我國高鐵鋁土礦鋁鐵分離技術現(xiàn)狀

袁致濤 張 松 李麗匣 于福家

(東北大學資源與土木工程學院)

我國是礦產(chǎn)資源大國，已探明的礦產(chǎn)資源約占世界總量的12%，僅次于美國和俄羅斯，居世界第3位［1］。其中鋁土礦資源豐度屬中等水平，總保有儲量達22.7億t，居世界第7位［2］。我國高鐵鋁土礦資源十分豐富，礦石中主要含鋁礦物有一水硬鋁石、一水軟鋁石、三水鋁石，主要含鐵礦物有赤鐵礦、針鐵礦、褐鐵礦等。大量高鐵鋁土礦資源鐵、鋁均未達到各自的工業(yè)品位，但鐵礦物和鋁礦物總量甚至超過礦物總量的80%，如能高效分離其中的鋁、鐵，綜合回收這2種元素，對緩解我國鋁、鐵礦石短缺局面具有重要意義。因此，高鐵鋁土礦作為一種有巨大開發(fā)潛力的礦產(chǎn)資源，越來越被礦業(yè)界關注。

1 我國高鐵鋁土礦石資源特點

高鐵鋁土礦石主要化學成分為A12O3、Fe2O3、SiO2和H2O，其中氧化鐵含量通常在5% ～37%，最高可達58.1%。礦石中的主要礦物為三水鋁石、一水硬鋁石、一水軟鋁石、針鐵礦、赤鐵礦、褐鐵礦和高嶺土，以及少量銳鈦礦、伊利石、硬錳礦、綠泥石等［5］。高鐵型鋁土礦結構構造復雜，多為自形、半自形、他形結構及凝膠結構、晶粒狀結構、微晶－隱晶質結構、溶蝕交代結構，通常為鮞狀、網(wǎng)狀及孔洞狀構造等［6-7］。鐵礦物與鋁礦物難以分離除與二者嵌布關系復雜有關外，F(xiàn)e、Al離子因半徑、能量系數(shù)、電離勢等接近，因而Fe與Al普遍互相交代也是造成鋁鐵分離困難的重要原因。

我國高鐵鋁土礦資源主要分布在廣西、福建和山西等省區(qū)。由于地質成礦條件不同，各地區(qū)形成了具有各自特征的高鐵鋁土礦石。

福建漳浦高鐵鋁土礦是由水解淋濾作用形成的紅土型鋁土礦，礦石中主要礦物是三水鋁石和少量的一水鋁石，次要礦物有赤鐵礦、針鐵礦等。礦石中A12O3含量為45%，F(xiàn)e2O3含量為17%，SiO2含量僅有6%左右。主要的礦石結構有膠狀結構、微晶結構、假象交代結構等，常見有豆狀、皮殼狀膠結構造以及次生膠結構造，礦床分布于漳浦深土、赤湖、佛曇一帶，礦區(qū)沿海岸線從大肖向北東方向延伸約40 km，資源儲量達500萬～1 000萬 t［8］。海南文昌地區(qū)的鋁土礦石性質與漳浦地區(qū)相近，含鐵量稍低，主要位于蓬萊一帶，保有儲量達1 330萬t。

廣西貴港高鐵鋁土礦石Fe2O3含量達35%～46%，在漫長的歲月里，濕熱交替氣候環(huán)境將裸露地表的泥盆系、石炭系碳酸鹽風化成了高鐵三水鋁土礦。礦石中主要礦物為三水鋁石、針鐵礦、赤鐵礦和高嶺土。礦石主要呈隱晶結構、凝膠結構，常見豆狀、鮞狀、結核狀構造［9］。該類鋁土礦分布于廣西中南、東南部玉林市至南寧市一帶的近十個縣市，其中貴港、橫縣、賓陽一帶礦石質量好，礦化面積大。貴港鋁土礦大部分出露地表，覆蓋層薄，礦層疏松，極易開采，總儲量超過2億t。

