稀土元素在地壳中的克拉克值为0.0153%，与常见的元素锌、锡，钴含量相近；即使是克拉克值较小的铥、镥、铽、铕、钬等，也比铋、银、汞的含量高。

稀土元素在地壳中分布虽较广，但不是所有含稀土的矿床都符合工业开发利用的要求。根据目前选矿和提取的技术水平，对稀土矿床的工业指标要求如下表所列。

表1  稀土矿床工业指标

如果稀土元素在矿床中作为伴生组分进行综合回收，则工业指标要求可根据矿床中主要有用元素而定。对于我国特有的离子吸附型稀土矿床，其工业指标要求有待研究和制定。


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在二元体系中，如果将含有杂质的金属熔化后再缓慢降温使之凝固，在一定温度下，当固、液两相处平衡状态时，原金属中均匀分布的杂质将重新分布，继续分段缓慢凝固，则后凝固金属中杂质与先凝固金属中的杂质含量不同。如将含有杂质的金属锭熔化后由一端向另一端逐渐缓慢凝固时，杂质将在某一端富集，使金属得到提纯。这一过程被称为定向凝固。为了达到金属的纯度，经定向凝固的金属需切除杂质富集了的两端段，将中间段再反复定向凝固过程。这样的结果使金属的收率很低，生产成本很高。为了克服此缺点，可采用社区域熔炼法。


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稀土金属(rareearthmetals)又称稀土元素，是元素周期表ⅢB族中钪、钇、镧系17种元素的总称，常用R或RE表示。它们的名称和化学符号是钪(Sc)、钇(Y)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)。它们的原子序数是21(Sc)、39(Y)、57(La)到71(Lu)。

稀土一词是历史遗留下来的名称。稀土元素是从18世纪末叶开始陆续发现，当时人们常把不溶于水的固体氧化物称为土。稀土一般是以氧化物状态分离出来的，又很稀少，因而得名为稀土。通常把镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕称为轻稀土或铈组稀土；把钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥钇称为重稀土或钇组稀土。也有的根据稀土元素物理化学性质的相似性和差异性，除钪之外(有的将钪划归稀散元素)，划分成三组，即轻稀土组为镧、铈、镨、钕、钷；中稀土组为钐、铕、钆、铽、镝；重稀土组为钬、铒、铥、镱、镥、钇。

这些稀土元素的发现，从1794年芬兰人加多林(J.Gadolin)分离出钇到1947年美国人马林斯基(J.A.Marinsky)等制得钷，历时150多年。其中大部分稀土元素是欧洲的一些矿物学家、化学家、冶金学家等发现制取的。钷是美国人马林斯基、格兰德宁(L.E.Glendenin)和科列尔(C.D.Coryell)用离子交换分离，在铀裂变产物的稀土元素中获得的。过去认为自然界中不存在钷，直到1965年，芬兰一家磷酸盐工厂在处理磷灰石时发现了痕量的钷。

大多数稀土金属呈现顺磁性。钆在0℃时比铁具更强的铁磁性。铽、镝、钬、铒等在低温下也呈现铁磁性，镧、铈的低熔点和钐、铕、镱的高蒸气压表现出稀土金属的物理性质有极大差异。钐、铕、钇的热中子吸收截面比广泛用于核反应堆控制材料的镉、硼还大。稀土金属具有可塑性，以钐和镱为最好。除镱外，钇组稀土较铈组稀土具有更高的硬度。

稀土金属已广泛应用于电子、石油化工、冶金、机械、能源、轻工、环境保护、农业等领域。应用稀土可生产荧光材料、稀土金属氢化物电池材料、电光源材料、永磁材料、储氢材料、催化材料、精密陶瓷材料、激光材料、超导材料、磁致伸缩材料、磁致冷材料、磁光存储材料、光导纤维材料等。

