CN105331833A - 一种高纯稀土金属的提纯装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高纯稀土金属的提纯装置及方法，该装置包括电子束发生装置、腔室、箱式水冷铜模、绝缘板、高纯钽接头、无氧铜电极基座和稳压电源，其中电子束发生装置置于腔室上方，腔室底部放置提纯所用的工作平台，工作平台上放置箱式水冷铜模，在箱式水冷铜模的内侧壁和底部铺放绝缘板，稀土金属放于绝缘板上，与稀土金属左右两端紧密接触的高纯钽接头镶嵌于绝缘板内，通过无氧铜电极基座和腔室外的导线相连，导线另一端连接稳压电源，电子束发生装置释放出的电子束打在下方的稀土金属上。该方法包括：采用本申请提供的装置提纯稀土。该装置充分集成三种提纯方法的优点，从而使得熔炼时间大为减少，得到的目标产物纯度高。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属的提纯装置和方法，更具体地说涉及高纯稀土金属的提纯装置和方法。
背景技术
镧系元素与同族的钪和钇一起被称为稀土元素，在国民经济发展中扮演着举足轻重的角色。高纯稀土通常是指纯度高于99.99％的稀土金属或化合物，主要应用于光、电、磁等功能材料。随着电子、光学和光电子等尖端科学技术的发展，高纯稀土金属材料的需求量日益增大。为了开发稀土金属及其化合物新的特性，人们对原材料提出了更高的纯度要求，要求杂质的含量为μg/g级甚至更低。影响功能材料性能的关键因素之一就是稀土金属及其化合物的纯度，如磁致伸缩材料中氧含量超过1.0×10-6时，其伸缩性能就几乎丧失殆尽。
由于制备高纯稀土金属的原料中所含的杂质元素不尽相同，稀土金属的物理、化学性质也存在差异。目前人们已经开发出了真空熔炼、真空蒸馏、电解精炼、固态电迁移、区域熔炼等几种单独或联合方法用于提纯稀土金属，其原理主要分为两种：一种是对被提纯稀土金属中的杂质元素进行“再分布”，降低杂质浓度而达到“纯化”的目的；另一种是从被提纯金属中直接“去除”杂质元素而达到提纯的效果。但是其中任何一种方法也只能去除稀土金属中的某些杂质。这是因为真空蒸馏法不能彻底去除那些蒸气压与稀土金属相同或相近的杂质元素，区域熔炼法也不能使稀土金属中平衡分配系数接近1的杂质与之良好分离，固态电迁移法则仅对在直流电场作用下能快速迁移的O,N,H,C等间隙杂质和少量扩散速度较快的过渡族元素起作用。为此人们往往将两种或两种以上的提纯方法联合应用,以期获得尽可能高的提纯度,悬浮区熔-电迁移联合提纯法就是这种想法的直接产物。
《用区熔、电迁移和区熔-电迁移联合法提纯金属钕的研究》(李国栋等，内蒙古大学学报(自然科学版)，1997年11月，第28卷，第6期)通过实验发现区熔提纯对分离金属钕中的Fe、Mo、Si杂质较为显著,电迁移提纯对分离金属钕中的间隙杂质C和快扩散元素Fe较为有利,而区熔-电迁移联合提纯法在分离金属钕中的Fe、Mo、Si、C杂质方面则显得更为有效、快速。
《有色金属提取冶金手册-稀土金属》(1993年03月第1版，潘叶金主编，冶金工业出版社)记载了悬浮区熔-电传输联合法提纯稀土金属的方法，将长230mm、截面120mm2的钇试样垂直固定在水冷铜电极之间，下部电极用弹簧顶住，以便于试样膨胀时向下移动。在氦气气氛中进行区熔-电传输提纯，通入直流电加热至900℃，电流密度为3A·mm-2，电场电压为0.06V·cm-1。熔区以24cm·h-1的速度由下向上移动。在电场中经10次区熔后，从提纯前后的分析结果可以看出，该方法对去除Fe、Cu、Mg、Ni等杂质有较好的效果。
由此可见，将区熔和电迁移结合的方法对稀土提纯有一定的效果。但是，该方法的主要缺点有：1.生产批量小，采用此方法对试样的尺寸有极大限制，一般采用直径为10mm或者截面为150mm2以下，长度在250mm以内的样品。经过多次提纯后，杂质并没有从试样中消失，而是会迁移富集至试样的两端，所以通常会切除试样的两端，造成资源的浪费，产量更小。2.生产周期相对较长，采用该方法提纯一般时间为3-10h。由于该方法不仅生产周期长，且产量较小，所以在生产上极少使用。
近年来，电子束熔炼受到了人们的关注，其工作原理是将电子枪中的灯丝加热到一定温度，灯丝表面发射电子，电子在负高压作用下加速，轰击阴极表面使阴极而发射电子，电子在高压静电场中加速，之后经过磁透镜聚焦形成能量密度极高的电子束流，通过偏转扫描作用以特定的轨迹轰击到水冷铜坩埚中的材料表面，电子的动能大部分转化为热能，产生极高的热量，使材料熔化。由于电子束熔炼能量密度高，升温迅速，提纯过程可通过功率变化调节温度，并且电子束熔炼时采用冷坩埚，不会对熔融样品产生二次污染，该项技术已经广泛地应用到多晶硅和难熔金属的提纯。
