【知識】稀土在鋼中的應用

我國是世界稀土資源和產量第一的稀土大國,又是鋼產量第一的鋼鐵大國,但不是鋼鐵強國,品種品質與國外先進水準相比還有相當大的差距,仍有不少鋼材需要進口。用稀土這個高技術材料來強化和提升鋼鐵傳統產業,在低合金鋼、合金鋼中加入微量稀土,提高鋼質增強國際競爭力,把稀土的資源優勢轉化為鋼材的品種優勢和經濟優勢,具有十分重大的意義。

一、稀土在鋼中應用有三大作用

1.淨化鋼液。稀土具有去氧、脫硫作用,減少並細化鋼中夾雜物。2.變質夾雜。稀土加入鋼中生成球狀稀土硫化物或硫氧化物,取代長條狀硫化錳夾雜,使硫化物形態得到完全控制,提高鋼的韌塑性特別是橫向衝擊韌性,改善鋼材的各向異性。稀土使高硬度的氧化鋁夾雜轉變成球狀硫氧化物及鋁酸稀土,顯著地提高鋼的抗疲勞性能。3.微合金化。稀土在鋼中有一定的固溶量,它在晶界的偏聚能抑制磷硫及低熔點雜質鉛、錫、砷、銻、鉍在晶界的偏析或與這些雜質形成熔點較高的化合物,消除低熔點雜質的有害作用;稀土淨化和強化晶界,阻礙晶間裂紋的形成和擴展,有利於改善塑性尤其是高溫塑性;稀土能抑制動態再結晶、細化晶粒和沉澱相尺寸並促進鐵素體中Nb(C、N),(Nb、Ti)(C、N)和V(C、N)的析出;溶解的稀土可改變滲碳體的組成和結構並使碳化物球化、細化和均勻分佈。

稀土既是優良的變質劑,也是一種強效微合金元素。稀土具有捕氫性,能使鋼的氫致延遲斷裂性能得以改善;稀土可提高耐候鋼、不銹鋼的抗腐蝕性能,耐熱鋼的抗氧化性能和高溫強度,彈簧鋼、齒輪鋼和軸承鋼的抗疲勞性能,難變形高合金鋼的熱塑性,鋼軌及耐磨材料的耐磨性等。鋼中加入稀土後,一般能使鋼板、無縫鋼管的橫向衝擊韌性提高50%以上,耐腐蝕性能提高60%,同時提高其他性能。每噸鋼加稀土300克左右,但作用十分顯著,真可謂四兩撥千斤。

對鋼進行稀土處理,具有投資少、無污染、見效快、經濟效益高的特點。北京鋼鐵研究總院與武漢鋼鐵公司共同做的幾種鋼的鹽霧腐蝕對比試驗結果表明,稀土耐候鋼的耐腐蝕性能是普通鋼(Q235)的近2倍,超過了國際名牌耐候鋼美國的Corten鋼的水準。

中科院瀋陽金屬研究所研製了一種水電站水輪機、水泵用加稀土的不銹鋼,抗磨損性能比目前國內外使用最多的0Cr13Ni4Mo鋼提高近1倍。該所做了大量對比試驗,這種不銹鋼加適量稀土(0.3%)比不加稀土的性能大幅度提高,稀土對合金抗腐蝕、抗磨損和抗磨蝕性能分別比不加稀土的合金提高57%、55%、83%。

稀土處理鋼也有缺點:

(1)稀土夾雜物比重大,一般在5.5~6.5之間,不易上浮,特別是當稀土加入量過量時,會增加鋼中的夾雜,甚至產生脆性的稀土與鐵的金屬間化合物惡化鋼的性能。通過電腦仿真計算,確定最佳稀土加入量和稀土喂絲機的自動化,可以實現稀土加入量的準確控制,達到提高鋼質的目的。

(2)稀土處理鋼澆注時水口易結瘤,用強去氧劑如A1、Zr去氧時,也常出現水口結瘤問題。目前是採用在連鑄結晶器喂稀土絲,繞開水口的方法來解決這個問題。杜挺、韓其勇、王常珍教授指出,用熔融石英水口和鋯質水口,對防止含稀土鋼水口的結瘤具有較好效果。

(3)稀土金屬的價格較貴。稀土金屬絲和棒的價格是9~9.8萬元/噸,比矽鈣合金貴,這影響了稀土鋼的擴大推廣。


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【知識】稀土在輕工、紡織和建材工業中的應用

稀土在輕工紡織領域的應用前景十分廣闊。“七五”以來,稀土在該領域的應用有了長足發展,我國先後開發出稀土催乾劑、稀土保溫材料、稀土塑膠穩定劑、各類稀土有機無機催化劑、稀土添加劑等幾十種。目前我國稀土催乾劑生產技術非常成熟,已被油漆行業所採用,代替了鈷及其它傳統的有色金屬催乾劑,具有無鉛低毒等優點,我國每年需稀土催乾劑7000噸,市場潛力巨大。

