稀土资源的开发利用

2015-06-29 07:59:38   来源：   撰稿：李黎丹   摄影摄像：    ;  评论：0 点击：

稀土资源的开发利用

“稀土资源的发展与保护”研究性学习小组高一6

组长：何清

组员：樊宇腾 贾芷昕 李培楠 马倩晨 吴博 魏佳瑞 麻格垚

 摘要：我国是世界稀土资源和产量第一的稀土大国，又是钢产量第一的钢铁大国，但不是钢铁强国，品种质量与国外先进水平相比还有相当大的差距，仍有不少钢材需要进口。用稀土这个高技术材料来强化和提升钢铁传统产业，在低合金钢、合金钢中加入微量稀土，提高钢质增强国际竞争力，把稀土的资源优势转化为钢材的品种优势和经济优势，具有十分重大的意义。

关键词：稀土  提高品质  数量  竞争力 

前言：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。

正文：

一、我国冶金炼钢中装备国产化发展阶段    

第一阶段为1964年以前。当时我国主要依靠苏联技术，以购买苏联装备、学习苏联技术为主，这一阶段我国冶金装备国产化工作主要以仿制苏联技术装备为基础。      第二阶段为1965年~1976年。冶金装备国产化工作以建设当时重大“40工程”（即攀钢）为依托，重型装备制造企业与包建钢铁企业（以鞍钢为主）、工艺设计院（重钢院、鞍山焦耐院、长沙矿院等）紧密合作，提供了新建的攀枝花钢铁公司的全部成套国产化装备（1200立方米高炉、130平方米烧结机装备、120吨转炉、大型轨梁轧机等）和众多单体装备，整个攀钢项目的建设投产全部依靠我国自己的技术力量和装备，可以说是实施冶金装备国产化工作最好的阶段。      第三阶段为改革开放以后到1994年。在此期间，国家成立了国务院重大装备办公室（简称国务院重大办），对重大装备国产化实施了强有力的行政干预。当时宝钢二期工程建设，由外商技术总负责，采取国内装备制造企业参与合作设计、合作制造的方式引进了冶金重大成套装备。这一阶段由于国务院重大办的全面协调，装备制造企业参与了引进装备的合作设计和消化吸收，基本掌握了大型成套装备的设计和制造技术，并出色地完成了450平方米烧结成套装备、1900毫米板坯连铸机成套装备、1900毫米连轧成套装备和2090毫米连轧成套装备的合作设计和合作制造。总体来说，这一阶段我国装备制造业的技术水平有了很大提高，促进了钢铁企业生产工艺技术和管理水平的提高，为我国钢产量上亿吨奠定了基础。      第四阶段为1994年~2005年。这一阶段国家撤销了国务院重大办，重大装备引进以业主（用户）为主，外商不但对工程技术总负责，还对工程所需的工艺装备总包。相对于过去，国家有关部门失去了对重大装备引进消化的干预和体现国家意志的控制职能，装备制造企业失去了制造承包的机会，彻底沦为外商的“打工仔”。于是出现了中国装备制造业制造80%重量的产品，却只获得20%产品价值收入的局面。直到1999年国家实施积极的财政政策，拉动内需，而且把钢铁产业作为首要发展对象，出现了国有、民营钢铁企业大发展的局面，   从而带动了冶金装备制造业的复苏，加之国外冶金装备制造企业（如日本三菱重工、德国德马克和西马克公司）进行调整，给国内冶金装备制造企业快速发展提供了机遇。 

二、稀土在钢中的应用

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。  1.稀土加入钢中的主要作用     （1）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。   2）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。  2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。   3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。 