我国拥有丰富的稀土矿产资源，成矿条件优越，堪称得天独厚，探明的储量居世界之首，为发展我国稀土工业提供了坚实的基础。稀土元素在地壳中平均含量为165.35×10-6(黎彤，1976)。在自然界中稀土元素主要以单矿物形式存在，目前世界上已发现的稀土矿物和含稀土元素的矿物有250多种，其中稀土含量ΣREE＞5.8%的有50～65种，可视为稀土独立的矿物。重要的稀土矿物主要为氟碳酸盐和磷酸盐。稀土矿物总的特点：一是缺少硫化物和硫酸盐(只有极个别的)，这说明稀土元素具有亲氧性；二是稀土的硅酸盐主要是岛状，没有层状、架状和链状构造；三是部分稀土矿物(特别是复杂的氧化物及硅酸盐)呈现非晶质状态；四是稀土矿物的分布，在岩浆岩及伟晶岩中以硅酸盐及氧化物为主，在热液矿床及风化壳矿床中以氟碳酸盐、磷酸盐为主。富钇的矿物大部分都赋存在花岗岩类岩石和与其有关的伟晶岩、气成热液矿床及热液矿床中；五是稀土元素由于其原子结构、化学和晶体化学性质相近而经常共生在同一个矿物中，即铈族稀土和钇族稀土元素常共存在一个矿物中，但这类元素并非等量共存，有些矿物以含铈族稀土为主，有些矿物则以钇族为主。

在目前已发现的250多种稀土矿物和含稀土元素的矿物，适合现今选冶条件的工业矿物仅有10余种：1)含铈族稀土(镧、铈、钕)的矿物：氟碳铈矿、氟碳钙铈矿、氟碳铈钙矿、氟碳钡铈矿和独居石。2)富钐及钆的矿物：硅铍钇矿、铌钇矿、黑稀金矿。3)含钇族稀土(钇、镝、铒、铥等)的矿物：磷钇矿、氟碳钙钇矿、钇易解石、褐钇铌矿、黑稀金矿。


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稀土中间合金种类繁多，主要包括稀土硅铁基中间合金、稀土铝合金、稀土镁合金等。用热还原法制取的稀土中间合金主要有稀土硅铁合金、稀土硅铁镁合金、稀土硅铁钡（钙、钛等）合金等。目前它的产量（以稀土氧化物计）约占我国稀土产量的1/3～1/4。

1956年中国科学院上海冶金研究所创造性地研究成功在电弧炉中用75硅铁作还原剂，从含REO4%～6%的包头钢铁公司炼铁高炉渣中回收稀土，制取稀土硅铁合金的工艺。包钢稀土一厂首先采用该工艺，开始生产稀土硅铁合金。

1966年冶金部包头稀土研究院为了满足国家对稀土硅铁合金的需求，打破了中贫铁矿入高炉中不能顺行和易发生爆炸的观点，成功地研制出含稀土的中贫铁矿矿石和低品位稀土精矿球团直接入高炉脱铁去磷，制取REO＞10%的富渣，再采用电硅热法冶炼稀土硅铁合金的工艺，使我国稀土硅铁合金的生产步入了新的阶段，合金成本远低于国外的同类产品，这不仅为国内在钢铁生产中大规模推广应用稀土创造了条件，而且促使稀土中间合金在20世纪60年代后期就出口越南和美国，受到了用户的欢迎。

进入80年代，随着白云鄂博矿选技术的突破，工业化生产的中高品位稀土精矿陆续问世，给稀土中间合金生产提供了精料，新的强化冶炼技术和适销对路的合金品种不断出现，促使稀土中间合金工业有了长足的进步和发展。

铸铁、钢和特种合金变质处理的理论与实践的发展，特别是球墨铸铁、石油管线和耐海水、耐大气腐蚀用钢的稀土处理技术的推广，促进了稀土中间合金工业的进一步发展，采用金属热还原法和碳热还原法都成功有效地制取出多种稀土中间合金。特别是90年代，东北大学张成祥、涂赣峰等人发明了在矿热炉中碳热还原一步法生产稀土硅化物合金，并在3600～6300kVA不同容量的矿热炉中成功进行了工业化生产。

稀土中间合金目前已广泛用于钢铁、机制制造和军事工业等部门。目前大部分用作钢铁的添加剂，在钢中的主要作用是脱氧、脱硫，中和低熔点杂质的有害作用，细化晶粒，改善钢的力学性能。在铸铁中，主要作为球墨铸铁的球化剂、蠕墨铸铁的蠕化剂、合金铸铁的添加剂，使各种铸铁的机械性能得到很大提高。

我国的稀土中间合金工业具有产量大、品种多、成本低和综合利用产品多的特点，其原料、工艺及应用领域在世界上独具特色，受到国内外稀土界人士的普遍关注。

我国稀土资源丰富，除包头稀土矿轻稀土资源外，还有四川冕宁的氟碳铈矿，江西等重稀土资源，山东微山湖的氟碳铈矿资源等。它们先后都用于稀于中间合金的生产，为我国参加国际竞争，创造了有利条件。本章主要介绍硅热还原法和碳热还原法生产稀土硅铁合金的原理及工艺过程。


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