CN109055768A - 一种制备高纯金属钐的真空炉及其制备高纯金属钐的方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种制备高纯金属钐的真空炉及其制备高纯金属钐的方法，属稀土火法冶炼技术领域。所述一种制备高纯金属钐的真空炉包括冷凝坩埚(1)、坩埚(5)和分离器(6)，所述冷凝坩埚(1)、分离器(6)和坩埚(5)位于真空炉内，自上而下依次为冷凝坩埚(1)、分离器(6)和坩埚(5)，所述分离器(6)位于坩埚(5)中部或坩埚(5)之上。本发明利用金属钐蒸气压高于金属镧等蒸气压的特性，利用稀土金属蒸气的相变热，使得金属钐在分离器中经历多次蒸发和凝结分离低蒸气压的杂质，一次性制得高纯金属钐。具有工艺流程简单，收率高，产品纯度高，节约能源，生产效率高，易于工业化生产并可充分利用现有设备，对环境友好等有益效果。

Description

一种制备高纯金属钐的真空炉及其制备高纯金属钐的方法

技术领域

本发明涉及一种金属热还原-真空蒸馏联合法制备高纯稀土金属的装置及其制备方法，属稀土火法冶炼技术领域。

背景技术

高纯金属钐是制备高性能磁性材料Sm-Co合金的主要材料，钐还可用于核反应堆中吸收热中子，其质量，尤其是纯度对Sm-Co合金等的性能影响巨大。由钐铕钆富集物及其提取氧化铕后的钐钆富集物提取高纯金属钐，通常先萃取分离制备成高纯氧化钐，然后再用镧热、钙热等还原法制备成高纯金属钐，其生产工艺流程长而复杂，成本高，金属钐的纯度通常仅为2N-3N。

公开日为2008年11月19日，公开号为CN101307384A的中国专利申请公开了一种层馏法制备高纯稀土金属的工艺及装置，该工艺“通过一个层馏装置来完成，该装置包括保温套、多层挡板、导向环、冷凝盖板、支撑环几个部分，保温桶置于还原反应器上，由双层耐热金属环及保温材料构成，多层挡板放置于反应器上方，包括支撑环、隔板和连接件。保温桶上放置冷凝盖板和支撑环，用来冷凝和收集金属。以纯度为99％的普通稀土金属为原料直接进行蒸馏提纯，或以稀土氧化物为原料，用金属镧作还原剂，在同一设备中同时完成还原和蒸馏提纯，还原蒸馏过程中保持一定升温速率和真空度，在最终反应温度下保温一定时间。蒸馏提纯过程是本发明工艺及装置主要适用于制备稀土金属钐、铕、铥、镱的提纯”，取得了“金属收率＞93％，纯度＞99.99％”技术效果。该技术方案存在制备高纯稀土金属的装置结构复杂、挡板、支撑环、隔板和连接件等部件间间隔大、效率低、不便控制及使用单一稀土金属或氧化物为原料等缺陷。

公开日为2014年10月29日，公开号为CN104120288A的中国专利申请公开了一种直接热还原连续制备金属钐的方法，采用如下步骤：“将Sm2O3、Al、CaO或MgO混料，其中还原剂为Al可以用Ca或Si质量含量75％的Si-Fe合金代替，经过配料造球，然后将球团在流动的惰性气体或氮气气氛中进行高温还原反应，最后将由高温还原炉中流动的惰性载气或氮气携带出来的高温钐蒸汽冷凝，得到金属钐。本发明方法，取得了“采用了‘相对真空’手段，取消了真空***以及真空还原罐，实现了金属钐的连续生产，缩短了还原周期，提高了生产效率，金属钐的回收率可达97％以上；能耗显著降低，是一种低成本制备金属钐的节能型绿色新工艺；且操作简单，设备更简单要求低，降低了设备投资及操作成本”技术效果。

以上技术方案均存在制备金属钐时易堵塞、效率低、电耗高等缺陷。

发明内容

针对现有技术存在的上述缺陷，本发明提供一种制备高纯金属钐的装置，采用的技术方案为：

一种制备高纯金属钐的真空炉，包括冷凝坩埚1、分离器6和坩埚5，所述冷凝坩埚1、分离器6和坩埚5位于真空炉内，自上而下依次为冷凝坩埚1、分离器6和坩埚5。所述高纯金属钐为金属钐的纯度≥99.99％。