中国专利《真空感应电子束熔炼二次提纯铜的方法》，申请号为201210112862.4，该专利运用电子束技术二次提纯铜，在真空环境下采用常规方法真空感应熔炼和电子束熔炼先后对4N的电解铜精炼，其特征是电子束熔炼时要求真空度30～90Pa，感应熔炼温度1290～1330℃时，保持精炼时间30min。本发明的技术效果是：结合真空感应熔炼和电子束熔炼对铜进行二次提纯，并通过控制温度值和时间有效获得纯度达99.999％的铜，并且尽可能的减少铜的损失，提高铜的质量。
此外，在制备稀土金属的工艺过程中，应注意避免样品因处理流程复杂而产生二次污染，目前提纯稀土金属的步骤有精炼、真空蒸馏、电迁移等，反复的出料和装料，大大增加了稀土金属暴露在大气中的时间，任何一个环节处理不当均会给后续的提纯工作带来新增难度，因此，短流程新型提纯技术的开发更适用于化学性质活泼的稀土金属。
发明内容
为了解决现有技术存在的纯度不易达标、在提纯中易引入其他杂质、提纯时间过长等问题，本发明提供一种区熔-电迁移-电子束-稀土提纯装置和方法，充分利用三种提纯方法的优点，从而使得熔炼时间大为减少，得到的目标产物纯度高，更便于在生产实践中推广应用。
本发明提供一种高纯稀土金属的提纯装置，所述装置包括电子束发生装置、腔室、箱式水冷铜模、绝缘板、高纯钽接头、无氧铜电极基座和稳压电源，其中电子束发生装置置于腔室上方，腔室底部放置提纯所用的工作平台，工作平台上放置箱式水冷铜模，在箱式水冷铜模内侧设置绝缘舟，稀土金属放于绝缘板上，拧入稀土金属左右两端的是高纯钽接头，穿过绝缘舟的无氧铜电极基座的一端与高纯钽接头相连，另一端和腔室外的导线相连，导线另一端连接稳压电源，电子束发生装置释放出的电子束打在下方的稀土金属上。
其中，绝缘舟侧壁高于箱式水冷铜模；
其中，所述的腔室一端连接抽气系统，另一端连接充气系统。
所述的绝缘舟材质为氮化硼板，厚度为1-100mm，优选2mm-50mm，再优选4mm-27mm。
本发明还提供一种提纯稀土的方法，其中上述本发明提供的稀土提纯装置提纯稀土金属。
其中具体的提纯步骤包括：
A.开启抽气系统将电子束腔室内的压力抽至10-3～10-4Pa；
B.开启电子束发生装置，缓慢调节电子束功率至25～60kW，将电子束的熔区宽度调为绝缘舟的宽度，熔区长度为绝缘舟的长度减去高纯钽接头两端拧入稀土金属的长度，将熔炼容器内的稀土金属部分融化；
C.开启电迁移稳压电源，使稀土金属在电场作用力下开始迁移，直流电流密度为10～1000A/cm2；
D.在步骤C进行的同时，将电子束熔区的长度缩小至1-10mm，至左向右来回扫描，扫描长度为绝缘舟的长度减去高纯钽接头两端拧入稀土金属的长度，扫描速度为1～1000um/s，持续时间为1～60min。
以上方法所能提纯的稀土金属为镧、铈、镨、钕、钆、铽、镝、钬、铒、镥。
针对蒸气压较高的稀土，在步骤A后通过充气系统往腔室内充入惰性气体，至腔室内压力为10-2～10-3Pa后再进行步骤B。所述惰性气体可以为氩气或氦气。所述的蒸气压较高的稀土为镝、铽、钬或铒。
首先，本发明所提供的稀土提纯方法及装置能同时实现电子束熔炼、区域熔炼和电迁移三种提纯工艺。该方法不仅兼有区熔、电迁移结合的提纯效果，在加入电子束后还体现如下优点：1.产量增大，一炉可以提纯至少3kg的稀土金属；2.在区熔和电迁移之前，先进行电子束提纯，电子束提纯的特点是让蒸气压较高的杂质元素从金属液面直接逸出，不同于杂质元素的再分布，该方法直接减少了杂质元素的绝对值，也减少了区熔和电迁移时试样两端杂质的富集；3.高纯钽接头拧入稀土金属内，不仅起到了固定稀土金属的作用，而且两者接触更加紧密，有利于提高电迁移效果；4.电子束加热迅速，提纯更加省时、快速；5.三种方法的集成，减少了产品暴露于大气的时间，减少样品二次污染，使得提纯效果更好。
其次，在装置中引入氮化硼板作为绝缘舟材料，其具有绝缘性好，熔点高的特点，更重要的是由于氮化硼板作为和稀土直接接触的基底材料，其在提纯稀土的过程中，引入的杂质少，从而保证了目标稀土产物的纯度高；
第三，对蒸气压较高、在熔炼过程中极易挥发损失的稀土金属，如Dy、Tb、Ho、Er等，本发明采用充气系统，将电子束提纯方法能应用到蒸气压较高的稀土金属上，实现了对上述较难处理稀土的提纯。
附图说明
图1是本发明的稀土提纯装置示意图。
1、电子束发生装置；2、电子束腔室；3、电子束；4、稀土金属；5、绝缘板；6、箱式水冷铜模；7、高纯钽接头；8、无氧铜电极基座；9、抽气系统；10、充气系统；11、稳压电源
图2是本发明的稀土提纯装置局部放大图。
图3是区熔设备示意图。
1、料舟；2、感应圈；3、石英管；4、真空计；5、充氩阀；6、水管接头
图4是水平夹料电传输设备示意图
1、真空室；2、钽质料夹；3、待提纯料棒；4、稀土金属料夹、K阴极；A阳极
图5现有技术中悬浮区熔-电迁移联合法提纯装置示意图
1、阳极；2、电子枪；3、阴极；4、弹簧
具体实施方式
