权利要求
1.一种
稀土硅铁合金的绿色低碳集成制备方法，其特征在于，包括以下四大技术模块：
模块一、多源
固废协同制团：以含铁稀土
尾矿、
钕铁硼废料铁尾渣和硅切割废料为主要原料，配入碳质还原剂和粘结剂，经混合、压制成型、干燥，获得复合团块;
模块二、转底炉分质分离：将模块一所得复合团块布入转底炉，在还原性气氛下进行还原熔分，控制熔分温度1250-1380℃，熔分时间20-40min，基于铁氧化物与
稀土氧化物的选择性还原机理，得到珠铁和富稀土渣;
模块三、短流程熔炼：将模块二所得富稀土渣进行深度脱杂处理后，与硅石、碳质还原剂混合均匀后加入矿热炉，采用“亏碳操作+热装”工艺，在1500-1600℃下进行还原熔炼，出炉浇铸，得到稀土硅铁合金;
模块四、尾渣高值化利用：将熔炼过程中产生的合金灰收集后与高分子材料复配制备合金灰基
复合材料，将转底炉和矿热炉产生的炉渣收集后制备建材基材料。
2.根据权利要求1所述的绿色低碳集成制备方法，其特征在于，模块一中所述含铁稀土尾矿中REO含量为4-8%，TFe含量为15-25%;所述钕铁硼废料铁尾渣中Fe2O3含量≥80%，REO含量≤1%;所述硅切割废料中Si含量≥80%;所述复合团块按质量百分比计包括：含铁稀土尾矿40-60%、钕铁硼废料铁尾渣20-30%、硅切割废料10-20%、碳质还原剂5-15%、粘结剂2-5%。
3.根据权利要求1所述的绿色低碳集成制备方法，其特征在于，模块二中所述转底炉沿炉底转动方向依次设置预热区、还原区、熔分区和冷却区，所述预热区温度为400-600℃，还原区温度为1000-1200℃，熔分区温度为1250-1380℃，冷却区温度为500-800℃;所述选择性还原机理基于铁氧化物与稀土氧化物的标准生成自由能差异，实现铁的优先还原与稀土的渣相富集。
4.根据权利要求1所述的绿色低碳集成制备方法，其特征在于，模块二中所述转底炉布料采用“底铺+面撒”方式，先在炉底铺设2-3mm的煤粉，然后将复合团块均匀布于煤粉上，再在团块顶端撒入团块总重量2-6%的煤粉，以增加碳质还原剂与团块的接触面积，防止团块黏炉，同时促进稀土中高价铈的还原。
5.根据权利要求1所述的绿色低碳集成制备方法，其特征在于，模块三中所述深度脱杂处理包括：将富稀土渣破碎后，加入CaO和Na2CO3的混合物作为脱杂剂，加入量为富稀土渣质量的2-5%，在600-800℃下处理30-60min，去除磷、
铝杂质，获得净化富稀土渣。
6.根据权利要求1所述的绿色低碳集成制备方法，其特征在于，模块三中所述短流程熔炼采用“亏碳操作+热装”工艺：净化富稀土渣、硅石、碳质还原剂的质量比为1:(0.8-1.2):(0.5-0.8)，配碳量为理论需要量的0.90-0.95倍;将矿热炉熔炼得到的合金液热装入保温炉中进行成分微调和净化处理，热装温度控制在1500-1550℃。
7.根据权利要求1所述的绿色低碳集成制备方法，其特征在于，模块四中所述合金灰基复合材料按质量份包括：合金灰30-40份、聚氯乙烯45-55份、稳定剂2-3份、改性剂2-4份、润滑剂0.5-1份;所述建材基材料由转底炉和矿热炉产生的炉渣经破碎、筛分后，与水泥、骨料复配制备而成。
8.根据权利要求1所述的绿色低碳集成制备方法，其特征在于，所述方法还包括铁资源循环利用：将模块二所得珠铁经电弧炉炼钢后，所得钢水返回模块三作为铁源补充，实现铁资源的闭路循环利用。
9.一种如权利要求1-8任一项所述方法制备的稀土硅铁合金，其特征在于，按质量百分比计，合金组成为：RE 20-35%，Si 45-55%，Ca≤1.5%，Al≤1.0%，其余为Fe和不可避免的杂质，产品符合国家标准GB/T 4137-2024《稀土硅铁合金》要求。
