真空蒸餾法制備高純金屬釹的理論和工藝研究
經理論分析，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；在此基礎之上，首次研究了低溫范圍內( 1600 ～1800 ℃) 金屬釹真空蒸餾提純的工藝技術條件，研究表明: 在1650 ～1700 ℃，金屬釹的實際蒸餾速率可達到3 ～3.9 g·cm-2·h-1 ，工業(yè)級的粗金屬釹經過一次蒸餾提純雜質去除率最高可達80%以上，并利用該法制備得到了目前國內報道最高純度的金屬釹，Nd 絕對純度達99.951%(質量分數(shù)) (分析35 個雜質元素，按差減法計算) ，Nd 相對純度達99.9817%，O≤20 μg·g-1 ，C≤51 μg·g -1 ；從而證實真空蒸餾法是一種簡單、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、特性和應用研究是現(xiàn)代材料科學工程中的重要領域，而超高純稀土金屬在發(fā)現(xiàn)、研究、開發(fā)和制備先進功能材料中尤為重要，是重要的基礎材料，美、英、日等發(fā)達國家在該領域開展了大量研究工作，稀土金屬絕對純度達到99.99%～99.999%的水平；我國自20 世紀90 年代開始，重點開展了中重高純稀土金屬的制備技術研究，金屬絕對純度可達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，本項目組開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 等對該材料的磁性能是有害的，其他非稀土金類雜質如Si，Al，C，O，N 和P等均能導致材料Js，TC，HA的降低；此外大功率鹵素燈用材料對金屬釹純度有更高的要求。
目前，工業(yè)級金屬釹采用氟化物熔鹽體系氧化物電解工藝生產，稀土總量一般在99%～99.7%，純度一般在99%～99.5%，還遠達不到高純級的水平。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含量見表1。由表1 可看出，其蒸餾溫度高達2200 ℃，在此溫度下，具有較高蒸氣壓的雜質元素如Fe，Si，Al，Cu，Cr，Ni，Ti 等也同時會大量蒸發(fā)進入產品中，難以達到良好的提純效果，從表1 可見，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 對提純金屬造成嚴重的二次污染。Fort的研究也認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格的工藝過程控制，而且其工藝流程長而繁雜，較適用于實驗室制備。
表1 金屬釹蒸餾條件及雜質含量
國內在真空蒸餾法制備高純金屬釹研究方面未見報道，內蒙古大學李國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，驗證了其對各類雜質的去除效果，但由于提純原料純度不高和設備真空度低所限，工業(yè)級金屬釹經提純后Fe = 540 μg·g-1，C = 230μg·g-1，Ta = 50 μg·g-1，純度不高。
本文對金屬釹低溫真空蒸餾提純進行了理論分析，并以工業(yè)級電解金屬釹為對象，研究了低溫真空蒸餾提純金屬釹的工藝技術條件，制備得到了高純金屬釹。
4、結論
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 ℃ 的實際蒸餾速率可達3 ～3.9g·cm-2·h-1，工業(yè)級的粗金屬釹經過一次蒸餾其雜質去除率可達80% 以上，對氣體雜質和低蒸氣壓雜質的去除效果尤為理想，真空蒸餾法提純金屬釹在技術、提純效果和提純效率方面是切實可行的，是一種簡單、高效、提純效果好的高純金屬釹工業(yè)制備方法。
c、在國內首次采用真空蒸餾法進行提純金屬釹研究，采用工業(yè)級電解釹經一次蒸餾提純，金屬釹純度(分析35 個主要雜質) 達到99.951%，其中稀土雜質總量為182.6 × 10-6，17 個主要非稀土金屬雜質總量為198.5 × 10-6，O，N，C，S 氣體雜質分別達到20，16，51，20 μg·g-1。
