CN105441697A

CN105441697A - 稀土金属的制备装置及制备方法

Info

Publication number: CN105441697A
Application number: CN201410440300.1A
Authority: CN
Inventors: 陈德宏; 王志强; 苗睿瑛; 朱琼; 张小伟; 李宗安; 颜世宏
Original assignee: Grirem Advanced Materials Co Ltd
Current assignee: Youyan Rare Earth High Tech Co., Ltd
Priority date: 2014-09-01
Filing date: 2014-09-01
Publication date: 2016-03-30
Anticipated expiration: 2034-09-01
Also published as: CN105441697B

Abstract

本发明公开了一种稀土金属的制备装置及制备方法。装置包括：反应箱体，具有一个密封腔；铸模，设置在密封腔中；熔炼坩埚，设置在密封腔中，且沿竖直平面可转动地设置在铸模上方，熔炼坩埚具有开口朝上的第一状态，以及沿竖直平面转动后开口对应于铸模上方的第二状态；抽真空装置，位于反应箱体外部，其抽气管与反应箱体的抽气口相连通；电解装置，包括延伸至密封腔内部的电解电极，电解电极相对熔炼坩埚位置可调地设置在密封腔内部，电解电极具有位于熔炼坩埚外部的第一位置，以及位于熔炼坩埚内部的第二位置。上述制备装置使稀土金属的制备、提纯和成型工序在同一装置中进行，有利于避免不同工序之间的金属转移造成的对稀土金属的二次污染。

Description

稀土金属的制备装置及制备方法

技术领域

本发明涉及稀土制备和提纯领域，具体而言，涉及一种稀土金属的制备装置及制备方法。

背景技术

高纯稀土金属的制备通常分制备和提纯两个步骤完成。其中，制备过程主要如下：将稀土氧化物转化为相应的卤化物，然后以纯金属锂或钙作为还原剂，与该卤化物进行热还原反应制备粗稀土金属。提纯过程主要如下：利用真空熔炼、真空蒸馏、区域熔炼、电迁移或电解精炼等处理方法进行稀土提纯，最终制得高纯稀土金属。上述几种稀土金属提纯方法主要的原理如下：

1)真空熔炼法(又称熔融精炼)：主要用于去除蒸气压较高、易挥发的杂质；

2)真空蒸馏法(又称升华法)：是在真空条件下，利用某一温度下基体金属和杂质的蒸气压的不同，使易挥发杂质优先蒸馏除去，难熔金属杂质留在坩埚中。

3)区域熔炼法：将粗稀土金属原料制成金属棒，将金属棒的一部分熔融形成局部熔区，且不断改变局部熔区的位置。通过局部熔区的移动，利用杂质在固液两相分凝系数(Ks)的不同，使杂质富集在金属棒的两端。该方法对Ks>>1或Ks<<1的金属杂质的去除效果较好，对Ks≈1的间隙杂质(如O、N、C和H等)的去除效果较差。

4)电迁移法：在直流电场作用下，杂质原子向被提纯金属棒两端移动，金属棒中部得到纯化。这种方法提纯量相对较小，提纯周期较长。

5)区域熔炼和电迁移联合法：该方法既有区域熔炼和电迁移两种方法的效果，同时缩短了电迁移法的提纯周期。

6)电解精炼法：在含稀土的熔融盐中，通过阳极溶解、阴极沉积的电化学过程来提纯稀土金属的方法，其基本原理是控制阳极溶解电位、使电活性较强的稀土金属优先溶解并在阴极沉积，而电性弱的金属杂质如Ta、W和Fe等不发生阳极溶解，从而达到去除金属杂质。

现有的稀土金属制备、提纯的过程中，通常将制备步骤与提纯步骤分开在不同的装置中进行。另外，针对不同类型杂质(通常因前序还原步骤残留有少量原料和还原剂)往往需要依次分别采用多种提纯手段才能获得较高纯度的稀土金属。

然而，分别在不同的装置中进行上述制备步骤和多次提纯步骤，往往需要对稀土金属原料进行转移。由于稀土金属化学性质较为活泼，多次转移容易对金属造成二次污染。尤其是转移温度较高的稀土金属原料时，容易吸收空气造成原料中气体杂质过高，导致最终需要依靠电迁移法或区域熔炼和电迁移联合法降低气体杂质。从而导致稀土金属的提纯工艺流程加长，能耗增加。同时，由于这种方法一次提纯金属量有限，更降低了稀土金属的生产效率。

针对上述不足，急需一种新型的稀土金属制备装置和制备工艺。

发明内容

本发明旨在提供一种稀土金属的制备装置及制备方法，以解决现有技术中稀土金属生产工艺较长、生产率较低的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种制备稀土金属的装置，其包括：反应箱体，具有一个密封腔，且反应箱体上设有与密封腔相连通的抽气口；铸模，设置在反应箱体的密封腔中；熔炼坩埚，设置在反应箱体的密封腔中，且沿竖直平面可转动地设置在铸模的上方，熔炼坩埚具有开口朝上的第一状态，以及沿竖直平面转动后开口对应于铸模上方的第二状态，且熔炼坩埚的外壁上设置有加热件；抽真空装置，位于反应箱体的外部，抽真空装置的抽气管与反应箱体的抽气口相连通；以及电解装置，电解装置包括延伸至密封腔的内部的电解电极，电解电极相对熔炼坩埚位置可调地设置在密封腔内部，电解电极具有位于熔炼坩埚外部的第一位置，以及位于熔炼坩埚内部的第二位置。