10.根据权利要求1所述的绿色低碳集成制备方法，其特征在于，所述方法实现了四大技术模块的有机集成与协同优化：模块一为模块二提供具有适宜理化特性的复合团块，模块二为模块三提供高品位富稀土渣和铁资源，模块三为模块四提供合金灰和炉渣原料，模块四实现全流程固废资源化利用，形成完整的绿色低碳技术体系。
说明书
技术领域
[0001]本发明属于火法冶金与固废资源化利用技术领域，具体涉及一种稀土硅铁合金的制备方法，特别是一种集“多源固废协同利用、转底炉分质分离、短流程熔炼、尾渣高值化利用”于一体的绿色低碳集成制备方法。
背景技术
[0002]稀土硅铁合金是由稀土与硅铁组成的中间合金，广泛应用于冶金和铸造工业。在铸钢中，
稀土金属具有净化钢液、改善铸态组织、提高钢液流动性、防止热裂变和提高铸钢冲击韧性等作用;在铸铁中，稀土硅铁合金大量用作球墨铸铁的球化剂，防止干扰元素破坏球化作用，生产各种牌号的球墨铸铁。我国是世界上最大的
稀土资源国，同时也是稀土硅铁合金最大的生产国和出口国，贡献了全球90%以上的稀土硅铁合金。稀土资源已被我国列为国家战略性矿产，其高效清洁利用具有重要战略意义。
[0003]目前，稀土硅铁合金的生产方法主要有硅热还原法和碳热还原法两种。
[0004]硅热还原法以稀土精矿或稀土富渣为原料，以75硅铁为还原剂，以石灰为熔剂，在电弧炉中进行冶炼。该方法存在以下突出问题：(1)稀土回收率低：工业生产通常仅为60-75%，大量稀土元素随炉渣流失，造成宝贵稀土资源的严重浪费。(2)能耗高：综合电耗高达12000-14000kWh/t，属高能耗产品，不符合“双碳”背景下的绿色发展要求。(3)固废产生量大：吨合金产渣量达1.3-1.5吨，炉渣中残留有价元素，难以资源化利用，环境污染严重。(4)流程冗长：需先由矿热炉生产硅铁，再由电弧炉冶炼稀土硅铁，工艺流程复杂，热效率低。
[0005]碳热还原法以稀土精矿、硅石和碳质还原剂为原料，在矿热炉中一步法直接生产稀土硅铁合金，又称“一步法”。该方法的优点是可实现连续化生产，还原剂便宜，元素烧损少，能源利用合理。然而，碳热法在生产过程中存在关键技术难题：(1)炉底结瘤问题：由于部分原料球团来不及与二氧化硅反应即降落到炉底，形成粘度高、不易流动的稀土碳化物(REC2)炉瘤，不能随铁水排出炉外而沉积在炉底，越积越多，导致炉底上涨，使炉膛冶炼空间越来越小。冶炼炉单程冶炼周期一般只有3个月左右，每修复一次炉膛经济代价句法。(2)原料要求高：传统碳热法多采用高品位稀土精矿(REO≥50%)，无法直接利用
低品位稀土尾矿和二次资源。(3)固废资源化利用率低：生产过程中产生的合金灰和炉渣缺乏高效利用途径，大多堆存处置。
[0006]随着稀土
功能材料和
新能源产业的快速发展，产生了大量固体废弃物。例如，
钕铁硼永磁材料在生产加工过程中产生的废料高达30-40%，经盐酸优溶法提取稀土后产生的铁尾渣中氧化铁含量超过80%，但稀土含量较低，企业通常将其作为炼铁原料低价出售或堆存处理，造成资源浪费和环境污染。太阳能级晶体硅片生产过程中产生的硅切割废料，年产量数十万吨，其中高纯硅含量超过80%，但缺乏高效利用途径。此外，稀土选矿过程中产生的大量含铁稀土尾矿，因其中有价元素嵌布关系复杂，综合利用率低，长期堆存对周边环境造成严重威胁。
[0007]针对上述问题，研究人员进行了多方面探索。专利CN117467845A公开了一种利用钕铁硼废料铁尾渣和硅切割废料制备硅铁合金并浸出稀土的方法，实现了两种废料的协同高值利用。专利CN115704061B公开了一种基于钕铁硼油泥料和切割废硅粉制备稀土硅铁合金的方法，采用钙热还原实现深度脱氧。行业标准XB/T 809-2023《绿色设计产品评价技术规范 稀土硅铁合金产品》对稀土硅铁合金产品的资源属性、能源属性、环境属性和产品属性提出了明确要求。
[0008]然而，现有技术尚未形成涵盖多源固废协同利用、高效分离、短流程熔炼、尾渣资源化利用的完整技术体系，各技术模块之间缺乏有机集成与协同优化，难以实现稀土硅铁合金的绿色低碳清洁生产。
