Как эффективно переработать отработанные магниты NdFeB? Могут ли магнитные свойства после переработки быть близкими к свойствам исходного материала?

2. Технологии переработки магнитов NdFeB

Методы переработки магнитов NdFeB делятся на две категории: длинный цикл (химическое извлечение РЗЭ) и короткий цикл (прямое повторное использование или восстановление). Выбор зависит от типа лома (например, отходы производства или отслужившие свой срок изделия), стоимости и воздействия на окружающую среду.

2.1 Переработка в длинном цикле: химическое извлечение РЗЭ

Переработка по длинному циклу включает в себя разделение магнитов на отдельные редкоземельные элементы, которые затем перерабатываются в новые магниты или оксиды. Основные методы включают:

• Гидрометаллургия:
  • Процесс : растворение магнитов в кислотах (например, HCl, H₂SO₄), затем выделение РЗЭ методом экстракции растворителем или селективного осаждения. Например, компания Santoku Corporation измельчает магниты до частиц размером <75 мкм, окисляет их в NaOH при повышенных температурах и селективно выщелачивает РЗЭ.
  • Преимущества : Высокая чистота (извлечение РЗЭ более 99%), подходит для сложного лома.
  • Проблемы : высокий расход химикатов, затраты на очистку сточных вод и потребление энергии (например, нагрев для выщелачивания).
• Пирометаллургия:
  • Процесс : Нагрев магнитов с флюсами (например, CaO, MgO) с образованием шлака, содержащего редкоземельные элементы, которые затем восстанавливаются до металлов. Например, сульфатный обжиг и нитрификация расширяют возможности пирометаллургии, изменяя степени окисления.
  • Преимущества : Масштабируемость для больших объемов, минимальное количество жидких отходов.
  • Проблемы : высокие энергозатраты (1200–1600 °C), потенциальное загрязнение воздуха выбросами пыли.
• Электрохимические методы:
  • Процесс : электролиз используется для извлечения РЗЭ из расплавленных солей или водных растворов. Этот метод менее распространён, но обеспечивает высокую точность разделения РЗЭ.
  • Преимущества : Низкий уровень химических отходов, возможность выборочной рекуперации.
  • Проблемы : Высокие капитальные затраты на специализированное оборудование.

2.2 Короткий цикл переработки: прямое повторное использование или переработка

Переработка по короткому циклу позволяет избежать химического извлечения, сохраняя структуру магнита для повторного использования или переработки в новые магниты. Основные методы включают:

• Водородная декрепитация (HD):
  • Процесс : магниты подвергаются воздействию водорода, что приводит к их разрушению в порошок вследствие расширения объёма в фазе Nd₂Fe₁₄B. Затем порошок прессуется и спекается, образуя новые магниты.
  • Преимущества : Энергоэффективность (на 88% меньше энергии, чем первичное производство), сохранение магнитных свойств.
  • Пример использования : запатентованная компанией HyProMag технология водородной обработки магнитного лома (HPMS) позволяет извлекать порошок сплава NdFeB из лома, достигая эффективности извлечения РЗЭ 99,8%.
• Переработка магнитов:
  • Процесс : размагничивание лома магнитов, их очистка (удаление покрытий, клея) и придание им новой геометрии. Например, Hitachi Metals перерабатывает более 90% своих производственных отходов в новые магниты.
  • Преимущества : Минимальные потери материала, низкие затраты на производственный брак.
  • Проблемы : Ограничено магнитами с неповрежденными физическими свойствами (например, без коррозии или поломок).
• Прямое плавление:
  • Процесс : расплавление лома магнитов и литье их в новые сплавы. Этот метод менее распространён из-за риска попадания примесей.
  • Преимущества : Простота использования для однородного лома.
  • Проблемы : Требуется строгий контроль качества, чтобы избежать ухудшения качества.

