稀土在冶金工业中的应用

稀土在冶金领域应用已有30多年的历史，目前已形成了较为成熟的技术与工艺，稀土在钢铁、有色金属中的应用，是一个量大面广的领域，有广阔的前景，对国民经济建设具有重要意义。

一、稀土在钢中的应用

稀土在钢中的应用有近30年的历史，经过对稀土金属在钢中作用规律和机理的研究，搞清楚了稀土在钢中的作用；通过添加工艺方法的实验研究，掌握了稀土加入的工艺条件、添加稀土金属的品种和加入量。至八十年代末期，稀土在钢中的应用已没有技术方面的障碍。我国稀土钢产量从1985年的11万吨增长到1997 年的近60万吨，品种80多个。仅武钢一家，“八五”期间就生产了160万吨稀土钢，创造经济效益3.2亿元，社会效益18.3亿元，节约外汇5000万 美元。

稀土加入钢中，可起到脱氧、脱硫、改变夹杂物形态等净化和变质作用，在某些钢中还能有微合金化的作用，稀土能够提高钢的抗氧化能力，高温强度和塑性、疲劳寿命、耐腐蚀性及抗裂性等。

稀土加入钢中的主要作用净化作用：钢中加入稀土，可以置换钢中可能生成的硫化锰、氧化铝和硅铝酸盐夹杂物中的氧与硫，形成稀土化合物。这些化合物中有部分从钢液中上浮进入渣中，从而使钢液中的夹杂物减少，钢液得到净化，这就是稀土对钢的净化作用。

细化组织：由于稀土在钢中同夹杂物反应生成的稀土化合物熔点较高，在钢液凝固前析出，这些细小的质点，可作为非均质形核中心，降低结晶过程的过冷度，因此，不但可以减少偏析还可细化钢的凝固组织。

对夹杂物的形态控制：钢中加入稀土后，硫化锰将被在高温塑性变形能力较小的稀土氧化物或硫化物取代，这些化合物在轧制过程中不随钢一起变形，仍保持为球状，它们对钢的机械性能影响较小，所以钢中加入稀土可以提高钢的韧性，改善钢的抗疲劳性能。

在耐大气腐蚀钢中加入稀土，使钢的内锈层致密，而且与基体的结合力变强，不易脱离，可以阻止大气中O2和H2O的扩散，从而降低了腐蚀速度，加稀土的钢的 耐腐蚀性比不加稀土的钢提高0.3～2.4倍。在MnNb系低合金高强度钢中加入稀土可以显著改善钢的冷弯性能、冲击性能、低温冲击性和耐磨性，大大改善了钢的加工性能并提高其使用寿命。在铁路钢轨中加入稀土，可显著提高钢轨的耐磨性、抗剥离性，经多年使用证明钢轨寿命提高1.5倍。

2．我国主要稀土钢种

我国稀土处理钢有80多个牌号，年生产总量60万吨。但大量应用稀土的钢种只有十几种，主要钢种包括铜磷系耐大气腐蚀钢、锰铌系列低合金高强度钢、X系管线钢、铌稀土重轨钢，此外还有齿轮钢、轴承钢、弹簧钢、模具钢、工程机械用钢、低碳微合金深冲钢、不锈钢和耐热钢等。耐蚀低合金钢，经过稀土处理耐蚀率提高近10倍。用它制成的耐候货车使用寿命提高1倍，返厂进行大修的 周期由6年延长至10年。1988年武钢生产了18万吨09CuPTiRE钢，可制造车皮2万辆，直接获利润4383万元，吨钢利润为243元，节省车皮 的维修费用1.7亿元，而二次效益（用户效益）为944元/吨钢。

目前稀土钢新品种的开发，取得了重大成绩。包钢、北京钢铁研究总院、铁道部科研院联合研制的稀土铌重轨，耐磨寿命比 U74、U71Mn重轨提高50%以上，1997年通过了冶金部和铁道部的联合鉴定，成为我国重轨的主要升级换代产品。另外，经二年的铺轨试验，攀钢和武 钢生产的加稀土的管线钢，性能优异受到了石油部门的青睐。目前我国主要稀土钢种用途及生产厂家见表1。

表1 我国主要稀土钢种

3．钢中加入稀土的主要方法

钢中稀土加入方法以喂丝法为主，其次是稀土金属棒吊挂法，包内加入稀土硅铁合金法及包内喂入稀土硅铁合金包芯线法。各厂因钢种、浇铸工艺和设备不同选择合适的方法。

在稀土喂丝机的研制方面，包钢稀土研究院和武钢二炼钢厂等单位取得了长足的进步。稀土丝、棒和稀土硅化物合金、稀土硅铁包芯线产品较好地满足了各钢厂生产稀土钢的需要。钢中加稀土的设备不但投资少，而且还能获得明显的经济效益和社会效益。以喂丝法为例，一台喂丝机仅5万元，稀土加入量吨钢费用不超过40 元，而效果却是事半功倍，能使钢材的横向冲击韧性提高一倍，改善热加工性能，从而提高成材率。

