稀土-铌-钛-铁共生矿有价组元选择性还原机理及分离提取方法研究

Bayan Obo ore deposit is a well-known multimetallic ore which is rich in rare earth, niobium, titanium, and iron, etc. However, the intergrowth of different metal elements in the multimetallic mineral phases makes it difficult to separate and recover these valuable elements from the REE-Nb-Ti-Fe multimetallic ore. In this research project, the thermodynamic properties of the slag system of CaO-SiO2-FeO-La2O3-TiO2-Nb2O5, including equilibrium phases, valence state distribution of niobium, and component activity, will be investigated under the reducing atmosphere. The research results of the above-mentioned thermodynamic properties will make a supplement of thermodynamic data for the related metallurgical slags. On this basis, the thermodynamic of carbothermic reduction and silicothermic reduction of the slag system will be studied to obtain the interaction relationship and selective reduction rule between different oxides. The kinetics of NbC formation will be studied by the calculation of nucleation energy barrier and the kinetic experiments to inhibit the production of NbC in the carbothermic reduction process of the slag system. Then, the thermodynamic and kinetic conditions of separating iron and niobium by carbothermic reduction and separating niobium and titanium by silicothermic reduction can be obtained. Finally, a hydrometallurgical separation method of titanium and rare earth elements in the reduction slag will be investigated. Once iron, niobium, titanium and rare earth elements are thorough separated, a novel process route will be proposed to stepwise extract these valuable elements from the REE-Nb-Ti-Fe multimetallic ore, which is of strategic importance to comprehensive utilization of Bayan Obo tailings.

白云鄂博尾矿中含有稀土、铌、钛、铁等多种有价金属元素，共（伴）生的特殊矿相造成其有价组元难以分离提取，资源利用率低。本项目首先开展还原气氛下CaO-SiO2-FeO-La2O3-TiO2-Nb2O5系熔渣热力学性质的研究，明确高温熔渣平衡物相及铌价态的分布特征，并构建组元活度计算模型，弥补相关热力学数据的不足。在此基础上对该渣系熔渣的碳热和硅热还原反应进行热力学分析，结合平衡实验揭示各氧化物之间的相互作用关系，阐明熔渣中有价金属氧化物的选择性还原机理。利用形核能垒的计算和动力学实验分析NbC生成的动力学条件，探索抑制其生成的有效方法。最终通过控制合理的工艺条件实现稀土-铌-钛-铁共生矿中铁、铌、钛之间的选择性还原与分离，以及还原尾渣在湿法处理过程中钛与稀土的分离提取，并将研究成果应用于白云鄂博尾矿综合利用工艺的研究开发，实现尾矿中多种有价金属组元的深度分离、分步提取与综合利用。

白云鄂博尾矿中含有稀土、铌、钛、铁等多种有价金属元素，共（伴）生的特殊矿相造成其有价组元难以分离提取，资源利用率低。针对稀土-铌-钛-铁共生矿冶炼过程中形成的多元冶金渣系热力学信息缺失的问题，本项目首先开展了含稀土、铌、钛的多元冶金渣系热力学性质研究，通过高温平衡实验明确了渣系的相平衡关系以及析出相的固溶性质，绘制了空间四面体相图，并基于分子离子共存理论构建了多元渣系的组元活度计算模型，绘制了有价组元的等活度图，给出了关键组元的活度变化规律，弥补相关热力学数据的不足。在此基础上对该渣系熔渣的碳热和硅热还原反应进行了热力学分析，并结合高温模拟实验研究了多元渣系在碳热和硅热还原反应过程中铌、钛、稀土等有价金属元素的赋存状态转变规律及元素在渣-金体系中的迁移行为，阐明熔渣中有价金属氧化物的选择性还原机理，明确了碳热还原过程中NbC析出的临界条件以及赋存状态，给出了抑制NbC析出的有效方法，通过硅热还原实现了多元渣系中铌与钛的选择性还原分离。通过考察冷却制度和渣系成分对还原尾渣矿相组成的影响，探讨了稀土和钛在特定矿相中定向富集的可行性，进而通过矿相重构实现了还原尾渣中稀土和钛的富集。系统研究了还原尾渣的硫酸浸出过程，分别考察了浸出温度、硫酸浓度、浸出时间和原料粒度等对尾渣中有价组元浸出行为的影响，明确了有价组元强化浸出和分离提取的工艺条件。最终提出一条实现稀土-铌-钛-铁共生矿中有价组元分步提取和综合回收利用的新型工艺路线，通过火法冶金与湿法冶金相结合实现了稀土-铌-钛-铁共生矿中多种有价金属组元的深度分离、分步提取与综合利用。本项目研究成果深化了对于白云鄂博多金属共伴生矿冶金过程中有价组元赋存状态演变规律和复杂多元冶金渣系热力学性质的认识，为白云鄂博复杂共伴生资源综合利用的现代冶金技术开发提供理论基础，为我国类似复杂共伴生资源综合利用工艺技术的开发提供理论依据和重要借鉴。