3. Восстановление магнитных свойств переработанных магнитов

Магнитные свойства переработанных магнитов NdFeB зависят от метода переработки, качества лома и последующей обработки. Ключевые факторы включают:

3.1 Модификация границ зерен (GBM)

• Принцип : Магнитные свойства магнитов NdFeB зависят от микроструктуры: матрица Nd₂Fe₁₄B обеспечивает высокую намагниченность, в то время как зернограничная фаза (богатая Nd и РЗЭ) изолирует зерна, уменьшая потерю коэрцитивной силы.
• Процесс : добавление гидридов РЗЭ (например, наночастиц DyH₃) во время спекания для модификации границ зерен. Лю и др. продемонстрировали, что добавление 1% DyH₃ перед спеканием восстанавливает до 89% исходного (BH)max (максимального энергетического произведения).
• Результат : GBM повышает коэрцитивную силу и остаточную намагниченность, что делает переработанные магниты пригодными для высокопроизводительных применений, таких как тяговые двигатели.

3.2 Оптимизация давления и температуры

• Давление : В процессах HD и HDDR (водородная декрепитация-диспропорционирование-десорбция-рекомбинация) повышение давления выше 1 бар ускоряет поглощение водорода, но ухудшает магнитные свойства. Оптимальное давление для устойчивой обработки составляет 50 кПа .
• Температура : спекание при 1000–1100 °C имеет решающее значение для уплотнения. Отклонения могут привести к пористости или росту зерен, что ухудшает свойства.

3.3 Практические примеры: эффективность переработанных магнитов

• Электродвигатели : В исследовании сравнивались два идентичных двигателя: один с переработанными магнитами NdFeB (с помощью магнитно-магнитной обработки), а другой — с исходными магнитами. Переработанные магниты показали на 7,0% более высокое потокосцепление в режиме холостого хода и на 6,4% более высокий крутящий момент, несмотря на снижение содержания диспрозия на 15% .
• Промышленное применение : переработанные магниты из МРТ-сканеров, насосов и ветряных турбин демонстрируют свойства, схожие со свойствами первичных магнитов (например, остаточная намагниченность Br = 1,16–1,29 Тл, коэрцитивная сила HcJ = 1147–1590 кА/м).

4. Проблемы и будущие направления

Несмотря на достижения, переработка магнитов NdFeB сталкивается с трудностями:

• Изменчивость качества материала : состояние лома (например, коррозия, наличие покрытий) влияет на эффективность переработки. Например, для удаления остатков клея с магнитной ленты требуется щелочной обжиг.
• Экономическая эффективность : Длинноцикловые методы требуют больших затрат из-за химических и энергетических затрат. Короткоцикловые методы дешевле, но ограничены высококачественным ломом.
• Масштабируемость : большинство промышленных установок (например, HyProMag, REEcycle) находятся на стадии пилотного внедрения. Для крупномасштабного внедрения требуется политическая поддержка (например, субсидии, расширенная ответственность производителя).

Будущие инновации :

• Обработка с помощью микроволн : быстрый, энергоэффективный нагрев для окисления магнитов или содействия горению.
• Передовые технологии сортировки : датчики на базе искусственного интеллекта для отделения магнитов от электронных отходов по составу и геометрии.
• Модели циклической экономики : интеграция переработки в конструкцию продукта (например, модульные устройства для легкого извлечения магнита).

5. Заключение

Эффективная переработка отработанных магнитов NdFeB возможна с помощью методов короткого цикла, таких как водородная декрипитация и магнито-магнитная обработка, которые сохраняют магнитные свойства, одновременно снижая воздействие на окружающую среду. Благодаря оптимизации модификации границ зерен, давления и температуры, переработанные магниты могут соответствовать или превосходить по своим характеристикам исходные материалы в таких областях применения, как электромобили и ветряные турбины. Однако для расширения масштабов переработки необходимо учитывать изменчивость материалов, экономические барьеры и технологические пробелы. Совместные усилия правительств, производителей и исследователей необходимы для перехода к циклической экономике для магнитов NdFeB, обеспечивая устойчивый доступ к критически важным редкоземельным элементам для будущих технологий.