金屬熱還原法
金屬熱還原法是利用金屬還原劑和稀土金屬鹵族化合物之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)制備稀土金屬。根據(jù)不同的金屬還原劑和還原工藝，金屬熱還原法可分為還原一我餾法和鈣熱還原法。熔點(diǎn)低而沸點(diǎn)高的稀土金屬，一般采用氯化物鈣熱還原法沸點(diǎn)低、熔點(diǎn)居中的稀土金屬，一般采用還原一蒸餾法;熔點(diǎn)高且沸點(diǎn)高的稀土金屬，一般采用氟化物鈣熱還原法。
還原蒸餾法是通過(guò)金屬鑭或者鈰將低沸點(diǎn)稀土的氧化物還原為稀土金屬，并在高溫真空條件下將稀土冷凝收集得到高純的稀土金屬，一般金屬純度達(dá)到99.99%以上。
還原蒸餾設(shè)備主要是真空感應(yīng)爐或真空電阻爐。真空感應(yīng)爐升溫、降溫速度快，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn);真空電阻爐雖然升溫速度慢，但電耗低、真空度低，單爐裝入量大，目前正處于推廣應(yīng)用階段。
鈣熱還原法是通過(guò)金屬鈣在高溫條件下將稀土氟化物或者氯化物還原為稀土金屬的制備方法，所制的稀土金屬純度能夠達(dá)到99.90%以上。
氯化物鈣熱還原設(shè)備可以是電阻爐也可以是感應(yīng)爐，因還原爐料化學(xué)性質(zhì)活潑，需配備真空系統(tǒng)和充氬氣設(shè)備。氟化物鈣熱還原設(shè)備可以是真空感應(yīng)爐也可以是真空電阻爐，要求冶煉設(shè)備溫度能夠達(dá)到1600℃，真空感應(yīng)爐較為理想。
金屬熱還原法的主要技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是：(1)流程短，可操作性強(qiáng);(2)工作環(huán)境好，粉塵少，污染小;(3)產(chǎn)品純度高。主要技術(shù)缺點(diǎn)是：(1)生產(chǎn)不連續(xù)，冶煉周期長(zhǎng)，產(chǎn)能小;(2)熔煉溫度高，需要保護(hù)氣氛，設(shè)備要求苛刻;(3)坩堝材料多為鎢、鉬、鉭等，生產(chǎn)成本高。
金屬熱還原法的主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見(jiàn)表2-21。
中間合金法
氯化物鈣熱還原法800~1100 80~92 5~9
氟化物鈣熱還原法1450~1750 83~94 6~10
中間合金法基于鈣熱還原稀土氟化物，在還原過(guò)程添加了能夠降低氟化鈣渣熔點(diǎn)的氯化鈣造渣劑，在爐料中添加了熔點(diǎn)低、蒸氣壓高的合金化組元金屬鎂，其顯著優(yōu)點(diǎn)是降低了鈣熱還原溫度。
中間合金法的主要設(shè)備包括真空還原設(shè)備、真空蒸餾設(shè)備和電弧熔煉設(shè)備。真空還原設(shè)備和真空蒸餾設(shè)備可以是感應(yīng)爐也可以是電阻爐。感應(yīng)爐應(yīng)用較為普遍，公稱(chēng)容量可達(dá)300kg，真空度達(dá)到10~+Pa。電弧熔煉設(shè)備多采用電弧爐，在惰性氣氛(氬氣)下利用電弧產(chǎn)生高溫將海綿態(tài)稀土金屬熔化為致密的金屬錠。
中間合金法的主要技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是：(1)相對(duì)于金屬熱還原法的1600℃左右，中間合金法的反應(yīng)溫度在1000℃左右，能耗低;(2)產(chǎn)品質(zhì)量好，收率高，可達(dá)到95%~97%;(3)可以使用鈦坩堝代替鎢、鉬和鉭等昂貴金屬。產(chǎn)品質(zhì)量控制要求較高是其主要不足。2.7.2.4 稀土金屬提純
工業(yè)純金屬是指用金屬熱還原法和熔鹽電解法大量制備的稀土含量在95%~99%的稀土金屬。工業(yè)純稀土金屬經(jīng)特殊工藝處理除去其中的雜質(zhì)得到純度高的稀土金屬稱(chēng)為高純稀土金屬，其稀土含量可以達(dá)到99.9%以上。
提純稀土金屬的主要方法有真空蒸餾法、區(qū)域熔煉法、電遷移法、電解精煉法，任何一種方法只能取出稀土金屬中的某些雜質(zhì)，需要根據(jù)雜質(zhì)的種類(lèi)和金屬純度的要求，選用幾種合適的提純方法相結(jié)合去除稀土金屬中的雜質(zhì)。
(1)真空蒸餾法。稀土金屬真空蒸餾提純是利用某些稀土金屬蒸氣壓高的特性，在高溫高真空下蒸餾使稀土金屬與雜質(zhì)分離進(jìn)行提純。該方法的主要特點(diǎn)是：1)雜質(zhì)元素和稀土揮發(fā)性差別要大，高溫高真空下雜質(zhì)元素能夠揮發(fā)逸出，或者將金屬蒸餾收集;2)對(duì)于蒸氣壓較低的稀土金屬，C、O、N雜質(zhì)元素去除難度大。
(2)區(qū)域熔煉法。區(qū)域熔煉提純是在一個(gè)被熔煉提純的錠料上造成一個(gè)或者多個(gè)熔區(qū)，熔區(qū)沿錠長(zhǎng)方向做多次定向移動(dòng)，使錠料中的雜質(zhì)重新分布，達(dá)到集中雜質(zhì)提純金屬的方法。
區(qū)域熔煉可采用感應(yīng)加熱或者電子轟擊加熱，所采用設(shè)備分別為高真空冷坩堝區(qū)域熔煉爐和高真空電子束熔煉爐。該方法的主要技術(shù)特點(diǎn)是：1)熔煉快捷，處理量大;2)金屬類(lèi)雜質(zhì)去除效果明顯，雜質(zhì)含量可下降數(shù)百倍;3)晶隙類(lèi)雜質(zhì)(N、0、C、H等)去除效果一般。
(3)電遷移法。電遷移法提純金屬是指利用固體(或者液體導(dǎo)體)中溶解的原子在直流電場(chǎng)的作用下能夠有順序地遷移的原理提純金屬。該方法的主要技術(shù)特點(diǎn)是：能夠有效除去稀土中0、C、N、H等雜質(zhì)以及部分金屬雜質(zhì)。
(4)電解精煉法。電解精煉法是將稀土金屬在一定的熔鹽體系中經(jīng)電解去除雜質(zhì)的提純方法，該方法的主要技術(shù)特點(diǎn)是：對(duì)于H、N、0晶隙雜質(zhì)和Al、Fe、Ta等金屬雜質(zhì)去除效果明顯，C含量變化不大，F(xiàn)含量略有增加。
稀土金屬提純主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2-22。
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