基于碳化的从离子型稀土浸出液中回收铝的方法，用于制备电解级氧化铝

《Separation and Purification Technology》：Carbonization-based recovery of aluminum from ionic rare earth leaching liquor for electrolysis-grade alumina preparation

二次锡资源回收中，传统电炉炼锡能耗高（>1400℃）、金属回收率低（仅85%）。本研究提出分步熔渣调控策略，通过1200℃和1300℃双温实验优化渣成分：首阶段控制CaO过量，抑制CaSiO3和CaSnO3析出，使锡回收率翻倍（2×）、合金产率提升73.5%；次阶段1300℃强化硅酸二钙形成，铅回收率提高145%，同时实现渣效率动态提升。拉曼光谱揭示熔体硅酸盐聚合度随温度变化呈现非线性特征，证实分步调控有效优化渣网络结构，降低能耗需求。

　　本研究聚焦于如何通过改进的熔渣控制策略，提高二次锡资源的回收效率。目前，全球锡资源供应中约有33.4%来自二次资源，而传统的电炉熔炼工艺需要高温超过1400°C，仅能实现约85%的金属回收率。这表明现有技术在处理二次锡资源时存在明显的局限性。为此，本研究深入探讨了自熔渣的演变机制，并提出了一种分阶段的熔渣调整策略，旨在动态优化熔渣成分，从而提升金属回收率与能源利用效率。

在实验设计方面，研究团队通过在1200°C和1300°C两个温度条件下进行双温实验，模拟了熔炼过程中的熔渣行为。实验结果显示，由于原料本身的特性以及硅氧化物与铁氧化物之间的优先反应，导致了过量的氧化钙（CaO）生成。这些过量的CaO在高温下与硅和锡结合，形成了一种稳定的难熔相，如钙锡酸盐（CaSnO?）和钙锡硅酸盐（CaSnSiO?），这不仅增加了熔渣的粘度，还导致了锡的滞留，降低了回收效率。相较之下，采用分阶段的熔渣调整策略后，在1200°C条件下，锡的回收率提高了两倍，合金产出率提升了73.5%，铅的回收率提高了3.7%，同时硅和钙的利用率分别提升了77.3%和345%。而在1300°C条件下，合金产出率进一步提高10.7%，铅的回收率再升145%，锡的回收率保持稳定，这表明分阶段策略在高温下同样具有显著优势。

研究进一步指出，传统熔炼工艺中熔渣的形成路径往往无法有效控制，导致了高温下不稳定的固相成分生成，从而增加了能源消耗和金属损失。为了克服这一问题，本研究通过深入分析熔渣的相变路径和热力学相图，提出了一个基于FeO–SiO?–CaO体系的创新分阶段熔渣调整策略。该策略通过分阶段添加不同成分，实现对熔渣组成精准控制，从而引导熔渣向低熔点的共晶区域演化，有效抑制了有害的尖晶石和橄榄石相的形成。这种分阶段的熔渣调整方式不仅提升了熔炼过程的效率，还降低了能耗，为工业上处理二次锡资源提供了新的思路。

此外，研究团队通过拉曼光谱技术对熔融硅酸盐的聚合度进行了动态分析。结果表明，在1200°C条件下，熔渣的聚合度呈现先上升后下降再上升的趋势，而在1300°C条件下，聚合度则迅速下降。这说明在不同的温度区间内，熔渣的结构演变具有不同的特征。这些发现不仅揭示了熔渣形成过程中的关键因素，还为优化熔炼工艺提供了重要的理论依据。

在实际应用中，二次锡资源的回收面临着诸多挑战。首先，这些资源来源复杂，包括火法冶金渣、湿法冶金残渣和合金废料等，它们不仅含有高熔点的杂质，如氧化铁（Fe?O?）、二氧化硅（SiO?）、氧化钙（CaO）和氧化铝（Al?O?），还可能含有有价值的金属，如铜和铅。然而，这些原料中也常混杂有害成分，如砷、卤素和有机物，这使得资源回收过程更加复杂。同时，由于这些资源的异质性，传统的一次性处理方式难以实现高效回收。相比之下，分阶段的熔渣调整策略能够有效应对这些挑战，通过动态调节熔渣的局部热力学条件，实现对熔渣结构的精准控制，从而提高金属回收率。

研究团队还指出，当前关于熔渣系统的优化研究多集中于热力学相图和熔渣组成的研究，但这些研究往往忽略了熔炼过程中实际存在的非平衡固相成分及其对能量消耗和金属损失的影响。因此，建立一种基于非平衡相控制的理论框架，对于提高熔炼过程的效率和降低能耗具有重要意义。本研究通过实验与理论分析相结合的方式，不仅揭示了熔渣形成过程中的关键机制，还提出了可行的解决方案，为实现循环经济和可持续冶金技术的发展提供了支持。

在实验方法上，研究团队采用了高纯度试剂模拟熔渣的形成过程，并基于中国最大的二次锡冶炼企业之一江西瑞丰环保科技有限公司的工业配方，设计了合成主熔渣的成分。通过高温淬火实验，研究团队进一步验证了熔渣的演变机制以及分阶段熔渣调整策略的有效性。实验过程中，熔渣的组成和结构在不同温度区间内发生了显著变化，这些变化与金属回收率和能耗密切相关。