桂西鋁土礦為堆積型鋁土礦，礦石主要為他形粒狀結構，鮞狀及致密塊狀構造。礦石主要由一水硬鋁石、針鐵礦、赤鐵礦和高嶺土組成，A12O3含量為40.03% ～73.83%、Fe2O3含量為6.36% ～37.06%，組分簡單，雜質含量少。礦床集中分布于平果—靖西東西長約240 km、南北寬約70 km的區(qū)域內(nèi)，是國內(nèi)最大的堆積型鋁土礦床，儲量在5億t以上［10］。

山西保德高鐵鋁土礦是大型紅土－沉積型鋁土礦，分布于保德橋頭以南至興縣奧家灣以北區(qū)域。礦石由一水硬鋁石、高嶺土、赤鐵礦、針鐵礦、銳鈦礦等礦物組成，儲量約為 1.4 億 t［11］。

此外，河南、四川、貴州等地也分布著大量的高鐵鋁土礦，全國高鐵型鋁土礦資源總量達到15億t以上［12］。雖然各地高鐵鋁土礦具有不同的礦產(chǎn)地質特征，但大都裸露于地表，屬易開采礦石，且普遍解離性能差，到目前為止大部分高鐵鋁土礦還未得到合理的開發(fā)利用。

2 我國高鐵鋁土礦鋁鐵分離技術現(xiàn)狀

近幾十年來，我國相關科研院所和高校對高鐵鋁土礦的開發(fā)利用進行了大量的基礎性研究工作，針對不同性質的礦石，逐漸形成了較系統(tǒng)的高鐵鋁土礦石綜合利用工藝。按高鐵鋁土礦綜合利用工藝先后，可分為先選后冶、先鋁后鐵和先鐵后鋁等原則工藝［13-16］;按處理鐵的方式，又可歸納為常規(guī)鋁鐵分離法、鐵礦物磁化焙燒鋁鐵分離法、鐵礦物高溫燒結鋁鐵分離法等原則工藝，本文將按處理鐵的方式對鋁鐵分離技術現(xiàn)狀進行介紹。

2.1 常規(guī)鋁鐵分離工藝

2.1.1 常規(guī)的鋁土礦除鐵工藝

單一磁選或單一浮選工藝通常僅適合于鋁土礦除鐵。

李光輝等［17］對鋁礦物相對較細、鐵礦物相對較粗的某地高鐵鋁土礦石進行了磁選選礦試驗。結果表明:強磁選工藝可以實現(xiàn)一水硬鋁石型鋁土礦的鋁鐵分離，非磁性物(鋁精礦)Al2O3含量達65%以上、Fe2O3含量降至7%左右，滿足拜耳工藝對給料品質的要求。

朱友益［18］采用自制的 ZY為鋁土礦捕收劑，Na2SiO3、LMC為抑制劑，在磨礦細度為－0.074 mm占97%的情況下，對山西陽泉鋁土礦石進行了浮選試驗。最終將 Al2O3含量從61.55%提高到了73.56%，F(xiàn)e2O3含量從1.38%下降到了0.83%。

溫英等［19］對Al2O3品位為62.03%、Fe2O3含量為2.64%的山西陽泉鋁礬土礦石進行了富鋁除鐵研究。從階段磨礦、脫泥、浮選藥劑、加藥順序及流程結構等方面進行了系統(tǒng)研究，最終確定采用選擇性較好的733為水鋁石捕收劑，六偏磷酸鈉+苛性淀粉為鐵礦物抑制劑，對階段磨礦至－0.045 mm占80%的磨礦產(chǎn)品進行了分級分選，礦泥經(jīng)高梯度強磁選除鐵、礦砂經(jīng)浮選選鋁，最終獲得了Al2O3品位為78.34%、Fe2O3含量為0.77%的鋁精礦。

