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冶金百科 | 稀土火法冶金概述

2023-12-21 10:02:10 来源:中冶有色技术网
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简介:稀土火法冶金是指在高温下应用冶金炉进行稀土金属的制备和提纯的各种作业。稀土火法冶金具备过程简单、生产效率高的优势。我国稀土火法冶金研究始于20世纪50年代135,以北京有色金属研究总院、中科院长春应用化学研究所、包头稀土研究院、赣州有色冶金研究所和湖南稀土金属材料研究院等单位为代表,研究、发展了熔盐电解法、热还原法等一系列制备稀土金属的工艺技术和装备,并通过技术辐射逐步建立了我国稀土金属工业体系。
稀土火法冶金是指在高温下应用冶金炉进行稀土金属的制备和提纯的各种作业。稀土火法冶金具备过程简单、生产效率高的优势。我国稀土火法冶金研究始于20世纪50年代135,以北京有色金属研究总院、中科院长春应用化学研究所、包头稀土研究院、赣州有色冶金研究所和湖南稀土金属材料研究院等单位为代表,研究、发展了熔盐电解法、热还原法等一系列制备稀土金属的工艺技术和装备,并通过技术辐射逐步建立了我国稀土金属工业体系。1962年,北京有色金属研究总院首次制备出全部16种单一稀土氧化物及稀土金属,填补了国内空白,开创了我国稀土元素科学研究的先河,并于1970年制备出同位素金属\+7Pm,填补了我国在该领域的空白。

20世纪70年代,混合稀土金属在钢中大量应用,其在钢铁中的消耗量占到总消耗量的50%以上,从而推动了稀土氯化物熔盐电解法生产混合稀土金属产业化技术的发展;1973年上海跃龙化工厂万安培电解工艺设备投入生产,到20世纪70年代末我国混合稀土金属的产量达到1200t。

20世纪70年代初,钐钴永磁材料开发成功促进了金属钐的工艺技术成果转化为工业生产,真空还原一蒸馏工艺、设备达到产业化规模,单炉产量由100克级到公斤级。2000年达到百公斤级,目前达到300公斤级。

20世纪80年代初,日本住友金属公司NdFeB高性能永磁材料开发成功,极大地推动了我国稀土氟化物体系氧化物电解工艺、设备产业化的进程,电解槽规模由试验室100A提到了3kA,到2000年末达到6kA,2002年万安级电解槽已投人工业生产;同时,随着NdFeB永磁材料对金属镝、钺的需求量扩大,金属热还原法制备金属镝、钺的工艺技术及装备也达到了产业化的规模,2000年前后还原单炉产量达到百公斤级;随着金属镝的需求不断增大,1998年开发了更为经济的熔盐电解生产镝铁合金的工艺技术,从而镝铁合金取代了大部分纯金属镝的需求,目前电解镝铁合金普遍使用4kA电解槽。

到20世纪末21世纪初,我国在稀土火法冶金领域已经基本形成了较为完整的工业技术体系和创新体系,稀土金属产业蓬勃发展。目前我国稀土金属及其合金年产量约4万吨,我国已成为世界最大的稀土金属生产、消费和出口国,产品涵盖16种稀土元素,形成了囊括工业级稀土金属及合金、高纯级稀土金属的多系列、多品种、多规格的产品布局。

我国稀土金属提纯技术研究始于20世纪90年代,主要研究单位为北京有色金属研究总院、有研稀土新材料股份有限公司、湖南稀土金属材料研究院、北京大学、内蒙古大学等单位。我国稀土金属提纯技术研究可归纳为三个阶段:

第一个阶段是“九五”期间(1996~2000年):国内高纯技术研究的起步阶段。北京有色金属研究总院承担了国家重点基础研究项目(“973”)“稀土功能材料的基础研究”子课题“高纯稀土金属的制备”,制得了当时国内所报道的最高纯度的高纯镝、钺、航,并相继开发了高纯Ho、Er、Tm、Yb、Eu、Lu等高纯产品,其中:高纯金属镝工业制备技术获中国有色金属工业总公司科学技术奖三等奖,金属钺和高纯钺工业制备技术获北京市科技进步奖三等奖,中间合金一真空蒸馏法制备高纯金属锭技术获中国有色金属工业总公司科学技术奖三等奖。

第二个阶段是“十五”期间(2001~2005年):在国家产业政策的支持下,北京有色金属研究总院、有研稀土新材料股份有限公司承担了国家稀土材料产业化及应用专项“高纯稀土金属产业化示范工程项目”,开发成功高纯金属钐专用生产设备及层馏技术,研制成功制备高纯稀土金属专用设备及配套纯化技术:可提纯13种稀土金属,产品绝对纯度达到3N~3N5,该项目成果2006年获北京市科学技术奖一等奖,2007年获中国有色金属工业科学技术奖一等奖2项,2008 年获国家发改委“国家高技术产业化十年成就奖”。

第三个阶段是“十一五”至今:以北京有色金属研究总院、有研稀土新材料股份有限公司为主,湖南稀土金属材料研究院、北京大学等单位相继承担了国家科技支撑计划“科研用高纯无机试剂核心单元物质的研制与开发”、国家“863”计划“超高纯稀土金属及合金节能环保制备技术”、国家“973”计划“稀土无水卤化物及金属高纯化过程的科学基础”项目,开发了一系列国产富温、高真空的稀土金属专用提纯装备,并获得覆盖16种稀土金属、整套的集成优化提纯技术路线,突破了16种4N级超高纯稀土金属提纯技术,分析的杂质达75种(包括C、O、N、H四种气体杂质),该项目成果:2013年“超高纯藕土金属制备技术获得突破”入选“中国稀土十大科技新闻”,2015年“3N~4N 级超高纯稀土金属及合金”获得国家科技部颁发“国家重点新产品”,2016年获中国有色金属工业科技进步奖一等奖。

近20多年来,随着稀土功能材料产业的快速发展,我国凭借火法冶金技术的进步和资源优势,已成为全球最大的稀土金属及合金生产国和供应国,稀土金属年产能达到5.5万吨,年产量约3万吨,供应量占世界总量的90%以上。

目前稀土火法冶金技术主要包括四种:熔盐电解技术、金属热还原技术、中间合金技术以及金属提纯技术。95%以上稀土金属及合金的制备采用熔盐电解技术,主要产品为单一轻稀土金属镧、铈、镨、钕及镨钕、镝铁、钆铁等合金;钐、试、镝、钬、铒等中重稀土金属普遍采用金属热还原工艺进行生产;钛镝、钬、铒等重稀土普遍采用钙热还原工艺和中间合金工艺进行生产;稀土金属提纯主要是通过真空蒸馏、固态电迁移、区域熔炼、电子束熔炼、悬浮熔炼等多种提纯技术优化组合进行生产,可得到绝对纯度大于99.99%的超高纯稀土金属【136-139】
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