下面将结合本申请的具体实施方式，对本申请的技术方案进行详细的说明，但如下实施例仅是用以理解本发明，而不能限制本申请，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，本申请可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1-6的原料为约3kg绝对纯度为99.9％，尺寸为200mm×100mm×20mm的块状金属钕样品，。
实施例1
电子束发生装置1置于腔室2上方，腔室2底部放置提纯所用的工作平台，工作平台上放置箱式水冷铜模6，在箱式水冷铜模6的内侧设置1mm厚的氮化硼绝缘舟5，块状样品4放于绝缘舟5上，高纯钽接头7拧入块状样品4内，无氧铜电极基座8穿过绝缘舟5后与高纯钽接头7相连，无氧铜电极基座8另一端和腔室2外的导线相连，导线另一端连接稳压电源11；
A.抽气系统9将电子束腔室内的压力抽至10-3Pa；
B.开启电子束发生装置1，缓慢调节电子束功率至25kW，将熔区的宽度调为100mm，熔区长度为195mm，将熔区内的稀土金属融化；
C.电迁移稳压电源11，使块状样品4在电场作用力下开始迁移，直流电流密度为10A/cm2；
D.步骤C进行的同时，将电子束熔区长度缩小至1mm，宽度不变，至左向右来回扫描，扫描距离为195mm，扫描速度为10um/s，持续时间为10min。
实施例2
电子束发生装置1置于腔室2上方，腔室2底部放置提纯所用的工作平台，工作平台上放置箱式水冷铜模6，在箱式水冷铜模6的内侧设置10mm厚的氮化硼绝缘舟5，块状样品4放于绝缘舟5上，高纯钽接头7拧入块状样品4内，无氧铜电极基座8穿过绝缘舟5后与高纯钽接头7相连，无氧铜电极基座8另一端和腔室2外的导线相连，导线另一端连接稳压电源11；
A.抽气系统9将电子束腔室内的压力抽至10-3Pa；
B.开启电子束发生装置1，缓慢调节电子束功率至30kW，将熔区的宽度调为100mm，熔区长度为190mm，将熔区内的稀土金属融化；
C.电迁移稳压电源11，使块状样品4在电场作用力下开始迁移，直流电流密度为100A/cm2；
D.步骤C进行的同时，将电子束熔区长度缩小至3mm，宽度不变，至左向右来回扫描，扫描距离为190mm，扫描速度为100um/s，持续时间为20min。
实施例3
电子束发生装置1置于腔室2上方，腔室2底部放置提纯所用的工作平台，工作平台上放置箱式水冷铜模6，在箱式水冷铜模6的内侧设置30mm厚的氮化硼绝缘舟5，块状样品4放于绝缘舟5上，高纯钽接头7拧入块状样品4内，无氧铜电极基座8穿过绝缘舟5后与高纯钽接头7相连，无氧铜电极基座8另一端和腔室2外的导线相连，导线另一端连接稳压电源11；
A.抽气系统9将电子束腔室内的压力抽至10-4Pa；
B.开启电子束发生装置1，缓慢调节电子束功率至40kW，将熔区的宽度调为100mm，熔区长度为185mm，将熔区内的稀土金属融化；
C.电迁移稳压电源11，使块状样品4在电场作用力下开始迁移，直流电流密度为300A/cm2；
D.步骤C进行的同时，将电子束熔区长度缩小至5mm，宽度不变，至左向右来回扫描，扫描距离为185mm，扫描速度为300um/s，持续时间为30min。
实施例4
电子束发生装置1置于腔室2上方，腔室2底部放置提纯所用的工作平台，工作平台上放置箱式水冷铜模6，在箱式水冷铜模6的内侧设置50mm厚的氮化硼绝缘舟5，块状样品4放于绝缘舟5上，高纯钽接头7拧入块状样品4内，无氧铜电极基座8穿过绝缘舟5后与高纯钽接头7相连，无氧铜电极基座8另一端和腔室2外的导线相连，导线另一端连接稳压电源11；
A.抽气系统9将电子束腔室内的压力抽至10-4Pa；
B.开启电子束发生装置1，缓慢调节电子束功率至50kW，将熔区的宽度调为100mm，熔区长度为180mm，将熔区内的稀土金属融化；
C.电迁移稳压电源11，使块状样品4在电场作用力下开始迁移，直流电流密度为500A/cm2；
D.步骤C进行的同时，将电子束熔区长度缩小至15mm，宽度不变，至左向右来回扫描，扫描距离为180mm，扫描速度为500um/s，持续时间为40min。
实施例5
电子束发生装置1置于腔室2上方，腔室2底部放置提纯所用的工作平台，工作平台上放置箱式水冷铜模6，在箱式水冷铜模6的内侧设置70mm厚的氮化硼绝缘舟5，块状样品4放于绝缘舟5上，高纯钽接头7拧入块状样品4内，无氧铜电极基座8穿过绝缘舟5后与高纯钽接头7相连，无氧铜电极基座8另一端和腔室2外的导线相连，导线另一端连接稳压电源11；
A.抽气系统9将电子束腔室内的压力抽至10-3Pa；
B.开启电子束发生装置1，缓慢调节电子束功率至55kW，将熔区的宽度调为100mm，熔区长度为175mm，将熔区内的稀土金属融化；
C.电迁移稳压电源11，使块状样品4在电场作用力下开始迁移，直流电流密度为700A/cm2；
D.步骤C进行的同时，将电子束熔区长度缩小至20mm，宽度不变，至左向右来回扫描，扫描距离为175mm，扫描速度为700um/s，持续时间为50min。
