稀土元素在地殼中的克拉克值為0.0153%，與常見的元素鋅、錫，鈷含量相近；即使是克拉克值較小的銩、鑥、鋱、銪、鈥等，也比鉍、銀、汞的含量高。

稀土元素在地殼中分佈雖較廣，但不是所有含稀土的礦床都符合工業開發利用的要求。根據目前選礦和提取的技術水準，對稀土礦床的工業指標要求如下表所列。

表1  稀土礦床工業指標

如果稀土元素在礦床中作為伴生組分進行綜合回收，則工業指標要求可根據礦床中主要有用元素而定。對於我國特有的離子吸附型稀土礦床，其工業指標要求有待研究和制定。


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在二元體系中，如果將含有雜質的金屬熔化後再緩慢降溫使之凝固，在一定溫度下，當固、液兩相處平衡狀態時，原金屬中均勻分佈的雜質將重新分佈，繼續 分段緩慢凝固，則後凝固金屬中雜質與先凝固金屬中的雜質含量不同。如將含有雜質的金屬錠熔化後由一端向另一端逐漸緩慢凝固時，雜質將在某一端富集，使金屬 得到提純。這一過程被稱為定向凝固。為了達到金屬的純度，經定向凝固的金屬需切除雜質富集了的兩端段，將中間段再反復定向凝固過程。這樣的結果使金屬的收 率很低，生產成本很高。為了克服此缺點，可採用社區域熔煉法。


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稀土金屬(rareearthmetals)又稱稀土元素，是元素週期表ⅢB族中鈧、釔、鑭系17種元素的總稱，常用R或RE表示。它們的名稱和化 學符號是鈧(Sc)、釔(Y)、鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、鉕(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑 (Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、鑥(Lu)。它們的原子序數是21(Sc)、39(Y)、57(La)到71(Lu)。

稀 土一詞是歷史遺留下來的名稱。稀土元素是從18世紀末葉開始陸續發現，當時人們常把不溶于水的固體氧化物稱為土。稀土一般是以氧化物狀態分離出來的，又很 稀少，因而得名為稀土。通常把鑭、鈰、鐠、釹、鉕、釤、銪稱為輕稀土或鈰組稀土；把釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、鑥釔稱為重稀土或釔組稀土。也有的根據稀 土元素物理化學性質的相似性和差異性，除鈧之外(有的將鈧劃歸稀散元素)，劃分成三組，即輕稀土組為鑭、鈰、鐠、釹、鉕；中稀土組為釤、銪、釓、鋱、鏑； 重稀土組為鈥、鉺、銩、鐿、鑥、釔。

這些稀土元素的發現，從1794年芬蘭人加多林(J.Gadolin)分離出釔到1947年美 國人馬林斯基(J.A.Marinsky)等制得鉕，歷時150多年。其中大部分稀土元素是歐洲的一些礦物學家、化學家、冶金學家等發現制取的。鉕是美國 人馬林斯基、格蘭德寧(L.E.Glendenin)和科列爾(C.D.Coryell)用離子交換分離，在鈾裂變產物的稀土元素中獲得的。過去認為自然 界中不存在鉕，直到1965年，芬蘭一家磷酸鹽工廠在處理磷灰石時發現了痕量的鉕。

大多數稀土金屬呈現順磁性。釓在0℃時比鐵具更強的鐵磁 性。鋱、鏑、鈥、鉺等在低溫下也呈現鐵磁性，鑭、鈰的低熔點和釤、銪、鐿的高蒸氣壓表現出稀土金屬的物理性質有極大差異。釤、銪、釔的熱中子吸收截面比廣 泛用於核反應爐控制材料的鎘、硼還大。稀土金屬具有可塑性，以釤和鐿為最好。除鐿外，釔組稀土較鈰組稀土具有更高的硬度。

稀土金屬已廣泛應 用於電子、石油化工、冶金、機械、能源、輕工、環境保護、農業等領域。應用稀土可生產螢光材料、稀土金屬氫化物電池材料、電光源材料、永磁材料、儲氫材 料、催化材料、精密陶瓷材料、鐳射材料、超導材料、磁致伸縮材料、磁致冷材料、磁光存儲材料、光導纖維材料等。

