鈣還原是提取稀有元素的常用方法之一。一般反應都是鈣與目標元素的氧化物發生置換反應，生成氧化鈣和單質目標元素物質，鈣在整個反應中起到還原劑的作用。鈣還原過程會放出大量的熱，這些能量可以推進反應的進程。
基本介紹
- 中文名：鈣還原
- 外文名：calcium reduction
- 特點：反應放出大量的熱
- 鈣作用：還原劑
- 實例：還原二氧化鈦、氧化鎢等
- 套用：還原提取稀有元素
簡介,鈣還原法的優點,鈣還原二氧化鈦,工業生產,
簡介
鈣還原是製取金屬鋯粉的金屬鋯生產方法。產品純度可達98%以上，主 要用作電子管吸氣劑。此法為維特金（E .Wedekind）和里威士（s .J.Lewis）於1913年首先研究成功，現已用 於工業生產。
難熔金屬的鈣還原法由於在還原過程中放出大量熱和鈣的價格貴，一般只用於實驗室規模。採用氧化鎢和鈣的混合物作為爐料，還原過程通常是在一隻內襯耐火材料的密封鋼容器內進行的。據報導，在爐料中鈣過量35～50%得到最大產率；往爐料中按每克分子氧化鎢添加1～1.5克分子硫量便使金屬更有利於下一步緻密化和得到較好的渣分離（Good等，1961）。這種方法也可採用混合金屬氧化物爐料來生產鎢合金。這樣所產出的鎢或鎢合金便可通過電弧熔煉法使之緻密化或加以提純。
鈣還原法的優點
鈣還原法主要用於製備單一緻密釔族稀土金屬。製備單一金屬釓、鋱、鎬、鈥、鉺、銩、釔、鑥和鈧均可利用此種方法。
一、基本熱還原反應及鈣還原的優點
金屬鈣還原稀土氟化物的最終化學反應為：3Ca + 2RF3 —→3CaF2 + 2R（1450～1750℃）
鈣還原氟化釔的自由能隨溫度變化見右圖
溫度變化圖
溫度變化圖採用鈣還原氟化物的方法製取高熔點緻密稀土金屬的優點是；熱還原產物氟化鈣及金屬的熔點相近，在還原溫度下氟化鈣蒸氣壓低，使反應過程進行得平穩，熱量不易散失，金屬容易聚集且易於觀察操作；氟化鈣渣流動性好，便於與金屬分離；還原劑金屬鈣容易獲得並較易提純。稀土氟化物較之氯化物不易水解，便於操作。
鈣還原二氧化鈦
鈣還原二氧化鈦按如下放熱反應進行：
TiO2 + 2Ca —→Ti + 2CaO +85.4千卡
該反應放出的熱量（每公斤化學配比的混合物約放出530千卡熱量）不足以使還原反應自發地進行，因此需要外力加熱。鈣還原二氧化鈦一般是在1000～1100℃溫度下於氬氣2i氛中進行的。這時，鈣處於液態和少部分處於氣態（在1000℃下鈣的蒸氣壓等於11毫米汞柱），因此，鈣與二氧化鈦接觸良好。用於作還原劑的鈣需要用蒸餾法淨化，不允許含有氮和碳的雜質，以防止金屬鈦被這類雜質玷污。
鈣還原二氧化鈦得到的金屬鈦顆粒很細（2～3微米）。因為難熔的氧化鈣薄膜阻礙它們長大。如果加入CaCl2形成液相，可以使氧化鈣溶解在液相中，這樣將有助於金屬鈦顆粒的長大。假如所加入氯化鈣量足以使全部生成的氧化鈣都能溶解在其中（大約一克分子CaCl2能溶解2克分子CaO），則製得的金屬鈦顆粒可達10微米甚至更大。
將二氧化鈦、氯化鈣和鈣的混合物壓成團料，然後將團料裝到耐熱鋼作的密閉反應罐中(圖70)進行還原。作為還原劑的鈣一般以碎塊或碎屑形式使用。
鈣還原二氧化鈦裝置示意圖
鈣還原二氧化鈦裝置示意圖從反應罐抽出空氣後，充入氬氣並加熱至1000～1100℃，在此溫度下保溫1小時。
鈣可能在溫度較低的反應罐蓋上凝結。為防止鈣從反應區域巾部分地跑掉，當在加熱爐內安放反應罐時，必須使反應罐的內部空間都處於同一溫度之下。
還原得到的產物經磨碎之後，先用大量的水，爾後再用稀酸（醋酸、硝酸或鹽酸）溶液進行處理，最後用水洗滌並在40～50℃的真空中烘乾。
為使鈣還原二氧化鈦製得的金屬鈦含氧量大體降到0.2%左右，必須將製得的鈦粉再用鈣還原一次。即使如此，鈣還原二氧化鈦製得的金屬鈦的硬度仍然偏高和塑性偏低。因為其中氧和氮的雜質含量仍然較高。
鈣還原二氧化鈦製得的金屬鈦具有如下的典型成分（%）：98.5～99 Ti，0.03～0.15 N、0.2～0.4 O、0.01～0.03 H、0.1～0.2 Si、0.01～0.05 C、0.10～0.25 Fe、0.05～0.15 Al、0.1～0.3 Ca、<0.03 Mg、0.01～0.1 Cu。
工業生產
在大批量生產時，為防止溫度上升過高，可把 爐料分裝在幾個柑坍內。在較低溫度下亦可保證反應平穩進行。二氧化鋯和金屬鈣的純度直接影響產品的 純度，二氧化鋯的大小則影響產品的粒度。由於經過大量水洗，產品含氧量較高而含鋯量較低。 預先將鈣與氫反應製成氫化鈣，再與二氧化鋯混 合壓型，在1273～1373K溫度下還原，可製得含有一 定氫量的更適合用作電子管吸氣劑的錯粉。金屬鈣在空氣中易氧化，與水作用會燃燒和爆炸。 鋯粉是易燃、易爆物質，在生產、保存、運輸和使用過 程中都要採取適當防爆措施，以確保全全。
