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《稀土元素及其在炼铁和炼钢中的应用》

  • 来源专题：关键矿产
  • 编译者： 欧冬智
  • 发布时间：2024-07-24

  • 稀土元素 (REE) 因其卓越的特性而被广泛应用于炼铁和炼钢，例如能够诱导细化微观结构和改变夹杂物形态。稀土元素被添加到钢铁中以满足特定要求，它们在提高最终材料的质量方面发挥着重要作用。与在钢中添加稀土元素相关的技术也被用于开发新一代钢材。稀土元素的化学性质和状态早已为人所知，但其应用研究尚不深入。二战期间，人们发现在钢中添加稀土元素可以大大改善钢的性能，此后稀土元素在钢铁生产中得到广泛应用。稀土元素由元素周期表中原子序数从 57（镧）到 71（镥）的 15 种元素组成，正式名称为“镧系元素”，但通常称为“镧系元素”。稀土元素钷（Pm，原子序数 61）性质不稳定。钇（Y，原子序数 39）通常被视为稀土元素，因为它在化学和物理上与镧系元素相似且具有亲和性。钪（Sc，原子序数 21）在化学上与稀土元素相似，因此有时也将其包括在稀土元素中。

  • 原文来源：http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=Mzg2NjY1NDY0NA==&mid=2247558824&idx=3&sn=003150cd5886d90c0a2b51c76482319d&scene=0
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相关报告

  • 《刘玉宝：“稳住”稀土元素 激活稀土潜能》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心—领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2022-07-21
    • 内蒙古是我国北方重要的生态屏障，生态保护和生态建设是其高质量发展的基石和永恒的话题。近十年来，内蒙古始终坚持逐绿而行，在“生态优先，绿色发展”的道路上走出了自己的特色，特别是在“一湖两海”治理、草原生态修复和节能减排等方面，取得了令人瞩目的成绩。同时，内蒙古发力现代煤化工、新能源装备制造、稀土、有色金属、生物医药等产业，通过科技创新改变粗放发展模式，走出了一条高质量发展的新路子。 　　“在包头城市发展史上，如果说有什么产业能让全国的精英汇聚于此并为之终身奋斗，稀土产业就是其中之一。”包头稀土研究院金属材料研究所所长刘玉宝接受科技日报记者采访时说。 　　十多年前，刘玉宝来到包头稀土研究院学习，在他看来，过去十年绝对算得上是一段激情燃烧的岁月。 　　“当时我的导师张先恒找我谈话，他说，包头的稀土产业大有可为，你到那儿可以干一番事业！我就满怀信心地来了。”刘玉宝说道。 　　“要想在先、做在前，默默坚守。”在刘玉宝眼里，2009年，包头稀土产业科技创新还只能算一个沉睡中的“巨人”，前人留下了许多科研课题有待进一步探索。 　　“刚开始我进包头稀土研究院，先从前辈的科研论文中寻找轻稀土的突破方向。那时候，每天早晨我们的伙食是一碗粥，两三块盐水泡过的萝卜，因为我们想把省下来的时间用来做科研。”他回忆。 　　作为稀土钢先驱，早在20世纪60年代，包钢集团就开始尝试相关研究。随着稀土金属分离、提纯技术的不断进步，加之国家对先进材料的高度重视，近年来，以包钢集团为代表的企业、科研单位又掀起了一波新的稀土钢研究热潮。 　　在此背景下，刘玉宝找到了将心中理想变为现实的途径。他开始研究如何在钢中加入稀土，在新材料制备技术研发方面蓄力前行。 　　根据稀土元素化学性质活泼，易与氧、硫、氮等元素作用的特点，综合考虑加入过程的各个因素，刘玉宝不断尝试，最终开发了适合稀土钢工业生产用的稀土铁合金产品及其制备技术。 　　“2017年12月1日，是我们研发成功的日子。”当清晨的第一缕微光照进实验室和中试车间，同伴们胜利的欢呼声让刘玉宝印象深刻。 　　