一种直接热还原连续制备金属镱的方法技术

一种直接热还原连续制备金属镱的方法，属于有色金属冶金技术领域。本发明专利技术的制备方法具体包括：将Yb2O3、Al、CaO或MgO作为原料，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氛中或氮气进行高温还原反应，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的高温镱蒸汽冷凝，得到金属镱。本发明专利技术方法采用了“相对真空”手段，取消了真空系统以及真空还原罐，实现了金属镱的连续生产，缩短了还原周期，提高了生产效率，金属镱的回收率可达97％以上；能耗显著降低，是一种低成本制备金属镱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。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】，属于有色金属冶金
。本专利技术的制备方法具体包括：将Yb2O3、Al、CaO或MgO作为原料，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氛中或氮气进行高温还原反应，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的高温镱蒸汽冷凝，得到金属镱。本专利技术方法采用了“相对真空”手段，取消了真空系统以及真空还原罐，实现了金属镱的连续生产，缩短了还原周期，提高了生产效率，金属镱的回收率可达97％以上；能耗显著降低，是一种低成本制备金属镱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。【专利说明】
本专利技术属于有色金属冶金
，特别涉及一种直接热还原连续制备金属镱的 方法。
技术介绍
金属镱为银灰色，有延展性，质地较软，室温下镱能被空气和水缓慢氧化。与钐和 铕相类似样，镱属于变价稀土，除通常呈正三价外，也可以呈正二价状态。近年来，镱在光纤 通讯和激光技术两大领域崭露头角并得到迅速发展。镱离子由于拥有优异的光谱特性，可 以象铒和铥一样被用作光通讯的光纤放大材料。尽管稀土元素铒至今仍是制备光纤放大器 的主角，但传统掺铒石英光纤增益带宽较小（30nm)，已难以满足高速大容量信息传输的要 求。而Yb 3+离子在980nm附近具有远大于Er3+离子的吸收截面，通过Yb3+的敏化作用和 铒镱的能量传递，可使1530nm光得到大大加强，从而大大提高光的放大效率。近年来，铒镱 共掺的磷酸盐玻璃受到越来越多研究者的青睐。镱的光谱特性还被用作优质激光材料，既 被用作激光晶体，也被用作激光玻璃、和光纤激光器。目前，我国在掺镱激光晶体（Yb :YAG、 Yb :FAP、Yb :SFAP等）方面，已取得一系列具有国际先进水平的创新性成果，解决了晶体的 生长以及激光快速、脉冲、连续、可调节输出等多项关键技术，研究成果已在国防、工业和科 学工程等方面获得实际应用，掺镱晶体产品已出口美国、日本等多个国家与地区。 目前，我国金属镱主要制备方法是稀土金属还原蒸馏法，即以稀土镧（或铈、镨、 钕）或镧铈合金为还原剂，Yb20 3为原料在低于IPa的真空条件下1100°C以上小于0. 133Pa 的真空条件下高温还原，然后冷凝、蒸馏分离得到金属镱。该方法的工艺及设备较成熟，已 工业化应用。但是该方法存在着生产容量小、镱产品单位产量低，造成需求量快增时，必须 使用很多台还原炉设备才能满足需求、引起设备投资大、作业繁杂、生产费用高和管理不便 等问题。同时该方法以稀土金属为还原剂，存在着生产成本高等缺点。由于镱的变价特性， 制备金属镱不宜用电解法。针对以上问题，为提高金属镱产量，降低其生产成本，必须快速 开发金属镱制备新方法。
技术实现思路
针对现有稀土真空还原-蒸馏法制备金属镱生产及研究所存在的缺点和不足，本 专利技术提出了，即在动态惰性气体或氮气中进行高温 还原，生成的高温镱蒸汽被流动的惰性气体或氮气携带走，冷凝得到金属镱。本专利技术方法提 供一种在"相对真空"条件下，采用铝热还原法连续炼镱的方法，实现了镱的低成本连续生 产，解决传统的稀土真空还原-蒸馏法制备金属镱所存在能耗高、还原罐寿命短以及生产 成本高等问题；本专利技术的方法反应速度快，还原效率高，同时实现了镱的连续生产。 -种直接热还原连续制备金属镱的方法包括造球团、相对真空气氛中球团连续还 原、高温镱蒸汽的冷凝等步骤。其中，造球团是指将Yb203、Al、Ca0或MgO作为原料，其中还 原剂为A1可以用Ca或75Si-Fe合金代替，按比例混合好，采用辊压机压制成球团；球团在 相对真空气氛中连续还原是指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， 反应生成的高温镱蒸汽立即被流动的惰性载气或氮气携带走，对于每一个反应界面来讲， 由于生成的高温镱蒸汽立即被携带离开了反应界面，所以对于反应界面上的高温镱蒸汽来 讲，其分压一直处于低于latm的负压状态，即所谓的"相对真空"状态。