进一步地，还包括冷凝器，冷凝器相对熔炼坩埚位置可调地设置在密封腔内部，冷凝器具有位于熔炼坩埚外部的第三位置，以及位于熔炼坩埚上部的第四位置；冷凝器包括支撑杆和位于支撑杆下方的冷凝罩，冷凝罩具有与熔炼坩埚的开口端相匹配的罩口。

进一步地，反应箱体包括位于熔炼坩埚上方的盖体，盖体上具有电解电极开口和冷凝器开口，电解电极和冷凝器分别沿电解电极开口和冷凝器开口延伸至反应箱体的内部；盖体可旋转地安装在反应箱体上，使得电解电极和冷凝器交替地旋转至熔炼坩埚的上方。

进一步地，还包括设置在反应箱体外部的惰性气体供应装置，惰性气体供应装置的供气管与抽气口相连通。

进一步地，惰性气体供应装置的供气管与抽气管相连，将抽气管分为靠近抽气口的第一管段，和远离抽气口的第二管段，且第二管段上设置有抽气阀，供气管上设置有供气阀。

进一步地，还包括设置在反应箱体内部的加料器，加料器包括驱动杆和固定在驱动杆上的加料斗；驱动杆可以沿水平方向进行平行收缩运动，并可以沿自身轴心进行旋转运动，加料斗随驱动杆进行平行运动和/或旋转运动，以将加料斗中的物料倒入熔炼坩埚中。

进一步地，反应箱体上设置有观察和测温窗口。

根据本发明的另一方面，提供了一种应用上述制备装置制备稀土金属的方法，其包括以下步骤：反应步骤：将稀土金属卤化物和还原剂加至位于第一状态的熔炼坩埚中，并将熔炼坩埚的温度调节至反应温度进行反应，得到反应熔体；提纯步骤：将电解装置中电解电极插入反应熔体中进行电解处理，处理后将电解电极移出，得到电解反应熔体后，开启抽真空装置，对反应箱体进行抽真空处理，得到稀土金属熔体；成型步骤：转动熔炼坩埚，将熔炼坩埚由第一状态变为第二状态，以将稀土金属熔体倒入铸模中冷却成型，得到稀土金属。

进一步地，制备稀土金属的装置还包括加料器，反应步骤中，向熔炼坩埚中投入稀土金属卤化物和第一部分还原剂进行一次反应，得到反应熔体；提纯步骤中，将电解电极移出，得到电解反应熔体后，通过加料器向熔炼坩埚中投入第二部分还原剂进行二次反应，得到二次反应熔体后，开启抽真空装置进行抽真空处理。

进一步地，第一部分还原剂的摩尔量是与稀土金属卤化物反应的理论摩尔量的66.7～93％，第二部分还原剂的摩尔量是与稀土金属卤化物反应的理论摩尔量的7～33.3％。

进一步地，制备稀土金属的装置还包括冷凝器，提纯步骤中，在开启抽真空装置之前，还包括对熔炼坩埚中的电解反应熔体或二次反应熔体进行降温处理的步骤；降温处理的步骤包括：用冷凝器盖紧熔炼坩埚，对熔炼坩埚中的电解反应熔体或二次反应熔体进行降温，使降温后的温度低于稀土金属的熔点，以使电解反应熔体或二次反应熔体中的稀土金属凝固；在降温处理完成后，开启抽真空装置，待电解反应熔体或二次反应熔体中未凝固的部分经蒸馏进入冷凝器后，移开冷凝器；然后加热熔炼坩埚至温度高于稀土金属的熔点，得到稀土金属熔体。

进一步地，提纯步骤中，开启抽真空装置进行抽真空处理的步骤时，使电解反应熔体或二次反应熔体处于真空度为20～1.0×10^-5pa的真空环境。

进一步地，进行反应步骤之前，开启惰性气体供应装置，使反应箱体处于惰性气体保护状态。

应用本发明的稀土金属的制备装置及制备方法，通过熔炼坩埚可以为制备稀土金属的热还原反应提供反应场所，形成含有稀土金属的反应熔体。在反应结束后，利用抽真空装置可以为反应熔体提供真空环境。在真空环境下，利用真空蒸馏法可以使反应熔体中的杂质(如热还原反应产物碱金属卤化物或碱土金属卤化物)挥发，达到提纯稀土金属的目的。在抽真空处理后，旋转熔炼坩埚，将坩埚中提纯后的反应熔体倒入铸模后，经冷却便可成型，得到块状的稀土金属。利用上述制备装置，使稀土金属的制备工序、提纯工序和成型工序在同一装置中进行，有利于避免不同工序之间的金属转移造成的对稀土金属的二次污染。从而有利于提高稀土金属的纯度，缩短其制备工艺流程，同时提高稀土金属的生产效率，并减少其生产成本。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了本发明一种实施方式中的稀土金属制备装置的示意图；以及

