稀土是重要的戰(zhàn)略資源,在國防及民用高技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。近年來,我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和持續(xù)的全球供給消耗了大量的稀土,造成稀土原礦儲(chǔ)量的急劇下降。因此,稀土再生資源的回收再利用迫在眉睫。

  本文以典型的稀土再生資源——燒結(jié)釹鐵硼廢料為研究對(duì)象,開展了廢料中稀土及其伴生資源的高效提取和綜合再利用研究。針對(duì)燒結(jié)釹鐵硼塊狀廢料,首先研究了廢料的吸氫過程熱力學(xué)條件和動(dòng)力學(xué)過程;基于此,研制出磁性能優(yōu)良的再生粘結(jié)釹鐵硼磁體,開展了再生燒結(jié)釹鐵硼磁體的批量化中試,取得較好效果,并考查了燒結(jié)磁體的溫度穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和力學(xué)性能;針對(duì)燒結(jié)釹鐵硼油泥廢料,探索出基于共沉淀技術(shù)和鈣還原反應(yīng)燒結(jié)技術(shù)的回收新工藝,制備出性能可用的再生燒結(jié)釹鐵硼磁體。研究為稀土再生資源的回收再利用提供了有益探索。系統(tǒng)研究了燒結(jié)釹鐵硼塊狀廢料的吸氫過程熱力學(xué)條件和動(dòng)力學(xué)過程,并采用釹鐵硼速凝鑄片做了對(duì)比研究。

  考查了吸氫壓力、溫度、以及磁體的尺寸等因素對(duì)吸氫過程和磁體爆破效果的影響。首先,燒結(jié)釹鐵硼廢舊磁體的吸氫量隨著初始?xì)鋲旱脑黾佣黾?隨著溫度和廢舊磁體尺寸的增加而降低,燒結(jié)釹鐵硼廢舊磁體吸氫量小于速凝鑄片。

  第二,燒結(jié)釹鐵硼塊狀廢料吸氫過程由磁體表面活化、富釹相慢速吸氫、主相Nd2Fe14B快速吸氫和合金心部慢速吸氫等四個(gè)階段組成。隨著氫壓的增加,磁體表面活化進(jìn)程加快,6 MPa以上基本消失。初始?jí)毫?5 MPa時(shí)廢舊磁體的吸氫反應(yīng)活化能E=6.71 kJ/mol,鑄片為E=6.64kJ/mol,說明釹鐵硼速凝鑄片吸氫反應(yīng)更易發(fā)生。

  第三,燒結(jié)釹鐵硼廢舊磁體的吸氫反應(yīng)的爆破能力隨著初始?xì)鋲旱脑黾佣档?在423 K時(shí),尺寸小于10 mm的廢舊磁體,其吸氫反應(yīng)的爆破效果最好。研究了利用氫處理技術(shù)將塊狀燒結(jié)釹鐵硼廢舊磁體制備成高性能再生粘結(jié)磁體和再生燒結(jié)磁體的工藝。

  粘結(jié)磁體方面:機(jī)械破碎廢舊磁體所得再生磁粉的斷裂方式主要為穿晶斷裂,氫破碎廢舊磁體所得再生磁粉的斷裂方式主要為沿晶斷裂,二者所得再生粘結(jié)磁體的最大磁能積分別為91.4 kJ/m3和111.6 kJ/m3。氫破碎磁粉經(jīng)10 wt.%的納米NdHx顆粒表面改性后所得粘結(jié)磁體比未添加納米顆粒的粘結(jié)磁體矯頑力提高了22.3%。

  通過優(yōu)化工藝制備了大批量高性能再生燒結(jié)釹鐵硼磁體,與原始磁體相比,牌號(hào)35SH的再生磁體的剩磁、矯頑力、最大磁能積回復(fù)率分別為99.2%、105.65%、98.65%。牌號(hào)42H的再生磁體的剩磁、矯頑力、最大磁能積回復(fù)率分別為99.27%、96.76%、99.29%,達(dá)到了商用水平。

  以牌號(hào)為35SH和42H的兩種再生燒結(jié)釹鐵硼磁體為對(duì)象,考查了再生磁體的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性及力學(xué)性能,并與相同牌號(hào)的原生燒結(jié)釹鐵硼磁體做了對(duì)比。研究表明,再生磁體的剩磁溫度系數(shù)α、矯頑力溫度系數(shù)β和最高使用溫度TO均與原生磁體十分相近,說明二者溫度穩(wěn)定性相當(dāng)。再生燒結(jié)釹鐵硼磁體化學(xué)穩(wěn)定性略遜于原生磁體。

  分析發(fā)現(xiàn)再生磁體較高的稀土總量和微結(jié)構(gòu)中較多的邊界富釹相是主因。再生燒結(jié)釹鐵硼磁體的抗拉/抗壓強(qiáng)度和硬度略低于原生磁體,但斷裂韌性較佳。這也與前者微結(jié)構(gòu)中邊界富釹相較多有關(guān)。上述結(jié)果表明,再生磁體具有與原生磁體相近的溫度穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和力學(xué)性能,完全能夠滿足商業(yè)應(yīng)用。建立了從燒結(jié)釹鐵硼油泥廢料到燒結(jié)釹鐵硼再生磁體的回收工藝。

  采用化學(xué)共沉淀技術(shù)將燒結(jié)釹鐵硼油泥廢料制備成氧化物粉末,成功實(shí)現(xiàn)了油泥廢料中稀土元素及其主要伴生過渡金屬元素的共同回收。

  采用鈣還原擴(kuò)散技術(shù)將氧化物粉末還原成單相Nd2Fe14B合金粉末。采用NdHx納米顆粒摻雜燒結(jié)技術(shù)制備出再生燒結(jié)釹鐵硼磁體。通過對(duì)上述過程反應(yīng)具體機(jī)理的分析,實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵工藝參數(shù)的優(yōu)化,獲得了性能可用的再生燒結(jié)釹鐵硼磁體,磁體的最佳磁性能為:剩磁1.2 T,矯頑力517.6 kA/m,最大磁能積258 kJ/m3。