金属钕的生产与应用

第13卷第1期粉末冶金工业2003年2月POWDER METALLURGY INDUSTRYFeb.2003金属钕的生产与应用林河成(北京有色冶金设计研究总院北京10008摘要本文综述了我国金属钕生产的主要发展状况。包括金属钕的生产原料工艺及设备生产能力及产量产品品种及质量产品应用及市场并讨论了一些问题提出了一些建议关键词金属钕生产工艺产量应用市场中图分类号:TF123.2文献标识码:A文章编号1006-6543x2003)1-0034-06PRODUCTION AND APPLICATION OF METAL NEODYMIUMLin He-chensBeijing Central Engineening and Research Institute for Non-ferrous Metallurgical Industries Beijing 100038 ChinaAbstract The situation of development of metal neodymium production in China is summarized includingmarketing and application , variety and quality production capacity and output production process andequipment and raw materials. Some suggestions are put forwardKey words metal neodymium production process output 'application market金属钕是较重要的轻稀土金属之一是目前我国钕的生产和供应大国金属钕的生产能力及产量均居采用粉末冶金方法生产NFeB永磁材料的主要原料。全球首位估计今后将仍然维持这种态势。由于钕具有独特的物理和化学性质所以近10多年据统计2000年我国金属钕的产量约为4000t来在稀土永磁材料主要是 NdFeB永磁体)高级稀土比1990年增长了42倍,比1995年增长了14倍。合金如MgNd和№d-Fe合金厢高科技材料等的应2000年国内NFeB磁体使用金属钕约2400t,比用日益广泛且用量激增前景十分广阔。1990年增长了31倍。2000年我国金属钕出口约20世纪60年代我国已能用氯化钕(NdCl3)为原1140t比1990年增长了18倍。所有这些都表明了料选用熔盐电解法生产金属钕但因为钕在电解过近10年来金属钕在我国的巨大发展程中易熔解于电解质造成电流效率很低钕的回收我国具有丰富的稀土资源。据报道我国稀土率不高加上当年市场的销量较少导致该方法没能储量约3600万t其中钕的储量约510万t若按稀在工业生产中推广。土永磁材料的钕需要量为8000(包括出口量川从丌0年代开始研究用氧化钕Nd2O3)熔盐电解算大约可以用几百年这是我国发展金属钕生产的法制备金属钕。随后经过系统的工艺技术及电解槽大优势结构的半工业化试验获得成功并于80年代中期实中国煤化工现了工业化生产。90年代以来我国金属钕在生产原1CNMHG料供给、生产工艺技术、品种与产量、应用及市场等方1.1原料面均取得了很大的成就。目前我国已成为世界金属我国生产金属钕的原料包括下列几种(1瀛氟化收稿日期2001-10-08作者简介林河成(1935-)男汉)广东省潮州市人高级工程师从事有色冶金技术研究及有色冶金工厂工程设计尤其擅长于稀土冶第林河成金属钕的生产与应用35钕NdCl3)含Nd2O3≥45%Nd2O3/REO≥99%。稀以氯化钕(NdCl3)为原料用金属钙作还原剂土杂质<1.0%,非稀土杂质<0.9%〔Fe2O3BaO,配料压块后放入还原炉内进行还原反应。