刘 燚，陈海清，魏 威

（湖南有色金属研究院，湖南长沙 410100）

干法制备高纯氟化钪的技术

刘 燚，陈海清，魏 威

（湖南有色金属研究院，湖南长沙 410100）

以Sc2O3与NH4HF2为原料，通过自制氟化设备干法氟化制备了高纯氟化钪。X－射线衍射分析表明，氟化产物单一，均是ScF3，氟化转化率为99.2%。通过ICP－AES对产物所含稀土成分分析，结果满足制备金属Sc的要求。通过几组试验对比，获取最佳氟化参数。

干法氟化；氟化钪；纯度

金属钪以其独特的性能在航天、航空、舰船、核反应堆以及轻型汽车和高速类车等方面有非常诱人的开发前景［1］。金属钪的制备原料主要是无水氟化钪和氯化钪。目前制备氟化钪有三种工艺，分别为湿法氟化、气体氟化和干法氟化。气体氟化钪直收率和氟化效率均可观，但是气体氟化对设备要求高，特别是要防止氟化氢气体的溢漏，排出的废气要经过处理。湿法氟化过程虽然成本较低但是过程较长且易引入杂质，制备高纯氟化钪很少使用该方法。干法氟化有两种，非真空氟化和真空氟化，相比非真空氟化，真空氟化可降低脱氨温度，且镍舟受损小，氟化效率和氟化收率高，工业中应用较广［2～5］。

随着科技的发展，对金属钪及其原料的纯度提出了更高要求。本文拟通过自制氟化设备制备高纯氟化钪，在优化工艺参数的同时，提高氟化钪的纯度，并减少对设备的消耗。

1 试 验

1.1 试验原料及方法

试验所需氧化钪原料采购于湖南东方钪业股份有限公司。原料纯度见表1。

表1 主要试剂及纯度

试验以氧化钪与氟化氢铵为原料，按不同摩尔比进行配比（表2为试验参数），搅拌均匀使氧化钪与氟化氢铵充分接触并放入高纯镍坩埚，装入自制氟化设备中。通过快速接口连接气体分流器，采用抽真空后充入高纯氩气的方式将氟化设备及原料中残余的空气清除，在10－1Pa条件下，在真空状态下采用电阻炉加热进行氟化反应，氟化时间为2 h，脱氨时间为10 h，试验结束后取样进行分析测试。

表2 氟化反应参数

1.2 试验主要设备

主要试验设备详见表3，图1为单体结构图。

表3 氟化试验主要设备

图1 自制氟化炉示意图［6］

1.3 样品检测分析

利用X射线衍射分析对原料及最终样品进行定性分析，使用Rigaku D／max 2550型衍射仪（18 kV、Cu Kα辐射，λ＝0.154 05 nm），以连续扫描方式采样，扫描速度4°／min，0.02°／step，2θ范围为10°～90°。利用日本电子株式会社JEOL JSM6700F场发射扫描电镜进行样品的表面形貌观察。试验中，粉末样品在加入分散剂（酒精）并经超声震荡分散后，粘附于镀有C膜的Cu网微珊之上，直接放入电镜进行观察。利用美国热点IRIS Advantage 1000电感应耦合等离子体发射光谱仪对原料和最终产品进行全分析检测。

2 结果及分析

2.1 氧化钪结果与分析

用X射线衍射（XRD）定性分析其形态，用扫描电镜（SEM）对样品进行表面形貌观察，结果如图2和图3所示。

从图2中可以看出样品中的钪元素均以氧化钪的形态存在。图3为氧化钪微观形貌，可以看出样品粉末的颗粒大小为2～20μm，颗粒尺寸分布较广。通过超声波分散，颗粒分布均匀，呈多边形。