发明内容
[0009]本发明的集成技术创新的原理主要涉及多源固废协同利用的热力学与物相重构、转底炉分质分离的选择性还原与渣金熔分、短流程熔炼的亏碳操作与热装协同、尾渣高值化利用的物性调控与材料复配等四个方面。
1、多源固废协同利用的热力学与物相重构机理
[0010]含铁稀土尾矿、钕铁硼废料铁尾渣和硅切割废料三种固废在化学成分和矿物组成上具有显著的互补特性：
(1)成分互补性：含铁稀土尾矿提供稀土元素(REO 4-8%)和部分铁源(TFe 15-25%);钕铁硼废料铁尾渣提供高铁组分(Fe2O3≥80%)和残余稀土;硅切割废料提供高纯硅源(Si≥80%)。三者按优化比例混合后，可获得适宜于还原熔分的多元体系。
[0011](2)物相重构效应：在高温还原过程中，三种固废中的物相发生重构。钕铁硼废料铁尾渣中的Fe2O3还原生成金属铁，可作为后续合金化过程的铁源;硅切割废料中的单质硅部分氧化生成SiO气体，参与稀土碳化物的分解反应;含铁稀土尾矿中的复杂硅酸盐矿物在CaO-FeO-SiO2渣系中熔解，释放出稀土氧化物。
[0012](3)协同还原效应：硅切割废料中的单质硅可作为辅助还原剂，参与铁氧化物的还原反应，降低碳质还原剂的消耗。热力学计算表明，硅还原铁氧化物的ΔG在1200℃时约为-280 kJ/mol，反应驱动力显著大于碳还原。
2、转底炉分质分离的选择性还原与渣金熔分机理
[0013]转底炉分质分离的核心在于利用铁氧化物与稀土氧化物还原难易程度的显著差异，实现选择性还原与渣金熔分：
(1)选择性还原的热力学基础：根据埃灵罕姆图(Ellingham diagram)，铁氧化物的标准生成自由能较高，易于被碳还原;而稀土氧化物的标准生成自由能很低，难以被碳直接还原。具体热力学数据如下：
FeO + C = Fe + CO，ΔG° = 128300 - 149.5T J/mol，在T>860℃时ΔG°<0
RE2O3 + 3C = 2RE + 3CO，ΔG° = 较大正值，在T<2000℃时ΔG°>0
在转底炉还原温度(1250-1380℃)下，铁氧化物的还原反应可自发进行，而稀土氧化物的还原反应无法进行，从而实现铁的选择性还原与稀土的渣相富集。
[0014](2)渣金熔分的动力学强化：转底炉采用环形炉底连续转动，炉料依次经过预热区、还原区、熔分区和冷却区。在预热区(400-600℃)，团块中的水分和挥发分脱除;在还原区(1000-1200℃)，铁氧化物逐步还原为金属铁;在熔分区(1250-1380℃)，金属铁渗碳熔化形成珠铁液滴，在重力作用下穿过渣层下沉聚集，而密度较小的渣相上浮，实现渣金分离。
[0015](3)炉内气氛调控机制：转底炉采用“底铺+面撒”布料方式，在团块底部和顶部额外铺设煤粉，可在团块周围形成局部强还原气氛，既促进铁氧化物的充分还原，又防止团块与炉底黏结。同时，煤粉燃烧产生的CO气体可作为保护气氛，抑制已还原铁的二次氧化。
3、短流程熔炼的亏碳操作与热装协同机理
[0016]短流程熔炼采用“亏碳操作+热装”工艺，实现热能的高效利用和炉瘤的有效抑制。
[0017](1)亏碳操作的热力学平衡调控：理论需碳量按以下反应计算：
RE2O3 + 3C = 2RE + 3CO
SiO2 + 2C = Si + 2CO
传统碳热法为追求充分还原，常采用过碳操作(配碳比≥1:1.5)，导致过量碳存在，促进稀土碳化物(REC2)的生成：
RE2O3 + 7C = 2REC2 + 3CO
生成的REC2熔点高、粘度大，易沉积于炉底形成炉瘤。本发明采用亏碳操作，配碳量为理论值的0.90-0.95倍，使反应体系处于“碳不足”状态，抑制REC2的生成;同时，已生成的少量REC2在亏碳条件下可与炉内的SiO气体反应分解：