一、稀土在塑膠工業中的應用

塑膠工業是重要的基礎原材料工業。稀土化合物在塑膠工業中主要被用作塑膠助劑。塑膠助劑,亦稱塑膠添加劑或配合劑,是塑膠製品工業中不可缺少的原材料。塑膠助劑不僅能顯著地改善塑膠的加工性能和使用性能,而且可以降低其生產成本、降低能耗、提高生產效率。因此,助劑對塑膠工業的發展具有不可忽視的重要作用。稀土可以用作聚氯乙烯塑膠的熱穩定劑,消除鉛、鎘等重金屬的污染,提高產品性能。作為改性劑的稀土可以使我國重要的MC尼龍工程塑料的物理機械和化學性能明顯提高。

目前,稀土化合物已經成功地用作聚氯乙烯的穩定劑,同時正進行塑膠功能性添加劑的研究,如利用稀土化合物的螢光性質,製成發光塑膠;利用磁性稀土材料,製成磁性塑膠;利用稀土化合物的光轉換性能,製成具有光轉換性質的塑膠等。

PVC加工用稀土穩定劑是近幾年來新開發出來的一種稀土應用產品,目前已顯示出非常好的應用前景。該產品以30%的氧化鑭為主要原料,現已有商品出售,生產廠家十餘家,生產規模2500噸左右。國內PVC塑材主要用作民用建築材料,塑鋼門窗是它的主要產品。根據國家建築節能規劃,國家將鼓勵發展塑鋼門窗,限制使用鋁合金門窗,到2000年,鋁合金門窗將完全被塑鋼門窗所替代。隨著我國塑膠加工行業的發展,稀土在該領域將有一個大的發展。

塑膠工業中用的紅色顏料有無機、有機二大類。無機鹽有鎘、鉛及與鐵的鹽類。鎘鹽顏色鮮紅,但因鎘有毒,而日益受到環境保護的限制;鉛鹽是桔紅色,也因有毒不宜採用;鐵鹽是棕紅色、不鮮豔。有機紅雖然色彩豔麗,但其遮蓋能力、彌散能力、抗滲漏及熱穩定性不如無機顏料。無機顏料還不易退色和變形。法國羅納普朗克公司開發出稀土硫化物棧無機紅顏料,這種顏料無毒,無環保問題。已在聚丙烯塑膠中試用。Ce2S3在氧化氣氛中350℃下能保持穩定,在惰性或還原氣氛中1500℃仍保持穩定。據報導,僅在美國和歐洲,分別有87%和80%的塑膠中使用到鎘顏料,這兩個市場每年就需2100噸以上的顏料,而全世界的塑膠年消費量超過4300萬噸。稀土硫化物顏料將能給稀土提供可觀的新市場。

二、稀土在油漆工業中的應用

稀土在油漆工業中主要作催乾劑,催乾劑是油漆工業的主要助劑,傳統催乾劑是由可變價的金屬鈷、錳、鉛、鋅、鈣、鋇、銅、鐵等和7~22個碳原子的一元羧酸化合反應生成的不溶于水的化合物,稱為金屬皂。

催乾劑主要對不飽和動植物油脂(脂肪酸)中雙鍵自動氧化起催化作用。凡使用不飽和動植物油脂(脂肪酸)作原料的油漆,不用催乾劑,其塗膜就不能乾燥。具體需用催乾劑的油漆品種有油脂漆、天然樹脂漆、瀝青漆、酚醛漆、醇酸漆等五大類以及部分氨基、環氧、聚氨酯、改性有機矽等品種。這些品種約占我國油漆總產量的70%左右,每年使用液體催乾劑的用量在萬噸以上,可見,催乾劑對於油漆工業是十分重要的。

傳統的鈷/鉛催乾劑體系存在不少缺點,鉛有毒,產品易沉澱,鈷資源少,依靠進口,且顯異色,影響清漆和淺色漆的色相。稀土催乾劑是一元羧酸稀土鹽(複合物、絡合物),稀土來自混合氯化輕稀土,產地主要是包頭,含鑭、鈰、鐠、釹等,其中鈰含量占50%以上。稀土催乾劑和鈷催乾劑配合,全部取代鉛、錳、鋅、鈣催乾劑,其用量只相當於油漆原配方中鉛、錳、鋅、鈣總量的35~80%,塗膜實幹性能及硬度、附著力等優於加鉛、錳、鋅、鈣催乾劑的配方。用稀土作油漆的催乾劑,不僅原料易得,可以減少毒性,減輕油漆生產和使用中的環境污染,並能改進塗膜性能,使油漆具有顏色淺、漆膜堅硬、成本低等優點。