还原结束cao和sO等(2)氧化钕NlO3):含NO3≥除去杂质废渣CaCl2)再将钕熔化浇注成铸锭就制99%REO≥99%稀土杂质≤1.0%(镧、铈、镨、得了金属钕产品。其主要工艺过程为钐、钇),非稀土杂质≤0.2%(Fe2O3,SiO2和Ca原料→-配料→-压块→钙还原→亠除渣-熔化铸锭等(3)化钕N3)含M2O3≥99%REO≈81→包装→入库钕产品)%F≈27%。稀土杂质≤1.0%镧、铈、镨、钐、铕还原过程主要反应为和钆等)非稀土杂质≤0.09%(Fe2O3,A2O3SiO22NdCl3+3Ca→·2Nd+3CaCCaO和Mg等以上3种原料均可工业化生产工主要设备有钙还原炉、压块机、熔化铸锭机、除艺及设备成熟可靠。渣器和包装机等。1.2工艺技术及设备工艺指标钕纯度≈99%回收率≥95%。几十年来我国自行研究和工业实践的金属钕该工艺作业简单工序少。但产品钕的纯度及的生产工艺技术与设备已取得丰硕成果。我国已有收得率较低。且受设备限制钕的产量少大量提供的金属钕的生产方法包括(1)化钕熔融电解法。钕有困难。2氲化钕钙还原法。(3嵐化钕熔融电解法。前两1·2.3氧化钕熔融电解法生产金属钕34种方法缺点较多,目前很少采用。后一种方法是目用氧化钕Nd2O3为原料选用氟化钕N3厢前我国生产金属钕的主要工业生产方法。氟化锂(Li进行配、混料构成三元电解质(Nd2O32.1氯化钕熔融电解法制备金属钕12NF3工i)将电解质放入电解槽内进行熔化并在用氯化钕(NC)为原料配有氯化钾KC构达到电解温度后通入直流电进行电解。在电解中成两元电解质N1-KC体系。电解质在石墨坩埚要连续不断的加入NdO3以保证电解的持续进行。电解槽中熔化后通入直流电进行电解。在石墨阳其主要工艺过程是极析出氯气C2)在钼阴极析出金属钕(由瓷碗接原料-配料→ˆ混料亠熔化亠熔融电解→亠熔融钕受)其主要工艺过程为→铸锭→清洗→晾干→包装→入库钕产品)原料→配料丶熔化-熔融电解亠熔化钕亠铸锭电解过程的主要反应有→清洗→晾干→包装→入库N产品)离解Ndl2O3→2Nd3++30电解过程的主要反应为阳极03--2e→O2离解NdCl→Nd3++3Cl阴极Nd++3e→Nd↓O2+C→CO↑阳极6C-6e3Cl2↑203-+C→CO2↑+4e主要设备有∶1000A石墨坩埚电解槽(且作阳阴极NH++3eNdy极带钼阴极及接收钕的瓷碗)铸锭模和包装器等。工艺设备有3000A石墨电解糟(带钼阴极及工艺指标是产品N≥99%RE≥8.5%稀钼受钕容器)铸锭模清洗器和真空包装机等。土杂质≤1.0%非稀土杂质≤0.7%钕的收得率工艺指标是Nd纯度≥99%RE≥99.0%。含25%~30%。电流效率20%~25%。公斤钕的非稀土杂质为:Fe<0.5%,Mo<0.05%,C<电耗19~22kWh0.05%,02<0.05%Si<0.07%Ca+Mg<0.06工艺特点是江工艺过程简单易于作业源料易%。中国煤化工流效率为65%~78吸潮电解时挥发损失较大钕在电解质中的溶解率%。CNMHG被的电耗11~13kW较蠃约32.9%)造成钕的收得率及电流效率较h公斤钕的NdO3消耗1.25-1.27kg低电解析出大量氯气易污染环境,必须加以治理。工艺特点是冮工艺过程稳定可靠,作业连续进因此,该法在工业生产中未能推广行电解槽结构合理易于制造金属钕质量好冋收1.2.2氯化钕钙还原法制造金属钕3率高流效率较高电耗及原料消耗低产品成本36粉末冶金工业13卷低电解中劳动条件好无有害气体污染环境。除了上述3种生产方法外还有的用石墨作阳从表1可见从1995~2000年金属钕的生产能极液态铁为阴极进行熔盐电解来生产钕铁合金力及产量逐年增加2000年为400t比1995年增(NdFe)以为 NdFeB的生产提供原料。