因此，对于生成镱 蒸汽的还原反应界面上的氛围，就好像一个密闭的容器抽了真空一样，称之为"相对真空" 或"相对负压"，这为反应的发生提供了更充分的热力学及动力学条件；镱蒸汽的冷凝是指 将由高温还原炉中惰性气体或氮气携带来的高温镱蒸汽快速冷却得到金属镱锭的过程。 本专利技术的直接热还原连续制备金属镱的方法，具体包括如下步骤： 步骤1，配料造球： 配料：采用如下配料方式（1)?（4)中的一种： (1)将 Yb203 : A1 : CaO 按摩尔比 1 : (2 ?2. 4) : (0 ?3)配料； ⑵将Yb203 : A1 : MgO按照摩尔比1 : (2?2.4) : 1配料； (3)将（1)中的A1和CaO或（2)中的A1和MgO,用Ca代替，其中，Ca的用量用A1 确定，1质量单位的A1可以用2. 2倍质量单位的钙代替； (4)将⑴或⑵中的A1，用75Si-Fe合金代替，其中，1质量单位的A1用1质量 单位的75Si-Fe合金代替； 造球：将配料混料均匀，在100?250kg/cm2压力下压制成球团； 步骤2,球团高温连续还原： 在流动的惰性气体或氮气气氛中，气体流量为3. 0?6. 0m3/h，将球团连续加入高 温还原炉，还原温度为700?1400°C，还原时间为10?50min，得到高温镱蒸汽，并与惰性 气体或氮气混合在一起，形成高温混合气，同时把还原渣连续排出高温还原炉； 步骤3,高温镱蒸汽的冷凝： 高温镱蒸汽通过流动惰性气体或氮气携带出高温还原炉，通过密封管路输送到冷 凝系统进行冷凝，得到固体金属镱。 其中，步骤1中造球时用辊压机将配料压制成块状或球状球团；步骤2中的惰性气 体为纯度大于等于99. 95%的高纯氩气；步骤3中的冷凝方法为直接冷凝或雾化冷凝，其中 直接冷凝方法采用循环水冷冷凝；步骤2或步骤3中的高温还原炉为中频感应炉或高温电 阻炉。 所述的75Si_Fe合金是Si质量含量为75%的Si-Fe合金。 上述的步骤中，当Yb203 : A1 : CaO按摩尔比1 : 2 : (0?3)配料造球时，按照 反应式（1)反应，化学计量比为摩尔比； Yb203 (s)+2A1 (1)+xCa0 = 2Yb(g)+Al203 · xCa0(s) (1) 反应式（1)可存在以下几种反应形式中的一种进行反应： Yb203 (s)+2A1(1) = 2Yb(g)+Al203(s) (1-1) Yb,〇r,(s) + 2/1/(/) +|Γ?/0(.ν) = 2Yb(g)+ -^2.41,0, CaO(s) (1_2) Yb203 (s) +2A1 (1) +Ca0 (s) = 2Yb (g) +Al2〇3 · CaO (s) (1-3) Yb2CX(s) + 2A!(l) + ^CaO(s) = 2Yh(g) + ^lAI20-, \2CaO(s) (1_4) Yb203 (s) +2A1 (1) +3Ca0 (s) = 2Yb (g) +A1203 · 3Ca0 (s) (1-本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种直接热还原连续制备金属镱的方法，具体包括如下步骤：步骤1，配料造球：配料：采用如下配料方式(1)～(4)中的一种：(1)将Yb2O3∶Al∶CaO按摩尔比1∶(2～2.4)∶(0～3)配料；(2)将Yb2O3∶Al∶MgO按照摩尔比1∶(2～2.4)∶1配料；(3)将(1)中的Al和CaO或(2)中的Al和MgO，用Ca代替，其中，Ca的用量用Al确定，1质量单位的Al可以用2.2倍质量单位的钙代替；(4)将(1)或(2)中的Al，用75Si‑Fe合金代替，其中，1质量单位的Al用1质量单位的75Si‑Fe合金代替；造球：将配料混料均匀，在100～250kg/cm2压力下压制成球团；步骤2，球团高温连续还原：在流动的惰性气体或氮气气氛中，气体流量为3.0～6.0m3/h，将球团连续加入高温还原炉，还原温度为700～1400℃，还原时间为10～50min，得到高温镱蒸汽，并与惰性气体或氮气混合在一起，形成高温混合气，同时把还原渣连续排出高温还原炉；步骤3，高温镱蒸汽的冷凝：高温镱蒸汽通过流动惰性气体或氮气携带出高温还原炉，通过密封管路输送到冷凝系统进行冷凝，得到固体金属镱。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：豆志河，张廷安，张子木，刘燕，吕国志，赵秋月，牛丽萍，傅大学，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21