实验室里的坚守、多少个深夜的煎熬……往事如电影画面般一帧帧回放。 　　“执着、奋斗的精神没有变，不能变。”刘玉宝说。 　　独行快，众行远。作为包头稀土研究院金属材料研究所负责人，刘玉宝积极投身到中试生产现场，带领团队成员通过技术创新、工艺优化以及调整原材料等方式降低制造成本。高纯稀土金属镱中试生产过程中通过加大装料量、优化工艺、废金属回收等手段，使生产每公斤金属的耗电量降低1—2度。 　　稀土之梦，问天之路。虽然刘玉宝和同事们研制的只是航天器许许多多部件中的一个，但是从冶炼、制粉到烧结再到最后的压制成型，温度系数的提高、精确度的实现……所有这些指标的背后都是一次次艰辛的努力和探索，都凝结着匠人精神。在刘玉宝眼中，个人成长的十几年，也是包头稀土行业壮大的十几年。 　　乘着科技创新的东风，包头稀土研究院金属材料研究所一路高歌猛进，先后完成了20余项国家级、省部级项目，涉及有价资源综合利用、稀土熔盐电解、稀土合金制备、高纯稀土金属制备等研究领域。 　　刘玉宝坚信，从民用产品到汽车装备，从船舶到航空航天，从信息化到智能化，包头稀土人将引领着中国稀土材料产业不断前行，用他们的智慧、心血与努力，助推中国稀土科技的发展。
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  • 《中国科学家从电子垃圾和煤灰中提取稀土元素》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心—领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2022-03-24
    • 邓兵发明了一种从电子垃圾中提取稀土金属的新技术。电子消费的快速增长，使得电子垃圾成为增长速度最快的固体废弃物，每年产出量均超过 50 万吨，只有实现废物再利用，才能更好保护地球。 对于该技术，Science 评价称：“当化学家们争先恐后地寻找从工业废料和废弃电子产品中回收有价值金属的方法时，一个团队发现了一个听起来有点像魔术的解决方案：用电热闪光来消灭垃圾。” 2月9日，发表在 Science Advances 的论文《废物中的稀土元素》(Rare earth elements from waste)介绍了上述技术，邓兵担任第一作者。 电力成本大约 12美元每吨，已实现公斤级别的制备 作为一种关键性原材料，稀土金属在现代电子、催化、清洁能源等领域具备广泛用途。其重要性在于，把它添加到其他主体材料里可提高产品质量和性能，故被称为 “工业味精” 。 例如，在结构材料上，稀土可大幅度提高铝合金、镁合金、钛合金的机械性能;在石油化工上，稀土制成的分子筛催化剂可代替硅酸铝催化剂;在陶瓷上，稀土对超导陶瓷、压电陶瓷、导电陶瓷等领域贡献丰富;此外，稀土还是重要的磁性材料。 相比铜、铝等年产数千万吨的大规模使用型金属材料，稀土金属算是一种 “小众” 金属，全球全年产量只有几十万吨。同时，中国又是稀土生产大国，目前的总产量占全球总产量 50% 以上。 稀土采矿往往会造成一定的环境污染。近年有分析发现[2]，2015 年中国稀土开采的环境成本达到148亿美元，尽管这种现象正在得到改善，比如通过提高开采效率、以及采用更洁净的分离萃取手段，来减小稀土采矿造成的环境代价。 因此，作为一种补充性替代方法，从大规模固体废弃物中回收关键金属元素，是实现关键资源可持续获取和循环经济的重要途径。例如，从电子垃圾中回收贵金属也就是“城市采矿(urban mining)”，越来越受到关注。 三类大规模固体废弃物可用于稀土金属的回收：第一种是煤飞灰、即煤燃烧后剩余的固体残渣;第二种是赤泥，又叫铝土残渣，是工业炼铝的尾矿;第三种是电子垃圾。每年，这几类固体废弃物的全球生产量都在数百万吨以上。 这三类废弃物中的稀土金属含量都比较大，从这些固体废弃物中回收关键金属材料的好处在于：一方面可缓解消耗不可再生材料造成的资源危机，另一方面又能解决固体废弃物排放造成的环境压力。 该工作基于邓兵所在课题组之前开发的一种电热方法。