一般NFe长4.0倍比199年增加21倍。200年的产量为合金中的钕含量大于58%最高为85%),钕的收4140t比195年递增4.0倍比199年增长27.6得率为90%电流效率约70%这是较好的生产方倍在全球同行业中发展速度最快钕的生产能力及法产量均居世界之冠,也是世界上钕的产量最大和外1.2.4生产能力与产量供最多的国家。此外历年来钕的产量与产能的比20世纪90年代以来由于国内外市场对金属值较高1995年~200年为92.5%~94.1%)这钕需求量的激增,极大的促进了我国钕的生产能力说明钕工厂的开工率较高生产设施的利用率较好,及产量的猛增。据不完全统计近年来我国金属钕工厂的效益也较高佔计今后仍将维持这种好势头。的生产能力与产量的发展状况如表1所示。1.2.5生产品种与质量近10年来由于稀土永磁材料及高科技材料的表1近年我国金属钕的生产能力及产量状况561发展要求对金属钕的品种及质量要求更高特别是1990199519961997199819992000年生产能力/20090014501800210028004400对钕中非稀土杂质的要求提高了对钕中碳氧和硅实际年产量114583012501600186026204140含量的要求更严。目前我国金属钕的生产品种与质产量能力/%72.592.586.888.688.793.694量状况如表2所示。表2历年我国金属钕的品种及质量情况7产品牌县总的稀土金属金属钕的相对稀土杂质含量非稀土杂质含量/%规格含量/%纯度NRE/%FeC0SiCa+ Mg al Mo S个数Nd-10.50.060.050.060.050.050.050.00540.40.050.040.050.0400.050.0040.50.30.040.040.040.030.030.0042No-40.20.030.030注∶表内的品种为常见生产的产品2.稀土杂质为镧、铈、镨、钐和钇。从表2可知,目前国内生产金属钕的品种常见NdFe的产量为6500t/a粘结 NdFeB为250t/a共的有4种共有21个规格基本上可以满足国内的需钕约2300Ua。在这种形势下工厂生产规模扩需求及岀口的质量要求。这4个品种的质量要求,大产量增加很快。据不完全统计目前全国生产钕目前生产厂各有差异。但总的看全国各钕厂的质的工厂约有20家其中生产能力在200t的有6家量稀土、钕、稀土杂质和非稀土杂质等均可达到表生产能力在200~300t的有10家生产能力在3002内的要求有的厂家还可以超过表2的质量要求500t的有3家生产能力在1000t的有1家。总特别是碳、氧和钼等杂质要更低。随着玏能材料及的来看目前的工厂较多生产能力较小者占多数。高科技材料的发展对金属钕的品种和质量的要求造成了钕的质量不一和不稳定市场的竞争力较小。将会更高。从发展看要组成大型骨干企业很有必要以确保产1.2.6钕的产业化进程品质量、数量及市场竞争力。20世纪70年代前我国钕的生产开始走向工业化但因当时市场需求量小所以钕的产量较少。270年代初我国开始研究使用NdO2NdF3-L三元H中国煤化工CNMHG电解质体系并获得成功于80年代中期转入工业化金属钕是目前稀土金属中用量最大的其应用生产由于钕的市场容量增加故钕的产量扩大。90领域包括稀土永磁材料有色合金材料及高技术材年代以来,由于 NdFeB永磁材料的高速发展大大料等估计其应用领域今后还会扩大地推进了钕的产业化进程如2000年我国烧结2.1在稀土永磁材料中的应用830第林河成金属钕的生产与应用37人们称为磁王"的烧结 NdFeB永磁材料约含Mg-Y-Nd和Mg-YZr-Nd等中的应用可以使合金具30%Nd)其磁性能较好,最大磁能积(邗λ可达有更多更好的性能满足更多的实用要求。