图2 样品粉末的XRD结果

利用ICP－AES（电感应耦合等离子体发射光谱）对样品粉末进行化学成分分析，结果显示金属杂质及稀土元素成分均符合GB／T 13219－2010国家标准。

2.2 氟化试验结果与分析

对氟化产物取样进行XRD物相分析，结果如图4所示。

图4为四组不同条件氟化X衍射分析图谱。可以看出，SF1、SF2物相较为复杂，既有微弱的氟化钪峰，又掺杂较多杂质峰。NH4HF2熔点125℃，沸点230℃且极易潮解，马弗炉升温速率过快，NH4HF2中未及时抽走蒸发的水分与Sc2O3在一定温度下结合，生成ScOF相，并影响后续氟化反应。可以推断当氟化及脱氨温度过低时，Sc2O3与反应釜中水发生反应；同时由于脱氨温度过低导致脱氨不完全。升高氟化及脱氨温度，控制马弗炉升温速率，降低NH4HF2的比例，如图4－SF3所示，XRD峰基线平稳，所有衍射峰均为ScF3。研究［3，4］认为Sc2O3的氟化过程实际上是Sc2O3固体与HF气体的相互作用，氟化反应式可以写为：

图3 样品粉末的SEM图

图4 不同条件下X衍射图谱

在SF3试验其它参数不变情况下，调整NH4HF2的比例，得到产品SF4。如图4中的SF4，尽管ScF3的峰均已出现，但在18°～30°之间，出现两个其它杂质峰。说明NH4HF2过量，需要更长的脱氨时间。

对样品SF3产物进行SEM分析，结果如图5所示。高温长时间反应后，粉末团聚较明显。SF3粉末的导电性差，观察时，容易产生放电，粉末颗粒最小达到1μm以下。

图5 SF3粉末的SEM图片

为验证产品的纯度，对样品SF3进行ICP化学成分分析。因稀土元素性能相近，如果在氟化过程中混入其它稀土元素杂质，在后续制备金属钪的还原及蒸馏工序中将难以去除，故对样品SF3的稀土元素进行定量缝隙，结果见表4。产物中15种稀土杂质元素含量均为正常值，稀土杂质（除金属钪）总含量为0.007 76%，而金属Sc国家标准Sc－164040中规定总稀土杂质含量不大于0.01%，因此ScF3纯度满足制备金属Sc对原料的要求。

表4 ScF3的ICP分析结果

对样品SF3产物进行称重，并计算氟化转化率为99.2%。说明在此条件下Sc2O3反应充分。

3 结 论

1.以Sc2O3与NH4HF2为原料，通过干法氟化工艺制得单一物相ScF3，其纯度满足制备高纯金属钪的要求，氟化转化率为99.2%。

2.自制反应釜以及气氛分流器等氟化设备，在试验中操作简单，工艺参数控制精准，适合高纯卤化物的制备。

3.通过对氟化参数进行优化，获得最佳氟化工艺参数：Sc2O3与NH4HF2的化学计量比为1∶6.1；在真空度10－1Pa下，氟化温度为300℃，氟化时间为2 h；脱氨温度为550℃，脱氨时间为10 h以上。

［1］ 林河成.铝钪合金材料的发展现状及前景［J］.稀土，2010，31（3）：97－101.

［2］ 徐光宪.稀土（第二版）［M］.北京：冶金工业出版社，1995.

［3］ 司秀芬，邓佐国，徐延华.赤泥提钪综述［J］.有色金属科学与工程，2003，17（2）：28－31.

［4］ 平志.金属钪还原制备［J］.稀有金属与硬质合金，1989，（3）：44－45.

［5］ 林河成.金属钪的资源及其发展现状［J］.四川有色金属，2010，（2）：1－5.

［6］ 陈海清，刘燚.制备氟化物的方法及装置［P］.中国专利：2013 10394910.8，2013－09－03.

Technology of Xeransis Fluorination for Preparing High Purity Scandium Fluoride

LIU Yi，CHEN Hai-qing，WEIWei
（Hunan Research Institute of NonferrousMetals，Changsha 410100，China）

In this paper，Sc2O3and NH4HF2powder as raw material，a high purity scandium fluoridewas prepared by xeransis fluorination with the self-made equipment.X-ray diffraction analysis showed that fluoride was purified single，ScF3，and the conversion rate was 99.2%.Through the analysis of the rare earth elements in the product by ICP-AES，the results meet the requirements of the preparation of metal Sc.Comparing several experiments，the optimum parameters of fluorination were obtained.

xeransis fluorination；scandium fluoride；purity

TF845＋.1

A

1003－5540（2017）01－0053－05

2016－11－17

刘 燚（1982－），男，工程师，主要从事功能材料的研发工作。