本发明制备高纯金属钐的真空炉优选技术方案之一，还包括上筛板4和/或下筛板7，所述上筛板4位于分离器6与冷凝坩埚1之间。所述下筛板7位于分离器6之下承托分离器6。

本发明制备高纯金属钐的真空炉再一优选技术方案，所述分离器6包括填料。填料自身及填料与外壳等之间的空隙为缝隙63。

本发明制备高纯金属钐的真空炉再一优选技术方案，还包括测温部件，所述测温部件嵌入缝隙63中。

本发明制备高纯金属钐的真空炉再一优选技术方案，所述填料由薄金属片制成。

本发明制备高纯金属钐的真空炉再一优选技术方案，所述薄金属片折成约120-150°角。所述薄金属片以折成约135°角为佳。

本发明制备高纯金属钐的真空炉再一优选技术方案，所述薄金属片至少一侧有折边。

本发明制备高纯金属钐的真空炉再一优选技术方案，所述薄金属片折边的宽度约为薄金属片高度的1-10倍。更优为1-5倍；以2-3倍为最优。

本发明制备高纯金属钐的真空炉再一优选技术方案，所述分离器6的材质为钨和/或钼、钽等不与金属钐反应的高熔点金属，以及它们的合金中至少一种。

本发明制备高纯金属钐的真空炉优选技术方案之一，还包括盖板12，所述盖板12盖合于冷凝坩埚1顶部。

本发明制备高纯金属钐的真空炉再一优选技术方案，还包括分离加热器。

本发明制备高纯金属钐的真空炉再一优选技术方案，所述分离加热器为第一分离加热器10和/或第二分离加热器17，所述第一分离加热器10包裹于分离器6的外周，所述第二分离加热器17位于填料之中。

本发明制备高纯金属钐的真空炉再一优选技术方案，所述坩埚5的横截面呈圆形或椭圆形、多边形之一。以圆形或矩形为更优。

本发明制备高纯金属钐的真空炉再一优选技术方案，所述分离器6的横截面呈圆形或椭圆形、多边形之一。

本发明制备高纯金属钐的真空炉再一优选技术方案，还包括阻挡物，所述阻挡物位于坩埚5内分离器6或下筛板7之下。

本发明还提供一种制备高纯金属钐的方法，包括以下步骤：

步骤一，将含钐原料9置于坩埚5中，并按前述制备高纯金属钐的真空炉安装；

步骤二，将真空炉内抽真空；

步骤三，开启加热器加热含钐原料9；

步骤四，控制分离器温度≥400℃，在冷凝坩埚1得到高纯金属钐3；

所述高纯金属钐的纯度≥99.99wt％。

本发明制备高纯金属钐的方法优选技术方案之一，所述填空炉内绝对压力≤0.1Pa。

本发明制备高纯金属钐的方法再一优选技术方案，所述含钐原料9为氧化钐与金属镧的混合物。

本发明制备高纯金属钐的方法再一优选技术方案，所述装有含钐原料9的坩埚加热至1200-1600℃(指坩埚5外壁温度，下同)。优选1300-1350℃。

本发明制备高纯金属钐的方法再一优选技术方案，所述分离器温度优选400-1000℃。所述分离器温度400-800℃更佳。所述分离器温度以700-800℃为最佳。

本发明制备高纯金属钐的方法再一优选技术方案，所述含钐原料9为氧化钐或钐钆混合氧化物，以及钐或钐钆的碳酸盐、草酸盐中至少一种。

本发明制备高纯金属钐的方法再一优选技术方案，所述含钐原料9还包括还原剂，所述还原剂为金属镧和/或金属铈、镧铈合金。

还包括步骤一之前将还原剂在真空炉中熔炼的步骤。更优的，还原剂在真空炉中于真空度0.1Pa～10Pa、温度1200℃～1400℃熔炼10～30分钟。

本发明制备高纯金属钐的方法再一优选技术方案，所述步骤四中还包括开启并调节分离加热器功率。

本发明制备高纯金属钐的方法再一优选技术方案，还包括步骤四中在反应结束时将含钐原料9的温度升至还原剂熔点以上。

本发明制备高纯金属钐的方法再一优选技术方案，还包括阻挡物，所述阻挡物位于坩埚5内钐原料9之上。优选还原剂。

本发明制备高纯金属钐的方法再一优选技术方案，还包括将在冷凝坩埚1得到高纯金属钐3作为含钐原料重复进行蒸馏的步骤得到更高纯度的金属钐。

本发明利用金属钐在一定温度下蒸气压远高于金属镧、金属钆等稀土杂质蒸气压及其它杂质蒸气压的特性，充分利用稀土金属蒸气的相变热以及分离加热器提供的热量，使得金属钐在分离器中经历多次蒸发和凝结，达到分离相同温度下低蒸气压的杂质的目的，一次性制得高纯金属钐。开启分离加热器供热提高了分离器的温度，避免分离器被完全堵塞，保证了金属钐被提纯所需要的通道和媒介，形成蒸发/凝结和供热的良性循环，提高了高纯金属钐的生产效率。具有工艺流程简单，收率高，产品纯度高，产量大，节约能源，生产效率高，易于使用多种原料工业化生产并可充分利用现有设备，对环境友好等有益效果。