实施例6
电子束发生装置1置于腔室2上方，腔室2底部放置提纯所用的工作平台，工作平台上放置箱式水冷铜模6，在箱式水冷铜模6的内侧设置100mm厚的氮化硼绝缘舟5，块状样品4放于绝缘舟5上，高纯钽接头7拧入块状样品4内，无氧铜电极基座8穿过绝缘舟5后与高纯钽接头7相连，无氧铜电极基座8另一端和腔室2外的导线相连，导线另一端连接稳压电源11；
A.抽气系统9将电子束腔室内的压力抽至10-3Pa；
B.开启电子束发生装置1，缓慢调节电子束功率至60kW，将熔区的宽度调为100mm，熔区长度为170mm，将熔区内的稀土金属融化；
C.电迁移稳压电源11，使块状样品4在电场作用力下开始迁移，直流电流密度为1000A/cm2；
D.步骤C进行的同时，将电子束熔区长度缩小至10mm，宽度不变，至左向右来回扫描，扫描距离为170mm，扫描速度为1000um/s，持续时间为60min。
表1实施例1-6金属钕锭提纯结果：ppm
实施例7-8的原料为约绝对纯度为99.9％，尺寸为200mm×100mm×20mm的块状金属钆样品，对比例1-6所采用的原料为8×绝对纯度为99.9％的棒状金属钆样品。
实施例7
电子束发生装置1置于腔室2上方，腔室2底部放置提纯所用的工作平台，工作平台上放置箱式水冷铜模6，在箱式水冷铜模6的内侧设置4mm厚的氮化硼绝缘舟5，块状样品4放于绝缘舟5上，高纯钽接头7拧入块状样品4内，无氧铜电极基座8穿过绝缘舟5后与高纯钽接头7相连，无氧铜电极基座8另一端和腔室2外的导线相连，导线另一端连接稳压电源11；
A.抽气系统9将电子束腔室内的压力抽至10-3Pa；
B.开启电子束发生装置1，缓慢调节电子束功率至35kW，将熔区的宽度调为100mm，熔区长度为183mm，将熔区内的稀土金属融化；
C.电迁移稳压电源11，使块状样品4在电场作用力下开始迁移，直流电流密度为400A/cm2；
D.步骤C进行的同时，将电子束熔区长度缩小至4mm，宽度不变，至左向右来回扫描，扫描距离为183mm，扫描速度为40um/s，
持续时间为30min。
实施例8
电子束发生装置1置于腔室2上方，腔室2底部放置提纯所用的工作平台，工作平台上放置箱式水冷铜模6，在箱式水冷铜模6的内侧设置27mm厚的氮化硼绝缘舟5，块状样品4放于绝缘舟5上，高纯钽接头7拧入块状样品4内，无氧铜电极基座8穿过绝缘舟5后与高纯钽接头7相连，无氧铜电极基座8另一端和腔室2外的导线相连，导线另一端连接稳压电源11；
A.抽气系统9将电子束腔室内的压力抽至10-3Pa；
B.开启电子束发生装置1，缓慢调节电子束功率至48kW，将熔区的宽度调为100mm，熔区长度为187mm，将熔区内的稀土金属融化；
C.电迁移稳压电源11，使块状样品4在电场作用力下开始迁移，直流电流密度为600A/cm2；
D.步骤C进行的同时，将电子束熔区长度缩小至12mm，宽度不变，至左向右来回扫描，扫描距离为187mm，扫描速度为400um/s，持续时间为60min。
对比例1
所用设备为如图3所示，包括料舟1、感应圈2、石英管3、真空计4、充氩阀5、水管接头6。
将棒状样品首先在真空度为2.6×10-5Pa、温度为800℃条件下进行脱气，接着充入9.8×104Pa的氩气，熔区移动速度为152mm·h-1，进行20次区熔。
对比例2
所用设备为如图3所示，包括料舟1、感应圈2、石英管3、真空计4、充氩阀5、水管接头6。
将棒状样品首先在真空度为2.6×10-5Pa、温度为800℃条件下进行脱气，接着充入9.8×104Pa的氩气，接着区熔9次，熔区移动速度为193mm·h-1；再区熔11次，熔区移动速度为117mm·h-1。
对比例3
所用设备为如图4所示，包括1、真空室；2、钽质料夹；3、待提纯料棒；4、稀土金属料夹、K阴极；A阳极
将钆棒水平固定在阴阳极之间，在6.7×10-5Pa下通入直流电将料棒加热至1100℃，保温140h。切去两端后，中间部分进行2次提纯，温度1100℃，保温169.5h。
对比例4
所用设备为如图4所示，包括1、真空室；2、钽质料夹；3、待提纯料棒；4、稀土金属料夹、K阴极；A阳极
将钆棒进行一次处理，真空度为6.7×10-5Pa，温度为1075℃，保温150h。切去两端后，中间部分进行2次处理，纯氦气氛，温度为1245℃，保温150h。
对比例5
所用设备为如图5所示，包括阳极1、电子枪2、阴极3、弹簧4。
将棒状样品垂直固定在水冷钢电极之间，如图5所示，下部电极用弹簧顶住，以便于试样膨胀时向下移动。在以熔融锂提纯后的氦气气氛(约6.7×103Pa)中进行区熔-电传输提纯，电流密度为10A·cm-2；电压降为0.4V·cm-1，电子束由下向上扫描，扫描速度为18cm·h-1，区熔5次。
对比例6
所用设备为如图5所示，包括阳极1、电子枪2、阴极3、弹簧4。
