【知識】稀土、稀散金屬礦概述

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。

稀散金屬通常是指由鎵(Ga)、銦(In)、鉈(Tl)、鍺(Ge)、硒(Se)、碲(Te)和錸(Re)7個元素組成的一組化學元素。但也有人將銣、鉿、鈧、釩和鎘等包括在內。這7個元素從1782年發現碲以來，直到1925年發現錸才被全部發現。這一組元素之所以被稱為稀散金屬，一是因為它們之間的物理及化學性質等相似，劃為一組；二是由於它們常以類質同象形式存在有關的礦物當中，難以形成獨立的具有單獨開採價值的稀散金屬礦床，(最近在四川省石棉縣發現一處以碲為主的碲鉍礦床)；三是它們在地殼中平均含量較低，以稀少分散狀態伴生在其他礦物之中，只能隨開採主金屬礦床時在選冶中加以綜合回收、綜合利用。

稀散金屬具有極為重要的用途，是當代高科技新材料的重要組成部分。由稀散金屬與有色金屬組成的一系列化合物半導體、電子光學材料、特殊合金、新型功能材料及有機金屬化合物等，均需使用獨特性能的稀散金屬。用量雖說不大，但至關重要，缺它不可。因而廣泛用於當代通訊技術、電子電腦、宇航開發、醫藥衛生、感光材料、光電材料、能源材料和催化劑材料等。我國稀散金屬礦產豐富，為發展稀散金屬工業提供了較好的資源條件。

一、礦石礦物原料特點

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。

稀散元素在自然界裏主要以分散狀態賦存在有關的金屬礦物中，如閃鋅礦一般都富含鎘、鍺、鎵、銦等，個別還含有鉈、硒與碲；黃銅礦、黝銅礦和硫砷銅礦經常富含鉈、硒及碲，個別的還富含銦與鍺；方鉛礦也常富含銦、鉈、硒及碲；輝鉬礦和斑銅礦富含錸，個別的還富含硒；黃鐵礦常富含鉈、鎵、硒、碲等。

目前，雖然已發現有近200種稀散元素礦物，但由於稀少而未富集成具有工業開採的獨立礦床，迄今只發現有很少見的獨立鍺礦、硒礦、碲礦，但礦床規模都不大。

二、用途與技術經濟指標

稀土金屬的用途廣泛，已由上述。作為選冶稀土金屬的礦石礦物原料一般工業要求有以下指標：

稀土元素由於常共生在一起，分離困難，因而在地質勘探時，可按稀土元素總量計算儲量。

(一)輕稀土

1.含氟碳鈰礦、獨居石的原生礦床

邊界品位：Ce2O31%；工業品位：Ce2O32%；可采厚度≥2m；夾石剔除厚度≥2m。

2.獨居石砂礦

邊界品位：礦物100～200g/m3；工業品位：礦物300～500g/m3；可采厚度≥1m；夾石剔除厚度≥1m。

(二)重稀土

1.含釔(磷釔礦、矽鈹釔礦)偉晶岩和碳酸岩礦床

工業品位：Y2O30.05%～0.1%；可采厚度≥1～2m；夾石剔除厚度≥2m。

2.磷釔礦砂礦

邊界品位：礦物30g/m3；工業品位：礦物50～70g/m3；可采厚度≥0.5m；夾石剔除厚度≥2m。

(三)風化殼離子吸附型稀土礦

邊界品位：RE2O3重稀土0.05%，輕稀土0.07%；工業品位：RE2O3重稀土0.08%，輕稀土0.1%；可采厚度≥1m；夾石剔除厚度≥2m。

稀散金屬的用途也很廣泛，已由上述。稀散元素在有關礦床、礦石和精礦達到以下指標即可綜合回收。

1.鍺的一般工業要求

1)各類鉛鋅礦床：鉛鋅礦石含Ge0.001%；鋅精礦含Ge0.01%；氧化鉛鋅礦含Ge平均0.004%～0.005%，礦石中含鍺在0.002%以上都有回收價值。

2)不同類型的煤含鍺為0.001%～0.1%，低灰分煤(亮煤)中較多。

3)在赤鐵礦礦石中，含鍺達0.008%時可作鍺礦單獨開採。

4)銅和富銀礦石中，含Ge0.002%；鐵鎂礦石中，含Ge0.001%～0.01%；溫泉水中，含Ge0.0005%。

2.鎵的一般工業要求

鋁土礦礦石中：含Ga0.01%～0.002%；黃鐵礦礦石中：含Ga0.02%～0.03%；閃鋅礦礦石中：含Ga0.01%～0.02%；鍺石中：含Ga0.1%～0.8%；煤礦中：含Ga0.003%～0.005%(煤的灰分中常含有0.01%至0.1%的鎵，在煤氣廠的灰塵中，鎵的含量達0.3%～0.5%)；明礬石中：含Ga0.0022%～0.0044%；與鹼性岩有關的岩漿礦床，在磷灰石-霞石礦石及精礦中：含Ga0.01%～0.04%。

