[發明專利]通過熔析定向凝固耦合提純稀土金屬的方法

有效

• 申請號: 201710867158.2
• 申請日: 2017-09-22
• 公開（公告）號: CN109536744B
• 公開（公告）日: 2021-05-04
• 發明（設計）人: 張虎;陳少林;顏世宏;王志強;陳德宏;張小偉;苗睿瑛;吳道高;鐘嘉珉;楊宏博;李雅翀
• 申請（專利權）人: 有研稀土新材料股份有限公司;北京有色金屬研究總院
• 主分類號: C22B59/00
• 分類號: C22B59/00;C22B9/02
• 代理公司: 北京智橋聯合知識產權代理事務所(普通合伙) 11560
• 代理人: 侯桂麗

本發明利用熔析?定向凝固耦合法提純稀土金屬，包括如下步驟：將稀土金屬與熔析劑在熔煉坩堝中加熱至合金完全熔化溫度，獲得稀土合金液；將合金液倒入型殼中，相對于加熱器向下緩慢移動型殼，以實現定向凝固；切除凝固末端雜質富集合金，得到提純后的稀土金屬。本發明方法克服了定向凝固對C、N、O等非金屬雜質無提純效果的缺點，實現稀土金屬中主要雜質的全面脫除。在提純過程中，熔析?定向凝固耦合法無須采用高溫、大的電流密度、多種工藝復雜組合等手段，因此具有低能耗、工藝操作簡單等優點，可有效用于制備高純稀土金屬。

技術領域

本發明屬于金屬提純領域；涉及一種提純稀土金屬的方法；更具體地，涉及一種通過熔析-定向凝固耦合提純稀土金屬的方法。

背景技術

稀土金屬在高新技術領域應用廣泛，尤其是高純、超高純稀土金屬，作為研究開發及制備高性能稀土新材料與器件的關鍵基礎材料，是獲得高性能磁性材料、發光材料、能源材料、電子材料等功能材料的物質保障。如應用于超磁致伸縮材料的金屬鋱/鏑、核反應中子吸收材料的金屬釹、高性能磁蓄冷材料的金屬鉺/鈥、最新報道的單原子磁體金屬鈥等等，對金屬純度及特定雜質含量都提出了極高的要求，無不體現出“金屬純度”與“材料性能”的緊密關聯性，高純/超高純稀土金屬作為關鍵核心基礎材料在高新技術產業發展中的至關重要性。

然而，稀土金屬化學性質異常活潑，提純過程二次污染嚴重，工藝步驟多，設備要求高，相比于其它有色金屬如鋁、銅、銦等的低溫甚至室溫常壓提純而言，其提純面臨高溫、超高真空、裝置材料及提純手段的制約等諸多因素，是冶金領域的一大難題。

高純/超高純稀土金屬的制備可使用真空蒸餾、區域熔煉、定向凝固、固態電遷移等方法。真空蒸餾是利用稀土金屬與雜質元素在某一溫度下蒸氣壓及綜合分離系數的差異，使高蒸氣雜質部分優先揮發，低蒸氣壓雜質部分殘留在坩堝內，稀土金屬蒸發并在低溫區冷凝獲得高純稀土金屬的方法。該方法對Sm、Eu等高蒸氣壓稀土金屬提純效果較為顯著，但在提純Tb、Dy、Lu等高熔點類稀土金屬時，高溫輻射會造成冷凝器材料擴散污染和金屬二次回熔問題；對La、Ce等低熔點低蒸氣壓類稀土金屬，真空蒸餾法不適用。

區域熔煉、定向凝固及固態電遷移可用于低蒸氣壓稀土金屬的深度提純。固態電遷移是基于稀土金屬導體內的雜質原子在直流電場作用下有順序的選擇性遷移，實現雜質的再分配，獲得某一部分高純金屬的提純技術。該方法能夠有效去除稀土金屬中的間隙雜質，但對設備真空度(＜10^-7Pa)、提純金屬原料(＞99.9wt.％)要求高，金屬提純量通常在100g以下、提純周期長達幾百小時，效率低下，僅適用于實驗室制備，無法實現規模化工業生產。區域熔煉及定向凝固提純原理類似，利用雜質在金屬凝固態和熔融態中溶解度的差異，使雜質析出或改變分布的一種提純方法，但對分配系數接近或大于1的非金屬雜質去除效果不理想。

熔析法可有效用于提純金屬，其原理是利用雜質元素的偏析行為，將金屬與熔析劑進行合金化處理，過飽和金屬從熔體中重結晶析出，金屬中的雜質元素偏析到熔析劑和稀土金屬形成的合金液中，實現金屬精煉的目的。Peshotan、S.Kotval等在1980年發明了一項利用鋁作為熔劑提純冶金硅方法的專利(專利US4193975)，該專利中提到當硅和鋁的金屬液在冷卻的過程中，硅會以薄片的形式先在混合液中沉淀下來，再對其進行酸洗、造渣等后續多步凈化處理可達到制作太陽能電池的要求。但該方法不適用于性質活潑的稀土金屬，且存在原料及酸損失大等缺點。

專利CN104789991A提供了一種電解精煉及原位定向凝固制備高純稀土金屬的方法和裝置。該方法將熔鹽電解和定向凝固技術結合，對常見金屬雜質去除效果良好，但該方法對氣體及非金屬雜質去除效果較差，且低水氧低雜質含量的電解質體系難獲得，電解精煉得到的金屬液與熔鹽很難完全分離，導致無法獲得高純度稀土金屬。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明提供了一種通過熔析-定向凝固耦合提純稀土金屬的方法。