三、稀土在紡織工業中的應用

稀土用於紡織工業是我國科技工作者開拓出的獨具特色的稀土應用領域。經過多年的研究和推廣,應用領域不斷擴大,工藝技術也日臻完善,並取得了明顯的經濟和社會效益。稀土在紡織工業中主要用於皮革鞣制、皮毛染色、棉紡、毛紡和合成纖維的印染等。由於稀土染色是在原有染色工藝流程和設備的基礎上,經過適當改進而形成的一種新工藝,這就為稀土染色工藝的推廣奠定了基礎。

稀土(主要用氯化稀土)添加在酸性染料(包括強酸性、弱酸性及酸性媒介染料)中起到助染作用,可以提高上染率、調整染料和纖維的親和力、提高染色牢度、改善纖維的色澤、外觀品質及手感柔軟度、節約染化料及減少環境污染、減輕勞動強度和降低動力消耗等。


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【知識】17種稀土元素名稱的由來及用途(三)

銪(Eu
1901年,德馬凱(Eugene-Antole Demarcay)從“釤”中發現了新元素,取名為銪(Europium)。這大概是根據歐洲(EuroPE)一詞命名的。氧化銪大部分用於螢光粉。Eu3+用於紅色螢光粉的啟動劑,Eu2+用於藍色螢光粉。現在Y2O2S:Eu3+是發光效率、塗敷穩定性、回收成本等最好的螢光粉。再加上對提高發光效率和對比度等技術的改進,故正在被廣泛應用。近年氧化銪還用於新型X射線醫療診斷系統的受激發射螢光粉。氧化銪還可用於製造有色鏡片和光學濾光片,用於磁泡貯存器件,在原子反應堆的控制材料、屏敝材料和結構材料中也能一展身手。

金屬銪
 
(Gd)
1880年,瑞士的馬里格納克(G.de MarignAC)將“釤”分離成兩個元素,其中一個由索裏特證實是釤元素,另一個元素得到波依斯包德萊的研究確認,1886年,馬里格納克為了紀念釔元素的發現者 研究稀土的先驅荷蘭化學家加多林(Gado Linium),將這個新元素命名為釓。

釓在現代技革新中將起重要作用。它的主要用途有:(1)其水溶性順磁絡合物在醫療上可提高人體的核磁共振(NMR)成像信號。(2)其硫氧化物可用作特殊亮度的示波管和x射線螢光屏的基質柵網。(3)在釓鎵石榴石中的釓對於磁泡記憶記憶體是理想的單基片。(4)在無Camot迴圈限制時,可用作固態磁致冷介質。(5)用作控制核電站的連鎖反應級別的抑制劑,以保證核反應的安全。(6)用作釤鈷磁體的添加劑,以保證性能不隨溫度而變化。另外,氧化釓與鑭一起使用,有助於玻璃化區域的變化和提高玻璃的熱穩定性。氧化釓還可用於製造電容器、x射線增感屏。

在世界上目前正在努力開發釓及其合金在磁致冷方面的應用,現已取得突破性進展,室溫下採用超導磁體、金屬釓或其合金為致冷介質的磁冰箱已經問世。

金屬釓
 
(Tb)
1843年瑞典的莫桑德(Karl G.Mosander)通過對釔土的研究,發現鋱元素(Terbium)。鋱的應用大多涉及高技術領域,是技術密集、知識密集型的尖端項目,又是具有顯著經濟效益的專案,有著誘人的發展前景。主要應用領域有:(1)螢光粉用於三基色螢光粉中的綠粉的啟動劑,如鋱啟動的磷酸鹽基質、鋱啟動的矽酸鹽基質、鋱啟動的鈰鎂鋁酸鹽基質,在激發狀態下均發出綠色光。(2)磁光貯存材料,近年來鋱系磁光材料已達到大量生產的規模,用Tb-Fe非晶態薄膜研製的磁光光碟,作電腦記憶元件,存儲能力提高10~15倍。(3)磁光玻璃,含鋱的法拉第旋光玻璃是製造在雷射技術中廣泛應用的旋轉器、隔離器和環形器的關鍵材料。特別是鋱鏑鐵磁致伸縮合金(TerFenol)的開發研製,更是開闢了鋱的新用途,Terfenol是70年代才發現的新型材料,該合金中有一半成份為鋱和鏑,有時加入鈥,其餘為鐵,該合金由美國依阿華州阿姆斯實驗室首先研製,當Terfenol置於一個磁場中時,其尺寸的變化比一般磁性材料變化大,這種變化可以使一些精密機械運動得以實現。鋱鏑鐵開始主要用於聲納,目前已廣泛應用於多種領域,從燃料噴射系統、液體閥門控制、微定位到機械致動器、太空望遠鏡的調節機構和飛機機翼調節器等領域。