图2示出了图1所示的稀土金属制备装置A-A处的截面图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

正如背景技术部分所介绍的，现有的稀土金属的制备和多步提纯工序分别在不同的装置中进行，使得步与步之间进行金属转移时，易对稀土金属造成二次污染，最终导致稀土金属生产工艺拉长、生产率降低。为了解决这一问题，本发明发明人提供了一种制备稀土金属装置，如图1所示，其包括反应箱体10、铸模20、熔炼坩埚30、抽真空装置40及电解装置；其中，反应箱体10具有一个有密封腔，且反应箱体10上设有与密封腔相连通的抽气口；铸模20设置在密封腔中；熔炼坩埚30设置在密封腔中，且沿竖直平面可转动地设置在铸模20的上方，熔炼坩埚30具有开口朝上的第一状态，以及沿竖直平面转动后开口对应于铸模20上方的第二状态，且熔炼坩埚30的外壁上设置有加热件31；抽真空装置40位于反应箱体10的外部，抽真空装置40的抽气管与反应箱体10的抽气口相连通；电解装置包括延伸至密封腔的内部的电解电极50，电解电极50相对熔炼坩埚30位置可调地设置在密封腔内部，电解电极50具有位于熔炼坩埚30外部的第一位置，以及位于熔炼坩埚30内部的第二位置。

本发明的上述稀土金属制备装置中，通过熔炼坩埚30可以为制备稀土金属的热还原反应提供反应场所，形成含有稀土金属的反应熔体。利用上述电解电极50，在前序制备形成反应熔体后，可以将电解电极50的阴极51和阳极52插入反应熔体中，通过向阴阳两极之间提供电压，能够使还原电位较稀土金属离子正的杂质阳离子从电解电极50的阴极51析出，使氧离子等杂质阴离子从电解电极50的阳极52处析出。阴阳电极附近的杂质离子不断出现贫化，使得稀土金属熔体内部的杂质离子在化学式梯度的推动作用下不断向反应熔体中移动，最终向电极处移动、析出。从而达到除杂的目的，以提高稀土金属的纯度。在电解结束后，利用抽真空装置40可以为反应熔体提供真空环境。在真空环境下，利用真空蒸馏法(又称升华法)可以使反应熔体中的杂质(如热还原反应产物碱金属卤化物或碱土金属卤化物以及高蒸气压的金属)挥发，达到进一步提纯稀土金属的目的。在抽真空处理后，旋转熔炼坩埚30，将坩埚中提纯后的反应熔体倒入铸模20后，经冷却便可成型，得到块状的稀土金属。利用上述制备装置，使稀土金属的制备工序、提纯工序和成型工序在同一装置中进行，有利于避免不同工序之间的金属转移造成的对稀土金属的二次污染。从而有利于提高稀土金属的纯度，缩短其制备工艺流程，同时提高稀土金属的生产效率，并减少其生产成本。此外，为了使电解电极50能够进行升降运动，可以通过电极传动装置53操控电解电极50的升降状态。

本发明的上述制备装置中，利用抽真空装置40和电解电极50对反应熔体进行提纯，就能够得到纯度较高的稀土金属。在一种优选的实施方式中，如图1所示，上述制备装置还包括冷凝器60，冷凝器60相对熔炼坩埚30位置可调地设置在密封腔内部，冷凝器60具有位于熔炼坩埚30外部的第三位置，以及位于熔炼坩埚30上部的第四位置；冷凝器60包括支撑杆和位于支撑杆下方的冷凝罩，冷凝罩具有与熔炼坩埚30的开口端相匹配的罩口。为了使冷凝器60能够进行升降运动，可以通过冷凝器60传动装置61操控冷凝器60的升降状态。在抽真空之前，对稀土金属熔体进行降温处理，使其温度降至稀土金属熔点以下，并利用上述冷凝器60将熔炼坩埚30封紧，抽真空后反应后熔体冷凝在上述冷凝器60中。在稀土金属熔点以下、其他杂质的熔点以上的温度状态下，反应熔体中的稀土金属能够冷却凝固成为固态，并因自身密度较高而与其他熔体发生分层，沉入熔炼坩埚30的底部。在这种状态下进行抽真空处理，更有利于使位于上层的杂质熔体气化挥发。从而能够进一步提高稀土金属的纯度。

根据本发明上述的教导，本领域技术人员有能力选择具体的电解装置和冷凝装置60的设置方法，以在不同的工艺阶段将电解电极50或冷凝器60移动至熔炼坩埚30的上方。在一种优选的实施方式中，反应箱体10包括位于熔炼坩埚30上方的盖体11，如图2所示，盖体11上具有电解电极开口11a和冷凝器开口11b，电解电极50和冷凝器60分别沿电解电极开口11a和冷凝器开口11b延伸至反应箱体10的内部；盖体可旋转地安装在反应箱体10上，使得电解电极50和冷凝器60交替地旋转至熔炼坩埚30的上方。