附图说明

图1为实施例1、2真空炉内部结构示意图。

图2为实施例1分离器俯视示意图。

图3为实施例2分离器局部横截面示意图。

图4为实施例3分离器局部横截面示意图。

图5为实施例3真空炉内部结构示意图。

图6为实施例1、2、3工艺流程示意图。

具体实施方式

实施例1

参见图1、图2及图6。

制备高纯金属钐的真空中频感应炉或电阻炉(以下简称真空炉)，包括炉体16和出气口15，以及均位于炉体16内的冷凝坩埚1、上筛板4、坩埚5、分离器6、下筛板7、支点8、第一分离加热器10、盖板12和加热器13，从上到下依次为盖板12、冷凝坩埚1、坩埚5、上筛板4、分离器6和第一分离加热器10、加热器13等。所述分离器6和第一分离加热器10、下筛板7、支点8位于坩埚5内，若干个支点8固定在坩埚5的中部，下筛板7置于支点8上。所述下筛板7有若干个下通孔71，承托分离器6和第一分离加热器10。所述第一分离加热器10呈圆环状，功率可调，额定功率4kw，其内壁同时为分离器6的外壳，第一分离加热器10的外壁在坩埚5内可以方便地拆装。所述分离器6包括填料和缝隙63。在下筛板7之上、第一分离加热器10内放置由若干第一薄钼片66、第二薄钼片65及第三薄钼片61组成的填料。所述第一薄钼片66平直或至少一端还带有约呈90°折边。所述第二薄钼片65折成约120-150°角(以约135°角为佳)。所述第三薄钼片61为在第二薄钼片65的两端分别增加约呈90°的折边62。所述第一薄钼片66、第二薄钼片65及第三薄钼片61均用δ＝0.5mm钼板制成，所述折边62的高度为5mm，组装成分离器6后相邻薄钼片之间间距约5mm。组装成分离器6时各薄钼片两端的直边分别紧贴坩埚5或第一分离加热器10的内壁，相邻薄钼片之间相互接触。即若干块第一薄钼片66两端的直边紧贴第一分离加热器10或坩埚5左侧的内壁，第二薄钼片65的直边紧贴第一分离加热器10或坩埚5右侧的内壁；若干块第三薄钼片61位于第一薄钼片66与第二薄钼片65之间，各第三薄钼片61两端的折边62分别紧贴第一分离加热器10或坩埚5的内壁及右侧的第三薄钼片61或第二薄钼片65，使得相邻的第一薄钼片66、第二薄钼片65、第三薄钼片61、第一分离加热器10或坩埚5之间相互接触且相互之间有缝隙63，第三薄钼片61与第一薄钼片66之间采用条状薄钼片隔开。组装完填料后，第一薄钼片66、第二薄钼片65、第三薄钼片61依靠弹性相互挤住。所述包括“或坩埚5”的方案是指省略第一分离加热器10的情形。必要时还可以在第二薄钼片65与第一分离加热器10之间设置若干块第一薄钼片66。所述第一薄钼片66的折边及第三薄钼片61的折边62高度(即组成分离器6后相邻薄钼片之间的距离)约为薄钼片高度的1-10倍均有较好的分离效果。当折边62的宽度≥2倍高度时，折边62容易翻折成型；当折边62的宽度约为2-3倍高度时，第一分离加热器10开启至功率基本稳定后功率调整幅度较小，制备高纯金属钐的过程稳定、变化小。当折边62的宽度＜薄钼片高度等不宜采用折边形式时，可以采用无折边的第一薄钼片66和/或第二薄钼片65制作分离器6，相邻薄钼片之间采用厚度合适的窄金属条隔开。当折边62的宽度≥12倍高度时，第一分离加热器10功率波动变大；当折边62的宽度达到20-30倍高度时，易出现缝隙63绝大部分被堵塞现象。所述上筛板4的外径与坩埚5的内径相匹配，上筛板4有若干上通孔41，上筛板4位于坩埚5内置于分离器6上。所述冷凝坩埚1为钼管制成，伸入坩埚5内直接盖合在上筛板4上。所述盖板12有通孔11，盖板12盖合在冷凝坩埚1上。所述加热器13额定功率32kw，位于坩埚5之下和/或侧面。所述上筛板4、坩埚5、下筛板7、支点8及盖板12为稀土金属及合金生产中常用金属或合金材料制成，优选钨或钼、钽，以及它们的合金。上筛板4、坩埚5、分离器6、下筛板7、支点8及盖板12的材质可以不同。所述炉体16的侧壁设有出气口15。

制备高纯金属钐时，将预先经950-1250℃，≤0.1Pa(绝对压力，下同)条件下熔炼的金属镧在惰性气体保护下破碎成细屑，按镧过量系数为2与在200℃下烘干24小时后的约25kg钐钆混合氧化物混合并压制成密度约为4.5g/cm³的坯块。再将这些坯块装入坩埚5中成为制备高纯金属钐的含钐原料9。按前述组装真空炉。所述镧过量系数按理论上还原钐钆混合氧化物中稀土元素所需金属镧计算。实际上，金属镧等还原剂不足理论量时同样能够制备出高纯金属钐，但产品收率下降，效率低。

