稀土礦:礦産資源-中文百科頻道

簡介

性質

稀土是化學元素周期表中镧系（镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥）15個元素和21号元素钪、39号元素钇（共17個元素）的總稱。據其物理化學性質的差異性和相似性，可分成三個組：輕稀土組（镧～钷）、中稀土組（钐～镝）、重稀土組（钬～镥加上钪和钇）。已發現的稀土礦物有250種以上，其中具有工業價值的約50～60種，最重要的稀土礦物有氟碳铈（镧）礦、獨居石、磷钇礦、離子吸附型稀土礦、褐钇铌礦等。

稀土金屬的光澤介于銀和鐵之間。雜質含量對它們的性質影響很大，使之物理性質常有明顯差異。大多數稀土金屬具有順磁性；钆在0℃時比鐵具有更強的鐵磁性；铽、镝、钬、铒等在低溫下也呈現鐵磁性。純稀土金屬導電性好，雜質含量越高，導電性越差。稀土金屬具有可塑性，以钐和镱為最好。镧在6K時是超導體。镧、铈的低熔點和钐、铕、镱的高蒸氣壓顯示其物理性質的極大差異。钐、铕、钆的熱中子吸收截面比镉、硼還大。稀土元素的化學活潑性很強，能生成極穩定的氧化物、鹵化物和硫化物等。在較低的溫度下能與氫、碳、氮、磷及其他元素起作用，除钐、钇、钆之外，都能被腐蝕，并能溶于任何濃度的硫酸、鹽酸，還溶于濃硝酸、堿金屬氯化物溶液。

發現曆程

1894年由芬蘭化學家約翰·加得林在瑞典發現，由于貌似土族氧化物，故取名稀土元素。

全世界共探明稀土儲量5000萬噸，其中中國約占30%，其餘主要産于美，俄，印度,南非等國。

準确估算離子型稀土礦的稀土儲量和品位分布是浸礦劑用量設計和收液工程設計的前提。采用地質儲量估算中常用的塊段法和克裡格法分别估算離子型稀土礦的稀土儲量,由于離子型稀土礦探礦工藝易受孤石影響的缺陷,導緻塊段法的估算結果偏小,而克裡格法能較好的估算出礦塊的稀土儲量和稀土品位分布。

國内資源

儲量分布高度集中

中國稀土礦産雖然在華北、東北、華東、中南、西南、西北等六大區均有分布，但主要集中在華北區的内蒙古白雲鄂博鐵-铌、稀土礦區，其稀土儲量占全國稀土總儲量的90%以上，是中國輕稀土主要生産基地。

北輕南重

即輕稀土主要分布在北方地區，重稀土則主要分布在南方地區，尤其是在南嶺地區分布可觀的離子吸附型中稀土、重稀土礦，易采、易提取，已成為中國重要的中、重稀土生産基地。此外，在南方地區還有風化殼型和海濱沉積型砂礦，有的富含磷钇礦（重稀土礦物原料）；在贛南一些脈鎢礦床（如西華山、蕩坪等）伴生磷钇礦、矽铍钇礦、钇螢石、氟碳鈣钇礦、褐钇铌礦等重稀土礦物，在鎢礦選冶過程中可綜合回收，綜合利用。

共伴生稀土礦床多，綜合利用價值大

在已發現的數百處礦産地中，2/3以上為共伴生礦産，頗有綜合利用價值。但多數礦床物質成分複雜，礦石嵌布粒度細，多為難選礦石，如白雲鄂博礦床中有70餘種元素，170多種礦物，其中稀土、铌钽儲量巨大，為世界罕見的大型稀土、稀有金屬礦床。在鐵礦石中共生的獨居石、氟碳铈礦、氟碳鋇铈礦、黃河礦等稀土礦物，雖然礦石結構構造複雜，嵌布粒度細微。但經過不斷選冶試驗研究，精礦品位和冶煉提取及回收率已有很大提高，成為中國輕稀土主要原料基地。

礦産資源儲量多、品種全

現已探明的稀土儲量達1億t以上，而且還有較大的資源潛力。品種全，17種稀土元素除钷尚未發現天然礦物，其餘16種稀土元素均已發現礦物、礦石。在所勘查和開發的礦床中，通過選冶工藝從礦石礦物中提取出16種稀土金屬，現已生産出幾百個品種和上千個規格的稀土産品，不僅滿足了國内需求，而且已大量出口，成為中國出口創彙的主要礦産品及加工産品之一。