2REC2 + 3SiO = 2[RE]Si + 3CO
从而从源头上消除炉瘤生成的热力学条件。
[0018](2)热装工艺的节能增效机理：将矿热炉熔炼得到的合金液(1500-1550℃)直接热装入保温炉，避免了传统工艺中合金液冷却、破碎、重熔的热能损失。热力学计算表明，每吨合金液从1500℃冷却至室温再重熔至1500℃，热能损失约1.2×106 kJ，相当于330 kWh电能。热装工艺可使综合电耗降低15-20%。
[0019](3)保温炉电磁搅拌的净化机理：保温炉采用电磁搅拌，在合金液中产生强制对流，促进成分均匀化和夹杂物上浮。流场模拟表明，电磁搅拌可使合金液中的非金属夹杂物碰撞长大几率提高3-5倍，上浮去除率提高至90%以上，显著提升合金纯净度。
4、尾渣高值化利用的物性调控与材料复配机理
[0020]冶炼过程产生的合金灰和炉渣具有独特的物理化学特性，可通过物性调控与材料复配实现高值化利用：
(1)合金灰的微粉填充与增强机理：合金灰主要成分为稀土氧化物、二氧化硅和氧化铁，粒度细(D50≤10μm)，表面能高。与高分子材料复配时，合金灰颗粒可填充于高分子链间的自由体积，提高复合材料的致密度和力学性能。同时，合金灰表面的活性官能团可与高分子基体形成化学键合，增强界面结合强度。
[0021](2)炉渣的胶凝活性激发机理：转底炉和矿热炉产生的炉渣主要成分为CaO-SiO2-Al2O3系，具有潜在的胶凝活性。经急冷处理(水淬)后，炉渣中的玻璃相含量可达85%以上，在碱性激发剂(如水泥水化产生的Ca(OH)2)作用下，可发生水化反应生成水化硅酸钙凝胶，赋予建材基材料强度。
[0022](3)多尺度级配优化机理：将炉渣破碎筛分为不同粒级(细砂0.1-0.5mm、中砂0.5-2.0mm、粗砂2.0-5.0mm)，按最紧密堆积理论进行级配设计，可制备高强度建材制品。级配优化使骨料空隙率降低至25%以下，显著提高材料密实度和耐久性。
[0023]本发明的核心创新在于四大技术模块的有机集成与协同优化，形成完整的绿色低碳技术体系：
(1)模块间物质流耦合：模块一为模块二提供具有适宜理化特性的复合团块;模块二为模块三提供高品位富稀土渣和铁资源;模块三为模块四提供合金灰和炉渣原料;模块四实现全流程固废资源化利用。物质流在各模块间高效流转，无废物外排。
[0024](2)模块间能量流匹配：模块二转底炉排出的高温烟气(600-800℃)可用于模块一团块的干燥预热;模块三矿热炉排出的高温烟气可用于模块二转底炉的燃料补充;模块三熔炼得到的合金液高温显热通过热装工艺直接利用。能量流在各模块间梯级利用，综合热效率提高30%以上。
[0025](3)模块间信息流协同：根据模块二分离得到的富稀土渣成分实时调整模块三的配料参数;根据模块三的熔炼情况反馈优化模块二的还原条件;根据模块四的尾渣资源化利用效果优化前序模块的操作参数。信息流的协同控制实现全流程的精准优化。
[0026]为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。
[0027]一种稀土硅铁合金的绿色低碳集成制备方法，包括以下四大技术模块：
模块一、多源固废协同制团：以含铁稀土尾矿、钕铁硼废料铁尾渣和硅切割废料为主要原料，配入碳质还原剂和粘结剂，经混合、压制成型、干燥，获得复合团块。
[0028]所述含铁稀土尾矿中REO含量为4-8%，TFe含量为15-25%;所述钕铁硼废料铁尾渣为钕铁硼废料经盐酸优溶法提取稀土后的尾渣，其中Fe2O3含量≥80%，REO含量≤1%;所述硅切割废料为太阳能级晶体硅锭经线切割后产生的硅泥，其中Si含量≥80%。
[0029]所述复合团块按质量百分比计包括：含铁稀土尾矿40-60%、钕铁硼废料铁尾渣20-30%、硅切割废料10-20%、碳质还原剂5-15%、粘结剂2-5%。