我國擁有豐富的稀土礦產資 源，成礦條件優越，堪稱得天獨厚，探明的儲量居世界之首，為發展我國稀土工業提供了堅實的基礎。稀土元素在地殼中平均含量為165.35×10-6(黎 彤，1976)。在自然界中稀土元素主要以單礦物形式存在，目前世界上已發現的稀土礦物和含稀土元素的礦物有250多種，其中稀土含量ΣREE＞5.8% 的有50～65種，可視為稀土獨立的礦物。重要的稀土礦物主要為氟碳酸鹽和磷酸鹽。稀土礦物總的特點：一是缺少硫化物和硫酸鹽(只有極個別的)，這說明稀 土元素具有親氧性；二是稀土的矽酸鹽主要是島狀，沒有層狀、架狀和鏈狀構造；三是部分稀土礦物(特別是複雜的氧化物及矽酸鹽)呈現非晶質狀態；四是稀土礦 物的分佈，在岩漿岩及偉晶岩中以矽酸鹽及氧化物為主，在熱液礦床及風化殼礦床中以氟碳酸鹽、磷酸鹽為主。富釔的礦物大部分都賦存在花崗岩類岩石和與其有關 的偉晶岩、氣成熱液礦床及熱液礦床中；五是稀土元素由於其原子結構、化學和晶體化學性質相近而經常共生在同一個礦物中，即鈰族稀土和釔族稀土元素常共存在 一個礦物中，但這類元素並非等量共存，有些礦物以含鈰族稀土為主，有些礦物則以釔族為主。

在目前已發現的250多種稀土礦物和含稀土元素的 礦物，適合現今選冶條件的工業礦物僅有10餘種：1)含鈰族稀土(鑭、鈰、釹)的礦物：氟碳鈰礦、氟碳鈣鈰礦、氟碳鈰鈣礦、氟碳鋇鈰礦和獨居石。2)富釤 及釓的礦物：矽鈹釔礦、鈮釔礦、黑稀金礦。3)含釔族稀土(釔、鏑、鉺、銩等)的礦物：磷釔礦、氟碳鈣釔礦、釔易解石、褐釔鈮礦、黑稀金礦。


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稀土中間合金種類繁多，主要包括稀土矽鐵基中間合金、稀土鋁合金、稀土鎂合金等。用熱還原法制取的稀土中間合金主要有稀土矽鐵合金、稀土矽鐵鎂合金、稀土矽鐵鋇（鈣、鈦等）合金等。目前它的產量（以稀土氧化物計）約占我國稀土產量的1/3～1/4。

1956年中國科學院上海冶金研究所創造性地研究成功在電弧爐中用75矽鐵作還原劑，從含REO4%～6%的包頭鋼鐵公司煉鐵高爐渣中回收稀土，制取稀土矽鐵合金的工藝。包鋼稀土一廠首先採用該工藝，開始生產稀土矽鐵合金。

1966 年冶金部包頭稀土研究院為了滿足國家對稀土矽鐵合金的需求，打破了中貧鐵礦入高爐中不能順行和易發生爆炸的觀點，成功地研製出含稀土的中貧鐵礦礦石和低品 位稀土精礦球團直接入高爐脫鐵去磷，制取REO＞10%的富渣，再採用電矽熱法冶煉稀土矽鐵合金的工藝，使我國稀土矽鐵合金的生產步入了新的階段，合金成 本遠低於國外的同類產品，這不僅為國內在鋼鐵生產中大規模推廣應用稀土創造了條件，而且促使稀土中間合金在20世紀60年代後期就出口越南和美國，受到了 用戶的歡迎。

進入80年代，隨著白雲鄂博礦選技術的突破，工業化生產的中高品位稀土精礦陸續問世，給稀土中間合金生產提供了精料，新的強化冶煉技術和適銷對路的合金品種不斷出現，促使稀土中間合金工業有了長足的進步和發展。

鑄 鐵、鋼和特種合金變質處理的理論與實踐的發展，特別是球墨鑄鐵、石油管線和耐海水、耐大氣腐蝕用鋼的稀土處理技術的推廣，促進了稀土中間合金工業的進一步 發展，採用金屬熱還原法和碳熱還原法都成功有效地制取出多種稀土中間合金。特別是90年代，東北大學張成祥、塗贛峰等人發明了在礦熱爐中碳熱還原一步法生 產稀土矽化物合金，並在3600～6300kVA不同容量的礦熱爐中成功進行了工業化生產。

稀土中間合金目前已廣泛用於鋼鐵、機制製造和軍 事工業等部門。目前大部分用作鋼鐵的添加劑，在鋼中的主要作用是去氧、脫硫，中和低熔點雜質的有害作用，細化晶粒，改善鋼的力學性能。在鑄鐵中，主要作為 球墨鑄鐵的球化劑、蠕墨鑄鐵的蠕化劑、合金鑄鐵的添加劑，使各種鑄鐵的機械性能得到很大提高。

我國的稀土中間合金工業具有產量大、品種多、成本低和綜合利用產品多的特點，其原料、工藝及應用領域在世界上獨具特色，受到國內外稀土界人士的普遍關注。

我國稀土資源豐富，除包頭稀土礦輕稀土資源外，還有四川冕寧的氟碳鈰礦，江西等重稀土資源，山東微山湖的氟碳鈰礦資源等。它們先後都用於稀於中間合金的生產，為我國參加國際競爭，創造了有利條件。本章主要介紹矽熱還原法和碳熱還原法生產稀土矽鐵合金的原理及工藝過程。


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