Application progress of first-principles calculations in CALPHAD technology
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摘要: 相图计算 （Calculation of Phase Diagram, CALPHAD)是冶金 、化工 、材料设计等各个领域的重要研究工具，随着传统材料体系的研究深入和新材料体系的不断被发现，相关的相图和热力学实验数据愈显匮乏.基于电子层面的第一性原理计算（First-principles Calculations)，可以从体系基态性质出发，研究亚稳相、金属间化合物的结构、合金的稳定性，促进 CALPHAD 的发展.文中关注了近年来第一性原理计算在 CALPHAD 技术当中的应用研究进展，从计算化合物的能量性质，相图，动力学性质等方面进行系统阐述.Abstract: CALPHAD(Calculation of Phase Diagram) technology plays an important role in the fields of metal- lurgy, chemical engineering and material design. Phase diagram and thermodynamics data are really rare with the deepened study of traditional materials and discovery of new compounds. First -principles calculations based on electronic level boost the development of CALPHAD technology which can study the structure of metastable phase and intermediate compound and the stability of alloys from the perspective of system ground- state properties. The paper summarized the application progress of first-principles calculations in CALPHAD technology, and systematically expounded the calculations of energy properties of the compound, phase diagram and dynamical properties.
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Keywords:
- CALPHAD /
- first-principles calculations /
- energy properties /
- phase diagram /
- dynamical properties
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0 引言
江西是稀土资源和稀土产业大省，2006年全省稀土产业实现销售收入44亿元，利税5亿元，是江西省最具发展前景和优势的产业之一。在现有税收政策和产业政策管制下，深入分析稀土产业的竞争力，明确产业发展方向，对合理开发稀土资源，发展稀土精深加工，做大做强江西稀土产业具有十分重要的意义。
1 江西稀土产业国际竞争力分析
稀土产业具有广阔发展前景，随着高新技术产业的蓬勃发展，稀土元素的应用领域还将逐渐拓展。江西具有离子吸附型中重稀土的资源优势，把资源优势转变成产业集群发展优势、做大做强稀土产业是江西当前及今后一段时期稀土产业发展的战略目标。
1.1 资源优势
江西稀土占全国稀土储量比例并不多，但却属于非常珍贵的离子型稀土。离子型稀土储量居全国第一，在世界稀土产业界也占有举足轻重的地位。离子吸附型中重稀土矿具有三个特点：一是配分全、品位高、易提取、放射性低，富含与高新技术产业关系密切的中重稀土元素，是发展高新材料产业的优质资源，这也是江西稀土产业较包头和四川更具国际竞争力的一大优势。二是矿床呈面型产出，深度浅，矿体连续性好，岩土结构疏松，易采冶，成本低。三是应用前景广阔，不仅在冶金、皮革、石化、玻璃、陶瓷、纺织等传统部门应用广泛，而且在光导纤维、超导、激光、新材料、航空航天等高新技术领域有着其他稀土矿所不可比拟的前景。
1.2 发展现状
经过30多年的发展，江西稀土产业已形成从矿山开采、冶炼分离、加工应用到科研开发较为完整的产业链体系。
1.2.1 矿山开采秩序进一步好转