真空炉开始工作后，先抽真空并保持炉内绝对压力≤0.1Pa，加热器13提供热量将装有含钐原料9的坩埚5升温至1300-1600℃(指坩埚5外壁温度，下同)，控制含钐原料9中的还原剂不熔化，以镧作还原剂时1350-1540℃为佳，保温约8小时；并通过调节加热器13及第一分离加热器10的功率，控制分离器6内的温度约为600-1000℃，控制冷凝坩埚1外壁的温度约为150-350℃，必要时在反应基本结束后将坩埚5内剩余含钐原料9等物料的温度升高，使剩余的还原剂熔化。得到冷凝在冷凝坩埚1中的高纯金属钐。高纯金属钐收率＞93％。反应基本结束前控制将含钐原料9内的还原剂不熔化可以防止还原剂因液化与被还原物分离而降低高纯金属钐等的收率。之后将含钐原料9的温度升至约950℃，使剩余的金属镧液化后填充入金属钐蒸发后形成的空隙，使得液态金属镧与含钐原料9中剩余的氧化钐等充分接触，提高含钐原料9中钐钆混合氧化物的反应率。并有利于金属镧、金属钆、氧化物之间的分离。为了提高金属钐的收率，必要时将分离器的温度升至1000℃以上。

在抽真空及升温过程中，坩埚5内的空气及物料吸附的水等在较低温下逸出的低冷凝点气体经下通孔71、缝隙63、上通孔41、冷凝坩埚1、孔11及出气口15被真空***排出真空炉外。达到钐钆混合氧化物与金属镧的反应温度后，坩埚5内的钐钆混合氧化物逐步被金属镧还原成相应的钐钆混合金属。由于在一定温度下坩埚5中金属钐的蒸气压远高于金属钆、金属钇、稀土氧化物等的蒸气压，金属钐的蒸气自坩埚5逸出，金属钆等低蒸气压(难蒸发)的物质绝大部分留在坩埚5内。金属钐的蒸气及随金属钐的蒸气一起逸出少量的金属钆的蒸气等杂质，通过下筛板7的下通孔71上升至分离器6并沿缝隙63继续上升。与温度较低的各薄钼片(包括第一分离加热器10内表面及第一薄钼片66、第二薄钼片65及第三薄钼片61等，下同)接触后，一起凝结在各薄钼片的表面(可能堵塞少部分缝隙63)成为含少量杂质的固态和/或液态金属钐(以下统称含少量杂质金属钐)并释放相变热和显热。这些凝结在各薄钼片表面的含少量杂质金属钐受其后上升的金属钐等蒸气的相变热及显热、由各薄钼片等传导的来自第一分离加热器10等的热量作用，含少量杂质金属钐中的钐再次蒸发；含少量杂质金属钐中的金属钆等杂质相对于钐难以蒸发，大部分仍保留在分离器6中而与钐的蒸气分离，钐蒸气中的杂质进一步减少并继续沿缝隙63上升直到再次凝结成比之前更少杂质的金属钐。如此经过多次蒸发/凝结的循环，钐每蒸发/凝结一次，所含的金属钆等杂质就减少一次，直到金属钐的蒸气到达冷凝坩埚1内并凝固在冷凝坩埚1的内壁成高纯金属钐3。各薄钼片的表面成为金属钐等蒸发/凝结的主要介面。由于真空炉内及分离器6存在上低下高的温度梯度，难蒸发的金属钆及金属钇等杂质大部分留坩埚5内；少量随金属钐蒸气离开坩埚5的金属钆及金属钇等杂质大部分凝固成固体留在缝隙63中而进一步与金属钐分离。最终高纯金属钐蒸气在冷凝坩埚1及盖板12凝结成高纯金属钐3。

由于冷凝坩埚1上的盖板12可分离，在收集产品时可以方便地取出高纯金属钐。盖板12上的通孔11使得制备过程中未冷凝在冷凝坩埚1及盖板12的易蒸发杂质顺利地逸出而被真空***排出。

分离器6自下而上存在的温度梯度，还可以将分离器6底端温度较高处的热量传递到分离器6内较高的位置，提供金属钐蒸发所需要的部分热量。因此，当分离器6相对较低时关闭第一分离加热器10或省略第一分离加热器10等情况下本发明也能制备高纯金属钐，但产率下降。

分离器6及上筛板4还可以阻止被金属钐蒸气带出的氧化物颗粒等进入到最终产品高纯金属钐3中。

由于分离器6等的作用，使得钐在分离器6上多次进行蒸发/冷凝或蒸发/凝固的物理变化，将坩埚5中金属钐与杂质分离，有效减少了高纯金属钐中的杂质含量，一次性制得了高纯金属钐。由于只进行一次加热蒸发，相对于采用金属钐重蒸馏制备高纯金属钐的方法，不仅节省了金属钐多次蒸馏及制备设备重复升温所需的热量，也减少了重复取放原料及蒸馏产物所带来的清理坩埚等工作及金属钐在多次取放过程中被污染的可能性，减少了金属钐多次蒸馏及制备设备多次降温的时间，提高了人员及设备生产效率。因此，本发明消耗的能量远少于采用多次蒸馏制备高纯金属钐的方法。

