金属热还原法制取稀土金属.doc

金属热还原法制取稀土金属
(preparation of rare earth metal by metallot}letmic reduction)
在高温下用活性较稀土强的金属还原剂将稀土化合物还原成金属的过程。这是稀土金属制取的重要方法,所用的金属还原剂有钙、锂、镧和铈等。
原理用金属还原剂还原稀土化合物,只有当反应的自由能变化AG为负值时,还原反应方可进行。镁、钙、锂还原稀土卤化物和氧化物的AG值与温度的关系曲线如图。图中曲线表明,金属镁与稀土卤化物和氧化物反应的AG具有正值或较小的负值,而钙、锂与稀土卤化物反应的AG为负值。因此,钙、锂可作为还原剂将稀土卤化物还原成稀土金属。镧和铈能将其他稀土氧化物还原成金属。
稀土氟化物钙热还原法用还原剂金属钙将稀土氟化物还原金属的过程。主要用于制取钆、铽、镝、钬、铒、铥、镥、钇等稀土金属。有钙热直接还原法和钙热还原中间合金法之分,前者的还原反应为:
3Ca+2REF3=3CaF2+2RE
稀土氟化物原料的制备方法有氟氢酸沉淀法和氟化氢气体(或氟氢化铵)直接氟化法,前者为湿法,后者为火法。氟氢酸沉淀法是用氟氢酸从氯化稀土溶液中沉淀出稀土氟化物,经过滤、烘干、脱水处理制得作为还原用的原料。此法处理量大,设备投资小,但作业较多,沉淀物较难过滤,稀土金属产品的氧含量较高。氟化氢气体直接氟化法,是在
873~973K温度下使氟化氢气体与稀土氧化物作用生成还原用的稀土氟化
物。此法作业少,稀土金属产品的含氧量较低(%~%),但设备较复杂,投资较大。
(1)钙热直接还原法。用金属钙在高于欲制取稀土金属熔点的温度下,直接还原稀土氟化物制取致密状稀土金属的过程。将过量10%~15%的金属钙粒或钙屑和稀土氟化物混合,装入钽制或其他高熔点金属制造的还原坩埚中,于真空感应炉或真空电阻炉中在惰性气体保护下加热还原。还原温度约高于欲制取的稀土金属熔点50K,还原时间15~60min。准确还原时间视还原物料量而定。稀土金属收率为95%~98%。%~2%,经真空重熔,%以下。使用钽制还原坩埚时,%~%。稀土金属产品含氧、氮、碳、氟、硅、铁、%~l%,%以下。
(2)钙热还原中间合金法。还原炉料除金属钙和稀土氟化物外,还需添加一定数量的金属镁和氯化钙,先在低于欲制取的稀土金属熔点下还原制备低熔点稀土镁合金,再经蒸馏除镁制取稀土金属的方法。全过程包括还原制备稀土镁中间合金、合金蒸馏除镁制取块状稀土金属和块状金属熔铸成致密状金属三个步骤。钙还原剂过量10%~15%,镁和氯化钙分别按生成的稀土金属与镁的摩尔比为1:1、生成的CaF2与CaCl2的摩尔比为1:1的计算量加入。还原炉料盛装在用高熔点金属制造的坩埚内,坩埚置于外部加热的反应罐中进行还原。还原温度1223~1323K左右,蒸馏容器内压力保持在
5×10-2 Pa以下。制得的致密状稀土金属锭含Ca<%、Mg<%,%,金属直收率90%~95%。此法的工业化生产设备易于解决,但作业较多,需要添加金属镁和氯化钙。若改用锂还原剂,可不添加氯化钙,得到低熔点氟化锂渣。也可用Ca—Li合