汪金良,吳凱奇,彭如振
1.江西理工大學 材料冶金化學學部,江西 贛州 341000;2.江西省閃速綠色開發與循環利用重點試驗室,江西 贛州 341000.
釹鐵硼磁性材料,因高剩磁密度、高矯頑力和高磁能積等優點被稱為“磁王”,廣泛應用于多個領域[1-2]。在釹鐵硼磁性材料生產過程,會產生30%左右的廢料,包括車削塊和油泥廢料等[3-4]。我國是釹鐵硼磁材生產大國,2018年產量達16.45萬t,全球占比達到90%,產生釹鐵硼廢料約4.5萬t。釹鐵硼廢料含有約30%的稀土元素(其中釹約為90%,其余為鐠、鋱、鏑等),約1%的硼,其余大部分為鐵[5-6]。釹鐵硼廢料的資源化綜合利用一直受到業界廣泛關注。
當前,釹鐵硼廢料處理工藝主要有硫酸復鹽沉淀法[7-8]、硫化物沉淀法[9]、鹽酸全溶法[10]、鹽酸優溶法[11]等,這些方法能夠有效地回收釹鐵硼廢料中的稀土,但對于廢料中含量較大的鐵資源不能用于高爐應用,相應的處理技術研究較少,提取稀土后的殘渣作為廢棄物堆放,造成二次污染和資源浪費[12]。因此,在回收利用釹鐵硼廢料中稀土資源的同時,如何綜合回收利用廢料中的鐵資源,是釹鐵硼廢料回收利用領域的重大課題。
本文以釹鐵硼廢料經焙燒后得到的焙砂為原料,基于稀土氧化物和鐵氧化物還原性的差異[13],開展一氧化碳選擇性還原釹鐵硼廢料中鐵的試驗研究,考察了還原溫度、還原時間、物料粒度和CO流量對鐵還原率的影響,為實現釹鐵硼廢料中稀土與鐵的有效分離和綜合回收提供理論依據。
試驗原料為某公司釹鐵硼廢料經回轉窯焙燒除油后的焙砂,其主要成分如表1所示,XRD分析結果如圖1所示。由表1和圖1可知,釹鐵硼廢料經焙燒除油后,主要為鐵氧化物和稀土氧化物,其中鐵的形態以Fe2O3為主。
表1 釹鐵硼廢料主要元素構成 /%
圖1 NdFeB廢料焙燒后XRD分析
根據釹鐵硼廢料焙砂的成分和物相,采用HSC 7.1計算了釹鐵硼廢料焙砂與一氧化碳可能發生反應的吉布斯自由能,結果如表2所示,據此,計算出各反應吉布斯自由能隨溫度的變化,結果見圖2和圖3。
表2 CO還原NdFeB廢料過程中反應的吉布斯自由能
圖2 CO還原鐵氧化物的吉布斯自由能與溫度的關系曲線
圖2和圖3數據表明,在1 200~2 000 K溫度范圍內,鐵氧化物被CO還原的反應吉布斯自由能均為小于0,而稀土氧化物被CO還原的反應吉布斯自由能均為大于0??梢?,CO對稀土氧化物和鐵氧化物具有較好的選擇性還原。
圖3 CO還原稀土氧化物的吉布斯自由能與溫度的關系曲線
稱取一定量的釹鐵硼廢料焙砂放置于瓷舟,送入型號為SK-1600的管式爐中,設定升溫程序進行升溫,同時通入氮氣保護,當溫度達到設定溫度,停止通入氮氣,開始通入還原氣體一氧化碳,至設定的反應時間,停止通一氧化碳,再次更換為通氮氣保護,待爐溫降至室溫后,取出瓷舟,收集樣品進行檢測。
產物中全鐵含量的測定,采用的是氯化亞錫還原滴定法;金屬鐵的測定,采用的是三氯化鐵分解重鉻酸鉀滴定法。
釹鐵硼廢料中鐵的還原率,按式(1)計算:
(1)
其中ω1為還原產物中金屬鐵質量分數,%;ω2為還原產物中全鐵質量分數,%。
在物料粒度為0.040 mm~0.045 mm、還原時間為50 min、CO流量為250 mL/min條件下,考察了還原溫度對釹鐵硼廢料中鐵還原率的影響,結果如圖4所示。
由圖4可知,隨溫度的升高,釹鐵硼廢料中鐵還原率快速增大,當溫度達1 373 K時,增至最大值87.09%,而后略微下降。這是因為,溫度的升高對大多數鐵氧化物的還原反應具有促進作用(由圖3數據可知)。但當溫度高于1 323 K時,開始出現燒結現象,還原率隨溫度升高而提升緩慢,溫度1 373 K時出現更多燒結,顆粒間出現粘連,孔隙度減少,如圖5。圖5中(a)為1 173 K時還原產物,顆粒呈多空、分散狀態,(b)為1 373 K時還原產物,顆粒較大燒結現象會導致小顆粒物料團聚,形成致密顆粒,阻礙CO向釹鐵硼廢料顆粒內部擴散,從而不利于鐵氧化物的還原。由圖4知,溫度高于1 273 K時,還原率提升有限,綜合考慮能源利用率和還原率,且高溫出現燒結現象可能對后續的Nd/Fe分離產生不利影響,因此取1 273 K為最佳還原溫度。