使用上筛板4时便于将冷凝坩埚1中的高纯金属钐与分离器6中凝结的物料分离，还可以防止冷凝坩埚1中的高纯金属钐返回到分离器6。

将金属镧预先进行真空熔炼降低了原残留在金属镧中的金属钙等易蒸发非稀土杂质和其它较易蒸发的稀土杂质含量，减少了还原剂带入的杂质。有利于减少高纯金属钐中的非稀土杂质和提高高纯金属钐的纯度。

当冷凝器的温度为300～500℃时，冷凝的金属钐具有较大的结晶颗粒，于空气中稳定。

采用薄钼片等金属薄片制作分离器6中的填料易于折叠且不易堵塞上筛板4和下筛板7的通孔。将薄钼片折成约120-150°角在放置时不会倒并有较好弹性，便于组装分离器6。薄钼片有折边62时便于控制相邻薄钼片之间的距离使得两片薄钼片不会贴在一起，使得薄钼片所起传质、传热介质作用的效率得到提高。分离器6也可以全部采用第一薄钼片66制成。还可以用小薄钼片或条将更大的薄钼片隔开等方式保证薄钼片之间的距离。虽然第一薄钼片66较第三薄钼片61在制作时更简单，但在组装分离器6时使用第三薄钼片61较第一薄钼片66更方便。分离器6的材质既可以单独采用钨、钼、钽等不与金属钐反应的高熔点金属，也可以同时采用钨、钼、钽等多种金属，以及它们的合金中至少一种。所述构成填料的第一薄钼片66、第二薄钼片65及第三薄钼片61易安装和拆卸，便于在使用后清理回收残留物。

开启第一分离加热器10后缝隙63不易堵塞；其外壁在坩埚5内、薄钼片在第一分离加热器10内可以方便地将第一分离加热器10与分离器6进行拆装和安放。

由于第一分离加热器10供热便于控制分离器6的温度，保证了各薄钼片上固体金属钐的蒸发速度，避免分离器6中缝隙63被固体金属钐等堵塞，保证了金属钐等蒸气源源不断地通过分离器6而被提纯，同时有利于保证凝结于分离器6内的固体金属钐蒸发所需要的热量，即使分离器6中部分缝隙63暂时被固体金属钐等堵塞，由于有第一分离加热器10提供的热量也能很快恢复靠近第一分离加热器10的缝隙63通畅，使得依靠加热器13的热量产生于坩埚5的钐蒸气源源不断地进入分离器6，并向凝结在薄钼片上的金属钐提供热量，依靠来自第一分离加热器10及钐蒸气写携带的热量蒸发堵塞缝隙63的金属钐，恢复全部缝隙63的通畅，进而形成良性循环。在分离器6的高度较高时保证缝隙63不被堵塞，提高真空炉和高纯金属钐的生产效率。

在第一薄钼片66、第二薄钼片65及第三薄钼片61之间依靠弹性相互挤压形成稳定结构，相互之间没有连接件，容易拆卸和组装。同时便于清理残留物。也可以采用合适的螺栓、夹具等组装分离器6。

钐钆混合氧化物、熔炼前金属镧及高纯金属钐检测数据详见表一(表内各数据的单位均为wt％，其中稀土金属以元素计，稀土氧化物以氧化物计，下同)。

分离器6足够高或将在冷凝坩埚1得到高纯金属钐3作为含钐原料再次进行蒸馏可以获得纯度达99.999％的金属钐。

当全程关闭第一分离加热器10(相当于无第一分离加热器10)时，此时分离器6中金属钐蒸发所需热量完全由加热器13主要通过钐蒸气提供。必要时将坩埚5加热至1600℃以上。获得的高纯金属钐’纯度等与高纯金属钐基本相同，但保温时间延长至约11小时，收率约90％。

由于分离器6使得金属钐经历多次相变，有效分离了杂质，降低了蒸发温度和分离温度也降低了电耗。蒸发温度和分离温度的降低有助于提高杂质的分离效率。

从表一可以看出，无论是否开启第一分离加热器10所得高纯金属钐纯度等质量指标基本相同，但开启第一分离加热器10时产量、电耗等均优于未开启第一分离加热器10。开启第一分离加热器10时效率更高。

