我的芳名叫“钕”，我的姐妹众多有十五个，由于化学性质相似，元素周期表上将我们放在下面的走廊上，称之为“镧系”元素，我排行第四，原子序数60，原子 量144.24，离子颜色玫瑰淡紫色，氧化物可溶于无机酸，氢氧化物、氧化物、碳酸盐和氟化物不溶于水，硝酸盐和氯化物可溶性良好。我长年来被应用于陶瓷 添加剂、陶瓷电容、滤光器、玻璃脱色、镁合金等，因而用量较少。自第三代稀土永磁材料钕铁硼的问世，是磁性材料的重大突破，随着科研与生产的逐步发展，人 们对我的需求量日趋迫切，相应地对作为金属钕的原料—氧化钕的用量亦大幅度地猛增，由于当时以P—204或P—507萃取法分离提取氧化钕还处于试验阶 段，未形成工业化，一时在短时间内欲获得几百公斤甚至成吨的氧化钕，在当时是有一定的难度，因此离子交换法不得不应运而起，就在江西寻乌稀土矿诞生了直径 （500mm）×高度（4000mm）的大型离子交换柱，交换柱的林立，醋酸铵的淋洗，在不到一年的时间内相继生产出几百公斤高纯氧化钕，才满足了当时制 取金属钕的原料需求。事后金属钕的制取由于采用了投资少，见效快，操作简便的工艺，生产厂家在国内就有几十家之多。回忆过去，纵观现在，全世界钕铁硼产量 约为20000吨，约需金属钕6000吨，赣州市就占50%的产量，真有所谓“钕城”之称。下面就总结过去将金属钕的制取过程进行历史回顾，可能有所教 益。
1. 关于金属钕的制取工艺
金属钕的制取方法在当时国内有多个方案可供选择。 ①氯化物体系低温熔盐电解得海绵状金属钕，然后升温使金属钕聚集。②以中间合金法首先获得钕镁合 金，然后蒸馏去镁得金属钕。③以无水氟化钕为原料，经钙热真空还原法得金属钕。④以氟化物体系熔盐电解氧化钕制取金属钕。分析以上方案：第一方案氯化钕的 制备和保存较困难，工艺操作较难掌握，电效低；第二方案中间合金还需蒸镁过程，工业化生产在蒸镁设备上存在一定的困难，操作又不安全；第三方案制得金属钕 纯度较高，在电解法未盛行的时候，曾采用过该法，但因制备无水氟化物和钽坩埚花费大，成本高，工业化难于采纳，鉴于以上情况分析，为了能尽快批量生产形成 工业化，因此选择了第四方案。氟化物体系熔盐电解氧化钕制取金属钕的方法，实践表明，该法投资少，见效快，迅速推广开来，被众多生产厂家所采用，某些单位 和厂家，多年来在此方法基础上还做了系列的改进和完善工作。
2. 工业化必须解决的问题
氟化物体系熔盐电解氧化钕制取金属钕，开始时是以石墨电解槽作为阳极的，因此承接坩埚必须是绝缘材料，如采用刚玉坩埚或用刚玉材料垫电解槽底部，甚 至有单位曾试图采用以稀土氧化物制作的坩埚，实践证明，这些材料仍不能耐氟的腐蚀，使用寿命极短，根本无法扩大工业化规模。因此在江西寻乌稀土矿工试时， 不得不革除石墨电解槽本身作为阳极的工艺，改用上挂圆桶型阳极，这样承接坩埚可以使用金属材料了。其次遇到的问题，就是当起炉时熔盐的熔化问题，多数单位 采用电解槽外部硅碳棒加热装置，加热时间长，不易控制，扩大工业化时设备上有一定的困难，后改用石墨电极单相电弧加热，实践表明，加热熔化时间短，操作简 便，解决了实现工业化的关键问题，该措施迅速被传播推广，所有生产厂家至今仍沿用着。
3. 关于如何降低金属钕中碳含量的问题
钕铁硼永磁由它磁性能好，应用领域发展迅速，需求量逐年猛增，因此国内外市场竞争剧烈，一度时间内出现有大打碳含量之战，因为衡量金属钕质量一个主要标准 是金属钕中碳含量，要求是越低越好，但在实际生产中，金属钕中碳含量往往波动较大难以得到有效的控制。因此，在原有的工艺和设备条件下，如何降低和稳定金 属钕中的碳含量是生产厂家亟待解决的问题。