4．稀土钢的发展趋势

最近国家冶金工业局制定了稀土在钢冶炼中的应用近期目标和远景规划，预计到2000年稀土处理钢产量将达到300 万吨，保守估计1999年全国各类稀土钢产量将达到90～150万吨，稀土应用量将达到500～850 吨，将超过1998年的1.3～2.3倍。1991～1997年稀土在钢中消费量见表2。

表2 1991～1997年我国稀土在钢中消费量（REO，吨）

二、稀土在铸铁中的应用

铸铁是高碳硅铁合金的通称，其碳含量在1.8～4.5之间，铸铁以碳在合金中的分布状态可分为灰口铸铁、球墨铸铁、珠光体铸铁、可锻铸铁和白口铁。我国 从60年代中期开始研究稀土与铁的作用机理和处理工艺，先后解决了稀土球化剂、孕育剂的冶炼制备、稀土加入方法等问题。目前稀土处理的铸铁主要分三大类：球铁件、蠕铁件和高强灰铸铁件以及稀土处理的合金铸铁件。

稀土加入铸铁中的主要作用

变质作用：突出表现为使片状石墨变成球状石墨。石墨球化可以减少应力集中，并细化铸态组织，改善非金属夹杂物的形状和分布，有利于材质性能的提高，因而稀土球铁具有高于灰铸铁的机械性能，其抗震性、耐磨性和切削加工性能比钢还好。

净化作用：铁水中经常含有氧、硫等有害杂质，这些杂质会使铸件产生气孔、裂缝，并形成夹渣，使材质的强度、韧性和塑性降低。而稀土元素与硫、氧的结合能力强，生成难熔化合物，在铁水中能起脱硫除氧作用。同时稀土还能消除铁水中有害元素如Pb、Zn、Bi等的不良影响

改善铸造性能：稀土加入铁水中能显著的提高铁水的流动性，并减少偏析和热裂等铸造缺陷。

2．稀土铸铁发展现状

目前，我国年生产稀土铸铁约150万吨，其中球铁管30万吨。稀土在铸铁中的消费量占我国稀土消费总量的25%。1991～1997年稀土在铸铁中的用量见表3。

表3 1991～1997年稀土在铸铁中用量（REO，吨）

稀土铸铁主要应用于冶金行业的轧辊、钢锭模；汽车及拖拉机行业的曲轴、气缸体、变速箱、履带；机械行业的各种齿轮、凸轮轴、各种机座；建筑行业的各种口径的输水、气的管线和暖气片。我国稀土铸铁的产量自1993年以来均以9%的年增长速度递增，1998年产量在110万吨左右，其稀土用量为3800吨，占 国内稀土总用量的1/4左右，已成为国内稀土应用最大的领域。

三、稀土在有色金属中的应用

1．稀土加入到有色金属中的主要作用

稀土具有很高的化学活性和较大的原子半径，加入到有色金属及其合金中，可细化晶粒、防止偏析、除气、除杂和净化以及改善金相组织等作用，从而达到改善机械性能、物理性能和加工性能等综合目的。

由于稀土金属的净化、调质作用，对这些有色金属都能起到细化晶粒，提高再结晶温度，从而对铸造合金能显著地改善工艺性能，对变型合金能显著地提高加工性能；对镍、钴基的耐热合金能提高抗氧化和抗高温腐蚀的能力，对超硬合金可以改善韧性和耐磨性。这些性能的改善，都显著地提高了生产企业及使用单位的经济效 益，并能为国家减少这些宝贵资源的消耗。

2．稀土在有色金属中的应用

（1）稀土在铝电线、电缆中的应用

目前我国的稀土 铝导线主要有高强度稀土铝合金电缆，成份为Al-Mg-Si-RE，用于高压输电线路，它的抗拉强度达到26ｋg/mm2，弧垂性能和弯曲性能好，使用寿 命长。高导电铝电线，成份为Al-RE，稀土的加入量为0.15～0.3%。在较高温度下（＜150℃）使用的高导电稀土铝导线其成份为Al-Zr- RE，其载流量为纯铝线的1.6～2.0倍，用作大电流导线。每年生产的稀土铝电缆、电线不仅满足国内市场的需求，还大量出口，经济效益显著。稀土铝高导 电电线和稀土铝合金电缆线产量预计1999年将达到50万吨左右，稀土消费量在1000吨左右。

