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稀土在钢铁及有色金属中的应用充满希望

日期: 2018-06-20
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稀土在钢铁及有色金属中的应用充满希望

2009-01-14 16:40:21 作者:陈亚平 来源: 浏览次数:0

  近年来,我国经济发展持续稳定,同时带来的是对资源的需求亦日益迫切,我国已成为钢材需求大国。作为稀土资源丰富的国家,合理开发和利用稀土,进一步研究和探索稀土在钢铁及有色金属中的应用是十分必要和及时的。

  一、稀土在钢铁中的应用

  1.稀土在钢中的应用

  稀土真正应用于钢是在第二次世界大战期间,因战争而大量的需求,人们发现稀土元素加入钢中,可提高钢的性能。也就是在冶炼钢的时候,如果加入稀土元素的方法得当,比例合适,就会得到优质的碳素钢,稀土可改善钢的许多性能。

  稀土元素的微合金化作用主要是由稀土原子在晶界上偏聚,与其他元素交互作用引起晶界的结构、化学成分和能量的变化,并影响其他元素的扩散和新相的成核与长大,最终导致钢组织与性能的变化。在冶炼过程中,稀土可以与钢中磷、砷、锡、锑、铋、锆等低熔点有害元素相作用,形成熔点较高的化合物,也有抑制这些杂质和晶界上的偏折。

  稀土加入钢液中生成球状稀土硫化物或硫氧化物,取代容易形成的长条状MnS夹杂,使硫化物形状得到控制,提高了钢的热塑性,特别是横向冲击性,改善钢材的各向异性。稀土使棱角状高硬度的氧化铝转化为球状硫化物及铝酸稀土,有利于提高钢的抗疲劳性能。

  通过热力学分析和研究表明:在钢铁中加入稀土可提高钢铁的强度、耐磨性和抗氧化等性能。

  我国稀土在钢中的应用开始于20世纪60年代初,至今已有30多年的历史,稀土处理钢的牌号近50个,可分为两类:第一是含Cu、P类的低合金钢,主要利用稀土改善钢的耐蚀性;第二是Mn、Nb、V、Ti稀土处理低合金钢,这类钢除利用稀土可改善钢的耐腐蚀性外,更主要利用其可改善钢的强度和耐磨性的性能。

  1980年我国稀土处理钢的产量仅为1.5万吨、1985年为11.2万吨,1990年达34万吨,1995年52.2万吨,2000年为77.9万吨,近几年的产量为:2001年为74.6万吨,2002年为83.1万吨,2003年为94.0万吨(历史最高)。

  近10年稀土处理钢的总量为642.6万吨,每吨钢平均增值400元,创经济效益20亿元,社会效益近100亿元。据统计2002年世界稀土消费量为8.84万吨(REO),我国稀土消费量为2万吨(REO)。稀土在钢中应用的消费量占我国稀土消费总量的2%,我国稀土处理钢的发展前期较快,但从1999年以后未能继续提高,波动在80万吨上下。

  2.稀土在铸铁中的应用

  我国稀土在铸铁中的应用量最多时可占到年消耗稀土总量的45%左右。经过30多年的开发研究,稀土在铸铁的应用及其工艺技术日益成熟,并已创造出巨大的经济效益,但近几年稀土在铸铁的消费徘徊不定。

  稀土由于具有良好的球化效果,并且有抗微量反球化元素的干扰作用,以及脱氧和净化铁液等作用,在国内球墨铸铁件的生产中,稀土作为球化剂的主要成份之一而得到广泛应用。其中,稀土镁球墨铸铁由于具有强度和韧性、塑性好等优良性能,在各行业的机械(机具)产品中逐渐代替部分灰铸铁件,可锻铁件和铸钢件,而使他在铸造合金中的比例逐年提高。2001年我国稀土镁球化剂折合利用稀土氧化物(REO)为1200~1450吨。主要以轻稀土为主(铈50%左右),在厚大断向球墨铸铁中一般使用有一定抗衰老作用的重稀土(镧系、钇系)。

  目前,我国离心墨球铸铁管发展迅速。据2001年统计,我国已有83条生产线。已掌握了水冷金属型(冷模法),涂料和树脂砂垫模法等生产工艺,全年产量已达88.93吨,以2001年全国年产量计算,折合利用稀土氧化物500吨。