“十五”期间，江西出台《江西省保护性开采特定矿种管理条例》，加大稀土矿山管理力度，全省稀土矿山开采秩序得到根本性好转。同时，全面推广原地浸矿开采工艺，池浸工艺被全面取消，稀土资源回收率大幅提高，矿山生态环境得到明显改善。2006年，全省离子型稀土矿产量为8 279 t(REO)。
1.2.2 稀土分离工艺水平明显提高
模糊萃取分离技术、南方离子矿HAB双溶剂萃取工艺两项成果分别达到国内、国际先进水平，特别是模糊萃取分离技术已在全省分离企业广泛推广应用。稀土分离企业新技术的应用和自动化水平的提高，促使稀土分离生产工艺技术指标全面改善，产品纯度和质量不断提高，经济效益显著提升。
1.2.3 金属及合金材料生产形成优势
江西已经发展成为全国稀土金属重要生产基地，中重稀土合金、稀土铸铁的产量和品质均居全国前列，稀土磁性材料和发光材料等中间产品形成一定的产业基础。2006年，全省稀土金属及稀土合金材料产量达到17 629.78 t。另外，稀土单一金属在国内有独特优势。
1.2.4 应用产品发展步伐加快
江西贵雅照明有限公司通过开发和引进新技术，初步形成从三基色荧光粉到稀土节能灯终端应用产品的产业链，形成年产6 000万支三基色稀土节能灯管和1 000万支整灯的生产能力，产品远销国内外，成为国内最大的稀土节能灯生产企业之一。稀土永磁电机实现小批量生产，市场潜力巨大，将可能发展成为我省稀土制造业的龙头产业并带动稀土永磁等功能材料发展。稀土球化剂、孕育剂、变质剂、蠕化剂等添加剂的发展势头良好。稀土抛光粉、稀土陶瓷材料生产项目正在建设之中，铜基稀土合金、稀土永磁、快速凝固技术取得实质性进展。
1.3 产业竞争力分析
第二代离子型稀土原地浸矿工艺的应用和推广大大改善了矿区的生态环境，同时也大幅度提高了稀土资源的利用率和降低了稀土产品的生产成本，提高了江西稀土资源的竞争力。江西省的稀土产业虽然发展较晚，但由于离子型稀土具有配分全、品位高、易提取的特点，故其稀土金属和中重稀土氧化物具有得天独厚的市场优势。
1.3.1 选冶产品的竞争力分析
由于我国稀土实行开采总量控制和出口配额管理，而江西属离子型稀土原料地，就国际竞争方面的占有率指标很难反映其真实竞争能力，考虑到中国2006年选冶产品占世界生产总量的95.73 %，那国际竞争的国内化能较好地代表整体选冶产品的竞争力水平。
根据国土资源部2006年全国矿山稀土氧化物(REO)开采总量控制指标，全国中重稀土为8 320 t，轻稀土为78200 t，其中江西矿山稀土氧化物(REO)开采总量为7000 t，开采量占全国稀土氧化物(REO)的8 %，占离子型稀土开采量的84.13 %。根据江西省稀土办对2006年稀土企业产销情况的统计，共生产稀土氧化物19 206.75 t，稀土金属9 782.57 t，其中主要冶炼产品见表 1。
表 1 2006年江西稀土主要冶炼产品产量与出口量 t
江西稀土金属产量2006年占全国单一稀土金属产量1.3万t (包头稀土高新区数据)的75.25 %，除去同期包头生产单一稀土金属3 810 t (主要是金属钕)，其余单一稀土金属(如钆、铕、镝、铽、铒等)几乎均由江西生产。与单一稀土金属竞争力相对应的，江西稀土氧化物在氧化镝、氧化钐、氧化铕、氧化铒方面有较强的竞争力，而氧化镨钕虽然配分表中也有优势，但由于开采总量的控制与包头等地产量相差较大。与全国相比，江西省稀土选冶产品的竞争优势在于中重稀土金属及其稀土氧化物上。
1.3.2 深加工及应用产品的竞争力分析
从资源占有的角度看，江西稀土应用产品在发展荧光粉(钇)、合金(镧、铽、钇)、新材料(钐、钆、镝、铒、铽)等因所需金属含量较多、配分较齐而比国内包头、冕宁地区更有优势，但资源优势还没有转化成产品优势，稀土新产品开发、新技术引进还有待进一步改善。
在国内，内蒙古、江苏、北京和山东等地都是重要的稀土应用产品生产地，其中包头作为全国最大的稀土上、中游产品加工基地，2006年共生产稀土永磁材料2 303 t，约占全国的6 %；稀土抛光粉1 871 t，约占全国的22 %；稀土储氢合金粉1 837 t，约占全国的15 %(包头稀土高新区数据)。江西在稀土合金、永磁体和荧光粉的应用上已初具规模，其中钐钴永磁体产量约占全国66 %上下，三基色稀土荧光粉已本地化生产节能灯管，形成年产6 000万支三基色稀土节能灯管生产能力，是国内最大的稀土节能灯生产基地之一。
2 江西稀土产业发展存在的主要问题
江西稀土产业，从1999年底开始，进行稀土资源整合，依法规范开采秩序，推行计划开采，总量控制，清理关闭了一批非法开采和乱采滥挖、严重浪费资源、采矿工艺落后、安全环保不达标的矿山，使稀土矿山乱采滥挖的问题得到基本解决。从整体而言，采矿秩序有所好转，稀土产业链得到一定延伸, 但按照科学发展观的要求还存在较大差距和不少问题。
2.1 有相当比例的稀土矿山由于受到地质条件的制约还是采用池浸和堆浸方法
池浸工艺和堆浸工艺每开采1 t稀土，要破坏200 m2的地表植被，剥离表土300 m3，造成2 000 m3的尾砂，每年造成水土流失1 200万m3，资源平均回收率池浸工艺仅有30 %左右，堆浸工艺也只有50 %左右。同时，大量尾矿、废土堆放占用耕地，生产1 t矿产品需占用土地180 m2，对当地生态环境造成很大影响。
