本發(fā)明屬于真空冶金提純技術(shù)，具體涉及一種真空冶煉爐及一次連續(xù)還原蒸餾制備高純金屬鐿的方法。

背景技術(shù)：

真空冶煉爐通常用來(lái)冶煉合金鋼，一般由爐膛、電熱裝置、密封爐殼、真空系統(tǒng)、供電系統(tǒng)和控溫系統(tǒng)等組成。密封爐殼用碳鋼或不銹鋼焊成，可拆卸部件的接合面用真空密封材料密封；為防止?fàn)t殼受熱后變形和密封材料受熱變質(zhì)，爐殼一般用水冷或氣冷降溫。爐膛位于密封爐殼內(nèi)，根據(jù)爐子用途，爐膛內(nèi)部裝有不同類(lèi)型的加熱元件，如電阻、感應(yīng)線圈、電極和電子槍等。爐膛內(nèi)裝有坩堝，有的還裝有自動(dòng)澆注裝置和裝卸料的機(jī)械手等。真空系統(tǒng)主要由真空泵、真空閥門(mén)和真空計(jì)等組成，也可用高頻感應(yīng)加熱。感應(yīng)線圈中通入反復(fù)變化的電流，坩堝內(nèi)的金屬中產(chǎn)生渦流，渦流產(chǎn)生的熱量使金屬熔化；利用渦流冶煉金屬的優(yōu)點(diǎn)是整個(gè)能在真空中進(jìn)行，這樣就能防止空氣中的雜質(zhì)進(jìn)入金屬，可以冶煉高質(zhì)量的合金。

真空碳管爐是采用石墨為發(fā)熱體的高溫、高真空電阻爐，最高工作溫度可達(dá)2000℃～2400℃，廣泛應(yīng)用于無(wú)機(jī)材料(如陶瓷密封件、碳化硅、氧化鋯、氧化鋅、二氧化鋁等)及金屬材料(如硬質(zhì)合金)在真空或保護(hù)氣氛中燒結(jié)制備，也可用于稀土元素及其氧化物的提純處理及藍(lán)寶石退火處理。真空碳管爐采用立式結(jié)構(gòu)，由爐體、爐底升降機(jī)構(gòu)、真空系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)組成；爐體采用雙層水冷結(jié)構(gòu),內(nèi)外層為304不銹鋼,中間通水冷卻，爐內(nèi)發(fā)熱元件為石墨管,保溫元件為碳?xì)旨笆珡?fù)合結(jié)構(gòu)。

稀土元素由于其獨(dú)特的4f電子層結(jié)構(gòu)，被廣泛用于功能材料，稀土純度是影響其功能的重要因素。鐿是稀土元素之一，在地殼中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)只有0.00026％，鈰的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0046％。鐿在地殼中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)只有鈰的5.65％，與鏑大體相當(dāng)，約為其質(zhì)量分?jǐn)?shù)的60％。稀土鐿具備優(yōu)異的光電性能，其資源利用的持續(xù)發(fā)展在我國(guó)建設(shè)制造強(qiáng)國(guó)過(guò)程中有重要的意義，加強(qiáng)高純金屬鐿制備提純技術(shù)、工藝、裝備的研究與推廣應(yīng)用，對(duì)于發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、節(jié)能降耗、提高稀土鐿資源的綜合利用率，對(duì)構(gòu)建綠色制造體系意義重大。

