真空蒸馏法制备高纯金属钕的理论和工艺研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京有色金属研究总院稀土材料国家工程研究中心 作者:庞思明

  经理论分析,在1427 ~1827 ℃金属钕的饱和蒸气压为4 ~257 Pa,理论蒸馏速率为2 ~106 g·cm -2·h -1 ,具有较高的蒸气压和蒸馏速率,因此真空蒸馏法提纯金属钕在工艺上是可行的;在此基础之上,首次研究了低温范围内( 1600 ~1800 ℃) 金属钕真空蒸馏提纯的工艺技术条件,研究表明: 在1650 ~1700 ℃,金属钕的实际蒸馏速率可达到3 ~3.9 g·cm-2·h-1 ,工业级的粗金属钕经过一次蒸馏提纯杂质去除率最高可达80%以上,并利用该法制备得到了目前国内报道最高纯度的金属钕,Nd 绝对纯度达99.951%(质量分数) (分析35 个杂质元素,按差减法计算) ,Nd 相对纯度达99.9817%,O≤20 μg·g-1 ,C≤51 μg·g -1 ;从而证实真空蒸馏法是一种简单、高效、提纯效果好的高纯金属钕工业制备方法。

  超高纯金属制备、特性和应用研究是现代材料科学工程中的重要领域,而超高纯稀土金属在发现、研究、开发和制备先进功能材料中尤为重要,是重要的基础材料,美、英、日等发达国家在该领域开展了大量研究工作,稀土金属绝对纯度达到99.99%~99.999%的水平;我国自20 世纪90 年代开始,重点开展了中重高纯稀土金属的制备技术研究,金属绝对纯度可达99.9%~99.95%,但在高纯轻稀土金属制备方面还处于起步阶段,近期,本项目组开展了高纯金属钕的制备研究。金属钕作为NdFeB 永磁材料的主要原料,其中含有的La,Ce,Sm 等对该材料的磁性能是有害的,其他非稀土金类杂质如Si,Al,C,O,N 和P等均能导致材料Js,TC,HA的降低;此外大功率卤素灯用材料对金属钕纯度有更高的要求。

  目前,工业级金属钕采用氟化物熔盐体系氧化物电解工艺生产,稀土总量一般在99%~99.7%,纯度一般在99%~99.5%,还远达不到高纯级的水平。高纯金属钕的制备方法主要有真空蒸馏法和金属热还原法,如制备99.99%以上纯度金属钕还需采用区熔熔炼或固态电迁移法。1965 年,Daane等开展了真空蒸馏法制备高纯金属钕的研究,采用的工艺条件及金属杂质含量见表1。由表1 可看出,其蒸馏温度高达2200 ℃,在此温度下,具有较高蒸气压的杂质元素如Fe,Si,Al,Cu,Cr,Ni,Ti 等也同时会大量蒸发进入产品中,难以达到良好的提纯效果,从表1 可见,蒸馏金属中Fe,Si含量很高;且在此高温下,因其使用的钽坩埚在金属钕中溶解度较大,Ta 对提纯金属造成严重的二次污染。Fort的研究也认为金属钕的蒸气压太低,真空蒸馏法并不适用于金属钕的提纯。Beaudry 等曾开展了钙热还原法制备高纯金属钕的研究,得到的高纯钕中O = 35 μg·g-1,Ta = 25μg·g-1,该方法制备的金属钕纯度在很大程度上决定于高纯度原料和严格的工艺过程控制,而且其工艺流程长而繁杂,较适用于实验室制备。

表1 金属钕蒸馏条件及杂质含量

金属钕蒸馏条件及杂质含量

  国内在真空蒸馏法制备高纯金属钕研究方面未见报道,内蒙古大学李国栋课题组曾探索研究了区域熔炼、固态电迁移和区熔-电迁移联合法提纯金属钕,验证了其对各类杂质的去除效果,但由于提纯原料纯度不高和设备真空度低所限,工业级金属钕经提纯后Fe = 540 μg·g-1,C = 230μg·g-1,Ta = 50 μg·g-1,纯度不高。

  本文对金属钕低温真空蒸馏提纯进行了理论分析,并以工业级电解金属钕为对象,研究了低温真空蒸馏提纯金属钕的工艺技术条件,制备得到了高纯金属钕。

  4、结论

  a、理论分析表明: 在1427 ~1827 ℃,金属钕的饱和蒸气压为4 ~257 Pa,理论蒸馏速率为2 ~106 g·cm-2·h-1,该蒸气压和蒸馏速率从理论上可以满足真空蒸馏法提纯金属钕的要求。

  b、考察了金属钕在1550 ~1800 ℃温度下真空蒸馏的蒸发速率及提纯效果,研究表明: 金属钕在1650 ~1700 ℃ 的实际蒸馏速率可达3 ~3.9g·cm-2·h-1,工业级的粗金属钕经过一次蒸馏其杂质去除率可达80% 以上,对气体杂质和低蒸气压杂质的去除效果尤为理想,真空蒸馏法提纯金属钕在技术、提纯效果和提纯效率方面是切实可行的,是一种简单、高效、提纯效果好的高纯金属钕工业制备方法。

  c、在国内首次采用真空蒸馏法进行提纯金属钕研究,采用工业级电解钕经一次蒸馏提纯,金属钕纯度(分析35 个主要杂质) 达到99.951%,其中稀土杂质总量为182.6 × 10-6,17 个主要非稀土金属杂质总量为198.5 × 10-6,O,N,C,S 气体杂质分别达到20,16,51,20 μg·g-1

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