本发明的上述制备装置中，出于减少空气中的氧元素污染稀土金属的考虑，优选地，上述制备装置还包括设置在反应箱体10外部的惰性气体供应装置70。为了简化装置构成，惰性气体供应装置70的供气管与抽气管相连，将抽气管分为靠近抽气口的第一管段，和远离抽气口的第二管段，且第二管段上设置有抽气阀41，供气管上设置有供气阀71。可以使用的惰性气体包括但不限于氩气。

本发明的上述制备装置中，在制备之前向熔炼坩埚30一次性加入稀土卤化物和还原剂即可。一种优选的实施方式中，上述制备装置还包括设置在反应箱体10内部的加料器80，加料器80包括驱动杆和连接在驱动杆上的加料斗81；该驱动杆可以沿水平方向进行平行收缩运动，并可以沿自身轴心进行旋转转动，加料斗81随驱动杆进行平行运动和/或旋转运动，以将加料斗81中的物料倒入熔炼坩埚30中。可以通过加料器传动装置82控制加料器80的水平收缩运动和旋转运动。通过该加料器80，能够在熔炼坩埚30制备稀土金属的过程中，向熔炼坩埚30补充还原剂，以使热还原反应更充分进行，从而提高稀土金属的生产率。此外，为了便于观察反应状态，并对反应箱体10进行控温，上述制备装置的反应箱体10上设置有观察和测温窗口12。

另外，本发明还提供了一种应用上述制备装置制备稀土金属的方法，其包括以下步骤：反应步骤：将稀土金属卤化物和还原剂加至位于第一状态的熔炼坩埚30中，并将熔炼坩埚30的温度调节至反应温度进行反应，得到反应熔体；提纯步骤：将电解装置中电解电极50插入所述反应熔体中进行电解处理，处理后将所述电解电极50移出，得到电解反应熔体后，开启抽真空装置40，对反应箱体10进行抽真空处理，得到稀土金属熔体；成型步骤：转动熔炼坩埚30，将熔炼坩埚30由第一状态变为第二状态，以将稀土金属熔体倒入铸模20中冷却成型，得到稀土金属。

上述反应步骤采用的还原剂可以是本领域技术人员制备稀土金属时惯用的还原剂，如碱金属和碱土金属。上述制备过程中，通过反应步骤能够将稀土卤化物还原为稀土金属单质。经过热还原反应后，反应熔体中通常含有稀土金属单质、稀土卤化物、碱金属卤化物和/或碱土金属卤化物。而由于碱金属卤化物和碱土金属卤化物的蒸汽压高于稀土金属的蒸汽压，通过抽真空处理可以去除反应步骤中得到的反应熔体中的碱金属卤化物和碱土金属卤化物杂质。此外，在对反应熔体进行真空蒸馏法提纯之前，先对其进行电解处理，有利于进一步去除反应熔体中除碱金属卤化物、碱土金属卤化物以外的微量的杂质。从而进一步提高稀土金属的纯度。利用上述制备装置，将稀土金属的制备工序、提纯工序和成型工序在同一反应箱体10中进行，有利于防止不同工序之间的金属转移造成对稀土金属二次污染的问题。从而提高了稀土金属的纯度，缩短了其生产流程，同时简化了生产工序，降低了生产成本。

本发明的上述制备方法中，在制备工序开始前将稀土金属卤化物和还原剂进行一次投料，就能够使稀土金属单质一次性反应产出。在一种优选的实施方式中，制备稀土金属的装置还包括加料器80，上述反应步骤中，向熔炼坩埚30中投入稀土金属卤化物和第一部分还原剂进行一次反应，得到反应熔体；提纯步骤中，得到电解反应熔体后，通过加料器80向熔炼坩埚30中投入第二部分还原剂进行二次反应，得到二次反应熔体后，开启抽真空装置40进行抽真空处理。在对反应熔体进行电解的过程中，若电解温度过高，不利于熔体中还原电位较稀土金属离子正的杂质阳离子从电解电极50阴极处析出。由于稀土金属单质的熔点高于稀土金属卤化物的熔点，先加入一部分还原剂与部分稀土金属卤化物进行热还原反应，有利于将整个反应熔体的熔点控制在相对较低的状态。在此基础上，能够促使杂质阳离子的析出。在电解处理后，将剩余的第二部分还原剂通过加料器80补入熔炼坩埚30中，使得稀土金属卤化物完全反应。在接下来的抽真空处理的过程中去除反应熔体中的碱金属卤化物和/或碱土金属卤化物，从而进一步提高稀土金属的纯度。

根据本发明上述教导，本领域技术人员有能力选择两次还原剂的加入量，以提高电解提纯的效果，并使提高稀土金属卤化物的反应率。在一种优选的实施方式中，上述第一部分还原剂的摩尔量是与稀土金属卤化物反应的理论摩尔量的66.7～93％，第二部分还原剂的摩尔量是与稀土金属卤化物反应的理论摩尔量的7～33.3％。将两次加入的还原剂的量控制在上述范围，能够提高电解提纯过程的提纯效果，还能够提高稀土金属卤化物的反应率，进而提高稀土金属的纯度和产量。