高純金屬鐿被廣泛用于各種光電材料，金屬鐿一般由還原蒸餾制備獲得，金屬鐿精整，金屬鐿再次蒸餾提純獲得99.99％高純金屬鐿。獲得高純金屬鐿需要2次蒸餾過(guò)程。金屬鐿的蒸餾提純由于鐿蒸氣壓大，金屬蒸餾提純過(guò)程中，稀土金屬會(huì)有損失，降低了金屬鐿的收率。2次蒸餾電耗也要增高。因此，需探索一種新的一次還原蒸餾獲得高純金屬鐿蒸餾的方法，縮短工藝流程，降低電耗，減少蒸餾設(shè)備運(yùn)行時(shí)間，同時(shí)解決二次蒸餾過(guò)程中金屬鐿損失，金屬鐿收率顯著提高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種真空冶煉爐及一次連續(xù)還原蒸餾制備高純金屬鐿的方法，保證了蒸餾過(guò)程平穩(wěn)運(yùn)行，金屬鐿溢出率低，稀土收率高，同時(shí)有效的去除雜質(zhì)夾帶，使金屬鐿中鑭雜質(zhì)大大降低。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明使用的技術(shù)解決方案是：

一種真空冶煉爐，包括設(shè)置在真空冶煉爐的爐膛內(nèi)的金屬坩堝，其特征在于，金屬坩堝的上部設(shè)置有接收器，基礎(chǔ)原料放置在金屬坩堝內(nèi)，石墨發(fā)熱體位于金屬坩堝的外側(cè)；雙賽板設(shè)置在接收器內(nèi)側(cè)下端，雙賽板設(shè)置有兩層篩板，篩板開(kāi)有多個(gè)篩孔。

進(jìn)一步，雙賽板的材質(zhì)為鈦、鉬的單金屬或者合金。

進(jìn)一步，金屬坩堝采用鉬、鈦或鎢材質(zhì)的單金屬或者合金。

一種一次連續(xù)還原蒸餾制備高純金屬鐿的方法，包括：

采用真空冶煉爐，將基礎(chǔ)原料放入金屬坩堝內(nèi)，在真空冶煉爐的蒸餾體系溫度過(guò)渡段設(shè)置雙塞板；基礎(chǔ)原料包括高純氧化鐿和活性高于鐿的稀土金屬；

真空冶煉爐的爐膛抽真空至10pa以下，送電升溫，通過(guò)控制升溫速率、保溫時(shí)間升溫，活性高于鐿的稀土金屬通過(guò)熱化學(xué)反應(yīng)還原高純氧化鐿，生成金屬鐿經(jīng)雙塞板蒸餾后冷凝于接收器中，蒸餾完成后關(guān)閉擴(kuò)散泵，充氬氣，按照設(shè)定降溫速度和時(shí)間降溫至常溫。

優(yōu)選的，將基礎(chǔ)原料經(jīng)壓塊后放入金屬坩堝內(nèi)，活性高于鐿的稀土金屬采用鑭、鈰、釹或者釔金屬。

優(yōu)選的，高純氧化鐿、鑭金屬的重量比為1:0.7-1.3。

優(yōu)選的，蒸餾過(guò)程中，真空下，溫度800-900℃后，金屬鐿蒸氣上升進(jìn)入，雙塞板下部的第一層篩板，金屬鐿蒸氣首先冷凝于雙塞板下部的第一層篩板上；繼續(xù)升溫，鐿金屬蒸氣冷凝于第一層與第二層篩板之間；最后升溫，凝結(jié)的鐿金屬通過(guò)篩孔冷凝于接收器中。

優(yōu)選的，升溫速率、保溫時(shí)間：抽真空至10pa以下，送電升溫30～40min，升溫至200～600℃，保溫20～120min；繼續(xù)升溫20～50min，升溫至650～800℃，真空度1pa以下保溫20～120min；繼續(xù)升溫20～50min，升溫至800～900℃，真空度1pa以下保溫1～15h；繼續(xù)升溫2～15h，升溫至900～1300℃，真空度1pa以下保溫5～15h。

優(yōu)選的，降溫速度和時(shí)間：關(guān)閉擴(kuò)散泵，然后降溫50～200min，降溫至500～650℃，關(guān)機(jī)械泵，充氬氣冷卻至常溫。

