一種高純稀土金屬的提純裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種金屬的提純裝置和方法，更具體地說(shuō)涉及高純稀±金屬的提純裝 置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 銅系元素與同族的鑰和紀(jì)一起被稱(chēng)為稀±元素，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中扮演著舉足輕 重的角色。高純稀±通常是指純度高于99. 99 %的稀±金屬或化合物，主要應(yīng)用于光、電、 磁等功能材料。隨著電子、光學(xué)和光電子等尖端科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，高純稀±金屬材料的需求 量日益增大。為了開(kāi)發(fā)稀±金屬及其化合物新的特性，人們對(duì)原材料提出了更高的純度要 求，要求雜質(zhì)的含量為μg/g級(jí)甚至更低。影響功能材料性能的關(guān)鍵因素之一就是稀±金 屬及其化合物的純度，如磁致伸縮材料中氧含量超過(guò)1. 0X10 6時(shí)，其伸縮性能就幾乎喪失 殆盡。
[0003] 由于制備高純稀±金屬的原料中所含的雜質(zhì)元素不盡相同，稀±金屬的物理、化 學(xué)性質(zhì)也存在差異。目前人們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了真空烙煉、真空蒸傭、電解精煉、固態(tài)電遷移、區(qū) 域烙煉等幾種單獨(dú)或聯(lián)合方法用于提純稀±金屬，其原理主要分為兩種：一種是對(duì)被提純 稀±金屬中的雜質(zhì)元素進(jìn)行"再分布"，降低雜質(zhì)濃度而達(dá)到"純化"的目的；另一種是從被 提純金屬中直接"去除"雜質(zhì)元素而達(dá)到提純的效果。但是其中任何一種方法也只能去除 稀±金屬中的某些雜質(zhì)。送是因?yàn)檎婵照魝蚍ú荒軓氐兹コ滦┱魵鈮号c稀±金屬相同或 相近的雜質(zhì)元素，區(qū)域烙煉法也不能使稀±金屬中平衡分配系數(shù)接近1的雜質(zhì)與之良好分 離，固態(tài)電遷移法則僅對(duì)在直流電場(chǎng)作用下能快速遷移的0,N，H，C等間隙雜質(zhì)和少量擴(kuò)散 速度較快的過(guò)渡族元素起作用。為此人們往往將兩種或兩種W上的提純方法聯(lián)合應(yīng)用，W 期獲得盡可能高的提純度，懸浮區(qū)烙-電遷移聯(lián)合提純法就是送種想法的直接產(chǎn)物。
[0004] 《用區(qū)烙、電遷移和區(qū)烙-電遷移聯(lián)合法提純金屬欽的研究》（李國(guó)棟等，內(nèi)蒙古大 學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1997年11月，第28卷，第6期）通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)區(qū)烙提純對(duì)分離金 屬欽中的化、Mo、Si雜質(zhì)較為顯著，電遷移提純對(duì)分離金屬欽中的間隙雜質(zhì)C和快擴(kuò)散元 素化較為有利，而區(qū)烙-電遷移聯(lián)合提純法在分離金屬欽中的化、Mo、Si、C雜質(zhì)方面則 顯得更為有效、快速。
[0005] 《有色金屬提取冶金手冊(cè)-稀±金屬》（1993年03月第1版，潘葉金主編，冶金工 業(yè)出版社）記載了懸浮區(qū)烙-電傳輸聯(lián)合法提純稀±金屬的方法，將長(zhǎng)230mm、截面120mm2 的紀(jì)試樣垂直固定在水冷銅電極之間，下部電極用彈黃頂住，W便于試樣膨脹時(shí)向下移動(dòng)。 在氮?dú)鈿夥罩羞M(jìn)行區(qū)烙-電傳輸提純，通入直流電加熱至90(TC，電流密度為3A·πιπι2,電場(chǎng) 電壓為0.06V·cm1。烙區(qū)W24cm'hi的速度由下向上移動(dòng)。在電場(chǎng)中經(jīng)10次區(qū)烙后，從 提純前后的分析結(jié)果可W看出，該方法對(duì)去除化、化、Mg、Ni等雜質(zhì)有較好的效果。