本发明的上述制备方法中，完成热还原反应后，通过抽真空处理就能够去除熔体中的大部分的碱金属卤化物和碱土金属卤化物杂质。在一种优选的实施方式中，制备稀土金属的装置还包括冷凝器60，上述提纯步骤中，在开启抽真空装置40之前，还包括对熔炼坩埚30中的电解反应熔体或二次反应熔体进行降温处理的步骤；降温处理的步骤包括：用冷凝器60盖紧熔炼坩埚30，对熔炼坩埚30中的电解反应熔体或二次反应熔体进行降温，使降温后的温度低于稀土金属的熔点，以使所述电解反应熔体或所述二次反应熔体中的所述稀土金属凝固；在降温处理完成后，开启抽真空装置40，待电解反应熔体或二次反应熔体中未凝固的部分经蒸馏进入冷凝器60后，移开冷凝器60；然后加热熔炼坩埚30至温度高于稀土金属的熔点，得到稀土金属熔体。稀土金属的熔点高于碱金属卤化物和碱土金属卤化物的熔点。在抽真空处理时，先通过冷凝器60将电解反应熔体或二次反应熔体的温度降至稀土金属的熔点以下，在碱金属卤化物和碱土金属卤化物的熔点以上，能够使电解反应熔体或二次反应熔体中的稀土金属熔体凝固为固体，与碱金属卤化物、碱土金属卤化物熔体发生固液分离。同时，由于稀土金属的密度高于碱金属卤化物和碱土金属卤化物的密度，使得固相的稀土金属单质沉于熔炼坩埚30的底部。在降温处理完成后，开启抽真空装置40。在真空环境下，位于熔炉坩埚上部的未凝固的碱金属卤化物和碱土金属卤化物会发生气化挥发，从而脱离熔炼坩埚30进入冷凝器60，达到提纯稀土金属的效果。上述真空环境的真空度可以是本领域技术人员在真空蒸馏提纯稀土金属时常用的真空度。优选地，真空度可以为20～1.0×10^-5pa。

本发明的上述制备方法中，在开始制备稀土金属之前，出于防止空气污染稀土金属的考虑，优选先开启惰性气体供应装置70，使反应箱体10处于惰性气体保护状态。

以下结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本发明所要求保护的范围。

实施例1

在氩气体保护下，将纯度为2N的工业纯金属Li和LaCl₃装入到熔炼坩埚中，其中LaCl₃与Li摩尔比为1:2(Li的摩尔量为与LaCl₃反应的理论摩尔量的66.7％)，关闭盖体后使炉内处于氩气保护状态；

加热熔体坩埚至温度为900℃，进行热还原反应，1小时后结束反应，得到反应熔体；

旋转密封盖体，将电解电极的阴、阳两极调整到熔炼坩埚的正上方，通过传动装置将阴极和阳极插入到熔炼坩埚内的反应熔体中，向电解电极通直流电，控制电压为4.5V，电解提纯20min后提出阴极和阳极；

通过加料器向熔炼坩埚中补充占与LaCl₃进行反应的理论摩尔量的33.3％的金属Li，进行二次热还原反应，30min后停止反应，得到二次反应熔体；

旋转密封盖体，将冷凝器调整至熔炼坩埚的正上方，并通过传动装置使冷凝器下降并扣紧熔炼坩埚，使熔炼坩埚降温至900℃；在降温的同时打开抽真空装置的抽气阀门，连续抽真空至真空度为5.0×10^-2Pa，真空处理2h后，移走冷凝器，在保持真空度5.0×10^-2Pa的状态下，再次加热熔炼坩埚至1100℃，并静置熔炼2h，得到稀土金属熔体；

倾转熔炼坩埚，将稀土金属熔体浇注至铸模中，冷却成型后，获得块状稀土金属La(镧)。收率为99.1％。

经分析金属La中35种常规杂质的含量，35种杂质的总含量<500ppm，各杂质含量如下表；此外，C、N、O、S杂质的总量<200ppm；金属La金属纯度>99.9wt.％。

实施例2

在氩气体保护下，将纯度为2N的工业纯金属Ca和LaCl₃装入到熔炼坩埚中，其中LaCl₃与Ca摩尔比为1:1.35(Ca的摩尔量为与LaCl₃反应的理论摩尔量的90％)，关闭盖体后使炉内处于氩气保护状态；

加热熔体坩埚至温度为1000℃，进行热还原反应，1小时后结束反应，得到反应熔体；

旋转密封盖体，将电解电极的阴、阳两极调整到熔炼坩埚的正上方，通过传动装置将阴极和阳极插入到熔炼坩埚内的反应熔体中，向电解电极通直流电，控制电压为5.5V，电解提纯30min后提出阴极和阳极；