 三、我国主要稀土钢种     

 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。   序号 钢号 用  途 生产厂家   1 09CuPTi(RE)09CuTiRE 铁路货车、客车、桥梁 武汉钢铁公司攀枝花钢铁公司  2 10CuP(RE) 建筑、化工、桥梁、钢结构、钢门窗上海钢铁一厂上海钢铁研究所  3 06CuP(RE) 汽车、铁路车箱、集装箱 武汉钢铁公司   4 40MnNbRE 普通石油套管、液压支架、千斤顶 包头钢铁公司  5 30MnNbRE 抗H2S套管、抽油杆、高压气瓶 包头钢铁公司  6 20REg 锅炉用钢管 包头钢铁公司  7 20RE 普通流体管 包头钢铁公司   8 18MnNb(RE) 建筑结构Ⅱ级 螺纹钢筋 包头钢铁公司   9 16MnRE 造船及结构厚板、压力容器、汽车板 武汉钢铁公司鞍山钢铁公司  10 X60H 石油管线 武汉钢铁公司   11 X42、X52、X56、X60 管线管钢 宝山钢铁公司  12 20-25-30TiBRE 齿轮钢 大冶钢铁厂  13 55SiMnVBRE 弹簧钢 大冶钢铁厂  14 H295 煤气瓶用钢 太原钢铁公司   15 BNbREPD3RE 铁路钢轨 包头钢铁公司、鞍山钢铁公司、攀枝花钢铁公司  

四、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。  

五、从稀土在钢中作用看稀土钢的发展前景     

武钢和东北大学测试了X65和加稀土的X65管线钢在不同硫含量 时的冲击韧性，结果表明，即使钢中硫含量降到0.005%，加稀土仍然能大幅度地提高钢的冲击值。    北京科技大学和武钢合作，研究了超低硫钢中稀土元素的作用，结论是，稀土在超低硫（S<0.003%）铌钛微合金钢中仍然有净化钢质、变质夹杂和微合金化作用，稀土固溶量可达到10-5～10-4数量级，是一般硫含量钢稀土固溶量的6～10倍，显著减少晶界S、P的偏聚，推迟铌钛氮化物析出。      北京钢铁研究总院研究了稀土对航空用高强高韧性16Ni10Co14Cr2Mo钢性能的影响，该钢虽然是超低硫（0.002%～0.005%），但添加镧和铈混合稀土后，仍使MnS、CrS夹杂物转变为  稀土硫氧化物夹杂，从而提高了钢的断裂韧性。    稀土在合金钢、特殊合金中作用显著。如，东南大学材料系张忠铧等人研究了铈对高温合金Fe-28Al性能的影响，在二元Fe-28Al合金中加入0.15%（原子分数）的Ce可以使合金的室温塑性提高近1倍，而且合金的屈服强度和抗拉强度也得到明显提高。  我国兵器工业部包头五二研究所试制的加稀土的不锈钢，性能优异。北京钢铁研究总院试制的稀土耐热钢0Cr23Ni12使Ni用量大幅降低，每吨钢比0Cr25Ni20降低成本几千元，效果显著。含稀土的合金钢、特殊合金钢与普通钢相比总量虽然不大，但加稀土产生的经济效益很高，而且其稀土用量是低合金钢中的5～10倍。这一领域也有发展前途，可能达到几万吨水平。预计"十五"末期年需求含稀土的管线钢7万吨，汽车大梁钢12.8万吨，铸钢5万吨。