[0006] 由此可見(jiàn)，將區(qū)烙和電遷移結(jié)合的方法對(duì)稀±提純有一定的效果。但是，該方法的 主要缺點(diǎn)有；1.生產(chǎn)批量小，采用此方法對(duì)試樣的尺寸有極大限制，一般采用直徑為10mm 或者截面為150mm2W下，長(zhǎng)度在250mmW內(nèi)的樣品。經(jīng)過(guò)多次提純后，雜質(zhì)并沒(méi)有從試樣 中消失，而是會(huì)遷移富集至試樣的兩端，所w通常會(huì)切除試樣的兩端，造成資源的浪費(fèi)，產(chǎn) 量更小。2.生產(chǎn)周期相對(duì)較長(zhǎng)，采用該方法提純一般時(shí)間為3-lOh。由于該方法不僅生產(chǎn) 周期長(zhǎng)，且產(chǎn)量較小，所W在生產(chǎn)上極少使用。
[0007] 近年來(lái)，電子束烙煉受到了人們的關(guān)注，其工作原理是將電子槍中的燈絲加熱到 一定溫度，燈絲表面發(fā)射電子，電子在負(fù)高壓作用下加速，轟擊陰極表面使陰極而發(fā)射電 子，電子在高壓靜電場(chǎng)中加速，之后經(jīng)過(guò)磁透鏡聚焦形成能量密度極高的電子束流，通過(guò)偏 轉(zhuǎn)掃描作用W特定的軌跡轟擊到水冷銅巧巧中的材料表面，電子的動(dòng)能大部分轉(zhuǎn)化為熱 能，產(chǎn)生極高的熱量，使材料烙化。由于電子束烙煉能量密度高，升溫迅速，提純過(guò)程可通過(guò) 功率變化調(diào)節(jié)溫度，并且電子束烙煉時(shí)采用冷巧巧，不會(huì)對(duì)烙融樣品產(chǎn)生二次污染，該項(xiàng)技 術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到多晶娃和難烙金屬的提純。
[0008] 中國(guó)專(zhuān)利《真空感應(yīng)電子束烙煉二次提純銅的方法》，申請(qǐng)?zhí)枮?01210112862. 4， 該專(zhuān)利運(yùn)用電子束技術(shù)二次提純銅，在真空環(huán)境下采用常規(guī)方法真空感應(yīng)烙煉和電子束烙 煉先后對(duì)4N的電解銅精煉，其特征是電子束烙煉時(shí)要求真空度30~90Pa，感應(yīng)烙煉溫度 1290~133(TC時(shí)，保持精煉時(shí)間30min。本發(fā)明的技術(shù)效果是：結(jié)合真空感應(yīng)烙煉和電子 束烙煉對(duì)銅進(jìn)行二次提純，并通過(guò)控制溫度值和時(shí)間有效獲得純度達(dá)99. 999%的銅，并且 盡可能的減少銅的損失，提高銅的質(zhì)量。
[0009] 此外，在制備稀±金屬的工藝過(guò)程中，應(yīng)注意避免樣品因處理流程復(fù)雜而產(chǎn)生二 次污染，目前提純稀±金屬的步驟有精煉、真空蒸傭、電遷移等，反復(fù)的出料和裝料，大大增 加了稀±金屬暴露在大氣中的時(shí)間，任何一個(gè)環(huán)節(jié)處理不當(dāng)均會(huì)給后續(xù)的提純工作帶來(lái)新 增難度，因此，短流程新型提純技術(shù)的開(kāi)發(fā)更適用于化學(xué)性質(zhì)活潑的稀±金屬。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的純度不易達(dá)標(biāo)、在提純中易引入其他雜質(zhì)、提純時(shí)間過(guò) 長(zhǎng)等問(wèn)題，本發(fā)明提供一種區(qū)烙-電遷移-電子束-稀±提純裝置和方法，充分利用Η種提 純方法的優(yōu)點(diǎn)，從而使得烙煉時(shí)間大為減少，得到的目標(biāo)產(chǎn)物純度高，更便于在生產(chǎn)實(shí)踐中 推廣應(yīng)用。
[0011] 本發(fā)明提供一種高純稀±金屬的提純裝置，所述裝置包括電子束發(fā)生裝置、腔室、 箱式水冷銅模、絕緣板、高純粗接頭、無(wú)氧銅電極基座和穩(wěn)壓電源，其中電子束發(fā)生裝置置 于腔室上方，腔室底部放置提純所用的工作平臺(tái)，工作平臺(tái)上放置箱式水冷銅模，在箱式水 冷銅模內(nèi)側(cè)設(shè)置絕緣舟，稀±金屬放于絕緣板上，掙入稀±金屬左右兩端的是高純粗接頭， 穿過(guò)絕緣舟的無(wú)氧銅電極基座的一端與高純粗接頭相連，另一端和腔室外的導(dǎo)線相連，導(dǎo) 線另一端連接穩(wěn)壓電源，電子束發(fā)生裝置釋放出的電子束打在下方的稀±金屬上。
[0012] 其中，絕緣舟側(cè)壁高于箱式水冷銅模；
[0013] 其中，所述的腔室一端連接抽氣系統(tǒng)，另一端連接充氣系統(tǒng)。