金屬鋱



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【知識】17種稀土元素名稱的由來及用途(四)

鏑(Dy
1886年,法國人波依斯包德萊成功地將鈥分離成兩個元素,一個仍稱為鈥,而另一個根據從鈥中“難以得到”的意思取名為鏑(dysprosium)。鏑目前在許多高技術領域起著越來越重要的作用,鏑的最主要用途是(1)作為釹鐵硼系永磁體的添加劑使用,在這種磁體中添加2~3%左右的鏑,可提高其矯頑力,過去鏑的需求量不大,但隨著釹鐵硼磁體需求的增加,它成為必要的添加元素,品位必須在95~99.9%左右,需求也在迅速增加。(2)鏑用作螢光粉啟動劑,三價鏑是一種有前途的單發光中心三基色發光材料的啟動離子,它主要由兩個發射帶組成,一為黃光發射,另一為藍光發射,摻鏑的發光材料可作為三基色螢光粉。(3)鏑是製備大磁致伸縮合金鋱鏑鐵(Terfenol)合金的必要的金屬原料,能使一些機械運動的精密活動得以實現。(4)鏑金屬可用做磁光存貯材料,具有較高的記錄速度和讀數敏感度。(5)用於鏑燈的製備,在鏑燈中採用的工作物質是碘化鏑,這種燈具有亮度大、顏色好、色溫高、體積小、電弧穩定等優點,已用於電影、印刷等照明光源。(6)由於鏑元素具有中子俘獲截面積大的特性,在原子能工業中用來測定中子能譜或做中子吸收劑。(7)Dy3Al5O12還可用作磁致冷用磁性工作物質。隨著科學技術的發展,鏑的應用領域將會不斷的拓展和延伸。

金屬鏑
 
(Ho)
十九世紀後半葉,由於光譜分析法的發現和元素週期表的發表,再加上稀土元素電化學分離工藝的進展,更加促進了新的稀土元素的發現。1879年,瑞典人克利夫發現了鈥元素並以瑞典首都斯德哥爾摩地名命名為鈥(holmium)。
鈥的應用領域目前還有待于進一步開發,用量不是很大,最近,包鋼稀土研究院採用高溫高真空蒸餾提純技術,研製出非稀土雜質含量很低的高純金屬鈥Ho/ΣRE>99.9%。目前鈥的主要用途有:用作金屬鹵素燈添加劑,金屬鹵素燈是一種氣體放電燈,它是在高壓汞燈基礎上發展起來的,其特點是在燈泡裏充有各種不同的稀土鹵化物。目前主要使用的是稀土碘化物,在氣體放電時發出不同的譜線光色。在鈥燈中採用的工作物質是碘化鈥,在電弧區可以獲得較高的金屬原子濃度,從而大大提高了輻射效能。(2)鈥可以用作釔鐵或釔鋁石榴石的添加劑;(3)摻鈥的釔鋁石榴石(Ho:YAG)可發射2μm鐳射,人體組織對2μm鐳射吸收率高,幾乎比Hd:YAG高3個數量級。所以用Ho:YAG雷射器進行醫療手術時,不但可以提高手術效率和精度,而且可使熱損傷區域減至更小。鈥晶體產生的自由光束可消除脂肪而不會產生過大的熱量,從而減少對健康組織產生的熱損傷,據報導美國用鈥鐳射治療青光眼,可以減少患者手術的痛苦。我國2μm鐳射晶體的水準已達到國際水準,應大力開發生產這種鐳射晶體。(4)在磁致伸縮合金Terfenol-D中,也可以加入少量的鈥,從而降低合金飽和磁化所需的外場。(5)另外用摻鈥的光纖可以製作光纖雷射器、光纖放大器、光纖傳感器等等光通訊器件在光纖通信迅猛的今天將發揮更重要的作用。

