0 前言

随着金属镝在稀土永磁材料、超磁致伸缩材料、超导材料等新材料中的应用日益广泛, 国内外市场的需求不断扩大, 对金属镝的质量要求也越来越高。目前生产金属镝的工艺是用真空钙热还原法获得粗镝, 再用真空精炼的方法降低金属镝中的杂质含量。笔者在工业生产条件下, 通过控制精炼时间、真空度及精炼温度实现杂质钙的去除, 从而获得合理的工艺条件, 使精炼后的金属镝钙含量降到0.05 %以下。

1 实验部分 1.1 实验原料

采用的原料是无水氟化镝在氩气保护中用99 %金属钙在真空感应熔炼炉中还原获得的粗镝^[1]。其反应式为:

粗镝的化验结果列于表 1。

在下面的实验中选择钙含量0.13 %的粗镝为原料。

1.2 实验设备

10 kg真空感应熔炼炉(锦州电炉厂生产)。

1.3 实验步骤 1.3.1 金属镝真空精炼时间试验

真空精炼在真空感应熔炼炉中进行, 精炼温度为1 500 ℃, 精炼前先将粗镝表面处理后破碎, 装入钨坩埚中, 当真空度抽至 < 6Pa时开始升温, 几分种后, 充氩气至-90 000Pa, 当金属全熔后, 精炼时间分别保持在5、10、15、20、25min。精炼过程结束后, 取出精镝, 表面处理后取样。

1.3.2 不同真空度试验

先将粗镝表面处理后破碎, 加入钨坩埚中, 真空感应熔炼炉的温度升至1 500℃, 在相同的精炼时间内, 充氩气至真空度为20、30、-90 000、-60 000Pa, 精炼过程结束后, 取出精镝, 表面处理后取样。

1.3.3 不同精炼温度试验

粗镝表面处理后破碎, 加入钨坩埚中, 真空感应熔炼炉抽真空至 < 6Pa时, 开始升温, 充氩气至-90 000Pa, 在相同的精炼时间内, 温度升至1 450、1 480、1 500、1 530℃, 产出的精镝表面处理后取样。

2 实验结果与讨论 2.1 金属镝真空精炼时间对除钙的影响

不同精炼时间制取的金属精镝取样后的化验结果列于表 2

根据多次实验得出的数据, 作出精炼时间与金属精镝钙含量的关系见图 1。

从表 2和图 1中可以看出, 精炼时间越长, 杂质钙的含量越低, 但随着精炼时间的增加, 去除钙的速度逐渐变小。因为在金属镝中钙一部分是热还原中夹杂的氟化钙, 另一部分是以溶解、游离的状态存在^[2]。真空精炼的方法能较有效地去除溶解、游离状态的钙。熔融状态下氟化钙在金属镝中有很大的表面张力, 浇铸后氟化钙部分上浮入渣。同时也应注意到精炼时间越长, 钨坩埚的溶解度越大, 金属镝中钨的含量必然增加, 因此既要尽可能降低钙的含量, 又不能使金属镝中其他杂质含量超标, 就必须选择合适的精炼时间。

2.2 不同真空度对精炼除钙的影响

不同真空度产出的精镝取样后的化验结果列于表 3。

从表 3中可以发现, 随着真空度的增加, 精镝中钙的蒸发速度加快, 钙的含量随之降低。但真空度 < 30Pa时随着杂质钙的蒸发, 金属镝也大量被蒸发出来了, 蒸发后炉灰中稀土含量可达8 %~ 10%。此时虽然可以降低钙的含量, 但金属镝的损失严重, 收率降低, 为了尽可能降低杂质钙的含量, 又不影响金属镝的收率, 也必须选择合适的真空度。

2.3 不同温度对精炼钙的影响

不同精炼温度制取的精镝取样后的化验结果列于表 4。

从表 4中可知, 杂质钙的蒸汽压很大, 精炼温度越高, 钙的去除效果越好。但精炼温度升高, 部分金属镝也会被蒸发出来, 金属镝的收率就会受到影响。因此应选择合适的精炼温度。

2.4 综合条件试验

综合上述3种试验条件, 在精炼温度为1 500℃, 精炼时间为10min左右, 充氩气至-90 000 Pa, 生产出的精镝的化验结果列于表 5

表 5结果显示, 综合3种试验条件, 杂质钙的去除效果比较好, 钙含量能达到 < 0.05 %

3 结语

(1) 真空精炼时间对杂质钙的去除影响很大, 精炼时间越长, 钙的含量越低, 但随着时间的延长, 钙的去除无明显变化。根据上述讨论, 选择真空精炼时间为10min左右。

(2) 真空度对杂质钙的去除有影响, 真空度越高, 钙含量越低, 选择充氩气至真空度为-90 000Pa时, 金属镝中钙含量较低, 操作也较方便。

(3) 精炼温度对杂质钙的去除也有影响, 精炼温度越高, 钙的去除效果越好。在不影响金属镝收率情况下, 选择精炼温度为1 500℃。