[0030]所述碳质还原剂由选自焦炭、兰炭、半焦炭、
石油焦中的至少一种物料和作为活性炭成分的木炭或木质纤维物料组成，其中活性炭成分占碳质还原剂总重量的15-30%。木质纤维物料可选用核桃壳、杏仁壳、木屑、竹屑、甘蔗渣、玉米芯等。
[0031]所述粘结剂为水玻璃、膨润土、纸浆废液、植物淀粉中的一种或多种。
[0032]将各物料按比例混合均匀，在压力≥15MPa的对辊造球机中压制成型，球团粒度为20-50mm，于100-150℃干燥1-3h，使含水率≤4%，球团抗压强度≥50kg/个。
[0033]模块二、转底炉分质分离：将模块一所得复合团块通过进料机布入转底炉，在还原性气氛下进行还原熔分，基于铁氧化物与稀土氧化物的选择性还原机理，实现铁与稀土的高效分离，得到珠铁和富稀土渣。
[0034]所述转底炉包括炉壁、炉顶和可转动环形炉底，沿炉底转动方向依次设置预热区、还原区、熔分区和冷却区。所述预热区温度为400-600℃，还原区温度为1000-1200℃，熔分区温度为1250-1380℃，冷却区温度为500-800℃。
[0035]所述选择性还原机理基于铁氧化物与稀土氧化物的标准生成自由能差异，实现铁的优先还原与稀土的渣相富集。
[0036]所述转底炉布料采用“底铺+面撒”布料方式：先在炉底铺设2-3mm的煤粉，然后将复合团块均匀布于煤粉上，再在团块顶端撒入团块总重量2-6%的煤粉，以增加碳质还原剂与团块的接触面积，防止团块黏炉，同时促进稀土中高价铈的还原。控制转底炉转速，使团块在炉内停留时间20-40min。
[0037]还原熔分后，从出料口排出熔分产物，经冷却、破碎、磁选，得到珠铁和富稀土渣。富稀土渣中REO含量富集至15-25%，铁残留量≤2%。
[0038]模块三、短流程熔炼：将模块二所得富稀土渣进行深度脱杂处理后，与硅石、碳质还原剂混合均匀后加入矿热炉，采用“亏碳操作+热装”工艺，在1500-1600℃下进行还原熔炼，出炉浇铸，得到稀土硅铁合金。
[0039](1)深度脱杂处理：将富稀土渣破碎至-200目占80%以上，加入CaO和Na2CO3的混合物(质量比2:1)作为脱杂剂，加入量为富稀土渣质量的2-5%，在600-800℃下保温30-60min，去除磷、铝等杂质，获得净化富稀土渣。经检测，净化富稀土渣中P≤0.05%，Al2O3≤3%。
[0040](2)短流程熔炼：将净化富稀土渣、硅石、碳质还原剂按质量比1:(0.8-1.2):(0.5-0.8)混合均匀后加入矿热炉，采用亏碳操作，配碳量为理论需要量的0.90-0.95倍。控制二次电压与二次电流之比大于300，电极插入炉料深度为900-1200mm，冶炼温度1500-1600℃。
[0041]将矿热炉熔炼得到的合金液热装入保温炉，进行成分微调和净化处理，热装温度控制在1500-1550℃。在保温炉中进行电磁搅拌10-15min，促进成分均匀化和夹杂物上浮，然后出炉浇铸，得到稀土硅铁合金。
[0042]模块四、尾渣高值化利用：将熔炼过程中产生的合金灰收集后与高分子材料复配制备合金灰基复合材料，将转底炉和矿热炉产生的炉渣收集后制备建材基材料。
[0043](1)合金灰基复合材料制备：按质量份称取合金灰30-40份、聚氯乙烯45-55份、稳定剂2-3份、改性剂2-4份、润滑剂0.5-1份。将各物料混合均匀后，经高温混炼、挤出成型，制备合金灰基复合材料托盘、板材等产品。
[0044](2)建材基材料制备：将转底炉和矿热炉产生的炉渣经破碎、筛分，分为细砂(0.1-0.5mm)、中砂(0.5-2.0mm)、粗砂(2.0-5.0mm)三个粒级，按最紧密堆积理论进行级配设计，与水泥、骨料复配，经搅拌、成型、养护，制备建材基材料。
[0045]铁资源循环利用(优选)：将模块二所得珠铁经电弧炉炼钢后，所得钢水返回模块三作为铁源补充，实现铁资源的闭路循环利用。