2.1.2 常規(guī)的鋁鐵綜合回收工藝

對于高鐵鋁土礦的綜合利用，通常采用磁浮聯(lián)合分選流程。

魏黨生［20］在對某地高鐵鋁土礦石化學成分、礦物組成、結構構造、粒度特性、賦存狀態(tài)和嵌鑲關系分析的基礎上，采用強磁選—陰離子反浮選工藝進行了鋁鐵綜合回收試驗研究，最終獲得了Al2O3含量超過68%、回收率超過70%的鋁精礦，以及鐵品位超過56%、回收率超過54%的鐵精礦。

黃光紅等［21］對某高鐵鋁土礦石采用磨礦(－0.074 mm占72%)—強磁粗選—強磁粗精礦再磨(－0.038 mm占90%)—強磁精選—強磁精礦反浮選提鐵脫鋁工藝處理，最終獲得了高品質的鐵精礦，磁選尾礦與反浮選尾礦合并即為鋁精礦。

李天庚［22］對某高鐵鋁土礦石磨礦產(chǎn)品進行1粗1精1掃強磁選，強磁掃選尾礦脫泥后即為鋁精礦，強磁選精礦再磨產(chǎn)品陰離子反浮選脫雜后即獲得較高品質的鐵精礦。

高鐵鋁土礦石除可采用磁選、浮選及磁浮聯(lián)合選礦等常規(guī)工藝實現(xiàn)鋁鐵分離外，還有學者在微波預處理、載體浮選方面進行過有益的探索，并取得了一些成果［23-24］。

對于鋁礦物與鐵礦物易于分離的礦石，常規(guī)分離方法可以經(jīng)濟、有效地將鐵、鋁分離。然而，大多數(shù)高鐵鋁土礦石的單體解離需要將礦石磨得很細，這就限制了常規(guī)分選工藝的應用。

2.2 基于鐵礦物磁化焙燒的高鐵鋁土礦石鋁鐵分離工藝

高鐵鋁土礦石中的鐵礦物基本都是弱磁性鐵礦物。對于某些嵌布關系復雜的高鐵鋁土礦石，磁選很難達到理想的鋁、鐵分離效果，因此，通常采用磁化焙燒—磁選工藝對鐵礦物進行回收。磁化焙燒的對象既可以是拜耳法產(chǎn)生的赤泥也可以是鋁土礦浮選尾礦［25］。

薛群虎等［26］采用磁化焙燒—磁選工藝對平果鋁業(yè)公司的高鐵赤泥進行了鐵回收試驗。試驗以煤粉為固體還原劑，在較低溫度、較短時間內(nèi)使赤泥中的Fe2O3還原為Fe3O4，然后經(jīng)弱磁選獲得了鐵品位為54.51%、回收率為55.01%的鐵精礦。

唐曉寧等［27］研究了赤泥還原焙燒溫度對鐵回收效果的影響。結果表明，還原溫度從500℃升至600℃，鐵回收率由70.31%提高到81.67%;還原溫度進一步升至700℃時，鐵回收率開始下降。這主要是由于還原溫度較低時，生成的Fe3O4磁性較弱，弱磁選難以充分回收;而當還原溫度較高時，F(xiàn)eO熔融在Fe3O4中，產(chǎn)生弱磁性富氏體和硅酸鐵(Fe2SiO4)，進而降低焙燒產(chǎn)物的磁性，導致鐵回收效率明顯降低。

2.3 基于高鐵鋁土礦石還原燒結的鋁鐵分離工藝

還原燒結高鐵鋁土礦石的鋁鐵分離工藝是將高鐵鋁土礦石與一定量的還原劑、添加劑混合，在高溫下(1 000℃以上)將鐵礦物還原成金屬鐵，再用磁選法分離出鐵，非磁性部分溶出氧化鋁的鋁鐵綜合回收工藝，或從還原燒結熟料中先溶出氧化鋁，再從溶出渣中磁選回收鐵的鋁鐵綜合回收工藝。該工藝不僅可解決拜耳法赤泥難沉淀的問題，而且在較短的流程下就能得到合格的生鐵和氧化鋁產(chǎn)品。

