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摘 要：钐的主要用途是作稀土永磁材料钐钴合金，主要有两种：1：5钐钴永磁体和2：17钐钴永磁体，由于钐钴永磁体在热稳定性和抗腐蚀性方面优于钕铁硼磁体，因而成为某些工业特别是军事和航空等领域的首选材料。同时，90年代初期研制开发的新型磁性材料钐铁氮磁体以其较低的制造成本、优于钕铁硼的某些性能（耐热性和耐蚀性）成为金属钐的又一重要市场[1]。目前，在镧热还原制取金属钐方面主要通过优化工艺参数来提高生产效率和金属钐收率；扩大单炉次生产规模来提高生产效率， 降低生产成本。本文以本厂实际生产为基础尝试对影响钐质量及产量的诸因素进行讨论[2]，通过多次实验和生产实践，找出并讨论了镧热还原法制取金属钐的主要影响因素-反应温度、还原剂用量、反应时间、料块的压制压力等与金属钐收率和纯度之间的关系，简单的描述了镧热还原的热力学原理和动力学过程。

关键词：金属钐； 镧热还原； 反应温度； 压制压力

一、设备及原料

反应设备：120KW大型真空碳管炉

原料：氧化钐相对纯度≥99.9%，稀土杂质≤0.1%，非稀土杂质≤0.5%，金属镧：金属镧相对纯度≥99%。

二、热力学分析

镧热还原法是利用钐的蒸汽压远大于还原剂金属镧蒸汽压的特性，在真空状态下还原的同时将其蒸馏出来。

反应方程式为： Sm2O3（s）+La（l）→2Sm（g）+La2O3（s）。

反应进行的条件：ΔGT=ΔGT0+RTlnKp≤0

在该多相反应中，反应的平衡取决于气相成分的蒸气压，因为在反应温度下，其他成分的蒸汽压很小，可视为零。当反应达平衡时：

ΔGT0=-RTlnKp=-RTlnp（1）

而平衡蒸气压Pm与温度的关系：

LgPm=A-B/t（A，B为常数）（2）

查阅资料得到个反应物相应数据[3]

对反应：2Sm2O3（s）+2La（l） →2Sm（g）+La2O3（s）

ΔGT0与T的关系为：ΔGT0=430.733-0.314T

实际生产是在真空度为≤5Pa下进行：

ΔGT=430.733-0.314T +8.314Tln（5/101325）2≤0

得：T≥1371.7K，t≥1098.2℃

由此可知：上述反应能进行的热力学条件为：反应温度 t≥1098.2℃

三、反应过程分析

从反应化学方程式可以看出，该反应为复杂的气-固-液多相反应过程，其主要的反应过程是：在满足反应温度条件下还原剂La开始溶化，与固态的Sm2O3相互浸润，并形成中间相；被还原出的Sm与还原剂La形成合金；金属Sm由液态中间合金中蒸馏出反应区。

四、反应过程中的影响因素及讨论

（一）反应温度

温度升高， 反应速度增加， 对于这种关系， 无论反应过程是化学动力学控制还是扩散控制， 均可用阿累尼乌斯公式表达。

lnk =-Ea/（RT）+B

根据多次实际生产中记录数据可绘制120KW大型真空碳管炉制取金属钐温度与收率关系。在还原剂、反应时间等其他条件不变时，镧热还原在1200℃之前进行的比较缓慢，达到1500℃时才到达较高的钐收率（>90%），但在实践生产中，应根据综合因素考虑。在加热过程中，升温速度过快，会使原料和还原剂中的气体来不及排出，炉内的真空度会迅速下降，这样会使制备的金属光泽很差。有时金属蒸汽夹带着氧化物进入冷凝器，产生夹层。而反应温度过高，增加了反应后残渣中的杂质挥发和钐的蒸汽损失，会给钐的纯度和收率带来不良影响[4]。因此应将反应温度控制在1400-1500℃之间为宜。

（二）还原剂

1、还原剂粒度

在反应过程中合适的粒度能够让镧屑从分的与Sm2O3接触，增大反应面积，使反应更加完全，但在实践生产中，生产出来的镧屑较容易受到氧化，粒度过小将会使镧屑在短时间内氧化，失去还原功能。实际生产中，生产出的镧屑粒度为0.8×2×6毫米，还原剂过量7%，金属收率能达到85%以上。

2、还原剂用量

根据反应式：Sm2O3+La→2Sm+La2O3可计算出氧化钐和还原剂镧理论质量的比值，即Sm2O3：La=1：0.8。但实际生产中还原剂过量使用，伴随镧过量数值的增加，钐的收率也随之提高，当还原剂镧比例大于0.9以后，钐的收率曲线趋于平缓。这表明还原剂适当过量是十分必要的，但也应在一定范围内波动，否则会导致镧的高温烧结，影响Sm（g）的扩散和升华，同时过量的镧会使反应后的料渣相互粘连，增加后期清理工作难度。所以应保持Sm2O3和La反应物料的配比在1：0.85-1：0.9之间波动。

（三）反应时间

图1可见，在其他条件相同时，反应时间少于5h钐的收率比较低，随着时间的增加，其收率也逐渐提高，当反应时间达到14-15个小时，金属的收率接近90%，因此在实际生产中应保证反应时间大于15h。

（四）料块的压制压力

一般情况下，压制压力不是影响反应速度的主要因素，但在一定数值内对还原过程有利，首先压制破坏了还原金属表面的氧化膜，改善了还原金属与氧化物界面性质，同时增加了氧化物与还原剂的接触面积，使液-固界面更好地润湿，促进反应进行。另外物料在压力作用下，体积变小，使每炉次填料量增加，从而提高金属钐的产能，这对工业大规模生产是十分必要的。

如图2所示，压制压力从1Mpa增至7Mpa对钐的收率影响较小，这是还原剂镧与氧化钐接触不好所致[5]。压制压力从25Mpa增加到50Mpa，当反应时间达到15h时都基本上到达收率最大值，但后期出现随着压力增大收率降低、反应速度降低的现象。其原因是：压制压力增大，物料之间的縫隙变小，反应中钐蒸汽的扩散速度降低，同时压制的料饼中部位置受外层影响难以进行还原反应，降低了氧化钐和镧的反应程度。因此，基于实际生产25Mpa较适合作为制取金属钐料饼的压制压力。

五、结论

1.在还原过程中温度、还原剂用量、料块的压制压力是主要的影响因素。

2.实际生产适宜工艺参数：温度1400-1500℃，Sm2O3和La反应物料的配比应在1：0.85-1：0.9之间，压制压力25Mpa。

参考文献：

[1] 马鹏起，打开镧镨的应用寻找钐钆的出路，稀土信息，200017～20.

[2] 姜银举，储爱民.镧热还原氧化钐过程冶金动力学分析，稀土信息，2006（4）27-2.

[3] 石富，稀土冶金技术，北京：冶金工业出版社，2009.

[4] 吕恩保，刘兴山.镧热和铈热还原法制取金属钐影响因素的研究 包头稀土研究院1990.4.

[5] 张长鑫，张新.稀土冶金原理与工艺[M].北京：冶金工业出版社，1997.6.