表一

实施例2

参见图1、图3及图6。

制备高纯金属钐的真空炉，包括炉壁16和出气口15，以及冷凝坩埚1、坩埚5、分离器6、下筛板7、支点8、盖板12、加热器13和第二分离加热器17，所述冷凝坩埚1、坩埚5、分离器6、下筛板7、支点8、盖板12和加热器13等均位于炉壁16内。所述出气口15位于炉壁16上部。所述加热器13额定功率30kw，位于最下端。加热器13之上为坩埚5，所述坩埚5侧壁有若干与第二分离加热器17大小匹配的孔。在坩埚5的中部固定有若干个支点8，下筛板7置于支点8上。所述下筛板7有若干个下通孔71。在下筛板7之上、坩埚5内的上部放置由许多薄钽片68组成的分离器6。所述薄钽片68的一端有折边62，部分薄钽片68有孔(图中未示出)。组成分离器6时，一块薄钽片68的折边62紧帖相邻的另一块薄钽片68折边62的背面，没有折边的一端聚拢在中间，有孔的薄钽片68套在第二分离加热器17上，若干薄钽片66组成近似圆柱体的分离器6。相邻的二块薄钽片68之间及各薄钽片68与坩埚5的内壁之间有缝隙63。总功率3kw的若干根第二分离加热器17，分别穿过坩埚5侧壁的孔伸入分离器6内，部分薄钽片68套在第二分离加热器17上。将多根第二分离加热器17分层放置使得控制分离器温度的效果更好，最好将1根第二分离加热器17垂直***分离器中心的缝隙63处并与各薄钽片68接触；此时第二分离加热器17提供的热量均匀地传递至各薄钽片68。也可以将热电偶等测温部件***分离器中心的缝隙63处。所述薄钽片68用δ＝1mm钼板制成，所述折边62的高度为15mm，组装成分离器6后相邻薄钼片之间最大间距约15mm。

所述冷凝坩埚1由钨管或钼管制成，其外径与坩埚5的内径相匹配，伸入坩埚5内直接盖合在分离器6上。所述盖板12有通孔11，盖板12盖合在冷凝坩埚1上。

使用时，将25kg纯度为99.82％的粗金属钐破碎成屑装入坩埚5中作为制备高纯金属钐的含钐原料粗金属钐9，再按前述组装真空炉。

组装好真空炉后，抽真空并保持炉内绝对压力≤0.1Pa，将装有粗金属钐的坩埚5外壁升温至约1000℃，并保温；再将坩埚5外壁升温至850-1200℃(使粗金属钐9的温度≥550℃)保温，优选1150-1200℃；并通过调节加热器13及第二分离加热器17的功率，控制分离器温度为400-850℃，控制冷凝坩埚1的温度为150-250℃，全过程约8小时，得到纯度为99.996wt％的高纯金属钐23.3kg。

在抽真空及升温过程中，炉壁16内的空气及在较低温下逸出的低冷凝点气体自出气口15被真空炉的真空***排出真空炉外。由于在一定温度下金属钐的蒸气压远高于金属钆等主要稀土金属杂质、稀土氧化物及非稀土杂质的蒸气压，金属钐以蒸气逸出，金属钆等相同温度下蒸气压低的物质大部分留在坩埚5内。金属钐的蒸气及随金属钐的蒸气一起逸出少量的金属钆的蒸气等杂质，上升至分离器6并沿缝隙63继续上升，与温度较低的薄钽片66接触后，一起凝结在薄钽片68的表面成为杂质含量少于粗金属钐9的金属钐(以下称含少量杂质金属钐)并释放相变热。这些凝结在薄钽片66表面的含少量杂质金属钐受其后继续凝结的钐等蒸气相变热及第二分离加热器17通过分离器6中薄钽片68传递的热量等作用，钐再次蒸发，含少量杂质金属钐中的金属钆等杂质大部分以固体形式与钐的蒸气分离，钐蒸气中的杂质进一步减少并继续沿缝隙63上升直到再次凝结成比含少量杂质金属钐更少杂质的金属钐。如此经过多次蒸发/凝结的循环。钐每蒸发一次，所含的金属钆等杂质就大幅减少一次，直到钐的蒸气到达冷凝坩埚1内并凝固在冷凝坩埚1的内壁成高纯金属钐3。薄钽片66成为金属钐蒸发/凝结和传热的媒体。蒸发出来的金属钆等杂质大部分在分离器6中凝固成固体而与金属钐分离。

管状的冷凝坩埚1在收集产品时可以方便地取出高纯金属钐；未冷凝的易蒸发杂质可以顺利地从冷凝坩埚1逸出而被真空***排出。

由于第二分离加热器17分层供热便于控制分离器6的温度梯度，避免分离器6中缝隙63被固体金属钐堵塞，提高了高纯金属钐的生产效率。

各原料及产品检测数据详见表二。

表二

序号	名称	粗金属钐	高纯金属钐	备注
					1	Y	＜0.010	＜0.0001
2	La	＜0.010	0.0002
					3	Ce	＜0.010	＜0.0001
4	Pr	＜0.010	＜0.0001
					5	Nd	＜0.010	＜0.0001
6	Sm	99.82	99.996
					7	Eu	＜0.010	＜0.0001
8	Gd	0.01	0.0002
					9	Tb	＜0.010	＜0.0001
10	Dy	＜0.010	＜0.0001
					11	Ho	＜0.010	＜0.0001
12	Er	＜0.010	＜0.0001
					13	Tm	＜0.010	＜0.0001
14	Yb	＜0.010	＜0.0001
					15	Lu	＜0.010	＜0.0010
16	RE	99.63	99.71
					17	Ca	0.003	0.0009
18	Al	0.0062	0.001
					19	Si	＜0.0050	＜0.0010
20	C	＜0.010	＜0.0050