2.2 稀土分离投资过热, 扩产过猛
已造成稀土冶炼分离能力过剩，不仅浪费投资，还势必造成稀土矿产品供应紧缺的局面，不利于开采总量的控制。在技术水平上，近几年投资的企业，除个别企业之外，大部分企业的生产技术水平与外省大企业有明显差距，经济效益低下，发展空间受阻。
2.3 加工和应用产品发展滞后
高技术、高附加值的深加工及其应用产品所占稀土产业的销售收入比例不足5%。全省稀土深度加工和应用领域主要集中在稀土永磁材料、稀土荧光材料、稀土抛光粉、重稀土球化剂和永磁电机等方面，企业生产规模小，科技含量不高，还没有形成一定的产业规模。稀土深度加工和应用的严重滞后已经成为制约全省稀土资源优势向产业优势和经济优势转化的重要因素。
2.4 对稀土生产的监管还有待进一步完善
江西省对稀土产业的发展是相当重视的，尤其是在行业监管方面做了大量的工作。赣州市作为全省稀土资源的重点产区，对稀土产业的可持续发展采取了很多有效措施，依法对稀土资源开采经营领域进行了一系列整顿和规范工作：进一步依法加大了对矿山开采秩序的整顿和规范，坚决清理、关闭了无证开采以及资源浪费严重及安全、环保不达标的矿山；强化对现有存量资源的管理，将稀土矿山开采纳入全市统一计划、统一管理体系等。但是，总体而言，对稀土行业的监管还没有有效的手段，调控力度很弱。
2.5 规模偏小, 整合困难
由于受体制等多种因素的影响，江西稀土还没有形成足够大的产业集群和行业龙头，没有实现资源优势向经济优势和产业优势转化。
3 江西稀土产业发展的基本思路
江西省委、省政府对发展江西有色金属工业相当重视，有色金属工业已成为江西省的第一大支柱产业。江西省发改委、江西省有色行办共同制定了全省有色金属工业“十一五”发展规划。江西稀土产业发展总的指导思想是：全面落实科学发展观，以做大做强做优为目标，以大企业、大项目、新技术为重点，大力发展稀土工业，把江西建设成全国重要的离子型稀土生产研发基地和贸易中心。
根据这一总的指导思想，江西稀土产业发展方向应以市场为导向，把江西进一步建成为全国性的稀土氧化物、稀土金属、稀土深加工产品的研发和生产基地，形成从矿山开采、冶炼加工、科研应用到贸易较为完整的产业体系，同时继续向下游延伸，发展相关产业。重点打造五条产业链，形成五大产业集群。
3.1 五条产业链
稀土永磁材料产业链：稀土氧化物-稀土金属-钕铁硼磁体-稀土永磁电机、磁选机-电动自行车、电动汽车等；
稀土发光材料产业链：中、重稀土氧化物-稀土荧光粉-照明电器、显示器等；
稀土储氢材料产业链：混合稀土金属-稀土储氢合金粉-镍氢动力电池-电动自行车、电动汽车等；
中重稀土合金产业链：混合稀土金属-稀土钢、稀土铁、稀土铝合金、稀土铜合金-零部件或器件；
稀土新材料产业链：稀土化合物-稀土新型材料-稀土功能材料-特殊应用领域。
3.2 五大产业集群
3.2.1 以稀土永磁材料和各种机电应用产业为核心的产业集群
稀土永磁材料开发高性能烧结钕铁硼、粘结钕铁硼、高性能纳米稀土永磁材料、高磁导率软磁铁氧体、EMI铁氧体等。
应用领域重点开发家电领域高性能软磁铁氧体、永磁铁氧体；信息领域计算机硬盘驱动器、DVD、DVD-ROM驱动器、刻录机磁体、通信用磁体等；汽车领域配套磁瓦；电动自行车、电动汽车永磁体等。
3.2.2 以稀土发光材料及应用元、器件生产为核心的产业集群
稀土发光材料开发CRT荧光粉、灯用荧光粉(稀土三基色荧光粉)、等离子平板显示(PDP)用荧光粉、长余辉荧光粉、电致发光(EL)荧光粉、场致发射显示(FED)用荧光粉和光转换材料。应用领域为显示、照明、光电器件等领域中的支撑材料。
3.2.3 以稀土储氢材料及各种动力电池、电动车等应用产业为核心的产业集群
稀土储氢材料开发LaNi5、LaNi5H6、CeNi5、LaMg17、La2Ni5Mg13等，这样的储氢材料在利用氢作燃料方面有潜在的应用前景。动力电池开发金属氢化物电池(Ni/MMH)，亦称镍氢电池。应用领域开发电器、汽车、移动电话、笔记本电脑和摄像机等产品用电池。
3.2.4 以稀土-有色金属材料深加工及其元、器件生产为核心的产业集群
发展各种稀土金属和合金材料的生产，重点开发稀土钢、稀土铁、稀土球墨铸铁、稀土镁合金、铝锆钇合金等，并开发其应用领域。
3.2.5 以稀土催化、功能陶瓷等新材料及稀土在化工、建材领域应用为核心的产业集群
稀土催化剂发展汽油车排气净化催化剂。稀土功能陶瓷重点利用氧化钛、氧化锆等氧化物半导体光催化特性和稀土激活手段，开发出稀土激活抗菌剂和空气净化剂，广泛应用于涂料、陶瓷、搪瓷和水泥制品等材料。
4 提升江西稀土产业竞争力的几点政策建议
4.1 加大对稀土资源的保护力度, 严格控制稀土矿产品开采总量
务必做到有计划开采、有序开采、合理开发、有效利用，从而提高资源利用率和综合回收率。政府有关部门要加大监管力度，坚决制止乱采滥挖现象，保护好有限的稀土资源。建议国家对稀土矿的生产管理要像煤炭生产管理一样，采取矿管部门的采矿许可证和行业管理部门的生产许可证相结合的管理制度。
