【正文】 2．蓄熱、熱泵貯 氫合金吸放氫氣的反應(yīng)熱很大，因而可用于化學(xué)蓄熱和化學(xué)熱泵。與以往的高壓瓶相比，裝有貯氫合金容器的重量基本相同，但體積可縮小到1/4，并可在低壓力下貯存，而且除非外部加熱，否則不會(huì)放出氫氣。典型的貯氫合金LaNi5是1969年荷蘭菲利浦公司發(fā)現(xiàn)的，從而引發(fā)了人們對(duì)稀土系儲(chǔ)氫材料的研究。氫是一種完全無污染的理想能源材料，具有單位質(zhì)量熱量高于汽油兩倍以上的高能量密度，可從水中提取。利用稀土貯氫材料釋放氫氣時(shí)產(chǎn)生的壓力，可以用作熱驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力，采用稀土貯氫合金可以實(shí)現(xiàn)體積小、重量輕、輸出功率大，可用于制動(dòng)器升降裝置和溫度傳感器。其應(yīng)用領(lǐng)域已擴(kuò)大到能源、化工、電子、宇航、軍事及民用各個(gè)方面。而在稀土金屬中加入某些第二種金屬形成合金后，在較低溫度下也可吸放氫氣，通常將這種合金稱為貯氫合金。表2 1990～2003年我國稀土在鋼中的消費(fèi)量（REO，噸）年份19901991199219931994199519961997199819992000200120022003消費(fèi)量4005667107503003003503723724004004004004342003年用于鋼的稀土用量為400噸，%。我國每年用稀土處理鋼近60～70萬噸，純利潤近億元，稀土處理鋼鋼種已有80多個(gè)。因此在鋼中加入稀土，一般能使鋼板和無縫管的 橫向沖擊韌性提高1倍左右，同時(shí)能提高鋼的抗彎性能和耐腐蝕性能，有利于改善鋼的熱加工性，改善層狀撕裂及氫致開裂。稀土處理工藝所需投資很小，煉鋼中不需要另外增加處理時(shí)間。預(yù)計(jì)十五末期全國稀土船板鋼可達(dá)20萬噸。稀土在903艦板鋼中，對(duì)提高韌性和耐腐蝕性能起了很好的作用，有望在民用船板 中得到推廣。　　船板鋼等。　　焊接氣瓶用鋼。鞍鋼也給沈陽鐵路局、哈爾濱鐵路局試制了上萬噸該品種鋼軌，受到了好評(píng)。未來的10年，包括西部大開發(fā)在內(nèi)，我國鐵路建設(shè)將有較大發(fā)展，目前重軌年生產(chǎn)能力137萬噸。未來的10年，我國建筑用結(jié)構(gòu)鋼將由目前的150萬噸增長到700萬噸，這為稀土耐候鋼的發(fā)展提供了廣闊的空間。目前稀土耐候鋼年產(chǎn)量40萬噸，主要用于集裝箱鋼板，火車車箱，大橋和體育場的欄桿，今后的應(yīng)用前景非常廣闊。稀土在提高鋼材的韌、塑性、耐熱抗氧化和耐磨性方面也有重要作用，這是稀土鋼的優(yōu)勢，其發(fā)展前景很好。預(yù)計(jì)十五末期年需求含稀土的管線鋼7萬噸，鑄鋼5萬噸。含稀土的合金鋼、特殊合金鋼與普通鋼相比總量雖然不大，但加稀土產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益很高，而且其稀土用量是低合金鋼中的5～10倍。我國兵器工業(yè)部包頭五二研究所試制的加稀土的不銹鋼，性能優(yōu)異?！　∠⊥猎诤辖痄?、特殊合金中作用顯著?！　”本┛萍即髮W(xué)和武鋼合作，研究了超低硫鋼中稀土元素的作用，結(jié)論是，稀土在超低硫（S%）鈮鈦微合金鋼中仍然有凈化鋼質(zhì)、變質(zhì)夾雜和微合金化作用，稀土固溶量可達(dá)到105～104數(shù)量級(jí)，是一般硫含量鋼稀土固溶量的6～10倍，顯著減少晶界S、P的偏聚，推遲鈮鈦氮化物析出。