重要研究意義

自然界的稀土元素除了賦存在各種稀土礦中外，還有相當大的一部分與磷灰石和磷塊岩礦共生。由于稀土的離子半徑（0.848～0.106nm）與Ca2+（0.106nm）很接近，稀土以類質同象方式賦存于磷礦岩中，而且随着磷礦中P2O5品位的增加，稀土元素含量也增加，兩者呈正消長關系。俄羅斯磷礦儲量豐富，而且品位高，其稀土含量也較高，其中以科拉半島（Kola）磷礦資源最具代表性，其稀土含量接近1.0%。世界磷礦總儲量約為1000億噸，稀土平均含量為0.5‰，估計世界磷礦中伴生的稀土總量為5000萬噸。中國滇、黔、川、湘等地磷礦資源相對豐富，如雲南和貴州磷礦是一個特大型中低品位沉積礦床，磷礦儲量約16億噸以上，伴生的稀土儲量70多萬噸（稀土含量0.5‰～1‰），钇占稀土配分35%左右，镨钕約占20%，铽镝占2%～5%，其配分接近價值最高的中钇富铕離子型礦，是繼離子型礦後的中重稀土後備資源

礦物種類

獨居石

獨居石又名磷铈镧礦。礦物成分中稀土氧化物含量可達50～68%。類質同象混入物有Y、Th、Ca。獨居石溶于H3PO4、HClO4、H2SO4中。

晶體結構及形态：單斜晶系，斜方柱晶類。晶體成闆狀，晶面常有條紋，有時為柱、錐、粒狀。

物理性質：呈黃褐色、棕色、紅色，間或有綠色。半透明至透明。條痕白色或淺紅黃色。具有強玻璃光澤。硬度5.0～5.5。性脆。比重4.9～5.5。電磁性中弱。在X射線下發綠光。在陰極射線下不發光。

生成狀态：産在花崗岩及花崗偉晶岩中；稀有金屬碳酸岩中；雲英岩與石英岩中；雲霞正長岩、長霓岩與堿性正長偉晶岩中；阿爾卑斯型脈中；混合岩中；及風化殼與砂礦中。

用途：主要用來提取稀土元素。

産地：具有經濟開采價值的獨居石主要資源是沖積型或海濱砂礦床。最重要的海濱砂礦床是在澳大利亞沿海、巴西以及印度等沿海。此外，斯裡蘭卡、馬達加斯加、南非、馬來西亞、中國、泰國、韓國、朝鮮等地都含有獨居石的重砂礦床。

獨居石的生産近幾年呈下降趨勢，主要原因是由于礦石中钍元素具有放射性，對環境有害。

氟碳铈礦

機械混入物有SiO2、Al2O3、P2O5。氟碳铈礦易溶于稀HCl、HNO3、H2SO4、H3PO4。

晶體結構及形态：六方晶系。複三方雙錐晶類。晶體呈六方柱狀或闆狀。細粒狀集合體。

物理性質：黃色、紅褐色、淺綠或褐色。玻璃光澤、油脂光澤，條痕呈白色、黃色，透明至半透明。硬度4～4.5，性脆，比重4.72～5.12，有時具放射性、具弱磁性。在薄片中透明，在透射光下無色或淡黃色，在陰極射線下不發光。

生成狀态：産于稀有金屬碳酸岩中；花崗岩及花崗偉晶岩中；與花崗正長岩有關的石英脈中；石英─鐵錳碳酸鹽岩脈中；砂礦中。

用途：它是提取铈族稀土元素的重要礦物原料。铈族元素可用于制作合金，提高金屬的彈性、韌性和強度，是制作噴氣式飛機、導彈、發動機及耐熱機械的重要零件。亦可用作防輻射線的防護外殼等。此外，铈族元素還用于制作各種有色玻璃，作為開采鐵礦的副産品，它和獨居石一道被開采出來，其稀土氧化物平均含量為5～6%。品位最高的工業氟碳铈礦礦床是美國加利福尼亞州的芒廷帕斯礦，這是世界上唯一以開采稀土為主的氟碳铈礦。