3.銦的一般工業要求

赤鐵礦礦石中，銦的平均品位為0.1%，可作銦礦單獨開採；含銅、鉛、鋅的錫石和黑鎢礦石中含銦0.01%～0.03%；銅鉬礦床中，含銦0.001%～0.003%；多金屬硫化物礦石中，含銦0.0005%～0.001%；含鋅黃鐵礦硫化物礦石中，含銦0.001%～0.03%。

4.鉈的一般工業要求

白鐵礦和黃鐵礦中含Tl0.1%～0.2%；黃鐵礦和銅礦石中含Tl0.0025%～0.1%；銻汞礦礦石中含Tl＞0.01%；鉛鋅礦礦石中含Tl0.001%～0.01%；氧化錳礦石中含Tl＞0.01%；鹽類礦床中含Tl0.002%～0.008%。

5.錸的一般工業要求

鉬礦和銅鉬礦礦石中含Re0.0002%；銅鉬精礦中含Re0.005%～0.009%；輝銅礦精礦中含Re0.001%～0.03%；輝鉬精礦中含Re0.001%～0.2%。

6.鎘的一般工業要求

鋅礦和鉛、鋅礦石中含Cd0.01%～0.09%；鉛、鋅精礦中含Cd0.03%～0.2%。

7.硒的一般工業要求

含硒獨立礦物的硒化物礦床含Se0.08%，可作硒礦單獨開採。在其他有關礦床中的礦石含硒的工業要求：銅鎳礦石中含Se0.0005%～0.006%，該類礦床的硫化物中含Se0.002%～0.017%；銅、鋅黃鐵礦礦石中含Se0.0025%～0.006%；含銅黃鐵礦礦床含Se0.001%～0.012%，硫化物中含Se0.1%；輝鈷礦或輝銻礦碲化物-硒化物型的礦石中含Se0.0001%～0.002%；汞礦中含Se0.003%；含硒凝灰岩或灰質葉岩中黃鐵礦含Se0.7%～1.8%；自然硫礦床中含Se0.2%～0.3%；火山灰及斑脫岩中含Se0.003%～0.005%；硫化物礦床鐵帽及氧化帶礦石中含Se0.01%～0.1%；含銅砂葉岩中含Se0.002%；磷塊岩中含Se0.02%；含鉀、釩的鈾礦床及瀝青質和碳質葉岩的沉積鈾礦中含Se0.002%～0.01%。

8.碲的一般工業要求

銅、鎳礦石中含Te0.0002%～0.0006%；自然硫礦床中含Te0.001%～0.02%；含銅黃鐵礦礦石中含Te0.001%～0.016%；含銅黃鐵礦中含Te0.01%～0.08%；銅鉬硫化物礦床中含Te0.0008%～0.005%；銅鉬礦石中含Te0.03%；銅、鉛、鋅礦石中含Te0.001%；輝鈷礦、碲化物-硒化物型礦石含Te0.0002%～0.0007%；各類型低溫碲金礦床含Te0.001%～0.01%。

三、礦業簡史

世界上的稀土金屬礦業開發是隨稀土工業興起而發展的。稀土工業始於19世紀80年代，當時需要從獨居石中提取制汽燈紗罩用的釷(獨居石含釷)，而獨居石中的稀土是當時無用的副產品。到20世紀中葉，稀土在打火石、碳弧棒、玻璃著色和拋光粉等方面陸續得到應用。第二次世界大戰期間，釷因為核技術的需要而大量生產，稀土是當時處理獨居石過程中的副產品，因純度不高，分離和提取稀土元素困難而未能得以廣泛應用。直到50年代，由於離子交換和溶劑萃取新技術成功地應用於稀土的分離和提純，稀土產品純度提高，價格下降，使稀土金屬開始得以廣泛應用。60年代，稀土用作石油裂化催化劑和制取螢光粉；70年代出現稀土鈷永磁體，並在鋼中添加稀土，這些都促進了稀土工業的迅速發展，從而帶動了稀土礦業開發。一些工業發達的國家自50年代以來進行稀土礦產資源的大規模的勘查與開發。世界稀土生產國主要有美國、中國、澳大利亞和印度。目前，世界稀土產品的生產能力估計每年70000t(稀土氧化物)。美國的鉬公司(MolycorpInc)、法國的羅納·普朗克公司(RhonePoulenc)和中國的國營企業控制了世界產量的60%以上。

中國稀土工業主要是在新中國成立之後建立和發展起來的。50年代末已制得除鉕以外的全部稀土金屬，60年代初開始工業生產。1972年制得鉕。依靠國內有豐富的稀土礦產資源，已形成較完整的稀土工業體系，擁有一批礦山、選廠和10多個冶煉廠，生產幾百個品種和上千個規格的稀土產品。稀土礦產儲量和氟碳鈰礦產量均居世界首位。


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