将棒状样品垂直固定在水冷钢电极之间，如图5所示，下部电极用弹簧顶住，以便于试样膨胀时向下移动。在以熔融锂提纯后的氦气气氛(约6.7×103Pa)中进行区熔-电传输提纯，电流密度为2A·mm-2；电压降为0.06V·cm-1，电子束由下向上扫描，扫描速度为15cm·h-1，区熔10次。
表2实施例7-8和对比例1-6金属钆锭提纯结果：ppm
由此可见，采用本发明所提供的设备进行对稀土提纯，产物各项杂质含量均低于对比例1-6中所采用的设备进行提纯得到的产物所含的杂质含量，目标产物获得了显著的纯度提升。
表3提纯所用时间：h
| 实施例7 | 0.5 |
| 实施例8 | 1 |
| 对比例1 | 17 |
| 对比例2 | 19 |
| 对比例3 | 310 |
| 对比例4 | 300 |
| 对比例5 | 3.75 |
| 对比例6 | 9 |
由此可见，采用本发明所提供的设备进行对稀土提纯，所用时间均小于等于1h，而对比例1-6均耗时较长，对比例3甚至高达310h，提纯效果也不如实施例7和8。
实施例9-14的原料为约绝对纯度为99.9％，尺寸为200mm×100mm×20mm的块状金属镧样品，。
实施例9
电子束发生装置1置于腔室2上方，腔室2底部放置提纯所用的工作平台，工作平台上放置箱式水冷铜模6，在箱式水冷铜模6的内侧设置1mm厚的氮化硼绝缘舟5，块状样品4放于绝缘舟5上，高纯钽接头7拧入块状样品4内，无氧铜电极基座8穿过绝缘舟5后与高纯钽接头7相连，无氧铜电极基座8另一端和腔室2外的导线相连，导线另一端连接稳压电源11；
A.抽气系统9将电子束腔室内的压力抽至10-3Pa；
B.开启电子束发生装置1，缓慢调节电子束功率至55kW，将熔区的宽度调为100mm，熔区长度为177mm，将熔区内的稀土金属融化；
C.电迁移稳压电源11，使块状样品4在电场作用力下开始迁移，直流电流密度为700A/cm2；
D.步骤C进行的同时，将电子束熔区长度缩小至10mm，宽度不变，至左向右来回扫描，扫描距离为177mm，扫描速度为880um/s，持续时间为30min。
实施例10
电子束发生装置1置于腔室2上方，腔室2底部放置提纯所用的工作平台，工作平台上放置箱式水冷铜模6，在箱式水冷铜模6的内侧设置2mm厚的氮化硼绝缘舟5，块状样品4放于绝缘舟5上，高纯钽接头7拧入块状样品4内，无氧铜电极基座8穿过绝缘舟5后与高纯钽接头7相连，无氧铜电极基座8另一端和腔室2外的导线相连，导线另一端连接稳压电源11；
A.抽气系统9将电子束腔室内的压力抽至10-3Pa；
B.开启电子束发生装置1，缓慢调节电子束功率至55kW，将熔区的宽度调为100mm，熔区长度为177mm，将熔区内的稀土金属融化；
C.电迁移稳压电源11，使块状样品4在电场作用力下开始迁移，直流电流密度为700A/cm2；
D.步骤C进行的同时，将电子束熔区长度缩小至10mm，宽度不变，至左向右来回扫描，扫描距离为177mm，扫描速度为880um/s，持续时间为30min。
实施例11
电子束发生装置1置于腔室2上方，腔室2底部放置提纯所用的工作平台，工作平台上放置箱式水冷铜模6，在箱式水冷铜模6的内侧设置4mm厚的氮化硼绝缘舟5，块状样品4放于绝缘舟5上，高纯钽接头7拧入块状样品4内，无氧铜电极基座8穿过绝缘舟5后与高纯钽接头7相连，无氧铜电极基座8另一端和腔室2外的导线相连，导线另一端连接稳压电源11；
A.抽气系统9将电子束腔室内的压力抽至10-3Pa；
B.开启电子束发生装置1，缓慢调节电子束功率至55kW，将熔区的宽度调为100mm，熔区长度为177mm，将熔区内的稀土金属融化；
C.电迁移稳压电源11，使块状样品4在电场作用力下开始迁移，直流电流密度为700A/cm2；
D.步骤C进行的同时，将电子束熔区长度缩小至10mm，宽度不变，至左向右来回扫描，扫描距离为177mm，扫描速度为880um/s，持续时间为30min。
实施例12
电子束发生装置1置于腔室2上方，腔室2底部放置提纯所用的工作平台，工作平台上放置箱式水冷铜模6，在箱式水冷铜模6的内侧设置27mm厚的氮化硼绝缘舟5，块状样品4放于绝缘舟5上，高纯钽接头7拧入块状样品4内，无氧铜电极基座8穿过绝缘舟5后与高纯钽接头7相连，无氧铜电极基座8另一端和腔室2外的导线相连，导线另一端连接稳压电源11；
A.抽气系统9将电子束腔室内的压力抽至10-3Pa；
B.开启电子束发生装置1，缓慢调节电子束功率至55kW，将熔区的宽度调为100mm，熔区长度为177mm，将熔区内的稀土金属融化；
C.电迁移稳压电源11，使块状样品4在电场作用力下开始迁移，直流电流密度为700A/cm2；
D.步骤C进行的同时，将电子束熔区长度缩小至10mm，宽度不变，至左向右来回扫描，扫描距离为177mm，扫描速度为880um/s，持续时间为30min。
实施例13