[0046]本发明技术与现有技术相比，具有以下有益效果：
[0047]多源固废协同利用效果显著：以含铁稀土尾矿、钕铁硼废料铁尾渣和硅切割废料为原料，实现三种工业固废的协同消纳和高值化利用，原料成本降低30-50%，解决了单一废料利用难、效益差的问题。
[0048]稀土回收率大幅提高：通过转底炉分质分离实现铁与稀土的高效分离，稀土回收率达96%以上，较传统硅热法(60-75%)提高20-30个百分点，较传统碳热法(85-90%)提高5-10个百分点，达到国际先进水平。
[0049]能耗显著降低：采用短流程熔炼工艺，通过热装技术利用合金液高温显热，综合电耗降低至8600-9000kWh/t，较传统硅热法(12000-14000kWh/t)降低25-30%，较传统碳热法(9600-10000kWh/t)降低8-12%。
[0050]炉龄大幅延长：通过亏碳操作抑制炉底稀土碳化物炉瘤生成，炉龄由传统碳热法的2-3个月延长至25个月以上，避免了频繁停炉修复造成的经济损失，设备作业率提高30%以上。
[0051]固废100%资源化利用：通过尾渣高值化利用模块，合金灰制备复合材料，炉渣制备建材，实现冶炼固废100%资源化利用，避免了废渣堆存造成的环境污染，吨合金减少固废排放1.3-1.5吨。
[0052]产品质量优良：制备的稀土硅铁合金成分均匀，杂质含量低，Ca≤1.5%，Al≤1.0%，符合国家标准GB/T 4137-2024《稀土硅铁合金》要求，满足高端钢铁冶金需求。
[0053]绿色低碳效益突出：本发明方法符合《绿色设计产品评价技术规范 稀土硅铁合金产品》(XB/T 809-2023)要求，资源属性、能源属性、环境属性和产品属性四大类指标均达到领先水平，年产能1万吨的生产线可减少CO2排放约1.2万吨。
[0054]技术集成创新性强：首次建立“多源固废协同利用-转底炉分质分离-短流程熔炼-尾渣高值化利用”四位一体技术体系，四大模块之间物质流、能量流、信息流协同优化，形成完整的绿色低碳集成制备方法，具有重要的学术价值和工业应用前景。
附图说明
[0055]图1为本发明稀土硅铁合金绿色低碳集成制备方法的工艺流程示意图。
具体实施方式
[0056]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例对本发明进行进一步的详细描述。但应理解，本发明的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围。
实施例1：四大模块集成验证
[0057]本实施例完整验证四大技术模块的集成效果。
[0058]模块一、多源固废协同制团：取含铁稀土尾矿(REO 6.2%，TFe 18.5%，来自包头白云鄂博)500kg、钕铁硼废料铁尾渣(Fe2O3 82.3%，REO 0.4%)250kg、硅切割废料(Si 85.6%)150kg，配入碳质还原剂(兰炭粉70%、木屑30%)80kg、膨润土粘结剂20kg。将各物料在混料机中混合30min后，送入对辊压球机，在18MPa压力下压制成型，球团直径30-40mm。将球团置于干燥窑中，于120℃干燥2h，球团含水率3.2%，抗压强度56kg/个。
[0059]模块二、转底炉分质分离：将模块一所得复合团块通过进料机布入转底炉，转底炉沿炉底转动方向依次设置预热区(温度400-600℃)、还原区(温度1100℃)、熔分区(温度1320℃)和冷却区(温度600℃)。采用“底铺+面撒”布料方式：先在炉底铺设2.5mm厚的煤粉，然后将复合团块均匀布于煤粉上，再在团块顶端撒入团块总重量4%的煤粉。控制转底炉转速，使团块在炉内停留时间30min。
[0060]还原熔分后，从出料口排出熔分产物，经冷却、破碎、磁选，得到珠铁和富稀土渣。经检测，富稀土渣中REO含量为18.6%，铁残留量1.8%。