本發(fā)明技術(shù)效果包括：

本發(fā)明提出的一次連續(xù)還原蒸餾高純金屬鐿提純方法，通過(guò)鑭熱還原高純氧化鐿，制備金屬鐿過(guò)程中，在蒸餾體系的過(guò)渡段設(shè)置鈦、鉬制雙塞板，通過(guò)控制升溫速率、保溫時(shí)間，使鐿金屬首先平穩(wěn)蒸發(fā)冷凝于第一層篩板上，繼續(xù)升溫，鐿金屬冷凝于第一層篩板與第二層篩板之間，最后升溫階段鐿金屬通過(guò)篩孔冷凝于接收器中，保證了蒸餾過(guò)程平穩(wěn)運(yùn)行，金屬鐿溢出率低，稀土收率高，同時(shí)有效的去除雜質(zhì)夾帶，使金屬鐿中鑭雜質(zhì)大大降低，金屬鐿純度能夠達(dá)到99.99％以上。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明中真空冶煉爐的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明中篩板的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

以下描述充分地示出本發(fā)明的具體實(shí)施方案，以使本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠?qū)嵺`和再現(xiàn)。

如圖1所示，是本發(fā)明中真空冶煉爐的結(jié)構(gòu)示意圖；如圖2所示，是本發(fā)明中篩板的結(jié)構(gòu)示意圖。

金屬坩堝1設(shè)置在真空冶煉爐的爐膛內(nèi)，接收器2安裝在金屬坩堝1的上部，基礎(chǔ)原料3放置在金屬坩堝1內(nèi)，石墨發(fā)熱體4位于坩堝1的外側(cè)。石墨發(fā)熱體4熱輻射在坩堝1再對(duì)基礎(chǔ)原料3進(jìn)行加熱。雙賽板5設(shè)置在接收器2內(nèi)側(cè)下端，雙賽板5設(shè)置有兩層篩板6，篩板6開(kāi)有多個(gè)篩孔。

雙賽板5的材質(zhì)采用鉬、鈦或鎢材質(zhì)的單金屬或者合金。金屬坩堝1采用鉬、鈦或鎢。鎢、鈦、鉬熔點(diǎn)高，在蒸餾溫度條件下不與金屬鐿形成合金，蒸氣壓低，不會(huì)污染金屬鐿。

一次連續(xù)還原蒸餾制備高純金屬鐿的方法，包括以下步驟：

步驟1：采用真空冶煉爐，將基礎(chǔ)原料3壓塊后放入金屬坩堝1內(nèi)，在蒸餾體系不同溫度過(guò)渡段設(shè)置鈦、鉬制雙塞板；

采用稀土元素中活性高于鐿的稀土金屬，通過(guò)熱化學(xué)反應(yīng)來(lái)還原高純氧化鐿。基礎(chǔ)原料包括高純氧化鐿(yb/tre>99.99％)、活性高于鐿的稀土金屬。本優(yōu)選實(shí)施例中，活性高于鐿的稀土金屬采用鑭屑，高純氧化鐿、鑭屑的重量比為1:0.7-1.3?；钚愿哂阼O的稀土金屬也可以采用鈰、釹、釔金屬。

步驟2：真空冶煉爐的爐膛抽真空至10pa以下，送電升溫，通過(guò)控制升溫速率、保溫時(shí)間升溫，金屬鑭通過(guò)鑭熱反應(yīng)(熱化學(xué)反應(yīng))還原高純氧化鐿，生成的金屬鐿經(jīng)雙塞板5蒸餾后冷凝于接收器中，蒸餾完成后關(guān)閉擴(kuò)散泵，充氬氣，按照設(shè)定降溫速度和時(shí)間降溫至常溫。

金屬鐿熔點(diǎn)824℃(lit.)，沸點(diǎn)1196℃(lit.)，蒸餾過(guò)程中，真空下，溫度800-900℃后，金屬鐿蒸氣上升進(jìn)入，雙塞板5下部的第一層篩板，金屬鐿蒸氣首先平穩(wěn)冷凝于雙塞板5下部的第一層篩板6上，繼續(xù)升溫，鐿金屬蒸氣冷凝于第一層與第二層篩板6之間，最后升溫，凝結(jié)的鐿金屬通過(guò)篩孔冷凝于接收器中。

