[发明专利]通过熔析定向凝固耦合提纯稀土金属的方法

说明书

本发明利用熔析‑定向凝固耦合法提纯稀土金属，包括如下步骤：将稀土金属与熔析剂在熔炼坩埚中加热至合金完全熔化温度，获得稀土合金液；将合金液倒入型壳中，相对于加热器向下缓慢移动型壳，以实现定向凝固；切除凝固末端杂质富集合金，得到提纯后的稀土金属。本发明方法克服了定向凝固对C、N、O等非金属杂质无提纯效果的缺点，实现稀土金属中主要杂质的全面脱除。在提纯过程中，熔析‑定向凝固耦合法无须采用高温、大的电流密度、多种工艺复杂组合等手段，因此具有低能耗、工艺操作简单等优点，可有效用于制备高纯稀土金属。

技术领域

本发明属于金属提纯领域；涉及一种提纯稀土金属的方法；更具体地，涉及一种通过熔析-定向凝固耦合提纯稀土金属的方法。

背景技术

稀土金属在高新技术领域应用广泛，尤其是高纯、超高纯稀土金属，作为研究开发及制备高性能稀土新材料与器件的关键基础材料，是获得高性能磁性材料、发光材料、能源材料、电子材料等功能材料的物质保障。如应用于超磁致伸缩材料的金属铽/镝、核反应中子吸收材料的金属钕、高性能磁蓄冷材料的金属铒/钬、最新报道的单原子磁体金属钬等等，对金属纯度及特定杂质含量都提出了极高的要求，无不体现出“金属纯度”与“材料性能”的紧密关联性，高纯/超高纯稀土金属作为关键核心基础材料在高新技术产业发展中的至关重要性。

然而，稀土金属化学性质异常活泼，提纯过程二次污染严重，工艺步骤多，设备要求高，相比于其它有色金属如铝、铜、铟等的低温甚至室温常压提纯而言，其提纯面临高温、超高真空、装置材料及提纯手段的制约等诸多因素，是冶金领域的一大难题。

高纯/超高纯稀土金属的制备可使用真空蒸馏、区域熔炼、定向凝固、固态电迁移等方法。真空蒸馏是利用稀土金属与杂质元素在某一温度下蒸气压及综合分离系数的差异，使高蒸气杂质部分优先挥发，低蒸气压杂质部分残留在坩埚内，稀土金属蒸发并在低温区冷凝获得高纯稀土金属的方法。该方法对Sm、Eu等高蒸气压稀土金属提纯效果较为显著，但在提纯Tb、Dy、Lu等高熔点类稀土金属时，高温辐射会造成冷凝器材料扩散污染和金属二次回熔问题；对La、Ce等低熔点低蒸气压类稀土金属，真空蒸馏法不适用。

区域熔炼、定向凝固及固态电迁移可用于低蒸气压稀土金属的深度提纯。固态电迁移是基于稀土金属导体内的杂质原子在直流电场作用下有顺序的选择性迁移，实现杂质的再分配，获得某一部分高纯金属的提纯技术。该方法能够有效去除稀土金属中的间隙杂质，但对设备真空度(＜10^-7Pa)、提纯金属原料(＞99.9wt.％)要求高，金属提纯量通常在100g以下、提纯周期长达几百小时，效率低下，仅适用于实验室制备，无法实现规模化工业生产。区域熔炼及定向凝固提纯原理类似，利用杂质在金属凝固态和熔融态中溶解度的差异，使杂质析出或改变分布的一种提纯方法，但对分配系数接近或大于1的非金属杂质去除效果不理想。

熔析法可有效用于提纯金属，其原理是利用杂质元素的偏析行为，将金属与熔析剂进行合金化处理，过饱和金属从熔体中重结晶析出，金属中的杂质元素偏析到熔析剂和稀土金属形成的合金液中，实现金属精炼的目的。Peshotan、S.Kotval等在1980年发明了一项利用铝作为熔剂提纯冶金硅方法的专利(专利US4193975)，该专利中提到当硅和铝的金属液在冷却的过程中，硅会以薄片的形式先在混合液中沉淀下来，再对其进行酸洗、造渣等后续多步净化处理可达到制作太阳能电池的要求。但该方法不适用于性质活泼的稀土金属，且存在原料及酸损失大等缺点。

专利CN104789991A提供了一种电解精炼及原位定向凝固制备高纯稀土金属的方法和装置。该方法将熔盐电解和定向凝固技术结合，对常见金属杂质去除效果良好，但该方法对气体及非金属杂质去除效果较差，且低水氧低杂质含量的电解质体系难获得，电解精炼得到的金属液与熔盐很难完全分离，导致无法获得高纯度稀土金属。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种通过熔析-定向凝固耦合提纯稀土金属的方法。