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稀土冶金与研究进展 吴文远 东北大学材料与冶金学院 2010年7月22日 主要内容 第一部分? ?稀土元素及用途 ?? 第二部分 稀土矿物及分解方法 第三部分 萃取法分离稀土元素 第四部分?? 稀土行业的热点问题? ? 第一部分? ?稀土元素及用途 1. 稀土元素及其电子层结构 稀土是化学元素周期表中镧系以及与镧系密切相关的两个元素—钪（Sc）和钇（Y）共17种元素，称为稀土元素（Rare Earth）。简称稀土（RE或R）。 稀土元素最初是从瑞典产的比较稀少的矿物中发现的，“土”是按当时的习惯，称不溶于水的物质，故称稀土。 根据稀土元素原子电子层结构和物理化学性质，以及它们在矿物中共生情况和不同的离子半径可产生不同性质的特征，十七种稀土元素通常分为二组。 轻稀土（又称铈组）镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆。 重稀土（又称钇组）铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪、钇。 称铈组或钇组，是因为矿物经分离得到的稀土混合物中，常以铈或钇占优势而得名。  稀土元素的电子层结构 稀土元素的电子能级 电子能级特征 （1）角量子数l=3的4f层有7个电子轨道，可产生较强的磁能； （2）除La3+和Lu3+外其他镧系元素的电子可在4f的7个轨道任意配布，产生各种光谱项和能级，能吸收或发射从紫外至红外光区的各波长的电磁幅射波； （3) 稀土离子激发态平均寿命长10-2-10-6S,高于其他离子的10-8-10-10S； （4）由于5S25P6层的屏蔽作用，4f层受其他元素的势场（晶体场或配位场）影响小，因此稀土元素化合物的吸收光谱为线性的。 2．稀土元素的主要物理化学性质 (1)与4f电子特性有关的物理化学性质 稀土元素具有未充满的4f电子层结构，并由此而产生多种多样的电子能级。因此，稀土可以作为优良的荧光，激光和电光源材料以及彩色玻璃、陶瓷的釉料。 稀土元素具有被5d6s所屏蔽的未充满的4f电子层结构，因此具有 较高的磁饱和强度，高居里点温度，较大的矫顽力，是目前最优的磁性材料。 （2）与稀土元素几何性质及价态相关的物化性质 镧系收缩 镧系元素的离子中，电子层次都是五层，但是由于镧系原子核离子的最高能级中电子的有效电荷Z随原子序数的增加而增加，因而对外层电子吸引力增加，故使镧系的原子半径，离子半径随原子序数的增加而减少，这一现象称为镧系收缩。 镧系收缩的结果，使三价稀土离子半径从0.1061nm到0.085nm，平均两个相邻元素之间差为0.0015nm，变化很小，所以它们在矿物晶格中彼此可以相互取代，常呈类质同晶现象。钇的离子半径和重稀土相近，所以常与重稀土共存于矿物中；而钪的离子半径相差较大故一般不与稀土矿物共存。 镧系收缩现象可以用来解释化合物的某些性质。如镧系元素碱性的变化，随原子序数的增加而减弱；络合物的稳定性随原子序数增加而增强。 （3）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，由镧到镥递减，即镧元素最活泼。稀土元素能形成化学稳定的氧化物、卤化物、硫化物。稀土元素可以和氮、氢、碳、磷发生反应，易溶于盐酸、硫酸和硝酸中。 稀土易和氧、硫、铅等元素化合生成熔点高的化合物，因此在钢水中加入稀土，可以起到净化钢的效果。由于稀土元素的金属原子半径比铁的原子半径大，很容易填补在其晶粒及缺陷中，并生成能阻碍晶粒继续生长的膜，从而使晶粒细化而提高钢的性能。 稀土离子与羟基、偶氮基或磺酸基等形成结合物，使稀土广泛用于印染行业。而某些稀土元素具有中子俘获截面积大的特性，如钐、铕、钆、镝和铒，可用作原子能反应堆的控制材料和减速剂。而铈、钇的中子俘获截面积小，则可作为反应堆燃料的稀释剂。 稀土具有类似微量元素的性质，可以促进农作物的种子萌发，促进根系生长，促进植物的光合作用支持信息和示例。 稀土在冶金工业中的应用 稀土在钢中的应用 稀土在钢中的应用有近30年的历史，经过对稀土金属在钢中作用规律和机理的研究，搞清楚了稀土在钢中的作用；通过添加工艺方法的实验研究，掌握了稀土加入的工艺条件、添加稀土金属的品种和加入量。至八十年代末期，稀土在钢中的应用已没有技术方面的障碍。我国稀土钢产量从1985年的11万吨增长到1997年的近60万吨，品种80多个。仅武钢一家，“八五”期间就生产了160万吨稀土钢，创造经济效益3.2亿元，社会效益18.3亿元，节约外汇5000万美元。 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