电子束发生装置1置于腔室2上方，腔室2底部放置提纯所用的工作平台，工作平台上放置箱式水冷铜模6，在箱式水冷铜模6的内侧设置50mm厚的氮化硼绝缘舟5，块状样品4放于绝缘舟5上，高纯钽接头7拧入块状样品4内，无氧铜电极基座8穿过绝缘舟5后与高纯钽接头7相连，无氧铜电极基座8另一端和腔室2外的导线相连，导线另一端连接稳压电源11；
A.抽气系统9将电子束腔室内的压力抽至10-3Pa；
B.开启电子束发生装置1，缓慢调节电子束功率至55kW，将熔区的宽度调为100mm，熔区长度为177mm，将熔区内的稀土金属融化；
C.电迁移稳压电源11，使块状样品4在电场作用力下开始迁移，直流电流密度为700A/cm2；
D.步骤C进行的同时，将电子束熔区长度缩小至10mm，宽度不变，至左向右来回扫描，扫描距离为177mm，扫描速度为880um/s，持续时间为30min。
实施例14
电子束发生装置1置于腔室2上方，腔室2底部放置提纯所用的工作平台，工作平台上放置箱式水冷铜模6，在箱式水冷铜模6的内侧设置100mm厚的氮化硼绝缘舟5，块状样品4放于绝缘舟5上，高纯钽接头7拧入块状样品4内，无氧铜电极基座8穿过绝缘舟5后与高纯钽接头7相连，无氧铜电极基座8另一端和腔室2外的导线相连，导线另一端连接稳压电源11；
A.抽气系统9将电子束腔室内的压力抽至10-3Pa；
B.开启电子束发生装置1，缓慢调节电子束功率至55kW，将熔区的宽度调为100mm，熔区长度为177mm，将熔区内的稀土金属融化；
C.电迁移稳压电源11，使块状样品4在电场作用力下开始迁移，直流电流密度为700A/cm2；
D.步骤C进行的同时，将电子束熔区长度缩小至10mm，宽度不变，至左向右来回扫描，扫描距离为177mm，扫描速度为880um/s，持续时间为30min。
表4实施例9-14金属镧锭提纯结果：ppm
由此可见，当氮化硼板的厚度介于4mm-27mm之间时，实施例11、12中杂质含量明显低于实施例9、10、13、14中的杂质含量，可见氮化硼板的厚度选择对提纯结果也有较大影响。
实施例15与对比例7所采用的原料均为重量为3kg的镝块。
实施例15
电子束发生装置1置于腔室2上方，腔室2底部放置提纯所用的工作平台，工作平台上放置箱式水冷铜模6，在箱式水冷铜模6的内侧设置65mm厚的氮化硼绝缘舟5，块状样品4放于绝缘舟5上，高纯钽接头7拧入块状样品4内，无氧铜电极基座8穿过绝缘舟5后与高纯钽接头7相连，无氧铜电极基座8另一端和腔室2外的导线相连，导线另一端连接稳压电源11；
A.抽气系统9将电子束腔室内的压力抽至10-3Pa；
B.将充气系统10打开，向腔室内充入氩气，至腔室内压力达到10-2Pa；
C.开启电子束发生装置1，缓慢调节电子束功率至40kW，将熔区的宽度调为100mm，熔区长度为182mm，将熔区内的稀土金属融化；
D.电迁移稳压电源11，使块状样品4在电场作用力下开始迁移，直流电流密度为800A/cm2；
E.步骤D进行的同时，将电子束熔区长度缩小至14mm，宽度不变，至左向右来回扫描，扫描距离为182mm，扫描速度为850um/s，持续时间为40min。
对比例7
电子束发生装置1置于腔室2上方，腔室2底部放置提纯所用的工作平台，工作平台上放置箱式水冷铜模6，在箱式水冷铜模6的内侧设置65mm厚的氮化硼绝缘舟5，块状样品4放于绝缘舟5上，高纯钽接头7拧入块状样品4内，无氧铜电极基座8穿过绝缘舟5后与高纯钽接头7相连，无氧铜电极基座8另一端和腔室2外的导线相连，导线另一端连接稳压电源11；
A.抽气系统9将电子束腔室内的压力抽至10-3Pa；
B.开启电子束发生装置1，缓慢调节电子束功率至40kW，将熔区的宽度调为100mm，熔区长度为182mm，将熔区内的稀土金属融化；
C.电迁移稳压电源11，使块状样品4在电场作用力下开始迁移，直流电流密度为800A/cm2；
D.步骤C进行的同时，将电子束熔区长度缩小至14mm，宽度不变，至左向右来回扫描，扫描距离为182mm，扫描速度为850um/s，持续时间为40min。
表5镝块状材料提纯结果：kg
| 原料重量 | 产品重量 | |
| 实施例15 | 3 | 2.65 |
| 对比例7 | 3 | 1.3 |
实施例16与对比例8所采用的原料均为重量为3kg的钬块。
实施例16
电子束发生装置1置于腔室2上方，腔室2底部放置提纯所用的工作平台，工作平台上放置箱式水冷铜模6，在箱式水冷铜模6的内侧设置35mm厚的氮化硼绝缘舟5，块状样品4放于绝缘舟5上，高纯钽接头7拧入块状样品4内，无氧铜电极基座8穿过绝缘舟5后与高纯钽接头7相连，无氧铜电极基座8另一端和腔室2外的导线相连，导线另一端连接稳压电源11；
A.抽气系统9将电子束腔室内的压力抽至10-3Pa；
B.将充气系统10打开，向腔室内充入氦气，至腔室内压力达到10-2Pa；