实施例3

参见图4、图5及图6。

制备高纯金属钐的真空炉，包括炉壁16、炉壁16上部的出气口15，以及位于炉壁16内的冷凝坩埚1、上筛板4、坩埚5、分离器6、下筛板7、盖板12、加热器13、第一分离加热器10和第二分离加热器17。所述坩埚5位于最下端，横截面呈圆形或矩形。所述加热器13位于坩埚5的侧面下部，额定功率40kw。有若干个下通孔71的下筛板7盖在坩埚5的顶部。所述分离器6放置于下筛板7上，分离器6包括外壳64和填料67。所述填料67为Φ10-Φ12×1mm钨管对剖或4分后按钨管的纵边伸入相邻钨管内并靠住该钨管的内圆弧面、钨管的外圆弧面与相邻另一钨管的外圆弧面相靠，交替组成填料67并与坩埚5及第一分离加热器10的形状和大小相适应。所述外壳64沿钨管的纵向包裹在填料67的外周。相邻钨管之间及钨管与外壳64之间有间隙63。所述第一分离加热器紧裹在外壳64的外侧；若干根第二分离加热器17自上筛板4的上通孔41伸入间隙63中。所述第一分离加热器10与第二分离加热器17的总功率约8kw。有若干上通孔41的上筛板4位于分离器6之上。所述冷凝坩埚1由钨管制成，位于上筛板4之上。有通孔11的盖板12盖合在冷凝坩埚1上。也可以直接用未剖开的钨管、钼棒等直接制作填料67，即将钨管或钼棒的外圆弧面与相邻另一钨管或钼棒的外圆弧面相连方式制作分离器6。还可以采用方钨管等制作相对于前述用剖开的钨管制作的分离器6传热、传质的面积基本相同，体积更大，但便于***第二分离加热器17。

制备高纯金属钐时，将镧铈合金预先经950-1250℃，≤0.1Pa条件下熔炼的金属并在惰性气体保护下破碎成细屑，按镧铈合金过量系数为1.8与在400℃下焙烧2小时后的氧化钐约35kg混合并压制成密度约为4.1g/cm³的坯块成为制备高纯金属钐的含钐原料9。将含钐原料9装入坩埚5中并在含钐原料9上覆盖一层阻挡物镧屑(图中未示出。镧屑也可以用薄钼片、钨粒等代替)，再按前述组装制备高纯金属钐的真空炉。

真空炉开始工作后，抽真空并保持炉内绝对压力≤0.1Pa。先将坩埚5外壁的温度升至600-650℃并第一次保温，蒸发含钐原料9中在较低温下蒸气压高的杂质。之后将坩埚5外壁的温度升高至1100-1300℃并第二次保温，同时通过调节加热器13、第一分离加热器10及第二分离加热器17控制分离器6的温度为400-800℃，控制冷凝温度为150-350℃，约10小时得到纯度为99.999wt％的高纯金属钐约28kg。

在抽真空及升温、第一次保温过程中，含钐原料9中的空气等在较低温下逸出的气体或蒸气被真空炉的真空***排出真空炉外或冷凝在冷凝坩埚1之外。达到氧化钐与还原剂的反应温度后，坩埚5内的氧化钐逐步被镧铈合金还原成金属钐。在被还原成金属钐后，由于金属钐蒸气压的高，金属钐蒸发后的蒸气自坩埚5向上逸出，进入分离器6。含钐原料9中的稀土氧化物、镧铈合金及产生的低蒸气压稀土金属及其它低蒸气压杂质大部分以固体形式留在坩埚5中与金属钐的蒸气分离。金属钐蒸气进入分离器6沿缝隙63上升，在与分离器6接触后，金属钐蒸气连同一起逸出的少量其它稀土金属蒸气一同凝结在填料67上成为初步分离的金属钐。这些初步分离的金属钐随接受之后凝固的金属钐蒸气冷凝的相变热、分离加热器供给的热量等作用，再次成为钐蒸气沿缝隙63继续上升。初步分离的金属钐中难蒸发的其它稀土金属等杂质大部分以固体形式保留在分离器6而与钐蒸气分离。金属钐每蒸发/凝固一次，所含的金属镧等难蒸发杂质就大幅减少一次，经过多次蒸发/凝结，直到金属钐的蒸气到达冷凝坩埚1内并凝固在冷凝坩埚1的内壁成高纯金属钐3。填料67成为金属钐蒸发/凝结的载体，同时也起到传导热量的作用。

先将坩埚5外壁的温度升至500-650℃并保温，同时开启第一分离加热器10和第二分离加热器17，控制分离器6内的温度温度≥500℃，控制冷凝温度≥350℃，可以避免或减少含钐原料9中原有或随温度升高而产生的在较低温下蒸气压高的杂质冷凝在冷凝坩埚5中，有利于减少高纯金属钐3中杂质的含量。

控制分离器6采用较低的分离温度有利于减少高纯金属钐3中难蒸发杂质的含量。

采用钨管和/或钼管、钼棒等制作分离器6中的填料67可以充分利用管材或棒材的长度、钢性等制作高度较高的填料67，延长分离过程，更好地降低杂质含量。可以在现有真空炉的基础上进行改装后生产高纯金属钐产品。