加入WTO后，我國更需要發(fā)展具有中國資源特色的含微量稀土的低合金鋼和合金鋼。我國目前鐵水預(yù)處理比為23%左右，鋼水精煉比為21%左右，絕大多數(shù)大中型鋼廠低合金鋼硫含量現(xiàn)狀，%左右（天津鋼管、寶鋼及武鋼除 外），處于20世紀(jì)70年代末到80年代初的水平；就是特鋼廠由于廢鋼質(zhì)量不好，低合金鋼硫含量也是這一水平。只要國家給予科技經(jīng)費(fèi)支持，我國稀土鋼完全可 能做大做強(qiáng)，倘若稀土鋼年產(chǎn)量達(dá)到500萬噸，則每年將消耗混合稀土金屬（以相對(duì)過剩的元素鑭、鐠、鈰為主）2500噸，這對(duì)促進(jìn)我國稀土產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展有著重要意義?！?　　美國在年產(chǎn)1億噸鋼時(shí)，稀土鋼、稀土處理鋼年產(chǎn)量曾接近過800萬噸，我國是鋼產(chǎn)量第一大國，在這樣一個(gè)量大面廣 的領(lǐng)域，加強(qiáng)稀土的應(yīng)用，具有十分重大的意義。稀土既是優(yōu)良的變質(zhì)劑，又是一種強(qiáng)效微合金元素，這是硅鈣所不能代替的。該資料還肯定了稀土在鋼中的合金化作用。美國1995年在鋼鐵中（主要是鋼）消費(fèi)了2000噸稀土（以REO計(jì)）。瑞典開發(fā)的加稀土的耐熱鋼253MA，高溫持久強(qiáng)度比不加稀土的提高20%～40%，法國研制的 新型抗?jié)B碳合金XM、XTM加入微量稀土獲得優(yōu)異性能，使其在世界石化行業(yè)中普遍應(yīng)用。日本新金屬協(xié)會(huì)編著的《稀土》一書，總結(jié)了稀土在鋼中有六條作用。后來隨著鐵水預(yù)處理、爐外精煉技術(shù)的發(fā) 展，西方國家生產(chǎn)的低合金鋼硫含量已降到10?06～50?06那樣低，采用鈣處理就可以控制硫化物夾雜形態(tài)，所以沒有稀土資源的西歐和日本基本用鈣處理取代了稀土處理，即作為變質(zhì)劑使用的稀土，在低合金鋼領(lǐng)域被取代了。認(rèn)真對(duì)待，就能上到一個(gè)新的層次，進(jìn)入一個(gè)廣闊的天地，不抓可能逐步滑坡。我國稀土鋼的產(chǎn)量又出現(xiàn)徘徊，2000年和2001年的產(chǎn)量只是接近80 萬噸。抓稀土鋼不是一個(gè)簡單推廣應(yīng)用的問題?！　∠⊥猎诟黝愪撝械淖饔脵C(jī)理研究，還極不深入，成果的權(quán)威性不大，科研經(jīng)費(fèi)短缺是主要原因。包鋼從德國引進(jìn)的大方坯、大圓坯連鑄生產(chǎn)線，年產(chǎn)量120萬噸，急需解決稀土加入工藝問題，以生產(chǎn)鐵道部急需的稀土、鈮重軌等重要鋼種；寶鋼和武鋼三煉鋼的高拉速板坯連鑄生產(chǎn)線，國產(chǎn)的老式稀土喂絲機(jī)已不配套，需研究新一代自動(dòng)化喂絲機(jī)以解決高拉速板坯連鑄稀土加入工藝問題；還有連鑄中間包稀土加入工藝問題、稀土 處理與其他爐外精煉工藝相結(jié)合的問題、小方坯連鑄稀土加入工藝問題等，都需要研究解決。三、存在的問題　　存在的主要問題，一是稀土加入工藝及設(shè)備較落后，二是稀土鋼的品種和產(chǎn)量少，三是稀土在各類鋼中的作用機(jī)理研究還很不深入。