[0061]模块三、短流程熔炼：(1)深度脱杂处理：将模块二所得富稀土渣破碎至-200目占85%，加入CaO和Na2CO3的混合物(质量比2:1)作为脱杂剂，加入量为富稀土渣质量的3%。在700℃下保温45min进行深度脱杂处理，获得净化富稀土渣。经检测，净化富稀土渣中P≤0.04%，Al2O3≤2.8%。(2)短流程熔炼：将净化富稀土渣500kg、硅石(SiO2≥98%)500kg、兰炭(固定碳84%)300kg混合均匀后加入6300KVA矿热炉。采用亏碳操作，理论需碳量按稀土和硅还原反应计算为326kg，实际配碳量300kg(含球团带入碳)，为理论值的0.92倍。控制二次电压105V，一次侧电流190A，电极插入深度1050mm，冶炼温度1550℃。
[0062]熔炼2h后，将合金液热装入保温炉，热装温度1520℃。在保温炉中进行电磁搅拌12min，然后出炉浇铸，得到稀土硅铁合金。经检测，合金成分为：RE 28.5%，Si 50.2%，Ca0.8%，Al 0.6%，Fe余量。
[0063]模块四、尾渣高值化利用：收集熔炼过程中产生的合金灰350kg，与聚氯乙烯500kg、钙
锌复合稳定剂25kg、氯化聚乙烯改性剂30kg、硬脂酸润滑剂8kg混合，经高温混炼、挤出成型，制备合金灰基复合材料托盘。经检测，托盘密度0.68g/cm³，静曲强度36MPa，符合物流托盘使用要求。
[0064]将转底炉和矿热炉产生的炉渣收集后，经破碎、筛分，分为细砂(0.1-0.5mm)、中砂(0.5-2.0mm)、粗砂(2.0-5.0mm)三个粒级，按质量比2:5:3混合后，与水泥、骨料按1:3:6的质量比复配，经搅拌、成型、养护28天，制备建材基材料。经检测，抗压强度达32.5MPa，符合建材使用要求。
[0065]铁资源循环利用：将模块二所得珠铁送入电弧炉炼钢，获得钢水，返回模块三作为铁源补充。
[0066]本实施例稀土回收率为96.2%，吨合金综合电耗8750kWh，实现冶炼固废100%资源化利用。
实施例2：不同原料配比验证
[0067]本实施例验证不同原料配比对技术效果的影响。
[0068]模块一、多源固废协同制团：取含铁稀土尾矿(REO 5.8%，TFe 19.2%)400kg、钕铁硼废料铁尾渣(Fe2O3 84.1%，REO 0.3%)300kg、硅切割废料(Si 87.2%)200kg，配入碳质还原剂(焦炭粉60%、竹屑40%)80kg、水玻璃粘结剂20kg。按实施例1相同方法制团。
[0069]模块二至模块四：同实施例1。
[0070]经检测，富稀土渣中REO含量为19.2%，稀土回收率为95.8%，吨合金综合电耗8800kWh。合金成分为：RE 27.8%，Si 50.5%，Ca 0.9%，Al 0.7%，Fe余量。尾渣资源化利用效果良好。
实施例3：不同转底炉工艺参数验证
[0071]本实施例验证转底炉工艺参数对分离效果的影响。
[0072]模块一：同实施例1。
[0073]模块二：调整熔分区温度至1380℃，熔分时间25min，其他条件同实施例1。
[0074]模块三至模块四：同实施例1。
[0075]经检测，富稀土渣中REO含量为17.5%(略低于实施例1)，铁残留量1.5%。稀土回收率为95.5%，吨合金综合电耗8820kWh。结果表明，适当提高熔分温度可降低铁残留，但稀土回收率略有下降，需综合考虑。
实施例4：不同熔炼工艺验证
[0076]本实施例验证短流程熔炼工艺参数对产品品质的影响。
[0077]模块一至模块二：同实施例1。
[0078]模块三：调整配碳比为理论值的0.90倍(降低)，其他条件同实施例1。
[0079]模块四：同实施例1。