C.开启电子束发生装置1，缓慢调节电子束功率至35kW，将熔区的宽度调为100mm，熔区长度为188mm，将熔区内的稀土金属融化；
D.电迁移稳压电源11，使块状样品4在电场作用力下开始迁移，直流电流密度为500A/cm2；
E.步骤D进行的同时，将电子束熔区长度缩小至8mm，宽度不变，至左向右来回扫描，扫描距离为188mm，扫描速度为550um/s，持续时间为30min。
对比例8
电子束发生装置1置于腔室2上方，腔室2底部放置提纯所用的工作平台，工作平台上放置箱式水冷铜模6，在箱式水冷铜模6的内侧设置35mm厚的氮化硼绝缘舟5，块状样品4放于绝缘舟5上，高纯钽接头7拧入块状样品4内，无氧铜电极基座8穿过绝缘舟5后与高纯钽接头7相连，无氧铜电极基座8另一端和腔室2外的导线相连，导线另一端连接稳压电源11；
A.抽气系统9将电子束腔室内的压力抽至10-3Pa；
B.开启电子束发生装置1，缓慢调节电子束功率至35kW，将熔区的宽度调为100mm，熔区长度为188mm，将熔区内的稀土金属融化；
C.电迁移稳压电源11，使块状样品4在电场作用力下开始迁移，直流电流密度为500A/cm2；
D.步骤D进行的同时，将电子束熔区长度缩小至8mm，宽度不变，至左向右来回扫描，扫描距离为188mm，扫描速度为550um/s，持续时间为30min。
表6钬棒状材料提纯结果：kg
| 原料重量 | 产品重量 | |
| 实施例16 | 3 | 2.82 |
| 对比例8 | 3 | 1.5 |
由此可见，实施例15、16和对比例7、8相比，通过充气系统对腔室内的压力进行控制，对于蒸气压较高的某些稀土金属，如Dy、Tb、Ho、Er，在其本身不适于采用电子束提纯时，通过在电子束熔炼炉内充入惰性气体，降低熔炼室的真空度，减少该金属在熔炼时的挥发损失，使得这些金属也可以采用电子束提纯。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种更改和变换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种高纯稀土金属提纯装置，所述装置包括电子束发生装置(1)、腔室(2)、箱式水冷铜模(6)、绝缘舟(5)、高纯钽接头(7)、无氧铜电极基座(8)和稳压电源(11)，其特征在于电子束发生装置(1)置于腔室(2)上方，腔室(2)底部放置提纯所用的工作平台，工作平台上放置箱式水冷铜模(6)，在箱式水冷铜模(6)内侧设置绝缘舟(5)，稀土金属(4)放于绝缘舟(5)上，拧入稀土金属(4)左右两端的是高纯钽接头(7)，穿过绝缘舟(5)的无氧铜电极基座(8)的一端与高纯钽接头(7)相连，另一端和腔室(2)外的导线相连，导线另一端连接稳压电源(11)，电子束发生装置(1)释放出的电子束(3)打在下方的稀土金属(4)上。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述绝缘舟材质为氮化硼板，其厚度为1-100mm，优选为2mm-50mm，再优选4mm-27mm。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述的腔室(2)一端连接抽气系统(9)，另一端连接充气系统(10)。
4.一种提纯稀土的方法，其特征在于，采用权利要求2-3中任一项所述的装置提纯稀土金属。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，提纯步骤包括：
A.开启抽气系统(9)将电子束腔室(2)内的压力抽至10-3～10-4Pa；
B.开启电子束发生装置(1)，缓慢调节电子束功率至25～60kW，将电子束(3)的熔区宽度调为绝缘舟(5)的宽度，熔区长度为绝缘舟的长度减去高纯钽接头(7)两端拧入稀土金属(4)的长度，将熔区内的稀土金属融化；
C.开启电迁移稳压电源(11)，使稀土金属(4)在电场作用力下开始迁移，直流电流密度为10～1000A/cm2；
D.在步骤C进行的同时，将电子束(3)的熔区长度缩小至1-20mm，至左向右来回扫描，扫描长度为绝缘舟的长度减去高纯钽接头(7)两端拧入稀土金属(4)的长度，扫描速度为1～1000um/s，持续时间为1～60min。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于所能提纯的稀土金属为镧、铈、镨、钕、钆、铽、镝、钬、铒、镥。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于针对蒸气压较高的稀土，在步骤A后通过充气系统(10)往腔室(2)内充入惰性气体，至腔室(2)内压力为10-2～10-3Pa后再进行步骤B。
8.根据权利要求7所述的提纯方法，其特征在于所述惰性气体为氩气或氦气。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于所述的蒸汽压较高的稀土为镝、铽、钬或铒。