由于钨管和/或钼管相互之间仅紧贴在一起，容易拆卸。

在真空炉中预先熔炼镧铈合金可以降低原残留在镧铈合金中的易蒸发杂质，减少了还原剂带入的杂质。

在含钐原料9上覆盖一层金属镧屑等阻挡物可以阻止大部分被钐蒸气带出的氧化物颗粒等进入到缝隙63和最终产品高纯金属钐3中。在最终金属镧熔化时有更多的液态镧与残余的氧化钐反应。有利于提高氧化镱的反应残余量。

使用下筛板7时可以方便地将坩埚7中残余物料与分离器6中的凝结物分开清理或回收。

由于冷凝坩埚1上有可分离的盖板12，在收集产品时可以方便地取出高纯金属钐。盖板12上的通孔11使得未冷凝的易蒸发杂质顺利地从冷凝坩埚1逸出而被真空***排出。

在第一分离加热器10及第二分离加热器17提供的热量保证了分离器6的温度使得缝隙63保持不被完全堵塞。当全程关闭第一分离加热器10及第二分离加热器17时，全程约12小时得到纯度为99.999wt％的高纯金属镱’约27.8kg。所得高纯金属镱’检测数据详见表三。从表三可以看出，高纯金属镱与高纯金属镱’质量基本相同。但制备过程波动更大，控制更困难。

各原料及产品检测数据详见表三。

表三

以上仅是本发明所列举的几种优选方式，本领域技术人员应理解，本发明实施方式并不限于以上几种，任何在本发明的基础上所作的等效变换(例如将草酸钐、碳酸钐、氢氧化钐等代替全部或部分氧化钐等用于含钐原料等；或者用钨粒等制作填料等)，均应属于本发明的范畴。

Claims (10)

1.一种制备高纯金属钐的真空炉，包括冷凝坩埚(1)、坩埚(5)和分离器(6)，所述冷凝坩埚(1)、分离器(6)和坩埚(5)位于真空炉内，自上而下依次为冷凝坩埚(1)、分离器(6)和坩埚(5)，所述分离器(6)位于坩埚(5)中部或坩埚(5)之上。

2.如权利要求1或2所述制备高纯金属钐的真空炉，其特征在于所述分离器(6)还包括填料。

3.如权利要求1或2所述制备高纯金属钐的真空炉，其特征在于所述填料由金属片制成。

4.如权利要求1-3任一所述制备高纯金属钐的真空炉，其特征在于所述金属片折成约120-150°角。所述薄金属片的折角以约135°角为佳。

5.如权利要求1或2所述制备高纯金属钐的真空炉，其特征在于，从上至下依次为盖板(12)、冷凝坩埚(1)、分离器(6)和坩埚(5)；所述坩埚(5)的横截面呈圆形或矩形，位于最下端；分离器(6)位于坩埚(5)之上，其形状及大小与坩埚(5)相适应，包括外壳(64)和填料(67)，外壳(64)和填料(67)之间及相邻填料(67)之间有缝隙(63)；所述填料(67)为对剖或4分的钨管和/或钼管构成，填料(61)按钨管和/或钼管的剖口纵边伸入另一钨管的剖口内、钨管的外圆弧面与另一钨管的外圆弧面相联，交替组成填料，所述外壳(64)沿钨管的纵向包裹在填料(61)的外周；相邻钨管之间及钨管与外壳(64)之间的间隙为缝隙(63)；有若干通孔(41)的上筛板(4)位于分离器(6)之上；所述冷凝坩埚(1)位于上筛板(4)之上；有通孔(11)的盖板(12)盖合在冷凝坩埚(1)上。

6.一种制备高纯金属钐的方法，包括以下步骤：

步骤一，将含钐原料(9)置于坩埚(5)中，并按权利要求1-5任一所述安装好制备高纯金属钐的真空炉；

步骤二，将真空炉内抽真空；

步骤三，加热含钐原料(9)；

步骤四，控制分离器(6)温度≥400℃得到高纯金属钐；

所述高纯金属钐的纯度≥99.99wt％。

7.如权利要求6所述制备高纯金属钐的方法，其特征在于将装有含钐原料(9)的坩埚(5)加热至1200-1600℃；或者将低纯度金属钐加热至≥550℃。

8.如权利要求6所述制备高纯金属钐的方法，其特征在于所述分离器温度为400-800℃。

9.如权利要求6所述制备高纯金属钐的方法，其特征在于所述含钐原料(9)包括氧化钐、钐钆混合氧化物，以及纯度低的金属钐中至少一种。

10.如权利要求6-9任一所述制备高纯金属钐的方法，其特征在于先将含钐原料(9)装入坩埚(5)中并组装真空炉；抽真空，再将装有含钐原料(9)的坩埚(5)升温至1200-850℃，控制冷凝温度150-350℃，得到纯度为99.99wt％的高纯金属钐。