磷钇礦

晶體結構及形态：四方晶系、複四方雙錐晶類、呈粒狀及塊狀。

物理性質：黃色、紅褐色，有時呈黃綠色，亦呈棕色或淡褐色。條痕淡褐色。玻璃光澤，油脂光澤。硬度4～5，比重4.4～5.1，具有弱的多色性和放射性。

生成狀态：主要産于花崗岩、花崗偉晶岩中。亦産于堿性花崗岩以及有關的礦床中。在砂礦中亦有産出。

用途：大量富集時，用作提煉稀土元素的礦物原料。

冶煉方法

稀土礦冶煉方法有兩種，即濕法冶金和火法冶金。

濕法冶金屬化工冶金方式，全流程大多處于溶液、溶劑之中，如稀土精礦的分解、稀土氧化物、稀土化合物、單一稀土金屬的分離和提取過程就是采用沉澱、結晶、氧化還原、溶劑萃取、離子交換等化學分離工藝過程。現應用較普遍的是有機溶劑萃取法，它是工業分離高純單一稀土元素的通用工藝。濕法冶金流程複雜，産品純度高，該法生産成品應用面廣闊。

火法冶金工藝過程簡單，生産率較高。稀土火法冶煉主要包括矽熱還原法制取稀土合金，熔鹽電解法制取稀土金屬或合金，金屬熱還原法制取稀土合金等。火法冶金的共同特點是在高溫條件下生産。

礦物用途

從1794年發現元素钇，到1945年在鈾的裂變物質中獲得钷，前後經過151年的時間，人們才将元素周期表中第三副族的钪，钇，镧，铈，镨，钕，钷，钐，铕，钆，铽，镝，钬，铒，铥，镱，镥17個性質相近的元素全部找到，把它們列為一個家族，取名稀土元素，其中從镧到镥15個元素又稱為镧系元素。其實，這些元素并不那麼稀少。例如，铈在地殼中的含量與錫近乎相等，而钇钕镧都比鉛更豐富。其餘的稀土元素，除钷外都不少于銀，而比金豐富得多。稀土是重要的戰略資源，其中很多元素應用于尖端電子設備。

鋼的脫硫

在鋼中添加混合稀土金屬的目的之一是控制硫夾雜物的含量和形狀。煉鋼時通常要添加錳，錳與硫結合形成硫化物夾雜物，這種夾雜物在軋鋼時會變形。而添加混合稀土金屬則能産生稀土的硫化物、硫氧化物，它們在軋鋼時形狀保持不變，這可使鋼的性能得到改善。

稀土球墨鑄鐵

混合稀土金屬以稀土矽鐵合金或矽鎂钛合金的形式加入鐵不中促進石墨的球化，從而提高鑄鐵的可鍛強度。産品稱球墨鑄鐵。

打火石

混合稀土金屬還用于制造打火石，這是用75%的混合稀土金屬和25%的鐵制成的一種合金。

用于有色金屬合金

稀土金屬有色金屬合金中也獲得廣泛應用。例如有一種稀土鎂合金（含有Mg,Zn,Zr,La,Ce）可用于制造噴氣式發動機的傳動裝置，直升飛機的變速箱，飛機的着陸輪和座艙罩。在鎂合金中添加稀土金屬的優點是可提高其高溫抗蠕變性，改善鑄造性能和室溫可焊性。有一種鋁锆钇合金用作電線，其特點是輸出功率高、耐熱、耐振動和耐腐蝕。

永磁材料

有一種永磁材料——钕鐵永磁合金，其磁能積達300千焦/立方米，比钐钴永磁合金（它在70年代取代昂貴的鉑钴永磁體市場産生過重大影響）幾乎高出一倍。然而钕鐵永磁合金也有缺點，它在居裡溫度達3250℃左右，（钐钴永磁合金的是760℃左右），并且鐵容易腐蝕。研究發現，把硼添加到钕鐵永磁合金中可提高其磁能積和抗退磁的能力。這些性能優良的永磁材料用于飛機及宇宙航行器的儀表，精密儀器，微型電機等。

石油裂化催化劑

稀土分子篩裂化催化劑是用于石油裂化工藝中性能優良（催化活性大，産品收率高）的催化劑。這種催化劑多數用混合稀土氯化物與相應的鈉型分子篩發生陽離子交換反應制成。

稀土金屬元素的化合物作為催化劑還用于很多其他催化反應中。如将已除去铈的混合稀土金屬元素的環烷酸鹽溶于汽油中可用作合成戊橡膠工藝中的催化劑，這是中國首創的，又如為淨化汽車廢氣而設計的汽車催化器中，能将一氧化碳和未燃燒盡的碳氫化合物減少到極低的水平，其中所用的催化劑LACOO3，有效地地催化CO、烴類的燃燒，其活性、壽命與鉑基催化劑無甚差别，而價格則便宜得多。