Study and optimization of a recycling process for sintered Nd-Fe-B magnets at the end of their useful life.

Abstract

Nowadays the scarcity of rare earths is a problem of significant importance due to the indispensable role of Nd-Fe-B permanent magnets in numerous technological applications. The international reliance on rare earth elements and the costly manufacturing processes involved in producing these magnets pose today both environmental and economic challenges. As the demand for rare earth permanent magnets grows, concerns about resource scarcity, energy consumption, and waste accumulation become more pressing. Developing new recycling routes for Nd-Fe-B permanent magnets is crucial to address these challenges. By establishing efficient methods to recover and reuse rare earth containing elements from discarded or obsolete devices could significantly reduce the need for mining new resources, helping to mitigate the environmental impact associated with mining and processing. For that reason, the problem of permanent magnets underscores the necessity of finding alternative and sustainable ways to produce, utilize, and recover these crucial materials. The development of novel recycling routes is a key step towards addressing the challenges posed by resource scarcity, environmental concerns, and economic fluctuations, contributing to a more sustainable future, and creating new business opportunities in the green technology sector. This PhD thesis aims to study new recycling routes for rare earth magnets, based on the use of gas atomization technique to melt scrap magnets and produce Nd-Fe-B recycled powders. This powder can be used to manufacture a new magnet. Gas atomization is a highly interesting industrial production technique with numerous advantages, including high productivity and lower cost compared to other production techniques. The limitation of the gas-atomized powders lies in their low magnetic properties. For that reason, with the aim to enhance their magnetic properties, different alternatives of heat treatments and reactions in hydrogen atmosphere such as hydrogen decrepitation (HD) and the hydrogenation-disproportionation-desorption-recombination (HDDR) process will be analyzed. Moreover, the effect of some commonly used additives in Nd- Fe-B permanent magnets, such as Nb and Ga will be analyzed. The ultimate motivation is to enhance their magnetic properties, transforming them into a useful material to produce both isotropic and anisotropic bonded magnets.

En la actualidad, la escasez de tierras raras es un problema de gran importancia debido al papel indispensable de los imanes permanentes de Nd-Fe-B en numerosas aplicaciones tecnológicas. La dependencia internacional en el suministro de tierras raras, así como los costosos procesos de fabricación involucrados en la producción de estos imanes, plantean en la actualidad un desafío tanto ambiental como económico. A medida que crece la demanda de imanes permanentes de tierras raras, la preocupación sobre la escasez de recursos, el consumo de energía y la acumulación de desechos aumenta. Desarrollar nuevas rutas de reciclaje para imanes permanentes de Nd-Fe-B es crucial para abordar estos desafíos de la actualidad. Establecer métodos eficientes para recuperar y reutilizar imanes que contienen tierras raras de dispositivos descartados y obsoletos podría reducir significativamente la necesidad de extraer nuevos recursos, ayudando a mitigar el impacto ambiental asociado con la extracción y procesamiento de estos. Por esta razón, el problema de los imanes permanentes de tierras raras subraya la necesidad de encontrar formas alternativas y sostenibles de producir, utilizar y recuperar estos materiales tan cruciales. El desarrollo de nuevas rutas de reciclaje es un paso clave para abordar los desafíos planteados por la escasez de recursos, los problemas ambientales y las fluctuaciones económicas, lo que en última instancia contribuye a un futuro más sostenible y crea nuevas oportunidades de negocio en el sector de la tecnología verde. Esta tesis tiene como objetivo estudiar nuevas rutas de reciclaje de imanes de tierras raras, basadas en el uso de la técnica de producción con atomización con gas para fundir imanes desechados y obtener polvos reciclados de Nd-Fe-B. Este polvo puede utilizarse para fabricar de nuevo un imán. La atomización con gas es una técnica de producción muy interesante con numerosas ventajas, incluyendo una alta productividad y un menor coste de producción en comparación con otras técnicas. La limitación de los polvos atomizados con gas son sus bajas propiedades magnéticas. Por esta razón, se analizarán diferentes alternativas de tratamientos térmicos y reacciones en atmósfera de hidrógeno cómo la decrepitación en hidrógeno (HD) y el proceso de hidrogenación-desproporción-desorción-recombinación (HDDR) para mejorar sus propiedades magnéticas. Además, se analizará el efecto de algunos aleantes comúnmente usados en los imanes de Nd-Fe-B, tales como el Nb y el Ga. La motivación final es mejorar sus propiedades magnéticas, convirtiéndolos en un material útil para la fabricación de imanes ligados isótropos o anisótropos.