360~440kJ/m(45~55MGOe),铁氧体、铝镍钴和Fe-Nd中钕的含量≤85%其作为中间合金的钐钴等永磁体分别高出15倍、8倍及2倍且可以性能比较稳定且不易氧化。它是生产烧结NFeB代替它们的应用领域。目前我国NFeB永磁体多的重要原料之一。目前Fe-Nd在我国用量尚少国用于音响、磁选机、医疗器械、磁化器、传感器、电机、外用量较多电度表和永磁吊车等。今后应在计算机的驱动马Mg-Nd中钕的含量≤20%是目前我国较好的达、核磁共振成像仪的磁体、汽车旳小型马达等中开耐热合氩(如122号板材)在300℃下的高温性能拓应用。据统计2000年我国烧结 NdFeB制品的产超过国外的同类产品在导弹及卫星方面已获得使量约6500`t钕的用量约为2300t比1995年增长用。此外也用作飞机的零件材料。其具有铸造性能2.4倍估计到2005年我国烧结 NdFeB的产量将达好在高温下的力学性能高且具有铸件轻、质量好、到20500t钕的用量将达到7800t。而全球钕的用材料利用率高、生产工艺简单和生产率提高4倍等量为14660(包括中国在内全球烧结 NdFeB的总优点。产量约为385001)因此中国钕的发展前景十分广铜中加钕制成的CuN合金,钕可以净化铜中阔。的杂质改变夹杂物的形态和细化晶粒具有明显效用磁粉制成的粘结 NdFeB永磁材料中约含30果。同时可提高合金的力学性能改善其高温可塑%Nd)其磁性也不错,般最大磁能积邗Bλ达到性并消除或减轻加工的困难性也可改善合金的导80~104kJm(10~13MGOe)虽然(邗B比烧结电性和导热性使Cu-Nd合金更具实用价值。NdFeB低但有它的应用特点其主要用于办公室自在铸造MgNd合金中加入2%~2.8%Nd,可动化设备、小型马达、仪器仪表、视听设备和计量仪以提高其在室温和高温下的强度改善其铸造、焊接表等。目前我国在这方面的钕用量较少主要原因和耐蚀性能合金的气密性和壁厚敏感性也有较好是我国这种磁材的生产工业化较晚所以用量较少。的改善近年来国外粘结 NdFeB永磁体的用途与我国不同,在MgY-Zr-Nd合金中加入4%Nd,可获得最高国外主要用于计算机(占61%)电子工业(占9的耐热强度并已在飞机及赛车用等合金中获得应%)办公室自动化设备占8%汽车占7%)器用具占7%厢其他占9%)据了解2000年我国我国已研制成功的MgY-Nd合金的强度和韧生产粘结 NdFeB为250t用钕量约为75t比1995性高于常规的镁合金其耐热性高出普通镁合金5年增长了5.3倍。估计到2005年我国粘结 NdFeB倍在飞机的结构中获得了应用。产量约为1120t需要钕340t。全球(含中国)005目前我国已研制成功的MgNd合金有铸造合年粘结 NdFeB的产量约为7200t需钕约2160t。金和变形合金约有10多个牌号)其质量稳定。这这为我国钕的销售市场提供了更大的澘在优势。些牌号的合金已在航空中的歼击机、强击机、直升综上所述到2005年烧结及粘结 NdFeB的用钕机、无人驾驶机、民航机及导弹卫星等中逐步推广应量我国约为8140t全球约为16820t用发展前景较好。还有Mg-Nd合金的比强度较从生产看目前我国的烧结及粘结NFeB所用高对减轻飞机重量提高战术性能等均具有重要的钕的纯度为Nd≥99%,RE≥99%稀土杂质(镧、现实意义硅低镁和铝)036%男对碳及氧的含量有作为V凵中国煤化具以简化手术作更高的要求(O2≤0.03%C≤0.03%)这种质量业CNMHG要求我国完全可以达到。2.3在其他领域中的应用H12.2在高级合金中的应用1n1目前金属钕作为钢铁和有色金属的添加剂可目前我国金属钕在合金中作为添加剂的应用日以很好地细化晶粒改变夹杂物的形态改善合金的益广泛用量不断增加。