973科普文章之六-携手共进，共创双赢

携手共进，共创双赢

郑强¹, 边雪¹, 马莹², 王其伟², 吴文远¹

（1. 东北大学冶金学院；2.包头稀土研究院）

 1927年7月的一天，地质学家丁道衡随中瑞科学考察团去西北考察，沿途经过乌兰察布草原白云布拉格时，发现了一座巍巍屹立的大山，极为壮观，吸引了科学考察团，于是前往调查。考察团走进山麓处看到了铁矿矿砂，沿途一直追索至山顶，发现了现今的主矿体。丁道衡同志采集了很多矿样，带回实验室进行分析研究。由于当时的技术手段有限，矿样没有准确的分析出详细的矿物学结果，直到1935年，地质学家何作霖对丁道衡专家采集来的样品进行了细致的研究，取得了重大突破—发现了矿床中有两种稀土矿物，分别定名为“白云矿”和“鄂博矿”，即现在统称为白云鄂博矿。1959年，何作霖教授亲自到白云鄂博矿再次对矿样深入研究，证实了“白云矿”即氟碳铈矿，“鄂博矿”即独居石，从此白云鄂博矿登上了历史舞台。

白云鄂博矿

白云鄂博矿中含有71种元素和172种矿物，是世界上罕见的铁、稀土、铌等大型多金属矿床，其中的稀土矿主要就是指矿物中所含的氟碳铈矿和独居石矿。稀土到底土不土，为何叫它稀土呢？其实稀土的英文名是Rare Earth，翻译成中文就是“稀少的土”。这是18世纪留给人们的误会，由于当时科学技术水平的限制，人们只能制得一些不纯净的、像土一样的氧化物，故人们便给这组元素留下了这么一个别致有趣的名字。稀土元素指镧及镧系元素以及与其化学性质十分相似的钪、钇17个元素。稀土在地壳中的含量并不稀少，比常见的元素铜，锌，铅等都多，而且这组元素更不是土，它们是一组典型的金属元素，其活泼性仅次于碱金属和碱土金属。它们具有特殊的物理与化学性能，广泛的应用于冶金、石油化工、玻璃陶瓷、农业、医药和永磁材料等现代功能材料中。比如我们生活中常用的电视机、计算机、手机的显示屏，加入某些稀土，能够提高屏幕的透明度。

稀土矿石并不能直接拿来使用，可用的是其分解后的氧化物等提纯后的产品。那么如何分解稀土矿物呢？随着科技的发展，到目前为止，科研工作者已经研究了很多种稀土矿物的分解方法，比如有硫酸焙烧法、NaOH碱液焙烧法、CaO焙烧法等。考虑到白云鄂博矿不仅是稀土矿，还是铁矿，在分解提取稀土的时候，如果能将铁矿物转变成易于提取分离的产物，将会一举两得，事半功倍。于是采用添加Ca(OH)₂-NaOH和煤的方法来焙烧它，Ca(OH)₂-NaOH主要用来分解稀土矿物，将其分解为易于提取利用的氧化物；煤用来与铁矿物反应，将铁矿物还原为磁铁矿，便于用磁力将其分选。这样稀土矿物与铁矿物一起“携手”进入炉内焙烧，稀土矿即被分解成为稀土氧化物，铁矿物还原为磁性铁矿物，更易于选矿分离，实现了“双赢”的目的。

稀土矿物和铁矿物“携手”进入炉内，如何实现“双赢”呢？

（1）稀土矿物的分解

稀土矿物与Ca(OH)₂的反应是固-固反应，尽管活化能低，但由于接触面积小，动力学上分析，此固-固反应比较难于进行。但是加入NaOH后，反应就会变得容易。因为NaOH熔点低（318.4℃），炉内的焙烧温度为650℃，NaOH在这么高的温度，变成了液态，覆盖在氟碳铈矿和独居石矿的周围。此时Ca(OH)₂通过液态的NaOH作为桥梁，可更加充分地与氟碳铈矿和独居石矿接触，增大了接触面积使得分解反应更加容易。

氟碳铈矿的分解反应发生首先发生在最外层，Ca(OH)₂首先与氟碳铈矿颗粒的外层反应，生成了CaF₂和稀土氧化物，同时，氟碳铈矿内核部分颗粒受热分解成REOF；随着反应的继续，Ca(OH)₂-NaOH侵蚀到颗粒内部，与内部生成的REOF和未分解的氟碳铈矿发生反应，也生成CaF₂和稀土氧化物。氟碳铈矿整个颗粒变成疏松多孔状结构，因为在氟碳铈矿分解过程中，会产生CO₂。与氟碳铈矿相比，独居石分解比较难。因为独居石的性质稳定，独居石的分解反应是从颗粒外层开始的。分布在独居石颗粒周围的Ca(OH)₂-NaOH以及CaF₂逐渐从外层侵蚀到内层，最终整个独居石颗粒变成稀土氧化物与氟磷灰石。在这个过程中，钙、氟元素向独居石内部迁移，而稀土元素逐渐向独居石外部迁移，在独居石颗粒外部形成了解离的稀土氧化物。

（2）铁矿物的还原

矿物中的铁元素主要赋存在赤铁矿（Fe₂O₃）中，赤铁矿是铁的高价氧化物，很容易被还原成低价氧化物。赤铁矿还原反应的过程如下图所示，反应初期，煤覆盖在赤铁矿的周围，与赤铁矿颗粒最外层发生还原反应，随着反应的进行，除了C-Fe₂O₃的固-固相反应外，还存在以CO为还原剂的气-固相反应，即为氧化铁的间接还原反应，其中CO由碳的气化反应提供。通过控制反应条件，可以将赤铁矿充分的还原为磁铁矿（Fe₃O₄）。便于后续通过磁选工艺将磁铁矿分选出来。

白云鄂博中稀土矿和赤铁矿“携手”在一步焙烧过程中，既实现了稀土矿物的分解，又完成了赤铁矿向磁铁矿的转变，达到了“双赢”的效果。不仅节约时间，降低成本，同时简化了操作，这种一步焙烧的方法是一种具有工业应用价值的白云鄂博矿冶炼处理方法。稀土矿物处理技术还需要更多科研工作者继续探索和研究，开辟新的工艺技术路线，将我们国家的稀土资源充分合理的利用起来，真正实现稀土强国的目标。