通过加料器向熔炼坩埚中补充占与LaCl₃进行反应的理论摩尔量的9.5％的金属Ca，进行二次热还原反应，30min后停止反应，得到二次反应熔体；

旋转密封，将冷凝器调整至熔炼坩埚的正上方，并通过传动装置使冷凝器下降并扣紧熔炼坩埚，调整熔炼坩埚的温度至900℃；在降温的同时打开抽真空装置的抽气阀门，连续抽真空至真空度为2.0×10^-3Pa，真空处理2h后，移走冷凝器，在保持真空度2.0×10^-3Pa的状态下，再次调整熔炼坩埚至960℃，并静置熔炼2h，得到稀土金属熔体；

倾转熔炼坩埚，将稀土金属熔体浇注至铸模中，冷却成型后，获得块状稀土金属La(镧)。收率为98.5％。

经分析金属La中35种常规杂质的含量，35种杂质的总含量<500ppm，各杂质含量如下表；此外，C、N、O、S杂质的总量<150ppm；金属La金属纯度>99.95wt.％。

实施例3

在氩气体保护下，将纯度为3N的工业纯金属Li和CeCl₃装入到熔炼坩埚中，其中CeCl₃与Li摩尔比为1:2.8(Li的摩尔量为与CeCl₃反应的理论摩尔量的93％)，关闭盖体后使炉内处于氩气保护状态；

加热熔体坩埚至温度为800℃，进行热还原反应，1小时后结束反应，得到反应熔体；

旋转密封盖体，将电解电极的阴、阳两极调整到熔炼坩埚的正上方，通过传动装置将阴极和阳极插入到熔炼坩埚内的反应熔体中，向电解电极通直流电，控制电压为2.8V，电解提纯30min后提出阴极和阳极；

通过加料器向熔炼坩埚中补充占与CeCl₃进行反应的理论摩尔量的8％的金属Li，进行二次热还原反应，30min后停止反应，得到二次反应熔体；

旋转密封盖体，将冷凝器调整至熔炼坩埚的正上方，并通过传动装置使冷凝器下降并扣紧熔炼坩埚，使熔炼坩埚降温至700℃；在降温的同时打开抽真空装置的抽气阀门，连续抽真空至真空度为3.0×10^-4Pa，真空处理2h后，移走冷凝器，在保持真空度3.0×10^-4Pa，的状态下，再次加热熔炼坩埚至820℃，并静置熔炼2h，得到稀土金属熔体；

倾转熔炼坩埚，将稀土金属熔体浇注至铸模中，冷却成型后，获得块状稀土金属Ce(铈)。收率为98.3％。

经分析金属Ce中35种常规杂质的含量，35种杂质的总含量<360ppm，各杂质含量如下表；此外，C、N、O、S杂质的总量<300ppm；金属La金属纯度>99.95wt.％。

实施例4

在氩气体保护下，将纯度为3N的工业纯金属Ca和NdCl₃装入到熔炼坩埚中，其中NdCl₃与Ca摩尔比为1:1.35(Ca的摩尔量为与NdCl₃反应的理论摩尔量的90％)，关闭盖体后使炉内处于氩气保护状态；

加热熔体坩埚至温度为1100℃，进行热还原反应，1小时后结束反应，得到反应熔体；

旋转密封盖体，将电解电极的阴、阳两极调整到熔炼坩埚的正上方，通过传动装置将阴极和阳极插入到熔炼坩埚内的反应熔体中，向电解电极通直流电，控制电压为3.8V，电解提纯30min后提出阴极和阳极；

通过加料器向熔炼坩埚中补充占与LaCl₃进行反应的理论摩尔量的10％的金属Li，进行二次热还原反应，30min后停止反应，得到二次反应熔体；

旋转密封盖体，将冷凝器调整至熔炼坩埚的正上方，并通过传动装置使冷凝器下降并扣紧熔炼坩埚，使熔炼坩埚降温至1050℃；在降温的同时打开抽真空装置的抽气阀门，连续抽真空至真空度为5.0×10^-3Pa，真空处理2h后，移走冷凝器，在保持真空度5.0×10^-3Pa的状态下，再次加热熔炼坩埚至1060℃，并静置熔炼2h，得到稀土金属熔体；

倾转熔炼坩埚，将稀土金属熔体浇注至铸模中，冷却成型后，获得块状稀土金属Nd(镧)。收率为99.2％。

经分析金属Nd中35种常规杂质的含量，35种杂质的总含量<600ppm，各杂质含量如下表；此外，C、N、O、S杂质的总量<200ppm；金属La金属纯度>99.92wt.％。

实施例5

在氩气体保护下，将纯度为3N的工业纯金属Li和LaF₃装入到熔炼坩埚中，其中LaF₃与Li摩尔比为1:2.8(Li的摩尔量为与LaF₃反应的理论摩尔量的93％)，关闭盖体后使炉内处于氩气保护状态；

通过加料器向熔炼坩埚中补充占与LaF₃进行反应的理论摩尔量的8％的金属Li，进行二次热还原反应，30min后停止反应，得到二次反应熔体；

旋转密封盖体，将冷凝器调整至熔炼坩埚的正上方，并通过传动装置使冷凝器下降并扣紧熔炼坩埚，调整熔炼坩埚温度至1000℃；在降温的同时打开抽真空装置的抽气阀门，连续抽真空至真空度为2.5×10^-4Pa，真空处理2h后，移走冷凝器，在保持真空度2.5×10^-4Pa的状态下，再次加热熔炼坩埚至1050℃，并静置熔炼2h，得到稀土金属熔体；