[0014] 所述的絕緣舟材質(zhì)為氮化測(cè)板，厚度為1-lOOmm，優(yōu)選2mm-50mm，再優(yōu)選 4mm-27mm。
[0015] 本發(fā)明還提供一種提純稀±的方法，其中上述本發(fā)明提供的稀±提純裝置提純稀 ±金屬。
[0016] 其中具體的提純步驟包括：
[0017]A.開(kāi)啟抽氣系統(tǒng)將電子束腔室內(nèi)的壓力抽至10 3~104Pa;
[001引B.開(kāi)啟電子束發(fā)生裝置，緩慢調(diào)節(jié)電子束功率至25~60kW，將電子束的烙區(qū)寬度 調(diào)為絕緣舟的寬度，烙區(qū)長(zhǎng)度為絕緣舟的長(zhǎng)度減去高純粗接頭兩端掙入稀±金屬的長(zhǎng)度， 將烙煉容器內(nèi)的稀±金屬部分融化；
[001引C.開(kāi)啟電遷移穩(wěn)壓電源，使稀±金屬在電場(chǎng)作用力下開(kāi)始遷移，直流電流密度為 10 ~lOOOA/W;
[0020] 化在步驟C進(jìn)行的同時(shí)，將電子束烙區(qū)的長(zhǎng)度縮小至1-lOmm，至左向右來(lái)回掃 描，掃描長(zhǎng)度為絕緣舟的長(zhǎng)度減去高純粗接頭兩端掙入稀±金屬的長(zhǎng)度，掃描速度為1~ lOOOum/s,持續(xù)時(shí)間為1~60min〇
[0021] W上方法所能提純的稀±金屬為銅、飾、錯(cuò)、欽、亂、鋪、銅、鐵、巧、錯(cuò)。
[0022] 針對(duì)蒸氣壓較高的稀±，在步驟A后通過(guò)充氣系統(tǒng)往腔室內(nèi)充入惰性氣體，至腔 室內(nèi)壓力為10 2~10 3Pa后再進(jìn)行步驟B。所述惰性氣體可W為氮?dú)饣虻獨(dú)?。所述的蒸?壓較高的稀±為銅、鋪、鐵或巧。
[0023] 首先，本發(fā)明所提供的稀±提純方法及裝置能同時(shí)實(shí)現(xiàn)電子束烙煉、區(qū)域烙煉和 電遷移Η種提純工藝。該方法不僅兼有區(qū)烙、電遷移結(jié)合的提純效果，在加入電子束后還體 現(xiàn)如下優(yōu)點(diǎn)：1.產(chǎn)量增大，一爐可W提純至少3kg的稀±金屬；2.在區(qū)烙和電遷移之前，先 進(jìn)行電子束提純，電子束提純的特點(diǎn)是讓蒸氣壓較高的雜質(zhì)元素從金屬液面直接逸出，不 同于雜質(zhì)元素的再分布，該方法直接減少了雜質(zhì)元素的絕對(duì)值，也減少了區(qū)烙和電遷移時(shí) 試樣兩端雜質(zhì)的富集；3.高純粗接頭掙入稀±金屬內(nèi)，不僅起到了固定稀±金屬的作用， 而且兩者接觸更加緊密，有利于提高電遷移效果；4.電子束加熱迅速，提純更加省時(shí)、快 速；5.Η種方法的集成，減少了產(chǎn)品暴露于大氣的時(shí)間，減少樣品二次污染，使得提純效果 更好。
[0024]其次，在裝置中引入氮化測(cè)板作為絕緣舟材料，其具有絕緣性好，烙點(diǎn)高的特點(diǎn)， 更重要的是由于氮化測(cè)板作為和稀±直接接觸的基底材料，其在提純稀±的過(guò)程中，引入 的雜質(zhì)少，從而保證了目標(biāo)稀±產(chǎn)物的純度高；
[00巧]第Η，對(duì)蒸氣壓較高、在烙煉過(guò)程中極易揮發(fā)損失的稀±金屬，如Dy、Tb、化、化 等，本發(fā)明采用充氣系統(tǒng)，將電子束提純方法能應(yīng)用到蒸氣壓較高的稀±金屬上，實(shí)現(xiàn)了對(duì) 上述較難處理稀±的提純。
【附圖說(shuō)明】
[0026] 圖1是本發(fā)明的稀±提純裝置示意圖。
[0027] 1、電子束發(fā)生裝置；2、電子束腔室；3、電子束；4、稀±金屬；5、絕緣板；6、箱式水 冷銅模；7、高純粗接頭；8、無(wú)氧銅電極基座；9、抽氣系統(tǒng)；10、充氣系統(tǒng)；11、穩(wěn)壓電源
[0028] 圖2是本發(fā)明的稀±提純裝置局部放大圖。
[0029] 圖3是區(qū)烙設(shè)備示意圖。
[0030] 1、料舟；2、感應(yīng)圈；3、石英管；4、真空計(jì)；5、充氮閥；6、水管接頭
[0031]圖4是水平夾料電傳輸設(shè)備示意圖
[0032] 1、真空室；2、粗質(zhì)料夾；3、待提純料棒；4、稀±金屬料夾、K陰極；A陽(yáng)極
[0033] 圖5現(xiàn)有技術(shù)中懸浮區(qū)烙-電遷移聯(lián)合法提純裝置示意圖