稀土冶炼厂设计(engineering design of rare earth plant)

以稀土精矿为原料，经分解、混合化合物制备、分组分离等工序制取不同纯度的单一化合物、金属和稀土制品的稀有金属冶炼厂设计。设计范围主要包括：稀土提取分离车问设计、稀土金属车间设计、稀土永磁材料车间设计和稀土发光材料车间设计。主要的稀土精矿有氟碳铈镧矿、独居石、离子吸附稀土矿和磷钇矿。

简史 稀土吨量级工厂的设计、生产和应用，始于20世纪20年代，首先是以独居石、40年代末又加上氟碳铈镧矿为原料，用化学法生产混合稀土化合物，用于制备打火石和电弧碳极、抛光粉、冶金添加剂等。60年代起，混合稀土化合物开始用作石油裂化催化剂；特别是1964年氧化铕开始用于彩色电视红色荧光粉，促进了单一稀土分离技术的发展，设计制造了大直径离子交换柱和各型萃取器，生产各种单一稀土化合物和单一金属，应用于发光、电子、磁性材料、超导体和光导纤维等。80年代，美国钼公司氟碳铈镧精矿生产能力为40000t／a(以REO计，下同)；法国罗歇尔稀土厂的分离能力达5000t／a。

中国稀土储量居世界第一位。稀土冶炼厂设计始于20世纪50年代，用碱法处理独居石。到1992年，设计建设了约50个稀土冶炼厂，使用的稀土精矿有包头混合稀土矿、氟碳铈镧矿、离子吸附型稀土矿和独居石等；稀土分离方法以液一液溶剂萃取为主。1988年，各种稀土矿产品年产量约30000t。至1989年，分组分离能力为每年12000t，生产400余个品种、1000余个规格产品；各种产品出口量约为9200t，领先于世界；国内应用量为6770t，占世界第二。甘肃稀土公司是中国设计的最大稀土项目，处理包头混合稀土矿、氟碳铈镧矿和离子吸附型稀土矿，生产混合氯化稀土和单一稀土产品。

产品方案 稀土产品主要用于冶金、玻璃陶瓷、石油化工及光学、电子、发光、永磁、磁光、超导材料等领域。产品约500个品种、3000个规格，其中有混合轻稀土，各种品位的富集物，各种纯度的单一化合物和金属。用于荧光材料的稀土化合物纯度为99．95％～99．99％，用于光学、激光等方面的化合物纯度为99．995％～99．999％。中国稀土产品已有400多种、1000余个规格，至1992年已制订23种产品的国家标准。

工艺流程选择 稀土生产过程主要由精矿分解、稀土分组分离、化合物和金属制备等工序组成。

精矿分解有硫酸焙烧法、烧碱浸煮法和用盐酸或硝酸溶解法等。处理包头混合稀土矿和氟碳铈镧矿时，如果厂区的“三废”处理排放条件较好，多用成本较低的硫酸焙烧法；相反则可用烧碱浸煮法。处理独居石多用烧碱浸煮法，可以同时回收磷酸三钠。生产无水氯化稀土时，可用直接氯化法处理包头混合稀土矿、氟碳铈镧矿或独居石。离子吸附型矿，用盐酸或硝酸溶解法分解。

混合稀土分组分离工艺的确定，主要考虑产品品种、纯度和经济效益。大批量生产多用液一液溶剂萃取法；批量较小的高纯稀土，则可用离子交换法或萃取色层法生产。

铕的分离多采用锌粉还原碱度法。

经过分组分离的富集物或单一稀土氯化物或硝酸盐，纯度高的用草酸沉淀法；富集物或纯度较低的产品，则用成本较低的碳酸氢铵沉淀法，过滤后，再灼烧成氧化物。混合轻稀土氯化物也可直接浓缩结晶，再经熔盐电解成混合稀土金属。单一稀土金属制取中，轻稀土多用熔盐电解，重稀土多用金属热还原，或先熔盐电解，制得相应的中间合金，再经真空蒸馏得海绵状纯金属。稀土永磁体生产，用粉末冶金法或还原扩散法。稀土荧光材料生产，多用粉末烧成法。

以各种精矿为原料的稀土生产原则工艺流程见图。

稀土生产原则工艺流程图

主要设备 稀土生产用设备，主要由精矿分解、分组分离、化合物烘干灼烧和金属制备几部分设备组成。除溶解、溶液制备、沉淀、过滤、溶液输送、金属热还原和蒸馏等，采用通用化工和冶金标准设备外，大部分是非标准设备。(1)包头混合稀土矿和氟碳铈镧矿的分解，多采用回转窑，也可用竖式氯化炉；独居石烧碱浸煮分解，采用加压或常压钢质反应槽；离子吸附型矿的分解，用搪瓷反应槽。(2)稀土的分组分离，采用箱式混合澄清萃取槽，或离子交换柱。(3)草酸盐或碳酸盐的煅烧，大批量产品采用隧道式连续煅烧炉，量小的产品用箱式电阻炉。(4)各种稀土金属的制备，多用砖砌或石墨坩埚熔盐电解槽或真空还原炉。(5)稀土磁性材料和荧光材料的烧结烧成，用隧道式连续电炉。

车间组成与配置 稀土冶炼厂一般由精矿分解、稀土分离、化学处理、化合物成品、金属车间和稀土制品车间组成。(1)精矿分解车间。包括包头混合稀土矿或氟碳铈镧矿硫酸焙烧，焙烧尾气吸收及废液处理、独居石烧碱浸煮及磷酸三钠回收；离子吸附型矿盐酸(或硝酸)分解；以及稀土料液的净化和浓度、酸度调整等。(2)稀土分离车间。包括稀土分组分离，和有机相及各种溶液的配制。(3)化学处理车间。包括分组后混合轻稀土氯化物、氟化物制备；对各种纯度的氯化稀土(或硝酸盐)溶液进行草酸(或碳酸氢铵)沉淀和过滤。(4)化合物成品车间。包括将过滤后的稀土草酸盐或碳酸盐烘干、灼烧成氧化物并包装等。(5)金属车间。包括用熔盐电解法或还原蒸馏法制取各种纯度的稀土金属。(6)稀土制品车间。包括磁性材料、荧光材料和抛光粉等的制备。

技术特点 包头混合稀土矿硫酸焙烧尾气中含HF、H2SO4及放射性烟尘；焙烧水浸渣中含少量ThO2，属放射性废渣；独居石和磷钇矿及离子吸附型稀土矿酸审溶渣中，亦含放射性元素，均须经处理和妥善堆存。在厂址选择、车间分区配置、废物排放时，应根据各种物料的放射性不同，按国家和部门有关放射性防护标准妥善处理。

主要技术经济指标 稀土产品繁多，流程各异且复杂，各厂生产的技术经济指标相差较大。20世纪80年代末，中国处理含REO35％～55％的包头混合稀土精矿，每生产1tRECl3•xH2O)(REO≥45％)，耗30％HCl约1．27t，耗≥92％H2SO4约2．3t；生产1t≥99％单一稀土氧化物，耗工业浓HCl为30～35t，耗98％工业H2C2O4约3．1t。中国部分稀土产品的回收率如表。