其所在的莱斯大学纳米科学与技术中心詹姆斯·托尔(James Tour)教授团队，曾于 2020 年首次提出闪光焦耳热的方法，能把几乎任何含碳的前驱体快速转化为高质量石墨烯[3]。 相比传统加热方式，该方法采用超短脉冲电流直接给样品加热，所需能耗极低，焦耳热的热转换效率为 100%，能快速达到 3000°C 的超高温度，且具备超快升温和超快降温等特点。比如，他们已将其用于相关材料的制备。 此外，他们也正将这种独特的电热过程用于废物管理等领域，这对环境保护和循环经济发展来说十分重要。目前，该团队已成功将塑料、橡胶等转化为石墨烯[4]。 加入该团队后，邓兵提出将高效电热方法用于关键金属材料的循环回收利用。在这里，他经手的第一个课题是从电子垃圾中回收金、银、钯、铂等贵金属[5]。 该方法产生的温度足够高，这使得金属具有高的蒸汽压，结合冶金中常用的氯化过程，他提出了一种全新的蒸发分离的概念，实现了电子垃圾中贵金属的高效回收，同时也可除去有害重金属[5]。 此后，鉴于稀土金属的重要性，邓兵转做这类金属的回收。期间，他获悉煤飞灰这种固体废弃物中含有较高含量的稀土金属。 煤飞灰是煤燃烧之后剩下的副产物，其主要成分是一系列的氧化物，例如 SiO2、Al2O3、Fe2O3 等。全球每年因为煤燃烧产生的煤飞灰达到 750000000 吨，所带来的环境问题非常严峻。 “而且这个问题可能在中国更加紧迫，因为中国是世界上燃煤最多的国家。煤飞灰中的稀土金属是痕量金属，含量大约在 500ppm。由于 SiO2、 和 Al2O3 的存在，煤燃烧的过程中会形成玻璃态，稀土金属很多都包埋在这些玻璃态里面;此外，稀土元素主要以磷酸盐的形式存在于煤飞灰中，而磷酸盐是一种很稳定、难溶的化合物。”邓兵指出。 鉴于上述两个原因，这时采用矿物酸浸出的方法，所带来的稀土金属回收效率非常低。例如，采用浓 HNO3 只能实现约 30% 的浸出效率[6]。 而在本次方法中，他把煤飞灰和导电炭黑混合，然后通上 1 秒钟的大约为 120V 的短时高脉冲电压。脉冲电压会给煤飞灰原料带来热震荡，使其瞬时温度高达 3000°C 并快速降到室温。 邓兵发现，相比于直接浸出煤飞灰原料，经过电热活化的煤飞灰中稀土元素的回收效率提高了约一倍;即使采用酸度低至 pH=1 的弱酸，也能实现 50%–90% 的回收效率。 随后，他对浸出效率提高的机理进行了深入研究。稀土磷酸盐是一类主要的稀土矿物形式，而磷酸盐是一种热力学上很稳定的化合物，其热解温度通常在 2500°C 以上，在 1300°C~1700°C 的煤燃烧温度下不能将其热解。 因此，煤飞灰中的稀土元素主要以稀土磷酸盐的形式存在，这导致浸出效率受到限制。而在超高温电热活化过程中，稀土磷酸盐可被分解为极易溶的稀土氧化物或被碳热还原为稀土金属，从而可显著提高热力学溶解度。 另一方面，这种超快的电热方法具有极快的升温速度和降温速度。这样的好处是，在超快升温和降温过程中，玻璃态的煤飞灰原料会因热应力而碎裂，从而暴露出稀土金属，借此从动力学角度提升稀土的浸出效率。 实现该方法在煤飞灰原材料中的应用之后，邓兵也在探索相关通用性，因此他开始测试铝土矿渣和电子垃圾。 铝土矿渣是工业炼铝后遗留的尾矿，每生产 1 吨铝，会产生 1.5 吨铝土矿渣。由于铝金属的大规模使用，目前全世界已经积累了 30 多亿吨铝土矿渣，且每年仍以 150 万吨的速度增长。如前文所述，电子垃圾的产量亦是巨大。 研究中，邓兵发现经过闪光焦耳热的处理，也可加快从这两种材料中提出稀土金属。就铝土矿渣来说，他认为其机理与煤飞灰类似，重点在于对稀土磷酸盐进行热解。 而对于电子垃圾，由于目前的电子生产工艺一般采用平面加工，稀土金属通常包覆在一层层的塑料或者陶瓷里面。而电加热过程可有效粉化这种层状的结构，从而可提升稀土金属与浸出剂的接触，最终提高回收效率。 此外，邓兵也调研了技术成本。闪光焦耳热具有超快、直接加热的优点，这使其具有较低的功耗，大约为 600kWh ton-1，折算为工业电力成本大约 12 美元每吨。在实验室规模的可批量制备上，目前已能实现公斤级别的制备。
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