還原燒結過程的主要添加劑是氧化鈣或碳酸鈉，在氧化鐵還原成金屬鐵的過程中，鋁元素與添加的鈣鹽或鈉鹽反應生成鋁酸鈣或鋁酸鈉。因此，根據(jù)鋁的走向，可將該工藝分為鈣鹽化還原燒結工藝和鈉鹽化還原燒結工藝。

Perdersen于1924年提出了著名的Perdersen法，該法是將高鐵高硅鋁土礦石與石灰石、焦炭按一定比例混合后在電爐中高溫熔煉，得到生鐵和鋁酸鈣爐渣。該爐渣的主要礦物為12CaO·7Al2O3(C12A7)和2CaO·SiO2(C2S)，由于爐渣中的C2S在冷卻過程中因晶型轉變而自粉，因此該爐渣又稱為自粉渣。自粉渣中的C12A7和CaO·Al2O3(CA)在碳酸鈉溶液中可溶解生成鋁酸鈉溶液和碳酸鈣。所得鋁酸鈉溶液用煙道尾氣(CO2)進行碳酸化，從而析出Al(OH)3。用此法處理希臘含 Al2O358.5%，F(xiàn)e2O322.4%的高鐵鋁土礦石，鐵和氧化鋁的回收率都在 90%以上［28］。

劉桂華［29］采用還原燒結工藝對高鐵中等品位鋁土礦石進行了鋁鐵分離研究。結果表明，增大鈣比會降低熟料中Al2O3和SiO2的溶出率;延長燒成時間、提高燒成溫度均有利于Al2O3溶出率的增加和SiO2溶出率的降低;提高鈣比會降低熟料的最佳燒成溫度，燒成溫度范圍變窄，鈣比為1.5時，熟料燒成效果最好。

王波［30］采用還原燒結工藝對某高鐵鋁土礦石進行了鋁鐵分離研究。結果表明，在高鐵鋁土礦石中加入與試樣質量比均為5%的炭和石灰，在1 100℃保溫6～8 h，鐵的金屬化率可到達90%以上;爐渣鈣鋁比為2.2時具有較好的物相組成和浸出、自粉性能，氧化鋁浸出率可達84.29%。

胡文韜等［31］以Na2CO3為添加劑、煤為還原劑，采用還原燒結工藝對某高鐵鋁土礦石進行了鋁鐵分離研究。在最優(yōu)工藝技術條件下，獲得了鐵品位為95.88%、回收率為89.92%的鐵粉末，氧化鋁溶出率達75.92%。

孫娜［32］對某高鐵鋁土礦石的還原燒結鋁鐵分離工藝研究表明，在最佳工藝技術條件下，可獲得鐵品位為93.73%，A12O3含量為1.21%的金屬鐵粉，鋁精礦的鋁回收率達到了93%。

鈉鹽化還原燒結過程中添加的碳酸鈉不僅固定了氧化鋁，使其不再與鐵礦物結合生成復雜、難分離的化合物，而且還具有促進鐵還原的作用，已有研究表明，堿金屬在炭還原氧化鐵的過程中一方面能直接進入氧化鐵的晶格，使之發(fā)生畸變;另一方面使炭的活性提高，加速炭氣化反應的進行，從而間接促進氧化鐵的還原［33-34］。

3 結論

(1)磁選、浮選、磁浮聯(lián)合分選等常規(guī)鋁鐵分離工藝是易分離高鐵鋁土礦石開發(fā)利用的高效、低耗工藝;對于需細磨且鋁含量較高的礦石，拜耳法+赤泥磁化焙燒法可以較好地實現(xiàn)鋁和鐵的回收，但鐵精礦品位不高;高鐵鋁土礦石的高溫燒結工藝可以獲得合格的氧化鋁和生鐵產(chǎn)品，且回收率較高，但生產(chǎn)成本也較高。

