢氣、廢水、廢渣。這些廢棄物中，往往含有對生物有害 的物質。如果不處理而任意排放，就會造成對周圍環境的污染。因此，限制或縮小“三廢”中有害物質的擴散。回收其中的有用成分，就可以化有害為無害，變廢為 寶。

（一）稀土冶金生產中的廢氣

稀土生產中的廢氣：一是含塵氣體，通過以下生產過程產生：採礦、破碎、選礦過程，稀土精礦 球團化過程，稀土精礦的堿焙燒過程，稀土火法冶金過程，稀土中間 產品或成品的乾燥、粉碎、研磨及包裝過程。二是放射性氣體，主要來自於空氣中含鈾、釷的粉塵以及氡及其離子體的氣溶膠。三是含毒氣體，稀土生產中還會產生 含有液體顆粒（霧）和雜質氣體的有毒氣體。產生這一類廢氣的主要工藝有：稀土精礦的酸法焙燒、稀土礦物氯化分解、氯化稀土熔鹽電解、濕法冶煉中的各種化學 操作過程等。其主要毒物有氟化氫、四氟化矽、二氧化硫、氯氣、各種酸，堿溶液霧、有機萃取劑及溶劑的蒸汽等。

（二）稀土冶金生產中的廢水

稀 土生產過程中的廢水主要來源於：選礦廢水、設備和地面沖洗水、廢氣淨化洗滌水、濕法冶煉中的各種廢液、冷卻水、化驗室下水及生活污水等。其有害成分主要 是：懸浮物、酸、堿、氟化物、天然放射性元素（鈾、釷和鐳）、各種無機鹽和部分有機溶劑等。例如濃硫酸焙燒分解混合型稀土精礦冶煉系統中產生的酸性含氟廢 水、堿分解獨居石冶煉系統中產生的鹼性低放射廢水等。

（三）稀土冶金生產中的廢渣

稀土生產過程中的廢渣，主要是選礦後的尾礦、火法冶煉中的熔煉渣、酸堿分解後的不溶渣、濕法冶煉中的各種沉澱渣、除塵系統的積塵及廢水處理後的沉渣。稀土冶煉廠每處理1t稀土精礦所產生各種殘渣約0.5t，有的甚至高達2t－4t。有些渣帶有一定量的放射性。

二、稀土冶金工業生產的“三廢”治理

稀土生產中排出的“三廢”，雖品種多，但並不複雜，一般選用適宜的治理方法，都可達到國家衛生標準。

（一）稀土冶金生產中的廢氣治理

淨化廢氣一般採用冷凝法、吸收法、吸附法、燃燒法和催化法等。目前我國多用吸收法和吸附法兩種，其工藝簡單、過程設備少、效果較好。

（二）稀土冶金生產中的廢水治理

廢水的處理一般可採用混凝法、中和法、中和沉澱法、吸附法、離子交換法和萃取法。目前常用中和法、中和沉澱法及吸附法。這些方法較為簡便、效果好、成本低。

（三）稀土冶金生產中的廢渣的治理

廢渣可分為非放射性廢渣和放射性廢渣。前者可建立渣場（或渣壩）堆放，後者必須建立渣庫存放，要注意二次擴散，防止污染環境。

三、當今治理稀土冶金工業“三廢”需要解決的問題

目前，我國稀土生產中產生的“三廢”已得到了較有效的淨化處理，但總體來看還存在問題，需要從以下幾個方面加以解決。

（一）採用新工藝減少“三廢”的排放量

在 工藝研究和選用工藝技術時，必須考慮稀土“三廢”的排放量，將“三廢”消滅在生產過程中，儘量不排放或少排放，此外要盡力把“三廢”集中在某一工序以 內，以減少“三廢”的排放範圍。這樣，可使安全防護更簡化，也使“三廢”治理費用及投資大為降低，從而提高“三廢”的治理水準。內蒙古工業大學化工學院與 包頭市英傑化工有限責任公司通過多年合作研究，開發利用稀土焙燒尾氣酸制氟化氫銨及粗白炭黑的生產工藝。該工藝能夠有效的利用稀土企業排放的尾氣酸。可見 該工藝不僅能實現減少“三廢”的排放量，並且能實現節能減排。

（二）做好“三廢”的綜合利用．變廢為寶

稀土生產中產生的“三廢”，含有不少有價元素可回收利用。如處理獨居石時，產生了比放射性較高的優溶渣，其中含稀土、釷和鈾等有價物質。目前已有從其中回收生產氯化稀土、硝酸釷和重鈾酸銨等產品的工藝。如含氯廢氣可用燒鹼試劑回收氯，制取次氯酸鈉產品。

（三）提高工業用水的回用率

目 前我國稀土生產中排出的各種廢水近百萬噸，雖能將有害的釷、鈾、氟、HC1和H2SO4等 除去，但還不能直接回用。只有進一步淨化處理後，才可達到工業用水的回用標準。目前稀土工業生產中的迴圈水回用量約占總用水量的20%，遠低於一般國家的 工業生產中廢水回用率80％的要求。其原因是排出的廢水多樣、成分複雜、工藝不成熟等。針對該問題我課題組探討並研究出了全迴圈清潔化生產工藝。該工藝主 要是改進包頭稀土精礦三代酸法高溫焙燒工藝。改變現有焙燒礦處理工藝。焙燒礦以轉型技術為核心，對非稀土化學物質（硫酸銨和硫酸氫銨）等進行全回收，同時 對水進行純化全回收。本項目可以使包頭稀土產業改變有史以來的開放式生產為迴圈式生產。可見該工藝不僅能提高工業用水的回用率，而且能回收工業生產過程中 的非稀土化學物質。

（四）要堅持“三同時”的治理方針

國家要求對“三廢”治理必須執行建設專案中“同時設計、同時施工、同時投產”的“三同時”方針，保證工廠建成投產後“三廢”排放指標達到國家衛生標準。在今後的工業生產發展中，對“三廢”治理將會更加嚴格化和規範化。


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