（2）6063稀土铝合金及应用

这是一种最常用的变形合金，多用于工业和民用建筑，其成 份（%）为Mg0.67～0.70，Si0.45～0.48，Fe0.20～0.21，余为铝。在该合金熔炼过程中加入0.20～0.25%的稀土金属， 抗拉强度提高24%，挤压速度提高0.5倍，成材率提高3%，并改善了表面质量。增加了耐蚀性和着色性。另外还有添加稀土的Al-Si- M(M=Cu,Mg,Mn)合金用于制造汽缸缸体和活塞。

（3）稀土锌铝热镀合金

为防止钢材腐蚀，通常用Zn-Al热镀合金（Galfan）比镀 锌具有更好的加工成形性和耐腐蚀性，但锌耗较高，耐蚀性也有待改善。近年Zn-Al-Mg-RE热镀合金开发成功并投入生产。这种稀土热镀合金的流动性、 耐蚀性、镀层的形成性能都优于锌和Zn-Al合金。

（4）稀土铜耐磨合金

一般轴瓦材料用锡青铜（即巴氏合金），但价格较贵。稀土耐磨铅青铜合金（RPH）的使用寿命是巴氏合金的1.5倍，而吨成本比后者又降低了5000～6000元。目前已在纺织机械中使用。

（5）稀土硬质合金

硬质合金用于金属切削、钻头、模具等方面，其硬度大、强度高，但抗弯性差、易打损。稀土添加剂同粘结剂与硬质相WC、TiC一起球磨钛，制备硬质合金原料粉，再经压型烧结工艺过程生产的硬质合金，抗弯强度提高约15%，硬度提高0.5RHA，使用寿命提高一倍以上。

（6）稀土镁合金

稀土镁合金比强度高，对减轻飞机重量，提高战术性能具有广泛的应用前景。中国航空工业总公司研制的稀土镁合金包括铸造镁合金及变形镁合金约有10个牌号， 很多牌号已用于生产，质量稳定。稀土元素在镁合金中溶解度大，因而有明显的热处理强化作用。在铸造和变型镁合金中加入金属钕、钇显著地提高强度和工艺性能。目前已工业生产的铸造镁合金有ZM2、ZM4、ZM6；变型稀土镁合金有BM6、BM25。另外稀土镁合金在医学工程上的应用也在研究中，目前该材料正在做医学生物实验，有望用稀土镁合金作为人工骨接材料代替现用金属夹具，减少病人第二次取出夹具的手术，这又将开辟稀土镁合金一个新的广阔的应用天地。

3．稀土在有色金属中的应用发展现状

稀土在有色金属及合金中应用开发潜力大，但开发的深度 和广度不够。目前稀土在有色金属及其合金中应用研究表明，对加入稀土元素有明显效果的有铝、铜、镁、钛、钼、镍、钴、钽、铌及铂族金属等，稀土金属在这些有色金属及合金中的添加量通常不少于0.5%，但产生的效果极为显著。

目前除稀土在铝导线和少部分铝合金上的应用开发达到工业化规模外，在其它有色金属及合金中的应用，还未达到工业规模。我国生产的稀土铝电缆年产约30万吨，稀土在有色金属中的用量呈逐年递增的趋势，1991～1997年我国稀土在有色金属中的用量见表4。

表4 1991～1997年我国稀土在有色金属中的用量（REO，吨）

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高价稀土带来的“阵痛”时过两年仍深深地影响着稀土产业链。昨天在四川成都举行的2013第三届中国稀土市场研讨会上，稀土下游应用企业叫苦不迭：为了降低成本，同行大量使用替代品，结果产品质量在下降，可企业开工率仍然低至五六成。稀土产业链再次陷入困局。

困局：下游需求缩水拖累上游

稀土产业链此次困局源于2011年稀土天价。以氧化钕为例，2011年，在短短七个月内，它的价格从年初的每吨20万直线涨至最高147万元/吨；而以前，它的价格主要在10～20万元上下徘徊。

稀土是优异的磁性材料、发光材料和储氢材料。稀土价格高涨使下游企业难以承受，纷纷寻找替代品。以占据稀土抛光粉大半江山的浙江浦江为例，稀土价格暴涨之前，浦江市场用于水晶水砖加工所需的稀土抛光粉，一年就耗用6000吨以上，稀土抛光粉价格过快上涨后，浦江制作光盘时大量加入其他非稀土材料如氧化铝等，现在浦江稀土抛光粉的用量已经萎缩至每月200吨左右，即一年用量不及鼎盛时的一半。