  同时,稀土也应用在其他铸件上。普遍在铸铁折合利用稀土氧化物90~180吨/年,且对球墨铸铁件,估计稀土用量在10~20吨/年。

  由于我国国民经济的快速增长和西部大开发使我国铸件的产量以较快的速度增长,预计在“十五”期间,我国的铸件年产量会保持在1400~1600万吨水平,其中铸铁件产量约1000~1200万吨,从大的应用领域看,扩大稀土在铸铁中的应用的主要领域是离心球墨铸铁管和汽车球铁铸造,从国内外情况对比看,日本、法国等国家的离心球墨铸铁管在压力管道中的使用量已占全部铸管的95%~98%,而我国目前仅为50%左右,发展空间很大,预计在未来3~5年内我国球墨铸铁件的年产量将提高350~400万吨,折合利用稀土氧化物为1680~1920吨。稀土在铸铁中这一传统应用领域中将保持上升态势其可持续既有需要又有条件。

  二、稀土在有色金属中的应用

  我国稀土在有色金属中的开发和应用,虽然和稀土在钢中的应用时间差不多,但直到1985年组织推广稀土在铝电线,电缆中的应用取得成果后才有了突破性进展。1985年消费量为330吨(REO),1994年为600吨(REO),2003年为1000吨(REO),平均年增长高于13%。目前稀土在有色金属及合金中的开发应用有明显效果的有:铝、铜、镁、锡、钛、钼、镍、钴、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一般小于0.5%,但产生的效果极为显著。稀土能起到净化、变质、细化晶粒的作用。

  稀土金属用作铝合金添加剂,改变铝合金的物理性质,增加其耐磨性,耐高温,提高强度,改善加工性能。稀土铝合金也是我国最早将稀土应用于有色金属的范例。铝合金和铸铝合金的年产量可达33~34万吨。目前我国已研究成功稀土泡沫铝合金,这是一种新型功能材料与结构材料,被认为是一种大有前途的未来汽车与其他交通工具用的良好材料。目前“863”计划项目中的一项可实现百年防腐的新材料-稀土铝合金,已通过鉴定并有近几百国家甲级设计院考虑将其应用于防腐高端领域,应用前景十分看好。

  铜中加入稀土元素(Ce),可对铜的导电性,抗拉强度、硬度、耐磨性有所改善,可起到净化,除杂质的作用。同时使晶粒细化。我国稀土紫铜、黄铜的年产量可达6万吨。

  我国是镁资源大国,储量居世界首位,也是镁生产大国和最大出口国,年产量的80%以上出口。2000年,科技部推动了“镁合金开发应用产业化”前期战略研究,在“863”计划中,有3种在175℃具有良好抗蠕变性能的镁合金、低成本镁稀土中间合金制备技术,耐热镁合金的压铸技术,取得很大突破。可使稀土镁合金在耐热、耐蚀,阻燃等性能方面有很大提高,目前,长春应化所与一汽合作,用高技术改造稀土镁合金,可年产12万件镁合金铸件,稀土消费量也应有增长。

  稀土元素添加在锡锌基无铅釬料合金中,可使合金湿性较好,组织细密,力学性能优良,无毒,价格便宜。同样采用溶胶凝胶(SoC-CCl)和两步还原法,制成的稀土钼粉末,其性能也有很大改善。

  稀土在有色金属中的应用涉及多种元素,总的趋势是越来越广泛,对我国稀土资源开发和应用起到了积极的作用,但目前,成功的产品和合金并不是很多。

  三、目前应关注的问题

  目前,冶金行业稀土的总消费量为5000~6000吨(REO),其中70%以上是以稀土镁硅铁合金的形式用于铸铁中,剩下的50%用于有色金属。钢的用量仅为1/6左右,虽然稀土处理钢的研究又取得了很大进展,并有多项新的科研成果诞生,但稀土处理钢的比例不到我国钢产量(2003年为2亿吨左右)的0.5%,20世纪美国在70~80年代时稀土处理钢产量为700~900万吨,钢总产量为1亿吨。如果我国稀土处理钢能力提高到1000万吨/年,年消费稀土(镧铈)混合稀土氧化物将达8000吨左右,这对加大稀土在冶金行业(稀土传统应用领域)的应用是有益的,其效果将是钢材的附加值增大了,经济效益就会增长。

  因此,无论是从事稀土研究的科研人员还是信息工作者,都应积极呼吁、加强宣传、做好推广工作,不断开拓稀土钢的应用市场,使稀土这一宝贵资源发挥出其特有的价值。

 


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