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108251664A (zh) * | 2016-12-29 | 2018-07-06 | 有研稀土新材料股份有限公司 | 稀土金属及稀土金属的提纯方法 |
| CN109202062A (zh) * | 2018-10-30 | 2019-01-15 | 长沙新材料产业研究院有限公司 | 一种用于增材制造的Al-Mg-Li-Sc-Zr铝合金粉末及其制备方法 |
| CN110578061A (zh) * | 2018-06-07 | 2019-12-17 | 湖南稀土金属材料研究院 | 一种高纯稀土金属的电子束熔炼连续铸锭方法 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101269383A (zh) * | 2008-05-05 | 2008-09-24 | 西北有色金属研究院 | 一种悬浮熔炼钼铼合金铸锭的热加工方法 |
| CN201373663Y (zh) * | 2008-12-29 | 2009-12-30 | 北京有色金属研究总院 | 聚束极和加速阳极相互位置可调的电子束区熔炉 |
| CN203007468U (zh) * | 2012-12-19 | 2013-06-19 | 北京有色金属研究总院 | 一种对物料进行悬浮区域提纯的电子束区熔炉 |
| CN103273065A (zh) * | 2013-05-31 | 2013-09-04 | 西北有色金属研究院 | 一种无焊缝金属蜂窝构件的电子束选区熔化成型方法 |
| CN103882509A (zh) * | 2012-12-19 | 2014-06-25 | 北京有色金属研究总院 | 一种对物料进行悬浮区域提纯的电子束区熔炉及方法 |
| CN103981372A (zh) * | 2014-05-29 | 2014-08-13 | 大连理工大学 | 一种去除高温合金中微量杂质元素的方法 |
-
2014
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Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101269383A (zh) * | 2008-05-05 | 2008-09-24 | 西北有色金属研究院 | 一种悬浮熔炼钼铼合金铸锭的热加工方法 |
| CN201373663Y (zh) * | 2008-12-29 | 2009-12-30 | 北京有色金属研究总院 | 聚束极和加速阳极相互位置可调的电子束区熔炉 |
| CN203007468U (zh) * | 2012-12-19 | 2013-06-19 | 北京有色金属研究总院 | 一种对物料进行悬浮区域提纯的电子束区熔炉 |
| CN103882509A (zh) * | 2012-12-19 | 2014-06-25 | 北京有色金属研究总院 | 一种对物料进行悬浮区域提纯的电子束区熔炉及方法 |
| CN103273065A (zh) * | 2013-05-31 | 2013-09-04 | 西北有色金属研究院 | 一种无焊缝金属蜂窝构件的电子束选区熔化成型方法 |
| CN103981372A (zh) * | 2014-05-29 | 2014-08-13 | 大连理工大学 | 一种去除高温合金中微量杂质元素的方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 吴任: "固态电迁移法提纯金属钆的研究", 《中国稀土学报》 * |
| 李国栋: "用区熔、电迁移和区熔-电迁移联合法提纯金属钕的研究", 《内蒙古大学学报（自然科学版）》 * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108251664A (zh) * | 2016-12-29 | 2018-07-06 | 有研稀土新材料股份有限公司 | 稀土金属及稀土金属的提纯方法 |
| CN110578061A (zh) * | 2018-06-07 | 2019-12-17 | 湖南稀土金属材料研究院 | 一种高纯稀土金属的电子束熔炼连续铸锭方法 |
| CN109202062A (zh) * | 2018-10-30 | 2019-01-15 | 长沙新材料产业研究院有限公司 | 一种用于增材制造的Al-Mg-Li-Sc-Zr铝合金粉末及其制备方法 |
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