稀土在钢中的应用

第一章综述

在钢的冶炼中应用稀土是我国推广稀土应用最早的领域之一。通过冶金工作者40多年的努力，我国已研制出稀土耐热钢、稀土耐磨钢、稀土耐腐蚀钢和稀土高强度低合金等钢种。

1.1 稀土的分类及用途

稀土是指元素周期表中第ⅢB族镧系元素以及与镧系元素在化学性质上相近的钪和钇，共计17种元素，是芬兰学者加多林(Johan Gado1in)在1794年发现的，当时在瑞典的矿石中发现了矿物组成类似“土”状物而存在的钇土，且又认为稀少，便定名为“稀有的土”(Baxe Earth)。此后，又陆续发现了与此同类的多种元素，统称为稀土。但后来研究发现，稀土在地壳中的含量要比人们想象的多得多。如铈比锡多得多，钇也比铅多，即使含量最少的稀土元素也比铂族元素多，说明稀土并不稀少，也不是“土”，全部都是金属元素[1]。

稀土元素根据其性质的差异和分离工艺的要求一般分为轻稀土和重稀土两类，其中镧、铈、镨、钕、钜、钐、铕为轻稀土。稀土元素是典型的金属元素，它们的金属活泼性仅次于碱金属和碱土金属，较其他金属元素都活泼，能与多种元素化合，且稀土金属的燃点很低，如铈165℃，钕270℃，极易与氧发生反应。所有的稀土金属能在180℃-200℃的空气中被氧化成RE2O3型氧化物，稀土氧化物的熔点都很高，生成自由能负值很大，说明其氧化物都是很稳定的化合物。由于稀土元素的性质特殊，决定了稀土的用途。钢铁工业中应用的主要是稀土硅铁合金(含轻稀土混合金属20％-45％)，稀土硅铁镁合金(稀土金属6％-25％，镁7％-12％)，重稀土硅铁合金(含钇类混合稀土60％以上)。混合稀土金属(含轻稀土95％以上)，富铈或镧的稀土硅铁合金(Ce占70％或La占50％以上)。其中炼钢生产中最常用的有两种，一是稀土合金，块状稀土硅铁合金，以前用于大包投入，大包压入，粉状一般用于大包内喷粉、模铸中注管喷粉等方法加入钢中；二是混合稀土金属，制成丝(φmm-φmm)或棒(≥φmm)，丝用于钢包、中注管或连铸结晶器，用喂丝机喂入钢中，棒采用模内吊挂的方法熔入钢中。稀土金属包芯线作为线性添加材料的新品种，由于喂丝技术在炼钢生产中的广泛应用，必将得到进一步的发展。

我国稀土资源丰富，为世界上其它任何一个国家所不及。现已探明的工业储量为3600万吨，约占全世界总量的80％，且品种繁多，分布较集中。其中包头市白云鄂博矿山的储量就占了全国储量的95％以上，所以才有了“世界稀土在中国，中国稀土在包头”的说法。现在包钢每年采出的稀土矿石量约为230万吨到250万吨，这一部分矿石中多数稀土含量都比较高，能达到7.25％以上。经过几十年的研究开发，生产技术不断完善，生产规模不断扩大，现在已经形成了年产稀土精矿6万吨，稀土合金1.5万吨、湿法稀土产品折合氧化物5800吨的83个品种、195种规格的世界最大的稀土矿产品生产基地。

1.2 稀土元素的主要特性

稀土元素的主要物理特性如下表1-1所示。

表1-1 稀土元素的物理特性原

子序数元

素

原子

量

离子

半径

(埃)

密度

(g/cm-3)

熔度(℃)

沸点

(℃）

氧化物

熔点

(℃)

比电阻/

Ω· cm-1×106

R3+离子磁

矩(波尔磁

子)

热中子俘

获截面

（靶）

57 La 138.92 1.22 6.19 920±5 4230 2315 56.8 0.00 8.9

58 Ce 140.13 1.18 6.768 804±5 2930 1950 75.3 2.56 0.7

59 Pr 140.92 1.16 6.769 935±5 3020 2500 68.0 3.62 11.2

60 Nd 144.27 1.15 7.007 1024±5 3180 2270 64.3 3.68 46

61 Pm 147.00 1.14 －－－－－ 2.83 －

62 Sm 150.35 1.13 7.504 1052±5 1630 2350 88.0 1.55~1.65 5500

63 Eu 152.00 1.13 5.166 826±10 1490 2050 81.3 3.40～3.50 4600

64 Gd 157.26 1.11 7.868 1350±20 2730 2350 140.5 7.94 46000

65 Tb 158.93 1.09 8.253 1336 2530 2387 －9.7 44

66 Dy 162.51 1.07 8.565 1485±20 2330 2340 56.0 10.6 1100

67 Ho 164.94 1.05 8.799 1490 2330 2360 87.0 10.6 64

68 Er 167.27 1.04 9.058 1500~1550 2630 2355 107.0 9.6 166

69 Tm 168.94 1.04 9.318 1500~1600 2130 2400 79.0 7.6 118

70 Yb 173.04 1.00 6.959 824±5 1530 2346 27.0 4.5 36

71 Lu 174.99 0.99 9.849 1650~1750 1930 2400 79.0 0.00 108

21 Sc 44.97 0.83 2.995 1550~1600 2750 －－－13

39 Y 88.92 1.06 4.472 1552 3030 2680 －－ 1.27

稀土元素是典型的金属元素。它们的金属活泼性仅次于碱金属和碱土金属元素，而比其他金属元素活泼。在17个稀土元素当中，按金属的活泼次序排列，由钪，钇、镧递增，

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