圖4 還原溫度對鐵還原率的影響
圖5 還原產物SEM圖片:(a)1 173 K,(b)1 373 K
在物料粒度為0.040 mm~0.045 mm、還原溫度為1 273 K、CO流量為250 mL/min條件下,考察了還原時間對釹鐵硼廢料中鐵還原率的影響,結果如圖6所示。圖6表明,隨著還原時間的延長,釹鐵硼廢料中鐵還原率呈先快速后緩慢上升趨勢,從10 min到30 min,鐵還原率由17.79%快速升至80.46%,而從40 min到60 min,鐵還原率升高很少,僅從82.51%升至89.59%。不同還原時間得到的還原產物XRD分析結果如圖7所示。
圖6 還原時間對還原速率的影響
圖7 不同時間的還原后產物XRD分析
由圖7可知,還原時間在30 min以內,產物中的鐵除了少部分以Fe形式存在,還有較多以Fe3O4或FeO形式存在。還原時間達40 min后,產物開始以Fe為主,并隨還原時間的延長,產物中鐵的含量不斷增加,然而,從圖7數據可知,此時產物中仍然還有部分FeNdO3,影響了鐵氧化物的還原,影響鐵還原率的上升。這是因為當溫度高于750 K時,容易發生如下反應[14]:
Fe2O3+Nd2O3=2FeNdO3
(2)
綜合考慮反應效率、能源利用率、CO利用率和還原效率,取反應時間50 min為最佳還原時間。
圖8 顆粒大小對還原速率的影響
在還原溫度為1 273 K、還原時間為50 min、CO流量為250 mL/min條件下,考察了物料粒度對釹鐵硼廢料中鐵還原率的影響,結果如圖8所示。
由圖8可知,隨著物料粒度的減小,釹鐵硼廢料中鐵還原率緩慢上升,但增幅較小,表明物料粒度對鐵還原率影響較小。
在物料粒度為0.040 mm~0.045 mm、還原溫度為1 273 K、還原時間為50 min條件下,考察了CO流量對釹鐵硼廢料中鐵還原率的影響,結果如圖9所示。
圖9 CO流量對還原速率的影響
由圖9可知,隨CO流量的增大,釹鐵硼廢料中鐵還原率逐漸上升。這是因為,氧化鐵的還原過程除了Fe2O3還原為Fe3O4為不可逆過程,其余反應皆為可逆反應,隨著CO流量的增大,還原氣體CO的增多可促進反應向正反應進行。當然,在滿足還原效果的前提下,CO流量不宜過大,取300 mL/min為佳。
根據上述研究結果,綜合考慮能源效率、時間效益、還原劑CO利用率及還原率等因素,選取物料粒度為0.040~0.045 mm、還原溫度為1 273 K、CO流量為300 mL/min、還原時間為50 min為適宜條件,該條件下釹鐵硼廢料中氧化鐵的還原率為86.23%。產物的SEM分析結果如圖10所示,EDS-點掃結果如表3所示。
圖10 還原后產物SEM分析
表3數據表明,圖10中點1和點2主要成分為稀土氧化物,含有少量未被還原的氧化鐵;點3主要成分是金屬鐵,含有少量稀土氧化物。由此可見,釹鐵硼廢料焙砂經一氧化碳還原,大部分鐵被還原成單質鐵,但還有一部分與稀土氧化物共存,結合圖7可知,主要是以FeNdO3形式存在,需要進一步采取高溫熔分等措施將它們進行分離。
表3 還原后產物中的元素分布
(1)一氧化碳選擇性還原釹鐵硼廢料中鐵的試驗結果表明,鐵還原率受還原溫度和還原時間影響最大,受CO流量影響次之,受物料粒度影響最小。
(2)較佳還原條件為:物料粒度為0.040~0.045 mm、還原溫度為1 273 K、CO流量為300 mL/min、還原時間為50 min,此時,釹鐵硼廢料中鐵氧化物的還原率達86.23%,具有良好的選擇性還原效果。
(3)釹鐵硼廢料中的大部分鐵元素被還原成單質鐵,少部分鐵元素與稀土氧化物以FeNdO3共存,需進一步采取高溫熔分等措施分離。