 六、从市场需求看稀土钢的发展前景     

随着国民经济建设的发展，除了要求钢材有高的强度和韧性外， 同时还要求有良好的耐腐蚀性能，这方面稀土能起关键作用。稀土在提高钢材的韧、塑性、耐热抗氧化和耐磨性方面也有重要作用，这是稀土钢的优势，其发展前景很好。  七、钢中加入稀土存在的问题      1稀土夹杂物比重大，一般在5.5～6.5之间，不易上浮，特别是当稀土加入量过量时，会增加钢中的夹杂，甚至产生脆性的稀土与铁的金属间化合物恶化钢的性能。通过计算机仿真计算，确定最佳稀土加入量和稀土喂丝机的自动化，可以实现稀土加入量的准确控制，   达到提高钢质的目的。      2稀土处理钢浇注时水口易结瘤，用强脱氧剂如A1、Zr脱氧时，也常出现水口结瘤问题。目前是采用在连铸结晶器喂稀土丝，绕开水口的方法来解决这个问题。杜挺、韩其勇、王常珍教授指出，用熔融石英水口和锆质水口，对防止含稀土钢水口的结瘤具有较好效果。     3稀土金属的价格较贵。稀土金属丝和棒的价格是9～9.8万元/吨，比硅钙合金贵，这影响了稀土钢的扩大推广。   结束语  生产实践证明，稀土处理钢是提高钢的质量、开发新品种的有效措施之一。稀土处理工艺所需投资很小，炼钢中不需要另外增加处理时间。稀土加入钢中能够起到净化（脱氧、脱硫）、变质和微合金化作用，能大大减小低熔点杂质的有害影响，是硅钙处理所不能完全替代的。因此在钢中加入稀土，一般能使钢板和无缝管的横向冲击韧性提高1倍左右，同时能提高钢的抗弯性能和耐腐蚀性能，有利于改善钢的热加工性，改善层状撕裂及氢致开裂。每吨钢仅需加入300克的稀土金属，即可获得很大效益。我国每年用稀土处理钢近60～70万吨，纯利润近亿元，稀土处理钢钢种已有80多个。到2000年发展到年产稀土处理钢300万吨，获得纯利润3.36亿元以上。2003年用于钢的稀土用量为400吨，占冶金机械应用领域总消费比例的7.5%  我国稀土在钢中应用虽然取得了较大成绩，但是钢中稀土的加入工艺和设备尚满足不了从国外引进的炼钢和炉外精炼设备高度自动化、连续化的要求。包钢从德国引进的大方坯、大圆坯连铸生产线，年产量120万吨，急需解决稀土加入工艺问题，以生产铁道部急需的   稀土、铌重轨等重要钢种；宝钢和武钢三炼钢的高拉速板坯连铸生产线，国产的老式稀土喂丝机已不配套，需研究新一代自动化喂丝机以解决高拉速板坯连铸稀土加入工艺问题；还有连铸中间包稀土加入工艺问题、稀土处理与其他炉外精炼工艺相结合的问题、小方坯连铸稀土加入工艺问题等，都需要研究解决。

致谢：非常感谢老师从最初的定题，到资料收集，到写作、 修改，到论文定稿，给了我耐心的指导和无私的帮助。

参考文献  ［1］余宗森 褚幼义.钢中稀土[M].北京:冶金工业出版社,1982.. ［2］赵钦福,詹力,周玉林. 稀土对低镁铝合金组织与性能的影响[J]稀土, 1986,(02)  ［3］陈佩芳.稀土金属在钢中的应用[J].金属学报,1978,2:188-212. ［4］陈希颖.中国稀土在钢中的应用[J].中国稀土学报.  ［5］马捷,陈栏,徐志安,钱庆坤,金言谊,卢俊发,黄守信. 稀土硅钙复合喷粉处理ZG35铸钢的试验研究[J]稀土, 1986,(04) .  ［6］包头冶金研究所钐钴合金试制组.钐钴磁环式制报告[J].稀土与铌,1974(3):11.  ［7］佩帝福D G 等 陈魁英（译）.合金设计的电子理论[M].沈阳:辽宁科技出版社,1997..   ［8］车韵怡 刘爱生.钢铁中稀土合金化的内耗研究及其理论[J].中国稀土学报,    ［9］仇春荣,陈林森. 稀土在高合金耐热钢中的应用[J]稀土, 1986,(05) .  ［10］赖祖涵.稀土对工业纯铁中温内耗的影响[J].金属学报, ［11］黄梦真，王晓梅.稀土在钢中的应用.科技信息 ，2009 ［12］W. T. Nachtrab,Y. T. Chou. High temperature ductility loss in carbon-manganese and niobium-treated steels[J] Metallurgical Transactions A, 1986,17, (11) .  ［13］靳书林. 稀土对连铸10MnNbRE钢中夹杂物的影响[J]稀土, 1988,(02) .   ［14］T. W. Clyne,W. Kurz. Solute redistribution during solidification with rapid solid state diffusion[J] Metallurgical Transactions A, 1981,12, (6) .  ［15］余景生 陈继志 等.稀土处理钢发展前途的探讨[J].稀土,1983(2):5  ［16］马鹏起. 国内稀土应用的最新进展——全国稀土推广应用会议资料小结[J]稀土, 1982,(02) .   ［17］陈希颖,尤德麟,高振寰. 稀土在钢中应用的状况、进展与前景的讨论[J]稀土, 1988,(04)  ［18］余景生 余宗森 等.稀土处理钢手册[M].北京:冶金工业出版社,1993..    ［19］Research progress of rare-earth application in iron and steels of China[A]Abstract of 2004 International Conference on Rare Earth Research and Application ICRERA-2004[C], 2004 .  ［20］沈成孝.21世纪钢铁工业发展方向[J].未来与发展