本研究还强调了熔渣在冶炼过程中的关键作用。熔渣的形成路径和成分不仅影响金属的回收效率，还决定了熔炼过程的稳定性与能耗水平。传统的单步熔渣处理方式往往难以满足复杂原料的处理需求，而分阶段策略则能够有效调节熔渣的组成，使其在不同温度区间内保持最佳的流动性。这不仅有助于提高金属的回收率，还能够降低熔炼过程中的能量消耗，从而实现更高效的资源回收。

从更广泛的角度来看，本研究的意义不仅限于二次锡资源的回收，还涉及冶金行业的可持续发展。随着全球对电子产品和可持续技术的需求不断增长，锡的消耗量也在持续上升。特别是在5G技术推广、智能家居升级、电动汽车生产以及光伏产业扩张的推动下，锡的市场需求预计将持续增长。然而，锡资源的稀缺性也给行业发展带来了压力。目前，全球锡资源主要集中在少数几个国家，如中国、缅甸和澳大利亚，这些国家的储量在过去几年内大幅下降，导致锡的可用储量大幅减少。这表明，如果不能有效提高二次锡资源的回收率，锡的供应可能会面临更加严峻的挑战。

在这一背景下，锡的无限循环回收能力使其成为可持续发展的关键资源。与原始冶炼相比，锡的回收不仅能够减少约99%的能源消耗和碳排放，还能够有效缓解资源短缺问题。因此，提高二次锡资源的回收率不仅有助于满足市场需求，还能够推动冶金行业的绿色转型。本研究提出的分阶段熔渣调整策略，正是针对这一目标而设计的，它通过优化熔渣的形成路径，提高了金属回收率，降低了能耗，为实现可持续发展提供了可行的技术路径。

研究团队在实验中发现，熔渣的形成过程受到多种因素的影响，包括原料的化学组成、熔炼温度以及熔渣的流动性。其中，原料的化学组成决定了熔渣的基本性质，而熔炼温度则影响了熔渣的结构演变。在高温下，熔渣的粘度和流动性发生变化，这可能会影响金属的回收效率。因此，通过分阶段调整熔渣的组成，可以在不同温度区间内实现最佳的熔渣性能，从而提高金属的回收率。

此外，研究还指出，熔渣的形成过程不仅影响金属的回收，还对冶炼过程的稳定性产生重要影响。在高温下，熔渣的粘度和流动性变化可能导致冶炼过程的波动，进而影响金属的回收效率。因此，通过优化熔渣的形成路径，可以有效提高冶炼过程的稳定性，从而实现更高效的资源回收。同时，熔渣的形成路径也决定了冶炼过程中的能耗水平，优化熔渣的组成和结构可以显著降低能源消耗，提高资源利用效率。

从技术层面来看，本研究提出的分阶段熔渣调整策略，不仅提高了金属的回收率，还优化了熔渣的流动性。通过实验验证，该策略在1200°C和1300°C条件下均表现出良好的效果。在1200°C条件下，锡的回收率提高了两倍，合金产出率提升了73.5%，铅的回收率提高了3.7%，同时硅和钙的利用率分别提升了77.3%和345%。而在1300°C条件下，合金产出率进一步提高10.7%，铅的回收率再升145%，锡的回收率保持稳定。这表明，分阶段策略不仅适用于较低温度区间，也能够在高温条件下实现更高效的资源回收。

研究团队还强调了该策略的创新性。传统的单步熔渣处理方式往往无法有效应对复杂原料的处理需求，而分阶段策略则能够通过动态调节熔渣的组成，实现对熔渣结构的精准控制。这种控制方式不仅提高了金属的回收率，还优化了冶炼过程的稳定性，从而实现了更高效的资源利用。此外，分阶段策略还能够降低熔炼过程中的能量消耗，提高能源利用效率，为实现可持续发展提供了重要的技术支持。

从应用前景来看，本研究提出的分阶段熔渣调整策略具有广泛的适用性。它不仅可以用于二次锡资源的回收，还可以推广到其他金属的回收过程中。特别是在处理高熔点杂质和复杂原料时，该策略能够有效提高金属的回收率，降低能耗，提高冶炼过程的稳定性。这表明，该策略不仅适用于锡的回收，还可能成为其他金属回收领域的重要参考。

此外，研究团队还指出，该策略的实施需要综合考虑多种因素，包括原料的化学组成、熔炼温度以及熔渣的流动性。在实验中，研究团队通过高温淬火实验，验证了熔渣在不同温度区间内的结构演变，并进一步分析了这些变化对金属回收率的影响。这些实验结果不仅为优化熔渣的形成路径提供了重要的数据支持，还为实现更高效的资源回收提供了理论依据。

综上所述，本研究通过深入分析熔渣的形成机制和演变路径，提出了分阶段的熔渣调整策略，为提高二次锡资源的回收率提供了新的解决方案。该策略不仅能够有效降低熔炼过程中的能耗，还能够提高金属的回收率，优化冶炼过程的稳定性，从而推动冶金行业的可持续发展。未来，该策略有望在工业实践中得到广泛应用，为解决锡资源短缺问题提供重要支持。