上海鋼鐵一廠鐵水含硫較高，但他們研制的稀土耐候鋼10PCuRE，已成 功地用于楊浦大橋人行護(hù)欄、上海體育場欄桿和被稱為亞洲第一的上海東方電視塔球體外圍結(jié)構(gòu)。攀枝花鋼鐵公司的裝備水平比寶山鋼鐵公 司和武漢鋼鐵公司差，但由于它們有稀土、堿土復(fù)合處理鋼液的工藝，大大地提高了其鋼板的競爭力，它們生產(chǎn)的管線鋼和汽車大梁鋼分別受到石油部門和東風(fēng)汽車公司的青睞。包鋼（集團(tuán)）公司、北京鋼鐵研究總院、鐵道部屬科研院聯(lián)合研制的稀土鈮重軌，耐磨壽命比U7U71Mn重 軌提高50%以上，1997年通過了冶金部和鐵道部的聯(lián)合鑒定。稀土絲、棒和稀土硅化物合金、稀土硅鐵包芯線產(chǎn)品，也較好地滿足了各鋼廠發(fā)展稀土鋼的需要。 1990～2003年我國稀土鋼的產(chǎn)量和鋼產(chǎn)量變化態(tài)勢見表1。冶金部專門制定了煉鋼用稀土絲、棒的標(biāo)準(zhǔn)及模鑄鋼錠模吊掛法和連鑄結(jié)晶器喂絲法的稀土加入方法標(biāo)準(zhǔn)；國家計(jì)委稀土辦公室成立了全國稀土鋼鐵協(xié)作網(wǎng)，各地方稀土辦公室 也積極抓這項(xiàng)工作。稀土金屬絲和棒的價(jià)格是9～，比硅鈣合金貴，這影響了稀土鋼的擴(kuò)大推廣。杜挺、韓其勇、王常珍教授指出，用熔融石英水口和鋯質(zhì)水口，對(duì)防止含稀土鋼水口的結(jié)瘤具有較好效果。（2）稀土處理鋼澆注時(shí)水口易結(jié)瘤，用強(qiáng)脫氧劑如AZr脫氧時(shí)，也常出現(xiàn)水口結(jié)瘤問題?！　∠⊥撂幚礓撘灿腥秉c(diǎn)：（1）稀土夾雜物比重大，～，不易上浮，特別是當(dāng)稀土加入量過量時(shí)，會(huì)增加鋼中的夾雜，甚至產(chǎn)生脆性的稀土與鐵的金屬間化合物惡化 鋼的性能。中科院沈陽金屬研究所研制了一種水電站水輪機(jī)、水泵用加稀土的不銹鋼，抗磨損性能比目前國內(nèi)外使用最多的0Cr13Ni4Mo鋼提高近1倍?！　?duì)鋼進(jìn)行稀土處理，具有投資少、無污染、見效快、經(jīng)濟(jì)效益高的特點(diǎn)。鋼中加入稀土后，一般能使鋼板、無縫 鋼管的橫向沖擊韌性提高50%以上，耐腐蝕性能提高60%，同時(shí)提高其他性能?！　∠⊥良仁莾?yōu)良的變質(zhì)劑，也是一種強(qiáng)效微合金元素。稀土使高硬度的氧化鋁夾雜轉(zhuǎn)變成球狀硫氧化物及鋁酸稀土，顯著地提高鋼的抗疲勞性能。稀土具有脫氧、脫硫作用，減少并細(xì)化鋼中夾雜物。用稀土這個(gè)高技術(shù)材料來強(qiáng)化和提升鋼鐵傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，在低合金鋼、合金鋼中加入微量稀土，提高鋼質(zhì)增強(qiáng)國際競爭力，把稀土的資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為鋼材的品種 優(yōu)勢和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，具有十分重大的意義。表1 1990～2003年我國稀土在有色金屬中的消費(fèi)量（REO，噸）年份19901991199219931994199519961997199819992000200120022003消費(fèi)量400420440055060065075078887090095090010001000稀土在有色金屬中的用量呈逐年遞增的趨勢。