4.2 严格控制稀土矿产品及分离产品的出口量
要防止一些国家大量进口我国稀土产品作为战略资源储备，国家要加强对稀土产品出口的总量控制和产品结构调整。对出口的稀土产品按照鼓励类、允许类和禁止类进行管理。禁止稀土矿产品、稀土初级产品及低附加值产品出口；限制镨、钕、镝、铽等战略性稀土元素出口；鼓励稀土深加工及高附加值应用产品出口。建立国家稀土储备制度，根据国家安全和市场的需要，对具有战略意义的稀土产品进行收储。
4.3 加大开采方法研发力度, 解决环境污染问题
大力推广离子型原地浸出工艺，并针对一些矿山由于不适合采用原地浸矿而采用池浸开采方法的问题，研究适应各种不同地质条件的新技术。针对稀土矿山的环境问题，根据谁开发、谁收益、谁复垦、谁治理的原则，严格管理。
4.4 注重稀土产业链的协调配套发展
积极引导投资方向，限制分离厂的新建，防止重复建设；淘汰落后设备和落后工艺，充分有效地利用稀土资源。
4.5 自主创新, 扩大应用
继续抓好稀土在传统产业中的推广应用，切实提高稀土在传统产业中的应用效率，特别是在冶金、机械、石化、玻璃陶瓷和农业等量大面广、技术成熟的传统市场中的应用。要加大稀土功能材料在高新技术领域中的开发应用力度，主要发展高性能稀土永磁材料、稀土发光材料、稀土储氢材料、稀土环保催化剂和稀土生物功能材料等先进材料及其应用产品，并组织好产业化推广。
4.6 大力扶持和建设好赣州稀土产业基地
赣州离子型稀土资源，是我国所特有的，要珍惜这种宝贵的资源。国家要支持和帮助江西建设好赣州稀土产业基地，出台好的扶持政策，把赣州稀土产业基地建设成为产业配套、集约发展和深加工的基地。
4.7 加强稀土产业的行业管理
国家有关部门每年下达总量生产控制指标，行业管理部门要参与监督和管理。对稀土矿山建设工程项目要加强行业审批。
4.8 保护环境, 减少污染
通过推动企业兼并、重组，加快转变方式，逐步淘汰生产技术水平低、装备差、资源和能源消耗高的企业，提高产业集中度，降低三废排放量；加强资源的综合回收利用，开发高效清洁生产工艺，降低“三废”对环境的污染；对新上稀土生产项目，要严格进行环保验收，环保不合格的项目不予验收。对现有企业，按照国家相关标准，责令限期整改，整改不达标的企业要予以关闭；开展清洁生产的绿色冶炼工艺研究和推广工作。
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图 1 第一性原理计算在CALPHAD 技术中的应用流程
Fig 1. Application of first principle calculation in CALPHAD
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图 3 不同压强下AlSc2的热力学性质随温度的变化关系
Fig 3. Dependence of thermodynamic properties of AlSc2 on temperature and pressure
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图 4 立方结构型W 在零压下的热力学性质随温度的变化
Fig 4. Dependence of thermodynamic properties of cubic structure W on temperature under zero pressure
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图 5 Ti-Si-N 在不同压力及温度下的热力学性质比较
Fig 5. Dependence of thermodynamic properties of Ti-Si-N system on pressure and temperature
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图 6 采用Ab initio 计算与CALPHAD 结合计算得到的Am-U 体系相图
Fig 6. Phase diagram of Am-U system calculated by combination of firstprinciples calculations and CALPHAD
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图 7 ɑ-Fe 自扩散系数的第一性原理计算与实验结果比较
Fig 7. Comparison between first-principle calculation for self diffusion coefficients of ɑ-Fe and experimental result
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