海外同样如此，自2005年实施配额制以来，我国每年实际出口量与出口配额基本持平，但是2011年稀土实际出口量只占到配额的53%；2012年也有将近一半稀土出口配额没有用完。前来参会的日本弘前大学人文学部教授黄孝春博士告诉记者，日本正在减少使用稀土或寻找替代品，因而稀土需求量有所下降。天价稀土给走私商腾挪了空间。专家透露，通过走私出口的稀土总量甚至超过正常出口总量。

稀土开采、分离企业已经尝到了天价的苦果：氧化钕的价格两年间已经回落到40万元/吨；同时销量大幅萎缩。下游企业仍然过着苦日子：2012年，中国钕铁硼企业开工率低于60%，产量下降一半左右；稀土发光材料总产量下降达50%。需求萎缩使供需失衡。专家数据显示，目前，稀土冶炼分离产量是9.69万吨，产能32万吨；下游永磁材料产量是9万吨，产能25万吨。产能过剩均在3倍左右。

中国稀土学会副秘书长张安文将一生都献给了稀土事业。他在会上感叹，这几年来(我们)最大不快就是企业不吸取历史教训，实行无管束价格，影响了下游产品。他提示企业要敬畏市场，而不是一味强调中国储量第一，产量第一。

略感欣慰的是，熟知内情的专家透露，日本寻找稀土替代品的结果并不乐观，除了个别品种可以降低使用量外，其他用替找的方法都会影响产品质量，因而在消耗掉前期库存后，海外对稀土的需求会有所上升。

变局：海外稀土开发恢复

由于稀土价格长期低迷，2008年，全球稀土供应中，95%左右来自中国。2011年稀土出口供不应求和价格大幅上涨，激发了全球主要稀土资源国前所未有开发动力，国际稀土产业开始恢复。美国、澳大利亚、马来西亚、越南甚至南非都加入了稀土开发行列。

张安文副秘书长提供的数据显示，目前中国以外的稀土生产厂商产能是9500～11000吨，2013年产量将达到2.49万吨，2015年目标产量是6.3万吨。如美国钼公司现产量3000吨，2015年目标产能4万吨。

届时，中国将结束稀土供应市场上一枝独秀局面。因为，2012年、2013年中国稀土开采指令性计划约在9万吨左右；且中国稀土产能或维持在9～10万吨。分析人士认为，中国现有稀土分离能力数倍于需求，如果海外稀土矿山按计划投产，稀土冶炼将严重供过于求。届时，轻稀土价格首当其冲受冲击，重稀土则因资源有限供应仍会短缺。

一旦产能严重过剩预期兑现，中国自身消化能力值得关注。而稀土下游应用一直是中国弱项。张安文认为，中国企业应该破解生存难题，在下游应用上下功夫。据悉，中国稀土功能材料生产装备的大型化、精密程度、自动化水平与国外有很大差距，后加工及处理装备水平有待提高，不少稀土应用的元器件长期依赖进口。


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稀土对有色金属材料的有益影响在镁合金中是最为明显的。不仅构成了Mg-RE合金系，而且对Mg-Al，Mg-Zn等合金系均有着十分显着的影响。其主要作用有如下几个方面：

1．细化晶粒

适当含量的稀土，可以细化镁及镁合金晶粒。首先是细化铸造组织的晶粒。稀土元素细化镁合金铸造组织的机理不是异质形核的作用。稀土元素对镁及镁合金晶粒细化的机理是结晶前沿过冷度的增大。其次是在热加工过程和退火过程中阻碍再结晶和晶粒长大。

2．净化熔体

稀土元素与痒的亲和力大于镁与氧的亲和力，因此可与熔体中的Mgo和其他氧化物反应生成稀土氧化物而沉淀，从而去除氧化夹杂。与熔体中的氢和水汽发生反应，生成氰化物或稀土氧化物，达到去氧的目的。同时还可以增加熔体的流动性和减少铸件的缩松，提高致密性。

3．提高室温合金强度

多数稀土元素在镁中有较大的固溶度，并且随温度降低固溶度有明显变化，因此稀土元素除固溶强化外，还是镁合金有效的时效强化元素，一些稀土化合物还有弥散强化作用。

4．提高合金力学性能的热稳定性

稀土元素是提高镁合金耐热的最有效的合金化元素，能显着的提高Mg合金高温强度和高温蠕变抗力，其原因是多方面的：稀土在镁中扩散系数小，可减慢再结晶过程和提高再结晶温度，增加时效效果和脱溶相的热稳定性，高熔点的稀土化合物钉扎晶界，阻碍位错运动，提高高温蠕变抗力。

5．提高合金耐蚀性能

由于净化了熔体，减小杂质铁等的有害影响，从而提高耐蚀性能。


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