稀土金属冶金

一般包括精矿分解、稀土元素分离提纯、金属制取和提纯4个阶段。稀土金属又称稀土元素，是钪、钇、镧系元素等17种元素的总称。通常把镧、铈、镨、钕、钜、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。稀土金属的物理、化学性质非常相似，在矿物中多为共生，分离困难。稀土精矿分解是用酸、碱、氯气等分解剂破坏矿物结构，使稀土元素转变为可溶性化合物并与主要伴生杂质进行初步分离的过程。分解所得产物经化学净化除杂质后制成混合稀土化合物，用作制取单一稀土化合物和金属的原料。方法可分为硫酸分解法、碱分解法和高温氯化分解法3种。硫酸焙烧法是冶炼氟碳铈矿精矿的主要方法。碱分解法是用碱处理稀土精矿以获得混合稀土氯化物产品，主要有烧碱分解法、碳酸钠焙烧分解法和电加热碱分解法。高温氯化分解法主要用于高品位（REO60%以上）的氟碳铈精矿，有沸腾氯化、熔融盐氯化和团块氯化3种工艺。对于离子吸附型稀土矿，可采用电解质溶液直接渗浸的方法，将矿中离子形态的稀土淋洗下来，再经草酸沉淀、煅烧、水洗、烘干，最后得到混合稀土氧化物。从氟碳铈镧矿–独居石混合型稀土精矿提取稀土，可采用酸法、碱法、氯化法。硫酸强化焙烧–溶剂萃取法是将含约60％稀土氧化物的混合型精矿在回转窑内用浓硫酸进行高温分解，使精矿中的铁、磷、钍、钙、钡等转化为难溶性物质，焙烧后的固体料经水浸除去杂质，得到纯净的稀土硫酸盐溶液，再经有机溶剂萃取和盐酸反萃，最后得到混合氯化稀土溶液，浓缩结晶，可得混合氯化稀土；或直接进行分组分离，制取单一稀土化合物。从精矿提取所得的混合稀土化合物中分离提取单一稀土元素，不仅要将这十几种化学性质极其相近的稀土元素分离出来，而且还必须将稀土元素和伴生的杂质分离开来。主要有化学法、离子交换法和溶剂萃取法等。稀土金属及其合金的制取有金属热还原法、中间合金法制备钇组稀土金属和熔盐电解法。工业上大量使用的是工业纯稀土金属，较高纯度的稀土金属主要供测定物理、化学性能之用。主要有4种提纯方法在试验室中使用，即真空熔融、真空蒸馏或升华、电迁移和区域熔炼。

1980年全世界稀土产品的生产量约为 34000吨（以氧化物计），主要用于冶金、石油化工、玻璃陶瓷、荧光和电子材料等工业。世界历年消费分配比（不包括中国）。

稀土金属及其合金在炼钢中起脱氧脱硫作用，能使两者的含量都降低到0.001%以下，并改变夹杂物的形态，细化晶粒，从而改善钢的加工性能，提高强度、韧性、耐腐蚀和抗氧化性等。稀土金属及其合金用于制造球墨铸铁、高强灰铸铁和蠕墨铸铁，能改变铸铁中石墨的形态，改善铸造工艺，提高铸铁的机械性能（合金钢，铸铁）。在青铜和黄铜冶炼中添加少量的稀土金属能提高合金的强度、延伸率、耐热性和导电性。在铸造铝硅合金中添加1～1.5%的稀土金属，可以提高高温强度。在铝合金导线中添加稀土金属，能提高抗张强度和耐腐蚀性。Fe-Cr-Al电热合金中添加0.3%的稀土金属，能提高抗氧化能力，增加电阻率和高温强度。在钛及其合金中添加稀土金属能细化晶粒，降低蠕变率，改善高温抗腐蚀性能。

用铈族混合稀土氯化物和富镧稀土氯化物制备的微球分子筛，用于石油催化裂化过程。稀土金属和过渡金属复合氧化物催化剂用于气体净化，能使一氧化碳和碳氢化物转化为二氧化碳和水。镨钕环烷酸-烷基铝-氯化烷基铝三元体系催化剂用于合成橡胶。