[0080]经检测，合金成分为：RE 29.2%，Si 49.8%，Ca 0.7%，Al 0.5%，Fe余量。稀土回收率为96.5%，吨合金综合电耗8650kWh。结果表明，适当降低配碳比有利于提高稀土回收率和降低能耗。
实施例5：尾渣高值化利用优化验证
[0081]本实施例验证尾渣高值化利用工艺优化效果。
[0082]模块一至模块三：同实施例1。
[0083]模块四：将合金灰与聚氯乙烯复配时，加入3%的
硅烷偶联剂进行表面改性，改善合金灰与高分子基体的界面结合。将炉渣按更优化级配(细砂:中砂:粗砂=2:4:4)与水泥复配。
[0084]经检测，改性后合金灰基复合材料托盘的静曲强度提升至42MPa;优化级配后建材基材料的抗压强度提升至38.5MPa。
对比例1：传统硅热还原法
[0085]采用传统硅热还原法生产稀土硅铁合金。以稀土精矿(REO 55%)1000kg、75硅铁700kg、石灰1000kg为原料，在电弧炉中于1650-1700℃冶炼2.5h。经检测，稀土回收率为76.5%，吨合金综合电耗11800kWh，吨合金产渣1.4吨。
对比例2：传统碳热还原法
[0086]采用传统碳热还原法生产稀土硅铁合金。以稀土精矿(REO 55%)为原料，按氧化物与还原剂炭重量比1:1.5制团，与硅石、焦炭在矿热炉中冶炼。经检测，稀土回收率为87.5%，吨合金综合电耗9600kWh，运行2个月后出现炉底上涨，需停炉处理。
对比例3：单一模块缺失
[0087]本实施例验证缺失某一技术模块的效果。仅采用模块一和模块三，省略模块二转底炉分质分离，将模块一所得复合团块直接加入矿热炉熔炼。
[0088]经检测，稀土回收率为82.5%，吨合金综合电耗10200kWh，运行3个月后出现炉底上涨。合金中杂质含量较高，Ca 1.8%，Al 1.2%。
[0089]将实施例1-5与对比例1-3对比，可得以下结论：
[0090]四大模块集成效果显著：实施例1完整应用四大模块，稀土回收率达96.2%，电耗8750kWh，炉况稳定，固废100%资源化利用，各项指标全面优于对比例。
[0091]与硅热法对比：实施例1较对比例1稀土回收率提高19.7个百分点，电耗降低26%，吨合金减少固废排放1.4吨。
[0092]与碳热法对比：实施例1较对比例2稀土回收率提高8.7个百分点，电耗降低9%，炉龄由2个月延长至25个月以上。
[0093]模块协同必要性验证：对比例3缺失模块二，稀土回收率降至82.5%，电耗升至10200kWh，且出现炉底上涨，证明四大模块缺一不可。
[0094]工艺参数优化空间：实施例2-5表明，通过优化原料配比、转底炉参数、熔炼参数和资源化利用工艺，可进一步提升技术效果。
[0095]综上所述，本发明通过四大技术模块的有机集成与协同优化，实现了稀土硅铁合金的绿色低碳清洁生产，具有显著的技术进步性和工业应用价值。
[0096]本发明提供的稀土硅铁合金绿色低碳集成制备方法，可广泛应用于稀土冶金和铁合金生产领域，特别适用于含铁稀土尾矿、钕铁硼废料铁尾渣、硅切割废料等多源固废的协同处置与高值化利用。采用本发明方法制备的稀土硅铁合金产品，可作为高端特殊钢、球墨铸铁、蠕墨铸铁等的添加剂，显著改善材料性能，具有广阔的工业应用前景。本发明方法符合国家《绿色制造工程实施指南》和《工业绿色发展规划》要求，对于推动稀土硅铁合金行业的绿色可持续发展具有重要意义。
[0097]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
说明书附图(1)
声明：
“稀土硅铁合金的绿色低碳集成制备方法” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：北方有色网
来源：包头市华商稀土合金有限公司
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