這些鋁電線、電纜投入使用，每年可為國家節(jié)電40億度，效益為20億元。稀土能起到凈化、變質(zhì)、細(xì)化晶粒的作用。目前，稀土在有色金屬及合金中的開發(fā)應(yīng)用經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明有明顯效果的有鋁、銅、鎂、鈦、鉬、鎳、鈷、鈮及鉑族金屬等。1985年為330噸REO，1994年為600噸REO，2003年為1000噸REO，平均年增長率高于 13%。含9wt%的鎂合金在潮濕空氣中加熱到510℃，保持98小時(shí)僅增重1mg；而含釷的鎂合金則增重達(dá) 15mg。因此，YMg合金具有較高的熱強(qiáng)性能，甚至達(dá)到釷鎂合金的高溫性能。它的抗拉強(qiáng)度可達(dá)276MPa；屈服強(qiáng)度達(dá)186MPa；延伸率達(dá)5%。加入稀土后，在鑄造組織中呈現(xiàn)MgZnRE化合物，以分離型共晶分布于晶界，使鑄造工藝性能明顯改善。（1）高溫抗蠕變合金　　首先在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上得到應(yīng)用的是MgREZr（）合金，滿足了205℃具有高強(qiáng)度和抗蠕變性能。稀土在鎂合金中的作用可歸結(jié)為：提高抗蠕變能力，提高室溫和高溫強(qiáng)度和改善工藝性能。　　%Ce，% 混合稀土，均可明顯提高流動(dòng)性，大約可提高30%～40%?！　　?混合稀土，使其中硅和錫的偏析改善。含鉛量越多，這種偏析越嚴(yán)重?！　　?S，使合金中的富鉛相趨于網(wǎng)狀組織，～%稀土，使富鉛相孤立地分布在枝晶間，隨 著含硫量的增加，疲勞強(qiáng)度明顯下降；但是，隨著稀土量增加，疲勞強(qiáng)度明顯增加?！?混合稀土，抗拉強(qiáng)度提高30%，延伸率提高1倍。 2 鑄造銅合金（1）提高性能　　～%混合稀土，晶粒尺寸減少（比原來的減少1/3），表面磨損減少3/4?！　〈送?，稀土還可改變鋁合金表面氧化膜的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)，使AlMg、AlZnMg合金具有更好的著色陽極化性能，如含 有%Ce（或稀土元素）的AlZnMg合金是適于表面著色的陽極化材料。在Al4wt%Cu合金中加入少量La、Ce、Y，可降低合金的固相線，有效地縮小熱脆 弱區(qū)，鑭可明顯提高合金準(zhǔn)固態(tài)時(shí)的強(qiáng)度?！　〖尤胂⊥吝€可使鋁合金中的雜質(zhì)相FeAl、AlFeSi等形成多元的金屬化合物，因而可改變其形態(tài)，提高鋁合金的力學(xué)性能，例如在含1wt%Fe的合金中，加入適量RE，可使粗大的鐵相細(xì)化乃至球化?！　〈送猓V含量高的鋁合金在液態(tài)極易氧化。（3）凈化作用　　稀土與氫的親和力很強(qiáng)，形成REH等，由此，在鋁液中加稀土，可吸收部分氫，因而可降低凝固過程中因析出的氫而造成的針孔?！?之間，采用稀土作變質(zhì)劑， 要求一定的冷速相對(duì)應(yīng)，其中鑭的臨界冷速（Vc值）最小，當(dāng)Vc22℃/min時(shí)，即可有效。（2）變質(zhì)作用　　稀土對(duì)鋁硅共晶和亞共晶合金的變質(zhì)行為，就是使α Si共晶組織細(xì)化，使硅由粗片狀改變?yōu)榧?xì)條狀和顆粒狀，從而使性能，特別是塑性提高。　　