如在Fe-Nd,Mg- Nd ca-Nd,加工性能。此外还可作为耐热及耐蚀合金的添加8粉末冶金工业13卷剂从表3可见我国钕的国内外销售量逐年增加钕与过渡金属钴及铁可制成 NdDy CoFe非晶薄1995~2000年的年均增长率为36.7%2000年销售膜用作磁光盘材料。总量比1995年增长2.93倍比1990年递增23倍。估计2005年钕的销售总量将达到5700t我国国金属钕的市场内市场钕的消耗主要分布于稀土永磁材料高级钕合金及高科技产业等。出口的钕主要用于稀土永磁近年来国内外对钕的需求量增长较快钕的市材料。场容量迅速扩大。目前我国钕的销售有两大市场10多年来我国及国外钕的价格变化较大,当是国內市场消量较多约占总销量的85%)二市场短缺时其价格上扬很大。当过量生产时其价是国外市场约占总销量的15%左右主要出口日格下跌较快。1992~2001年我国钕的价格变化详见本、美国和欧洲等。据不完全统计近几年我国钕的表4所示国内外市场销售状况如表3所示。从表4可见,1992~2001年钕的价格升降变化表3近几年我国金属钕的销售状况15,6较大195年的价格最高(320元/kg)1995~1999年降价较大至1999年降到最低点(120元/kg),此国内市场年销量/t756809601250151019902380后又有所升高,2001年6月达145元/k估计在外市场年销量n6015020250350501402002年以后钕的价格将相对稳定在150元/kg左右国内外年销售总量/t13583011601500186024903520比较合理对钕的生产者及用户均较有利年增长率/%表41992~2001年我国钕的价格变化情况748119921993199519961997199819992020012002钕的价格/元k140年价格变化率/%注:1.2001年为6月份的N价格2.200年为预测的Nd价格兼并建立骨干厂以外主要是继续提高和创新生产4问题的讨论及建议技术改进主要设备如电解槽的结构。目前国内生产钕的电解槽均在2500~3000A年产量约为20t针对以上所述特提出以下问题并建议如下台如年按300天/年计)产钕5000t需要电解槽达(1)控制钕的总产量规范市场秩序。近年来,250台之多。今后应加速研制大型电解櫝如10000我国钕的生产能力及实际产量发展很快如2000年A规模)在此基础上改进电解槽的结构如阴阳极钕的产能约4500t产量约4000t基本上可满足国形状及布置)及槽体内衬材料沌电解温度的自动调内外用户的需求供需接近平衡。2001年6月钕的控及供电系统的自动化调节Nd2O2加料系统的自价格为145元/kg较为合理。在今后4~5年内不动连续定量给料漣立金属钕熔体自动定量铸锭系宜大量增加钕的产能与产量到2005年我国钕的产统等只有如此才能保证电解工艺条件的最佳化及量达到5000t左右为适宜。只要不过量生产供需稳定中国煤化立效率提高钕的回收之间比较平衡价格就会相对稳定就可以维持和规率CNMH高工厂的经济效益范市场秩序促进供需的正常发展。据了解出一些科饼单位正在为实现电解(2媞高生产水平完善生产设备。目前全国钕槽的大型化、生产技术条件的最优化和作业水平的的生产厂家较多生产水平差别较大钕的产品质量现代化等进行有效的工作并且已获得很大的进展不一、也不稳定产业化进程较慢。因此除了进行可望在最近时间内实现工业化从而提高钕生产的第林河成金属钕的生产与应用39总体水平推进钕工业的更快发展业与市场2000(2):10-11(3加速资产重组建立骨干企业,目前我国钕[7]全国稀土情报网编国内稀土产品标准汇筑S11992生产厂的现状前面已经提及规模较小、产品质量不177-179.市场竞争乏力和经济实力薄弱等。