稀土抛光粉用于各种玻璃器件的抛光，CeO₂用于玻璃脱色，同时提高其透明度；Pr₆O₁₁、Nd₂O₃等用于玻璃着色；La₂O₃、Nd₂O₃、CeO₂等用于制造特种玻璃；在陶瓷工业中稀土可用于制造陶瓷釉料、耐火材料和陶瓷材料。单一的高纯稀土氧化物如Y₂O₃、 Eu₂O₃、 Gd₂O₃、La₂O₃、Tb₄O₇用于合成各种荧光体，如彩色电视红色荧光粉、投影电视白色荧光粉、超短余辉荧光粉、各种灯用荧光粉、X 光增感屏用荧光粉以及光转换等荧光材料。稀土金属碘化物用于制造金属卤素灯，它们的发光效率达80～100流明/瓦，色温为5500～6000K，接近日光，可以代替碳精棒电弧灯作照明光源。高纯 Y₂O₃、 Nd₂O₃、Ho₂O₃、Gd₂O₃是很好的激光材料。

用稀土金属制备的稀土－钴硬磁合金，具有高剩磁、高矫顽力的优点。钇铁石榴石（YIG）铁氧体是用高纯Y₂O3和氧化铁制成的单晶或多晶的铁磁材料。它们用于微波器件（如YIG器件）。高纯Gd2O₃用于制备钆镓石榴石（GGG），它的单晶用作磁泡的基片。金属镧和镍制成的LaNi5贮氢材料，吸氢和放氢速度快，每摩尔LaNi5可贮存6.5～6.7摩尔氢。在原子能工业中，利用铕和钆的同位素的中子吸收截面大的特性，作轻水堆和快中子增殖堆的控制棒和中子吸收剂。稀土元素作为微量化肥，对农作物有增产效果。170Tm放出弱γ射线，用于制造手提X光机。打火石是稀土发火合金的传统用途，是铈组稀土金属的重要用途。

稀土金属具有极为重要的用途，是当代高科技新材料的重要组成部分。由稀土金属与有色金属组成的一系列化合物半导体、电子光学材料、特殊合金、新型功能材料及有机金属化合物等，均需使用独特性能的稀土金属。用量虽说不大，但至关重要，缺它不可。因而广泛用于当代通讯技术、电子计算机、宇航开发、医药卫生、感光材料、光电材料、能源材料和催化剂材料等。中国稀土金属矿产丰富，为发展稀土金属工业提供了较好的资源条件。

稀土是历史遗留的名称。稀土金属是从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，例如把氧化铝叫陶土。稀土一般是以氧化物状态分离出来，又很稀少，因而得名稀土。稀土金属的化学性质很相似，所以在矿物中共生，但是钪的化学性质同其他稀土差别较大，一般稀土矿物中不含钪。最稀少的钷最初是从铀反应堆裂变产物中获得的，放射性元素147Pm的半衰期为 2.7年。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。

稀土金属制取(preparation of rare earth metal)，将稀土化合物还原成金属的过程。还原所制得的稀土金属产品含稀土95%～99%，主要用作钢铁、有色金属及其合金的添加剂，以及用作生产稀土永磁材料、贮氢材料等功能材料的原料。瑞典人穆桑德尔(C．G．Mosander)自1826年最先制得金属铈以来，现已能生产全部稀土金属，产品纯度达到99.9%。常用的方法有金属热还原法制取稀土金属和盐熔电解法制取稀土金属 。

稀土金属金属热还原法

根据使用的还原剂种类可分为钙热还原法、锂热还原法、镧铈还原法，主要用于制取钇、镝、钆、铒、钐、镱等稀土金属。金属热还原法为间断性生产过程，设备比较复杂。

稀土金属熔盐电解法

根据电解质的种类可分为氯化物熔盐体系和氟化物-氧化物熔盐体系电解法，多用于制取以镧铈为主的混合稀土金属以及镧、铈、镨、钕等单一稀土金属。熔盐电解法为连续性生产过程，产量较大，设备简单，成本较低，但电解槽需用耐高温氯化物或氟化物腐蚀的结构材料制造。

还原制得含稀土99%的稀土金属经真空精炼(包括真空蒸馏或升华)、电传输、区域熔炼、熔盐电解精炼等方法处理除去非稀土杂质后，可获得纯度超过99.9%的稀土金属产品。电传输法又称固体电解法或离子迁移法，是一种利用杂质离子在电场作用下产生顺序迁移的金属提纯方法。稀土金属可用氢化法或机械磨碎法制成金属粉末。