倾转熔炼坩埚，将稀土金属熔体浇注至铸模中，冷却成型后，获得块状稀土金属La(镧)。收率为99.5％。

经分析金属La中35种常规杂质的含量，35种杂质的总含量<300ppm，各杂质含量如下表；此外，C、N、O、S杂质的总量<100ppm；金属La金属纯度>99.95wt.％。

实施例6

在氩气体保护下，将纯度为3N的工业纯金属Li和EuCl₃装入到熔炼坩埚中，其中EuCl₃与Li摩尔比为1:2.8(Li的摩尔量为与EuCl₃反应的理论摩尔量的93％)，关闭盖体后使炉内处于氩气保护状态；

加热熔体坩埚至温度为820℃，进行热还原反应，1小时后结束反应，得到反应熔体；

通过加料器向熔炼坩埚中补充占与LaF₃进行反应的理论摩尔量的7％的金属Li，进行二次热还原反应，30min后停止反应，得到二次反应熔体；

旋转密封盖体，将冷凝器调整至熔炼坩埚的正上方，并通过传动装置使冷凝器下降并扣紧熔炼坩埚，调整熔炼坩埚温度至800℃；在降温的同时打开抽真空装置的抽气阀门，连续抽真空至真空度为8.0×10^-1Pa，真空处理2h后，移走冷凝器，在保持真空度8.0×10^-1Pa的状态下，再次加热熔炼坩埚至850℃，并静置熔炼2h，得到稀土金属熔体；

倾转熔炼坩埚，将稀土金属熔体浇注至铸模中，冷却成型后，获得块状稀土金属Eu(铕)。收率为98.5％。

经分析金属Eu中35种常规杂质的含量，35种杂质的总含量<500ppm，各杂质含量如下表；此外，C、N、O、S杂质的总量<300ppm；金属La金属纯度>99.95wt.％。

实施例7

在氩气体保护下，将纯度为3N的工业纯金属Li和EuCl₃装入到熔炼坩埚中，其中EuCl₃与Li摩尔比为1:3.3(Li的摩尔量为与EuCl₃反应的理论摩尔量的110％)，关闭盖体后使炉内处于氩气保护状态；

加热熔体坩埚至温度为820℃，进行热还原反应，1.5小时后结束反应，得到反应熔体；

将电解电极的阴、阳两极调整到熔炼坩埚的正上方，通过传动装置将阴极和阳极插入到熔炼坩埚内的反应熔体中，向电解电极通直流电，控制电压为4.5V，电解提纯20min后提出阴极和阳极；

打开抽真空装置的抽气阀门，连续抽真空至真空度为8.0×10^-1Pa，真空处理2h后，移走冷凝器，在保持真空度8.0×10^-1Pa的状态下，再次加热熔炼坩埚至850℃，并静置熔炼2h，得到稀土金属熔体；

倾转熔炼坩埚，将稀土金属熔体浇注至铸模中，冷却成型后，获得块状稀土金属Eu(铕)。收率为98.7％。

经分析金属Eu中35种常规杂质的含量，35种杂质的总含量<600ppm，各杂质含量如下表；此外，C、N、O、S杂质的总量<360ppm；金属La金属纯度>99.9wt.％。

从以上的数据中，可以看出，采用本发明上述的制备装置和方法制备稀土金属，工艺流程较短，无需在制备工序、提纯工序及成型工序之间进行金属转移。制备得到的稀土金属具有较高的纯度和产率。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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

1.一种制备稀土金属的装置，其特征在于，包括：

反应箱体(10)，具有一个密封腔，且所述反应箱体(10)上设有与所述密封腔相连通的抽气口；

铸模(20)，设置在所述反应箱体(10)的密封腔中；

熔炼坩埚(30)，设置在所述反应箱体(10)的密封腔中，且沿竖直平面可转动地设置在所述铸模(20)的上方，所述熔炼坩埚(30)具有开口朝上的第一状态，以及沿所述竖直平面转动后开口对应于所述铸模(20)上方的第二状态，且所述熔炼坩埚(30)的外壁上设置有加热件(31)；

抽真空装置(40)，位于所述反应箱体(10)的外部，所述抽真空装置(40)的抽气管与所述反应箱体(10)的所述抽气口相连通；以及

电解装置，所述电解装置包括延伸至所述密封腔的内部的电解电极(50)，所述电解电极(50)相对所述熔炼坩埚(30)位置可调地设置在所述密封腔内部，所述电解电极(50)具有位于所述熔炼坩埚(30)外部的第一位置，以及位于所述熔炼坩埚(30)内部的第二位置。

