Critical evaluation and thermodynamic optimization of the iron-rare-earth systems

• Main Author: Konar, Bikram
• Other Authors: In-Ho Jung (Internal/Supervisor)
• Format: Others
• Language: en
• Published: McGill University 2012
• Subjects: Engineering - Metallurgy
• Online Access: http://digitool.Library.McGill.CA:80/R/?func=dbin-jump-full&object_id=106619

Rare-Earth elements by virtue of its typical magnetic, electronic and chemical properties are gaining importance in power, electronics, telecommunications and sustainable green technology related industries. The Magnets from RE-alloys are more powerful than conventional magnets which have more longevity and high temperature workability. The dis-equilibrium in the Rare-Earth element supply and demand has increased the importance of recycling and extraction of REE's from used permanent Magnets. However, lack of the thermodynamic data on RE alloys has made it difficult to design an effective extraction and recycling process. In this regard, Computational Thermodynamic calculations can serve as a cost effective and less time consuming tool to design a waste magnet recycling process. The most common RE permanent magnet is Nd magnet (Nd2Fe14B). Various elements such as Dy, Tb, Pr, Cu, Co, Ni, etc. are also added to increase its magnetic and mechanical properties. In order to perform reliable thermodynamic calculations for the RE recycling process, accurate thermodynamic database for RE and related alloys are required. The thermodynamic database can be developed using the so-called CALPHAD method. The database development based on the CALPHAD method is essentially the critical evaluation and optimization of all available thermodynamic and phase diagram data. As a results, one set of self-consistent thermodynamic functions for all phases in the given system can be obtained, which can reproduce all reliable thermodynamic and phase diagram data. The database containing the optimized Gibbs energy functions can be used to calculate complex chemical reactions for any high temperature processes. Typically a Gibbs energy minimization routine, such as in FactSage software, can be used to obtain the accurate thermodynamic equilibrium in multicomponent systems. As part of a large thermodynamic database development for permanent magnet recycling and Mg alloy design, all thermodynamic and phase diagram data in the literature for the fourteen Fe-RE binary systems: Fe-La, Fe-Ce, Fe-Pr, Fe-Nd, Fe-Sm, Fe-Gd, Fe-Tb, Fe-Dy, Fe-Ho, Fe-Er, Fe-Tm, Fe-Lu, Fe-Sc and Fe-Y are critically evaluated and optimized to obtain thermodynamic model parameters. The model parameters can be used to calculate phase diagrams and Gibbs energies of all phases as functions of temperature and composition. This database can be incorporated with the present thermodynamic database in FactSage software to perform complex chemical reactions and phase diagram calculations for RE magnet recycling process. === Les terres rares, en vertu de leurs propriétés magnétiques, électroniques et chimiques uniques, gagnent en importance dans les industries électroniques, des centrales, des télécommunications et des technologies vertes. Les aimants de terres rares possèdent des propriétés très supérieures par rapport aux aimants traditionnels. Ils disposent d'une puissance et d'une longévité plus élevées, et d'une meilleure usinabilité à haute température. Le déséquilibre entre la demande et l'approvisionnement en terres rares a accru l'importance du recyclage et de l'extraction des terres rares à partir des aimants permanents usagés. Cependant, le manque de données thermodynamiques sur les systèmes de terre rare a rendu difficile la conception de procédés efficaces de recyclage et d'extraction. À cet égard, les calculs thermodynamiques peuvent servir d'outil rentable en termes de temps et d'argent afin de concevoir un procédé de recyclage des aimants permanents usagés. L'aimant permanent de terre rare le plus commun est l'aimant au néodyme (Nd2Fe14B). Divers éléments tels que Dy, Tb, Pr, Cu, Co, Ni, etc. sont également ajoutés pour améliorer ses propriétés magnétiques et mécaniques.Afin d'effectuer des calculs thermodynamiques fiables pour le procédé de recyclage des terres rares, des bases de données thermodynamiques précises pour les terres rares et leurs alliages sont requises. Les bases de données thermodynamiques peuvent être développées en utilisant la méthode dite CALPHAD. Le développement de bases de données basé sur la méthode CALPHAD consiste essentiellement en l'évaluation critique et en l'optimisation de toutes les données thermodynamiques et de diagramme de phase disponibles. En conséquence, un ensemble de fonctions thermodynamiques cohérentes pouvant reproduire tous les données thermodynamiques et de diagramme de phase fiables est obtenu pour toutes les phases dans un système donné. La base de données contenant les fonctions optimisées d'énergie libre de Gibbs peut être utilisée pour calculer des réactions chimiques complexes pour n'importe quels procédés à haute température. Typiquement, une routine de minimisation de l'énergie libre de Gibbs, telle que présente dans le logiciel FactSage, peut être utilisée pour obtenir l'équilibre thermodynamique précis dans un système comprenant de multiples composants.Dans le cadre du développement d'une base de données thermodynamiques pour le recyclage des aimants permanents et la conception d'alliages de magnésium, toutes les données thermodynamiques et de diagramme de phase dans la littérature pour les quatorze systèmes binaires Fe-terre rare incluant Fe-La, Fe-Ce, Fe-Pr, Fe-Nd, Fe-Sm, Fe-Gd, Fe-Tb, Fe-Dy, Fe-Ho, Fe-Er, Fe-Tm, Fe-Lu, Fe-Sc et Fe-Y sont évaluées de manière critique et optimisées pour obtenir les paramètres du modèle thermodynamique. Les paramètres du modèle peuvent ensuite être utilisés pour calculer les diagrammes de phases et les énergies libres de Gibbs de toutes les phases en fonction de la température et de la composition. Cette base de données peut être incorporée à la base de données thermodynamiques présente dans le logiciel FactSage afin de calculer des réactions chimiques complexes et des diagrammes de phase pour le procédé de recyclage des aimants de terres rares.