真空蒸餾法制備高純金屬釹的理論和工藝研究
經(jīng)理論分析，在1427 ～1827 ℃金屬釹的飽和蒸氣壓為4 ～257 Pa，理論蒸餾速率為2 ～106 g·cm -2·h -1 ，具有較高的蒸氣壓和蒸餾速率，因此真空蒸餾法提純金屬釹在工藝上是可行的；在此基礎(chǔ)之上，首次研究了低溫范圍內(nèi)( 1600 ～1800 ℃) 金屬釹真空蒸餾提純的工藝技術(shù)條件，研究表明: 在1650 ～1700 ℃，金屬釹的實(shí)際蒸餾速率可達(dá)到3 ～3.9 g·cm-2·h-1 ，工業(yè)級(jí)的粗金屬釹經(jīng)過(guò)一次蒸餾提純雜質(zhì)去除率最高可達(dá)80%以上，并利用該法制備得到了目前國(guó)內(nèi)報(bào)道最高純度的金屬釹，Nd 絕對(duì)純度達(dá)99.951%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (分析35 個(gè)雜質(zhì)元素，按差減法計(jì)算) ，Nd 相對(duì)純度達(dá)99.9817%，O≤20 μg·g-1 ，C≤51 μg·g -1 ；從而證實(shí)真空蒸餾法是一種簡(jiǎn)單、高效、提純效果好的高純金屬釹工業(yè)制備方法。
超高純金屬制備、特性和應(yīng)用研究是現(xiàn)代材料科學(xué)工程中的重要領(lǐng)域，而超高純稀土金屬在發(fā)現(xiàn)、研究、開(kāi)發(fā)和制備先進(jìn)功能材料中尤為重要，是重要的基礎(chǔ)材料，美、英、日等發(fā)達(dá)國(guó)家在該領(lǐng)域開(kāi)展了大量研究工作，稀土金屬絕對(duì)純度達(dá)到99.99%～99.999%的水平；我國(guó)自20 世紀(jì)90 年代開(kāi)始，重點(diǎn)開(kāi)展了中重高純稀土金屬的制備技術(shù)研究，金屬絕對(duì)純度可達(dá)99.9%～99.95%，但在高純輕稀土金屬制備方面還處于起步階段，近期，本項(xiàng)目組開(kāi)展了高純金屬釹的制備研究。金屬釹作為NdFeB 永磁材料的主要原料，其中含有的La，Ce，Sm 等對(duì)該材料的磁性能是有害的，其他非稀土金類(lèi)雜質(zhì)如Si，Al，C，O，N 和P等均能導(dǎo)致材料Js，TC，HA的降低；此外大功率鹵素?zé)粲貌牧蠈?duì)金屬釹純度有更高的要求。
目前，工業(yè)級(jí)金屬釹采用氟化物熔鹽體系氧化物電解工藝生產(chǎn)，稀土總量一般在99%～99.7%，純度一般在99%～99.5%，還遠(yuǎn)達(dá)不到高純級(jí)的水平。高純金屬釹的制備方法主要有真空蒸餾法和金屬熱還原法，如制備99.99%以上純度金屬釹還需采用區(qū)熔熔煉或固態(tài)電遷移法。1965 年，Daane等開(kāi)展了真空蒸餾法制備高純金屬釹的研究，采用的工藝條件及金屬雜質(zhì)含量見(jiàn)表1。由表1 可看出，其蒸餾溫度高達(dá)2200 ℃，在此溫度下，具有較高蒸氣壓的雜質(zhì)元素如Fe，Si，Al，Cu，Cr，Ni，Ti 等也同時(shí)會(huì)大量蒸發(fā)進(jìn)入產(chǎn)品中，難以達(dá)到良好的提純效果，從表1 可見(jiàn)，蒸餾金屬中Fe，Si含量很高；且在此高溫下，因其使用的鉭坩堝在金屬釹中溶解度較大，Ta 對(duì)提純金屬造成嚴(yán)重的二次污染。Fort的研究也認(rèn)為金屬釹的蒸氣壓太低，真空蒸餾法并不適用于金屬釹的提純。Beaudry 等曾開(kāi)展了鈣熱還原法制備高純金屬釹的研究，得到的高純釹中O = 35 μg·g-1，Ta = 25μg·g-1，該方法制備的金屬釹純度在很大程度上決定于高純度原料和嚴(yán)格的工藝過(guò)程控制，而且其工藝流程長(zhǎng)而繁雜，較適用于實(shí)驗(yàn)室制備。
表1 金屬釹蒸餾條件及雜質(zhì)含量
國(guó)內(nèi)在真空蒸餾法制備高純金屬釹研究方面未見(jiàn)報(bào)道，內(nèi)蒙古大學(xué)李國(guó)棟課題組曾探索研究了區(qū)域熔煉、固態(tài)電遷移和區(qū)熔-電遷移聯(lián)合法提純金屬釹，驗(yàn)證了其對(duì)各類(lèi)雜質(zhì)的去除效果，但由于提純?cè)霞兌炔桓吆驮O(shè)備真空度低所限，工業(yè)級(jí)金屬釹經(jīng)提純后Fe = 540 μg·g-1，C = 230μg·g-1，Ta = 50 μg·g-1，純度不高。
本文對(duì)金屬釹低溫真空蒸餾提純進(jìn)行了理論分析，并以工業(yè)級(jí)電解金屬釹為對(duì)象，研究了低溫真空蒸餾提純金屬釹的工藝技術(shù)條件，制備得到了高純金屬釹。
4、結(jié)論
a、理論分析表明: 在1427 ～1827 ℃，金屬釹的飽和蒸氣壓為4 ～257 Pa，理論蒸餾速率為2 ～106 g·cm-2·h-1，該蒸氣壓和蒸餾速率從理論上可以滿足真空蒸餾法提純金屬釹的要求。
b、考察了金屬釹在1550 ～1800 ℃溫度下真空蒸餾的蒸發(fā)速率及提純效果，研究表明: 金屬釹在1650 ～1700 ℃ 的實(shí)際蒸餾速率可達(dá)3 ～3.9g·cm-2·h-1，工業(yè)級(jí)的粗金屬釹經(jīng)過(guò)一次蒸餾其雜質(zhì)去除率可達(dá)80% 以上，對(duì)氣體雜質(zhì)和低蒸氣壓雜質(zhì)的去除效果尤為理想，真空蒸餾法提純金屬釹在技術(shù)、提純效果和提純效率方面是切實(shí)可行的，是一種簡(jiǎn)單、高效、提純效果好的高純金屬釹工業(yè)制備方法。
c、在國(guó)內(nèi)首次采用真空蒸餾法進(jìn)行提純金屬釹研究，采用工業(yè)級(jí)電解釹經(jīng)一次蒸餾提純，金屬釹純度(分析35 個(gè)主要雜質(zhì)) 達(dá)到99.951%，其中稀土雜質(zhì)總量為182.6 × 10-6，17 個(gè)主要非稀土金屬雜質(zhì)總量為198.5 × 10-6，O，N，C，S 氣體雜質(zhì)分別達(dá)到20，16，51，20 μg·g-1。
