包头混合稀土矿是世界储量最丰富的稀土资源,由于其成分复杂且矿相结构稳定,对处理工艺要求较苛刻。目前工业上应用的处理工艺主要有硫酸分解法和氢氧化钠分解法,随着环保要求的日益增加,现有工艺所呈现出的环境污染和资源浪费问题越发严重的阻碍了其发展。因此,开发合理的、绿色无污染的处理、综合的利用对包头稀土矿及我国稀土产业的快速发展具有重要的现实意义。本论文提出采用微波加热技术处理包头稀土矿的新方法,对微波加热过程和浸出过程进行深入研究,揭示微波加热分解机理及分解后矿的浸出行为,为包头稀土矿处理技术的发展提供重要的参考。采用化学成分分析、X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)对包头稀土矿进行分析。包头混合稀土精矿中稀土含量为56.08 wt%,其中稀土元素主要以铈、镧、钕为主;磷、氟含量分别为3.26 wt%和8.63 wt%;主要物相为氟碳铈矿、独居石和萤石;三种稀土元素均匀分布,且与杂质元素氟、磷、钙等相互夹杂,不存在明显的富集现象。通过热重分析和复介电常数分析,研究了稀土精矿的吸波性能。结果表明,稀土精矿复介电常数分别在200、600和800 ℃时出现明显的变化。稀土精矿在200 ℃主要物相不变,但具有脱水现象;600 ℃时氟碳铈矿发生分解生成稀土氧化物,虽分解前后的两种矿相均属于六方晶系,但前者晶格结构更为致密;温度高于800 ℃时,稀土氧化物进一步反应,生成复合稀土氧化物,并由六方晶系转变为对称性最高的立方晶系。稀土精矿在这三个温度点矿相的转变和晶格结构的变化是引起其复介电常数发生变化的主要原因。计算了稀土精矿在2.45 GHz频率微波下的反射率、衰减因子和透入深度。结果表明,在温度低于800 ℃时反射率基本稳定在13%左右;透入深度在0.25 m以上。因此,采用微波加热处理稀土精矿是可行的,但稀土精矿的吸波能力并不强,需要通过添加吸波剂改善其吸波性能。采用氢氧化钠作为吸波剂时,稀土精矿能够迅速升温;相较于活性炭,氢氧化钠还可以起到促进稀土精矿分解和固氟的作用。因此最终选用氢氧化钠作为改善稀土精矿吸波性能的吸波剂。通过热重分析和矿相表征,深入探讨了微波加热过程稀土精矿的分解机理。结果表明,随着温度的升高,稀土元素附存状态先由氟碳酸盐和磷酸盐转变为稀土氢氧化物,再分解为氧化物,最后形成复合氧化物;而氟元素则与钠盐结合生成氟化钠;磷酸根与钙盐结合生成磷酸钙。在充足的保温时间条件下350℃左右就能实现上述各元素的转变过程。在恒温温度450 ℃、恒温时间40 min、氢氧化钠加入量为45 wt%及微波功率1500 W条件下,稀土分解率和氟转化率分别为89.33%和88.73%,能够有效地实现矿物的分解、后续氟元素与稀土、磷的分离和单独提取氟元素的目的。且经过微波加热,稀土矿物比表面积增加,颗粒表面呈疏松多孔结构,有利于后续的稀土元素浸出过程。分解后矿的浸出过程主要受浸出温度、盐酸浓度、液固比的影响;搅拌速度对稀土元素的浸出过程影响较小;浸出过程在30 min左右基本达到平衡状态,浸出效率较高。在浸出温度80 ℃,浸出时间60 min,浸出液固比为12:1,初始盐酸浓度为3 mol/L,搅拌速度500 rpm条件下,分解后矿的浸出效果较好,稀土浸出率可达88.31%。但在浸出过程中,以铈元素为主的稀土元素依然会与磷酸根、氟离子二次反应形成纳米级针状结晶。对分解后矿浸出过程的宏观反应动力学过程进行了研究。结果表明,浸出时间超过25 min,浸出过程基本达到平衡状态;在45～67.5℃的温度范围内,分解后稀土精矿浸出过程的表观活化能为27.01 kJ/mol,稀土精矿浸出过程是化学反应和扩散过程的混合控制。浸出过程的前期,浸出过程受化学反应速率控制;随后部分稀土元素与磷酸根、氟离子结合,构成固体产物层,从而使浸出过程转变为扩散控制。基于上述研究结果,在相同条件下,对比了分别采用微波加热和传统加热时稀土矿的分解率及浸出效果。结果表明,稀土矿分解率分别为89.33%和67.56%;氟转化率分别为88.73%和45.84%。采用微波加热,稀土元素总浸出率为88.31%;采用传统加热,稀土元素总浸出率为71.82%。该结果说明采用微波加热对稀土精矿的分解具有强化作用。对稀土精矿中主要元素进行了全流程走向分析。结果表明,氟元素主要进入到水洗液中,水洗矿中氟的含量为1.09%,占氟总量的11.36%;磷元素主要进入到浸出液中,少量磷元素进入到水洗液中,占磷总量的4.31%;稀土元素最终进入到浸出液中,但11.67%的稀土进入到浸出渣,可返回微波加热工序二次利用。