2.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，还包括冷凝器(60)，所述冷凝器(60)相对所述熔炼坩埚(30)位置可调地设置在所述密封腔内部，所述冷凝器(60)具有位于所述熔炼坩埚(30)外部的第三位置，以及位于所述熔炼坩埚(30)上部的第四位置；所述冷凝器(60)包括支撑杆和位于所述支撑杆下方的冷凝罩，所述冷凝罩具有与所述熔炼坩埚(30)的开口端相匹配的罩口。

3.根据权利要求2所述的制备装置，其特征在于，所述反应箱体(10)包括位于所述熔炼坩埚(30)上方的盖体(11)，所述盖体(11)上具有电解电极开口(11a)和冷凝器开口(11b)，所述电解电极(50)和所述冷凝器(60)分别沿所述电解电极开口(11a)和所述冷凝器开口(11b)延伸至所述反应箱体(10)的内部；所述盖体可旋转地安装在所述反应箱体(10)上，使得所述电解电极(50)和所述冷凝器(60)交替地旋转至所述熔炼坩埚(30)的上方。

4.根据权利要求3所述的制备装置，其特征在于，还包括设置在所述反应箱体(10)外部的惰性气体供应装置(70)，所述惰性气体供应装置(70)的供气管与所述抽气口相连通。

5.根据权利要求4所述的制备装置，其特征在于，所述惰性气体供应装置(70)的供气管与所述抽气管相连，将所述抽气管分为靠近所述抽气口的第一管段，和远离所述抽气口的第二管段，且所述第二管段上设置有抽气阀(41)，所述供气管上设置有供气阀(71)。

6.根据权利要求1所述的制备装置，其特征在于，还包括设置在所述反应箱体(10)内部的加料器(80)，所述加料器(80)包括驱动杆和固定在所述驱动杆上的加料斗(81)；所述驱动杆可以沿水平方向进行平行收缩运动，并可以沿自身轴心进行旋转运动，所述加料斗(81)随所述驱动杆进行平行运动和/或旋转运动，以将所述加料斗(81)中的物料倒入所述熔炼坩埚(30)中。

7.根据权利要求4至6中任一项所述的制备装置，其特征在于，所述反应箱体(10)上设置有观察和测温窗口(12)。

8.一种应用权利要求1至7中任一项所述的制备装置制备稀土金属的方法，其特征在于，包括以下步骤：

反应步骤：将稀土金属卤化物和还原剂加至位于第一状态的熔炼坩埚(30)中，并将所述熔炼坩埚(30)的温度调节至反应温度进行反应，得到反应熔体；

提纯步骤：将电解装置中的电解电极(50)插入所述反应熔体中进行电解处理，处理后将所述电解电极(50)移出，得到电解反应熔体后，开启抽真空装置(40)，对反应箱体(10)进行抽真空处理，得到稀土金属熔体；

成型步骤：转动所述熔炼坩埚(30)，将所述熔炼坩埚(30)由第一状态变为第二状态，以将所述稀土金属熔体倒入铸模(20)中冷却成型，得到所述稀土金属。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述制备稀土金属的装置还包括加料器(80)，所述反应步骤中，向所述熔炼坩埚(30)中投入所述稀土金属卤化物和第一部分所述还原剂进行一次反应，得到所述反应熔体；

所述提纯步骤中，将所述电解电极(50)移出，得到所述电解反应熔体后，通过加料器(80)向所述熔炼坩埚(30)中投入第二部分所述还原剂进行二次反应，得到二次反应熔体后，开启所述抽真空装置(40)进行所述抽真空处理。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述第一部分还原剂的摩尔量是与所述稀土金属卤化物反应的理论摩尔量的66.7～93％，所述第二部分还原剂的摩尔量是与所述稀土金属卤化物反应的理论摩尔量的7～33.3％。

11.根据权利要求9或10所述的制备方法，其特征在于，所述制备稀土金属的装置还包括冷凝器(60)，所述提纯步骤中，在开启所述抽真空装置(40)之前，还包括对所述熔炼坩埚(30)中的所述电解反应熔体或所述二次反应熔体进行降温处理的步骤；所述降温处理的步骤包括：

用所述冷凝器(60)盖紧所述熔炼坩埚(30)，对所述熔炼坩埚(30)中的所述电解反应熔体或所述二次反应熔体进行降温，使降温后的温度低于所述稀土金属的熔点，以使所述电解反应熔体或所述二次反应熔体中的所述稀土金属凝固；

在所述降温处理完成后，开启所述抽真空装置(40)，待所述电解反应熔体或所述二次反应熔体中未凝固的部分经蒸馏进入所述冷凝器(60)后，移开所述冷凝器(60)；然后加热所述熔炼坩埚(30)至温度高于所述稀土金属的熔点，得到所述稀土金属熔体。

12.根据权利要求8至11中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述提纯步骤中，开启所述抽真空装置(40)进行所述抽真空处理的步骤时，使所述电解反应熔体或所述二次反应熔体处于真空度为20～1.0×10^-5pa的真空环境。

13.根据权利要求8至12中任一项所述的制备方法，其特征在于，进行所述反应步骤之前，开启惰性气体供应装置(70)，使反应箱体(10)处于惰性气体保护状态。