升溫速率、保溫時(shí)間：抽真空至10pa以下，送電升溫30～40min，升溫至200～600℃，保溫20～120min；繼續(xù)升溫20～50min，升溫至650～800℃，真空度1pa以下保溫20～120min；繼續(xù)升溫20～50min，升溫至800～900℃，真空度1pa以下保溫1～15h；繼續(xù)升溫2～15h，升溫至900～1300℃，真空度1pa以下保溫5～15h。

設(shè)定降溫速度和時(shí)間：關(guān)閉擴(kuò)散泵，然后降溫50～200min，降溫至500～650℃，關(guān)機(jī)械泵，充氬氣冷卻至常溫。

采用上述步驟行高純金屬鐿的制備，蒸餾過(guò)程中運(yùn)行平穩(wěn)，夾雜物去除明顯，稀土純度達(dá)到99.99％，組織成分均勻，平均稀土收率為98％。

實(shí)施案例1：

高純氧化鐿與鑭屑按一定比例混合，壓塊，裝入真空冶煉爐，料塊上到金屬接收器過(guò)渡段分別設(shè)置ф6圓孔的鈦板，裝好接收器密封，抽真空至10pa，升溫30min到500℃，保溫120min，升溫到780℃，保溫3h，30min升溫到900℃,保溫3h，30min升溫到1150℃，保溫7h；斷電120min降溫至600℃，關(guān)機(jī)械泵，沖氬氣冷卻至常溫。

取出金屬取樣，成分分析結(jié)果如下：

y<0.00050，la0.00070，ce0.00050，pr<0.00050，nd<0.00050，sm<0.00050，eu0.0010，gd<0.00050，tb<0.00050，dy<0.00050，ho<0.00050，er<0.00050，tm<0.00050，lu<0.00050，yb/re99.99。

取樣金屬中存在多種稀土元素，鐿元素亦可以采用鈰、釹、釔稀土元素還原。

本發(fā)明所用的術(shù)語(yǔ)是說(shuō)明和示例性、而非限制性的術(shù)語(yǔ)。由于本發(fā)明能夠以多種形式具體實(shí)施而不脫離發(fā)明的精神或?qū)嵸|(zhì)，所以應(yīng)當(dāng)理解，上述實(shí)施例不限于任何前述的細(xì)節(jié)，而應(yīng)在隨附權(quán)利要求所限定的精神和范圍內(nèi)廣泛地解釋?zhuān)虼寺淙霗?quán)利要求或其等效范圍內(nèi)的全部變化和改型都應(yīng)為隨附權(quán)利要求所涵蓋。

技術(shù)特征：

1.一種真空冶煉爐，包括設(shè)置在真空冶煉爐的爐膛內(nèi)的金屬坩堝，其特征在于，金屬坩堝的上部設(shè)置有接收器，基礎(chǔ)原料放置在金屬坩堝內(nèi)，石墨發(fā)熱體位于金屬坩堝的外側(cè)；雙賽板設(shè)置在接收器內(nèi)側(cè)下端，雙賽板設(shè)置有兩層篩板，篩板開(kāi)有多個(gè)篩孔。

2.如權(quán)利要求1所述真空冶煉爐，其特征在于，雙賽板的材質(zhì)為鈦、鉬的單金屬或者合金。

3.如權(quán)利要求1所述真空冶煉爐，其特征在于，金屬坩堝采用鉬、鈦或鎢材質(zhì)的單金屬或者合金。

4.一種一次連續(xù)還原蒸餾制備高純金屬鐿的方法，包括：

采用真空冶煉爐，將基礎(chǔ)原料放入金屬坩堝內(nèi)，在真空冶煉爐的蒸餾體系溫度過(guò)渡段設(shè)置雙塞板；基礎(chǔ)原料包括高純氧化鐿和活性高于鐿的稀土金屬；