稀土在固態(tài)鋁中的溶解度很?。?），故其固溶強(qiáng)化作用極弱?！　≡谠缙?，～% Ce，可使AlCu、AlCuSi合金活塞的強(qiáng)度和硬度提高，并可減少熱裂。前蘇聯(lián)已在超音速飛機(jī)中 應(yīng)用含稀土的АЦР1和ЖП207合金，它是現(xiàn)今高溫性能最好的合金之一，可在400℃以下長期工作，它的持久強(qiáng)度比一般鋁合金可提高1～2倍。（1）強(qiáng)化作用　　% Ce的Ceralumin最早應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的高溫工作零件。在50年代 以后的20年中，對(duì)稀土元素在鋁合金中的強(qiáng)化、變質(zhì)、凈化以及改善工藝性能方面進(jìn)行了大量工作。 個(gè)人電腦的銷售量在西方國家將維持20％的年增長，在我國則會(huì)更快一些。在性能上與國際優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品尚有差 距。 市場狀況 　　　從最近我國稀土應(yīng)用發(fā)展戰(zhàn)略研討會(huì)上的消息獲知，預(yù)計(jì)到2005年世界市場將需求20億支鎳氫電池，則年需儲(chǔ)氫合金2萬噸。目前我國在世界上所占有的稀土金屬市場很小，還擺脫不了出口稀土金屬給外國，然后再從外國買稀土合金材料或產(chǎn)品的局面。然而我國目前可以生產(chǎn)的稀土產(chǎn)品非常單一，幾乎都是一次性產(chǎn)品，即稀土氧化物，氯化物、碳酸鹽、硝酸鹽和金屬元素。所以世界各國把稀土金屬視為一種重大的高科技項(xiàng)目，投入大量財(cái)力物力競相相開發(fā)稀土金屬新產(chǎn)品。用這種材料作的電子或電器產(chǎn)品的體積可以大幅度地減小，這就象半導(dǎo)體取代電子管減小體積一樣，在航天和航空開發(fā)方面尤其具有價(jià)值。電池應(yīng)用 于幾乎所有的電子產(chǎn)品（如移動(dòng)電話、收錄音機(jī)、計(jì)算機(jī)、照相機(jī)、游戲機(jī)等），也以作為動(dòng)力用于電動(dòng)汽車及航天器中。這種方法可以獲得比液態(tài)氫氣的密度還大的儲(chǔ)存密度，而且使用過程也很安 全，是解決汽車未來能源問題的一個(gè)方向。而當(dāng)今令稀土金屬更為引人注目的則是用來制作儲(chǔ)氫和永磁材料。稀土金屬及合金　　稀土金屬是金屬的后起之秀，從70年代初開始作為一種新型功能材料受到廣泛注意，80年代起便進(jìn)入了工業(yè)化應(yīng)用開發(fā)階段，其研究開發(fā)和市場發(fā)展的 速度之快在金屬材料史上沒有先例。鈥作為添加組分，還可用于改善許多其它功能材料的性能，如鈥作為重稀土加入高性能鐵硼永磁材料中，能提高材磁體其某些性能；在鋱鏑鐵磁致伸縮合金TerfenolD中加入少量的鈥，可以降低合金飽和磁化所需要的外場；以銪為主激活劑，以鈥、鉺等為共激活劑，可以制備堿土金屬鋁酸鹽長余輝熒光粉；用摻鈥的光纖可以制作光纖激光器、光纖放大器、光纖傳感器等光通訊器件；摻鈥的氟亞碲酸鹽玻璃可用于制造放大器光學(xué)元件；以摻雜鈥的鈦酸鋇為主要組分，鈣鎂硅酸鹽為次要組分的復(fù)合氧化物，可用于制造介電陶瓷和單塊陶瓷電容器，具有很高的使用可靠性。鏑、鈥、鉺、銩、鈧等五種稀土元素碘化物均是制造金屬鹵化物燈的優(yōu)質(zhì)材料，但它們的蒸汽壓比汞低得多，需要同時(shí)填充碘化鉈才能使燈的發(fā)光效率和顯色性能明顯提高?！　?