真空蒸馏法提纯稀土金属-基本原理

    真空蒸馏法是制备高纯稀土金属常用的方法，也是目前产业化较成功的方法之一。综合来看，该方法的生产效率和稀土金属收率较高，设备投资小，提纯效果明显，适宜于规模化生产。 

    基本原理

    稀土金属的真空蒸馏提纯是利用某些稀土金属蒸气压高这一特性，在高温真空下蒸馏，使稀土金属与杂质分离，从而达到金属提纯的目的。蒸馏过程可以由升华或蒸发形戒严令完成，这取决于稀土金属的蒸气压与熔点之间的关系。若金属（如Sm、Eu、Yb等）在低于其熔点下的蒸气压较高，能够获得足够大的蒸馏速度，则可采用升华进行提纯；若需要把金属（比如Dy、Er等）加热到其熔点之上才能使金属的蒸气压达到较高值，获得较高的蒸馏速度，则应采用蒸发提纯。

    在金属蒸馏过程中，当金属的蒸气压很小（Pa≤0.133 Pa），而且蒸馏系统真空度很高时的条件下，纯金属的蒸发可以视为“分子蒸发”，其单位面积（cm²）和一定时间（s）内的蒸发量（g），即最大蒸速度W_e可以用朗格缪尔方程表示：

  式中  a——冷凝系数，一般金属等于1；
        P_e——蒸发温度下金属的蒸气压，Pa；
        T——蒸发温度，K；
        M——蒸发金属的分子量。
    实际上在稀土金属蒸馏的提纯的过程中P_e＞0.133Pa，而且金属蒸汽冷凝为固体过程中，由于冷凝速度的限制，金属蒸气在蒸发器上方聚集产生回凝，这使得朗格缪尔方程的计算结果与实际结果存在偏差。这可以通过修正P_e来减小计算误差，如金属蒸气在蒸发器上方聚集而产生的金属分压为P′_e，冷凝速度小于蒸发速度时的计算公式为：
     

    由上式可知，冷凝速度小于蒸发速度将引起体系内气压增大P′_e，金属的产量降低。冷凝速度可通过确定冷凝温度T_c和冷凝温度下的金属蒸气压P_C来计算，即：

    蒸馏速度是确定蒸馏温度和保温时间的重要技术参数，蒸馏速度随温度的升高而增加，但在蒸发过程中，由于稀土金属中的杂质不断富集，金属的活度降低，蒸馏速度也会减小。稀土金属蒸馏速度的测定比较复杂，结果各异。通常，某一温度下的蒸馏速度按下式测定方法进行监控。

                             W_e=Q_e /（S×T）                          [4]

   式中  Q_e——稀土金属蒸出量，其为坩埚内金属重量或接收器中金属质量，g；
         S——蒸发表面积为坩埚内截面积，cm²；
          T——保温时间指某一蒸馏温度正反保温时间，h。
    利用某些金属或气体杂质（如氟化物、氯化物、钙、镁、氧等）蒸气压高于稀土金属这一特性，在高温高真空下蒸馏，使杂质挥发与稀土金属分离，从而达到金属提纯的目的。这一过程有时称之为真空熔炼法提纯稀土金属方法。真空格熔炼法去除杂质过程的蒸发温度以杂质的蒸气压而确定。该种方法适用于中间合金法生产的稀土金属提纯。因为中间合金法生产的稀土金属中镁或钙较高，而且其在稀土金属熔点下的蒸气压较高。在提高纯稀土金属时，一般首先用真空熔炼法将其中的一些杂质去除，尤其在大量制备高纯稀土金属时，常常需要进行这一步处理。
    稀土金属钪、钇、镧、铈、镨、钕、钆、铽、镥在熔点下的蒸气压低于13.3Pa，可用真空电弧炉、中频感应炉熔炼去除其中的易挥发杂质。钐、铕、镝、钬、铒这五种蒸气压较高的稀土金属可以在氩气气氛中进行电弧熔炼，但金属的损失较大。钇、钆、铽、镥、钪、镝、钬、铒的真空熔炼温度分别约为1850℃、1800℃、1750℃、1800℃、1550℃、1440℃、1480℃和1540℃