[发明专利]一种高纯稀土金属的提纯装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属的提纯装置和方法，更具体地说涉及高纯稀土金属的提纯装置和方法。

背景技术

镧系元素与同族的钪和钇一起被称为稀土元素，在国民经济发展中扮演着举足轻重的角色。高纯稀土通常是指纯度高于99.99％的稀土金属或化合物，主要应用于光、电、磁等功能材料。随着电子、光学和光电子等尖端科学技术的发展，高纯稀土金属材料的需求量日益增大。为了开发稀土金属及其化合物新的特性，人们对原材料提出了更高的纯度要求，要求杂质的含量为μg/g级甚至更低。影响功能材料性能的关键因素之一就是稀土金属及其化合物的纯度，如磁致伸缩材料中氧含量超过1.0×10^-6时，其伸缩性能就几乎丧失殆尽。

由于制备高纯稀土金属的原料中所含的杂质元素不尽相同，稀土金属的物理、化学性质也存在差异。目前人们已经开发出了真空熔炼、真空蒸馏、电解精炼、固态电迁移、区域熔炼等几种单独或联合方法用于提纯稀土金属，其原理主要分为两种：一种是对被提纯稀土金属中的杂质元素进行“再分布”，降低杂质浓度而达到“纯化”的目的；另一种是从被提纯金属中直接“去除”杂质元素而达到提纯的效果。但是其中任何一种方法也只能去除稀土金属中的某些杂质。这是因为真空蒸馏法不能彻底去除那些蒸气压与稀土金属相同或相近的杂质元素，区域熔炼法也不能使稀土金属中平衡分配系数接近1的杂质与之良好分离，固态电迁移法则仅对在直流电场作用下能快速迁移的O,N,H,C等间隙杂质和少量扩散速度较快的过渡族元素起作用。为此人们往往将两种或两种以上的提纯方法联合应用,以期获得尽可能高的提纯度,悬浮区熔-电迁移联合提纯法就是这种想法的直接产物。

《用区熔、电迁移和区熔-电迁移联合法提纯金属钕的研究》(李国栋等，内蒙古大学学报(自然科学版)，1997年11月，第28卷，第6期)通过实验发现区熔提纯对分离金属钕中的Fe、Mo、Si杂质较为显著,电迁移提纯对分离金属钕中的间隙杂质C和快扩散元素Fe较为有利,而区熔-电迁移联合提纯法在分离金属钕中的Fe、Mo、Si、C杂质方面则显得更为有效、快速。

《有色金属提取冶金手册-稀土金属》(1993年03月第1版，潘叶金主编，冶金工业出版社)记载了悬浮区熔-电传输联合法提纯稀土金属的方法，将长230mm、截面120mm²的钇试样垂直固定在水冷铜电极之间，下部电极用弹簧顶住，以便于试样膨胀时向下移动。在氦气气氛中进行区熔-电传输提纯，通入直流电加热至900℃，电流密度为3A·mm^-2，电场电压为0.06V·cm^-1。熔区以24cm·h^-1的速度由下向上移动。在电场中经10次区熔后，从提纯前后的分析结果可以看出，该方法对去除Fe、Cu、Mg、Ni等杂质有较好的效果。

由此可见，将区熔和电迁移结合的方法对稀土提纯有一定的效果。但是，该方法的主要缺点有：1.生产批量小，采用此方法对试样的尺寸有极大限制，一般采用直径为10mm或者截面为150mm²以下，长度在250mm以内的样品。经过多次提纯后，杂质并没有从试样中消失，而是会迁移富集至试样的两端，所以通常会切除试样的两端，造成资源的浪费，产量更小。2.生产周期相对较长，采用该方法提纯一般时间为3-10h。由于该方法不仅生产周期长，且产量较小，所以在生产上极少使用。

近年来，电子束熔炼受到了人们的关注，其工作原理是将电子枪中的灯丝加热到一定温度，灯丝表面发射电子，电子在负高压作用下加速，轰击阴极表面使阴极而发射电子，电子在高压静电场中加速，之后经过磁透镜聚焦形成能量密度极高的电子束流，通过偏转扫描作用以特定的轨迹轰击到水冷铜坩埚中的材料表面，电子的动能大部分转化为热能，产生极高的热量，使材料熔化。由于电子束熔炼能量密度高，升温迅速，提纯过程可通过功率变化调节温度，并且电子束熔炼时采用冷坩埚，不会对熔融样品产生二次污染，该项技术已经广泛地应用到多晶硅和难熔金属的提纯。

中国专利《真空感应电子束熔炼二次提纯铜的方法》，申请号为201210112862.4，该专利运用电子束技术二次提纯铜，在真空环境下采用常规方法真空感应熔炼和电子束熔炼先后对4N的电解铜精炼，其特征是电子束熔炼时要求真空度30～90Pa，感应熔炼温度1290～1330℃时，保持精炼时间30min。本发明的技术效果是：结合真空感应熔炼和电子束熔炼对铜进行二次提纯，并通过控制温度值和时间有效获得纯度达99.999％的铜，并且尽可能的减少铜的损失，提高铜的质量。