金屬鈥
 
鉺(Er
1843年,瑞典的莫桑德發現了鉺元素(Erbium)。鉺的光學性質非常突出,一直是人們關注的問題:(1)Er3+在1550nm處的光發射具有特殊意義,因為該波長正好位於光纖通訊的光學纖維的最低損失,鉺離子(Er3+)受到波長980nm、1480nm的光激發後,從基態4I15/2躍遷至高能態4I13/2,當處於高能態的Er3+再躍遷回至基態時發射出1550nm波長的光,石英光纖可傳送各種不同波長的光,但不同的光光衰率不同,1550nm頻帶的光在石英光纖中傳輸時光衰減率最低(0.15分貝/公里),幾乎為下限極限衰減率。因此,光纖通信在1550nm處作信號光時,光損失最小。這樣,如果把適當濃度的鉺摻入合適的基質中,可依據鐳射原理作用,放大器能夠補償通訊系統中的損耗,因此在需要放大波長1550nm光信號的電訊網路中,摻鉺光纖放大器是必不可少的光學器件,目前摻鉺的二氧化矽纖維放大器已實現商業化。據報導,為避免無用的吸收,光纖中鉺的摻雜量幾十至幾百PPm。光纖通信的迅猛發展,將開闢鉺的應用新領域。(2)另外摻鉺的鐳射晶體及其輸出的1730nm鐳射和1550nm鐳射對人的眼睛安全,大氣傳輸性能較好,對戰場的硝煙穿透能力較強,保密性好,不易被敵人探測,照射軍事目標的對比度較大,已製成軍事上用的對人眼安全的可擕式鐳射測距儀。(3)Er3+加入到玻璃中可製成稀土玻璃鐳射材料,是目前輸出脈衝能量最大,輸出功率最高的固體鐳射材料。(4)Er3+還可做稀土上轉換鐳射材料的啟動離子。(5)另外鉺也可應用於眼鏡片玻璃、結晶玻璃的脫色和著色等。

金屬鉺


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【知識】17種稀土元素名稱的由來及用途(二)

(Nd)
伴隨著鐠元素的誕生,釹元素也應運而生,釹元素的到來活躍了稀土領域,在稀土領域中扮演著重要角色,並且左右著稀土市場。

釹元素憑藉其在稀土領域中的獨特地位,多年來成為市場關注的熱點。金屬釹的最大用戶是釹鐵硼永磁材料。釹鐵硼永磁體的問世,為稀土高科技領域注入了新的生機與活力。釹鐵硼磁體磁能積高,被稱作當代“永磁之王”,以其優異的性能廣泛用於電子、機械等行業。阿爾法磁譜儀的研製成功,標誌著我國釹鐵硼磁體的各項磁性能已跨入世界一流水準。釹還應用於有色金屬材料。在鎂或鋁合金中添加1.5~2.5%釹,可提高合金的高溫性能、氣密性和耐腐蝕性,廣泛用作航空航太材料。另外,摻釹的釔鋁石榴石產生短波雷射光束,在工業上廣泛用於厚度在10mm以下薄型材料的焊接和切削。在醫療上,摻釹釔鋁石榴石雷射器代替手術刀用於摘除手術或消毒創傷口。釹也用於玻璃和陶瓷材料的著色以及橡膠製品的添加劑。隨著科學技術的發展,稀土科技領域的拓展和延伸,釹元素將會有更廣闊的利用空間。

金屬釹
 
(Pm)
1947年,馬林斯基(J.A.Marinsky)、葛籣丹寧(L.E.Glendenin)和寇里爾(C.E.Coryell)從原子能反應堆用過的鈾燃料中成功地分離出61號元素,用希臘神話中的神名普羅米修士(Prometheus)命名為鉕(Promethium)。

鉕為核反應爐生產的人造放射性元素。鉕的主要用途有(1)可作熱源。為真空探測和人造衛星提供輔助能量。(2)Pm147放出能量低的β射線,用於製造鉕電池。作為導彈制導儀器及鐘錶的電源。此種電池體積小,能連續使用數年之久。此外,鉕還用於可擕式X-射線儀、製備螢光粉、度量厚度以及航標燈中。

金屬鉕
 
釤(Sm
1879年,波依斯包德萊從鈮釔礦得到的“鐠釹”中發現了新的稀土元素,並根據這種礦石的名稱命名為釤。

釤呈淺黃色,是做釤鈷系永磁體的原料,釤鈷磁體是最早得到工業應用的稀土磁體。這種永磁體有SmCo5系和Sm2Co17系兩類。70年代前期發明了SmCo5系,後期發明了Sm2Co17系。現在是以後者的需求為主。釤鈷磁體所用的氧化釤的純度不需太高,從成本方面考慮,主要使用95%左右的產品。此外,氧化釤還用於陶瓷電容器和催化劑方面。另外,釤還具有核性質,可用作原子能反應堆的結構材料,屏敝材料和控制材料,使核裂變產生巨大的能量得以安全利用。

金屬釤



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