今后必须加[8]徐光宪主编稀第二版,下册ⅠM北京治金工业速产业化进程实现资产重组建立骨干企业最好出版社99550-61在全国范围内建立3~4个年产量在1000t以上的9]任伯胜等编稀土永磁材料的开发和应用M]南京东南大学出版社1989137-195骨干企业)并达到万安培电解槽的规模生产作业[10]林河成我国稀土永磁材料的新进J]粉末冶金工自动化的程度较高从而提高钕的总体生产水平最业2001(2)37-38终达到钕的生产规模大、产量多、质量好、成本低和[u]徐光宪主编稀↓第二版,下册ⅠM]北京治金工业竞争力强之目的,以确保我国钕的工业维持在世界出版社1995477-491同行业中的先进水平并成为全球钕生产和供应的[12]稀有金属应用编写组.稀有金属应用第二版,下册)大国推进我国稀土工业的更快发展。[M]北京治金工业出版社198586[13]钟俊辉稀土在合金中应用的新进展J1世界有色金参考文献属1994(11)27-28[1]徐光宪主编稀坟(第二版中册IM]北京治金工业[14]徐光宪主编稀坟第二版,下册M]北京治金工业出版社199544-162出版社199553-65A21[2]陆庆桃叶云蔚等氯化钕熔盐电解的阴极过J]中[15]陈铭钦.2000年稀土产销情况J]稀士企业与市场国稀土学报1999(1)17-19201(3)9-13]徐光宪主编稀≮(第二版中册ⅠM]北京治金工业[16]中国稀土行业协会主要稀土金属出口情况J]稀土出版社199536-37167-17企业与市场2001(5)13.[4]张志宏梁行方等我国氟化盐体系氧化钕电解制备金17]林河成试谈我国稀土市场的价格及对策稀土,属钕技术现状及进J有色冶炼200(2)23-252000(2)77[5]中国稀土行业协会.198年稀土产销综遨J稀士企[18]姚钰.近期主要稀士产品价格J]稀有金属快报业与市场1999(5)11-122000(8)282001(6)29[6]中国稀土行业协会.1999年稀土产销综逝J]稀土企◆旧◆旧◆◆◆◆◆旧旧◆◆旧◆◆◆旧◆◆旧◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆◆旧◆◆◆◆◆◆◆旧◆行业动态华东五省一市第九届粉末冶金技术交流会在马鞍山召开中图分类号TF12文献标识码〗金秋10月华东五省一市第九届粉末冾金技术交流会于10月26日至29日在马鞍山市马钢渡假村隆重召开。来自华东五省一市和北京、辽宁、河北、河南、湖北、湖南、四川、山西、甘肃、江西等16个省市的210多名代表汇聚一堂。本届年会人数之多分布面之广是本地区历届年会所没有的。这充分体现了华东地区粉末冶金行业近年来发展势头强劲前景十分看好。同时也表明华东地区跨省市联合举办的学会活动经过近20年的摸索由于注重学会活动和行业活动融会一体把原材料企业、装备企业制品制造企业融会体把企业和科研机构、高等学校融会一体营造一个广阔的平台创造岀一种气氛活跃、议题丰富涵盖广泛的信息交流空间。因而学会活动显示出无限的生命力!在这次会议上就当前行业特别关注的一些问题組织了专题发言就我国加入世贸组织后到底面临哪些机遇应对哪些挑战企业如何学习入世后国际贸易规则和先进信息技术开拓企业与外部世界的沟通以及对我国粉末H中国煤化工石展和创新如何利用CNMHG今后展望的思考等议题进行了广泛交流。本届年会收到论文包括摘要篇编辑岀版了论文集。论文内容涉及行业发展最新成就、学科前沿动态、新技术、新工艺。会议还组织了包括马钢粉末冶金公司大型还原铁粉生产线南京东部精密机械公司成形压制装备生产线和南京粉末冶金专用设备厂烧结装备现场等在內的参观活动。会议在与会代表的积极参与和热情支持下取得圆满成功!(华东五省一市第九届粉末冶金技术交流会会务组)