众所周知，金属钕在制取过程中，材料的影响是金属钕中碳含量的主要来源。电解槽是用石墨制作，阳极也是由石墨车制，碳杂质不可避免的存在于熔盐中，并且参 与整个电解过程，从而影响金属钕的质量。因此，选用优质石墨是必要的。一般认为碳含量在金属钕中存在的形式有两种，一种是以夹杂物形式存在，即以单质碳的 形式存在；另一种是以化合物形式存在，即以Nd 2 C 3 或NdC 2 形式存在，实验得 知，当阳极接近耗尽时和刚换新阳极时，所得两块金属块样两者碳含量相差较大，当阳极快耗尽时，所产出的金属碳含量明显较低，因为阳极与电解槽空隙大，石墨 粉易消耗掉，此时熔体中的碳较少且基本稳定；当刚换新阳极时，由于阳极与石墨槽之间的空隙小，只有少量的空气进入，且往往有较多的石墨粉附着内壁，电解时 这些石墨粉也会落入熔体中，所以当刚换新阳极时，金属钕中碳含量会高。因此，槽型的设计和阳极形状必须值得考究，使阳极更换前后条件变化不大，如多片阳 极。另外，电解温度也是一个非常重要的工艺参数，会直接影响金属钕碳含量，电解温度升高，使碳与金属液滴之间的反应加快，生成较多的碳化合物混入金属中。 实验得知，随着电解温度的升高，电流效率随之下降，金属钕中碳含量会随之增高。所以控制好电解温度是将保证金属钕中碳含量低的一个重要条件，特别是忽高忽 低的电解温度更是不可取的，这可反映在电流效率上，实践表明，只有稳定的较高的电流效率才能使金属钕中碳含量低且保持稳定。众所周知，电流效率与众多的工 艺条件有关，如熔盐成分、电解温度、加料速度、电流密度等，必须在特定的工艺条件下选择多因素的综合最佳条件，才能使金属钕中碳含量较低。
4. 关于提高单炉电流强度扩大设备的问题
氟化物体系熔盐电解氧化物制取稀土金属。国内使用多年后，单炉电流强度已由1000A逐渐提高到3000A。由于操作简便，设备投资少，至今已形成相当规 模，它给赣州稀土行业带来了效益。目前电解槽炉型都是采用圆形的，生产实践证明，在工艺上它具有一定的特点，如阳极面积大，极距均匀，设备简单，易于上 马。但这种圆形电解槽，随着稀土工业的飞速发展，逐渐呈现出它的不足之处，如电解槽寿命短、阳极材料消耗成本高、工人劳动强度大，特别是单炉每块金属重量 低，批量产品质量不稳定。主要非稀土杂质碳含量往往以平均结果体现，国内外顾客对此有新的要求，要求单炉产量大产品质量均匀一致。因此设计研制 10000A以上的大型电解设备是很有必要的。
以往的圆形电解槽是利用直径（ 500—550mm）的石墨电极车制的，它材料结构严密而完整，但最大电流强度仅有3000—3500A。如设计在 10000A以上的电解槽，这种圆形的电解槽是难以实现的；如果采用压制成型，不仅其成本昂贵，而且以目前碳素厂家设备能力制出的圆形电解槽，最大电流强 度也仅有6000—7000A。
所以首先必须解决自行设计砌筑石墨电解槽的问题。目前有单位在槽体改革创新方面成功地解决了电解槽的砌筑，下插多阴极自动加料和真空虹吸出料等问题。包钢 稀土研究院已研制出的国内首台10KA稀土熔盐电解设备，电流效率达80.13%，金属钕回收率达94.99%，电耗为10KWh/kg Nd，它对稀土熔盐体系电解过程进行了三维温度场、流场、电场的计算机仿真，并将科研成果应用于电解槽的优化设计中，还研制出自动连续均匀加料装置。据消 息透露目前国内最大这种电解槽单炉电流强度可达30000A。
5. 扩大品种向铁合金引申
由于氧化钕在氟化物熔体中溶解度很低，电解过程常出现阳极效应和槽底积渣现象。曾提出以氟化钕为原料，阳极为铁棒来制取钕铁合金。这样以钕铁合金的 形式提供钕铁硼原料，不论在生产成本或产品质量上都要比提供纯金属优越得多。钕铁还可用氟化物或氯化物钙热还原而获得。采用非自耗阴极电解法可自氟化物或 氯化物熔盐中共析钕的合金，也采用自耗阴极电解法又在氟盐中电解氧化钕或电解氟化钕、氯化钕都可获得钕铁合金。还有在上述类似的电解槽中，以 NdF 3 +DyF 3 为原料，可以制得不同比例的Nd—Dy—Fe合金。 （本文转自虔东实业网站） |