真空冶煉爐的爐膛抽真空至10pa以下，送電升溫，通過(guò)控制升溫速率、保溫時(shí)間升溫，活性高于鐿的稀土金屬通過(guò)熱化學(xué)反應(yīng)還原高純氧化鐿，生成金屬鐿經(jīng)雙塞板蒸餾后冷凝于接收器中，蒸餾完成后關(guān)閉擴(kuò)散泵，充氬氣，按照設(shè)定降溫速度和時(shí)間降溫至常溫。

5.如權(quán)利要求4所述一次連續(xù)還原蒸餾制備高純金屬鐿的方法，其特征在于，將基礎(chǔ)原料經(jīng)壓塊后放入金屬坩堝內(nèi)，活性高于鐿的稀土金屬采用鑭、鈰、釹或者釔金屬。

6.如權(quán)利要求5所述一次連續(xù)還原蒸餾制備高純金屬鐿的方法，其特征在于，高純氧化鐿、鑭金屬的重量比為1:0.7-1.3。

7.如權(quán)利要求4所述一次連續(xù)還原蒸餾制備高純金屬鐿的方法，其特征在于，蒸餾過(guò)程中，真空下，溫度800-900℃后，金屬鐿蒸氣上升進(jìn)入，雙塞板下部的第一層篩板，金屬鐿蒸氣首先冷凝于雙塞板下部的第一層篩板上；繼續(xù)升溫，鐿金屬蒸氣冷凝于第一層與第二層篩板之間；最后升溫，凝結(jié)的鐿金屬通過(guò)篩孔冷凝于接收器中。

8.如權(quán)利要求4所述一次連續(xù)還原蒸餾制備高純金屬鐿的方法，其特征在于，升溫速率、保溫時(shí)間：抽真空至10pa以下，送電升溫30～40min，升溫至200～600℃，保溫20～120min；繼續(xù)升溫20～50min，升溫至650～800℃，真空度1pa以下保溫20～120min；繼續(xù)升溫20～50min，升溫至800～900℃，真空度1pa以下保溫1～15h；繼續(xù)升溫2～15h，升溫至900～1300℃，真空度1pa以下保溫5～15h。

9.如權(quán)利要求4所述一次連續(xù)還原蒸餾制備高純金屬鐿的方法，其特征在于，降溫速度和時(shí)間：關(guān)閉擴(kuò)散泵，然后降溫50～200min，降溫至500～650℃，關(guān)機(jī)械泵，充氬氣冷卻至常溫。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明公開(kāi)了一種一次連續(xù)還原蒸餾制備高純金屬鐿的方法，包括：采用真空冶煉爐，將基礎(chǔ)原料壓塊放入金屬坩堝內(nèi)，在蒸餾體系不同溫度過(guò)渡段設(shè)置鈦、鉬制雙塞板；真空冶煉爐的爐膛抽真空至10Pa以下，送電升溫，通過(guò)控制升溫速率、保溫時(shí)間升溫，金屬鑭通過(guò)鑭熱還原高純氧化鐿，生成金屬鐿經(jīng)雙塞板蒸餾后冷凝于接收器中，蒸餾完成后關(guān)閉擴(kuò)散泵，充氬氣，按照設(shè)定降溫速度和時(shí)間降溫至常溫。本發(fā)明還公開(kāi)了一種真空冶煉爐。本發(fā)明保證了蒸餾過(guò)程平穩(wěn)運(yùn)行，金屬鐿溢出率低，稀土收率高，同時(shí)有效的去除雜質(zhì)夾帶，使金屬鐿中鑭雜質(zhì)大大降低。

技術(shù)研發(fā)人員：張先恒;劉玉寶;趙二雄;苗旭晨;陳國(guó)華;劉冉

受保護(hù)的技術(shù)使用者：包頭稀土研究院;瑞科稀土冶金及功能材料國(guó)家工程研究中心有限公司

技術(shù)研發(fā)日：2020.04.17

技術(shù)公布日：2020.07.17