(2)我國是鋁、鐵消耗大國，一方面鋁鐵資源稟賦差、礦石供應矛盾突出，另一方面大量難分離的高鐵鋁土礦資源待開發(fā)利用。因此，加快對鋁鐵分離的基礎研究，加強高鐵鋁土礦石鋁鐵分離技術研發(fā)，改良鋁鐵分離工藝，開展高鐵鋁土礦石資源大規(guī)模的開發(fā)利用實踐對解決我國鋁、鐵自給問題具有重要意義。但從當前的開發(fā)利用技術狀況看，應將降低能耗、提高效率作為今后工作的重點。

［1］ 馮進成.我國金屬礦產(chǎn)資源安全評價［J］.企業(yè)改革與發(fā)展，2010(3):161-164.

［2］ 中商情報網(wǎng).中國金屬礦產(chǎn)儲量及世界排名［EB/OL］.［2010-01-01］http:∥www.askci.com.

［3］ 王小馬，趙鵬大.我國礦產(chǎn)資源稟賦、國家安全以及解決之道［J］.中國礦業(yè)，2007，16(3):4-6.

［4］ 袁愛國.國內(nèi)金屬礦產(chǎn)資源供應力的現(xiàn)狀與對策淺析［J］.資源與礦業(yè)，2007，9(2):68-71.

［5］ 張定驥，程學志，楊中瑤，等.高鐵鋁土礦中鐵的賦存狀態(tài)研究［J］.鄭州大學學報:自然科學版，1988(1):58-62.

［6］ 劉曉文，華燕麗，黃雪梅.老撾高鐵鋁土礦工藝礦物學研究［C］∥中國礦物巖石地球化學學會第13屆學術年會論文集.廣州:《礦物巖石地球化學通報》雜志社，2011:296-298.

［7］ 陳世益，周 芳，洪金益.廣西貴港三水型鋁土礦針鐵礦中鋁的類質同象置換［J］.中南礦冶學院學報，1993，24(3):283-288.

［8］ 林傳慶.漳浦三水型鋁土礦礦床地質特征及成因初探［J］.輕金屬，1985(6):1-4.

［9］ 陳世益，周 芳.廣西貴港三水型鋁土礦礦石特征及應用研究［J］.廣西地質，1992，5(3):9-15.

［10］ 李彩娟.桂西巖溶堆積型鋁土礦床成礦作用及控礦因素［J］.礦產(chǎn)與地質，2003(3):225-228.

［11］ 于 磊.實現(xiàn)保德—興縣一帶鋁土礦成礦地質特征淺析［J］.山西焦煤科技，2010(10):14-17.

［12］ 張秀峰，譚秀民，等.我國難利用高鐵鋁土礦的綜合利用技術研究現(xiàn)狀［C］∥2011年中國選礦學術高峰論壇.北京:《中國礦業(yè)》雜志社，2011:111-112.

［13］ 楊重愚.氧化鋁生產(chǎn)工藝學［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1993.

［14］ 關明久.我國三水鋁石型耐火級鋁土礦的選礦研究進展概況［J］.礦產(chǎn)綜合利用，1990(5):27-33.

［15］ 歐陽堅，盧壽慈.國內(nèi)外鋁土礦選礦研究的現(xiàn)狀［J］.礦產(chǎn)保護與利用，1995(6):40-51.

［16］ 李承元.鋁土礦的選冶現(xiàn)狀及應用展望［J］.世界有色金屬，1999(10):12-14.

［17］ 李光輝，董海剛，肖春梅.高鐵鋁土礦的工藝礦物學及鋁鐵分離技術［J］.中南大學學報:自然科學版，2006，37(2):235-240.

［18］ 朱友益.山西陽泉鋁土礦浮選分級及提純試驗研究［J］.金屬礦山，1994(10):40-43.

［19］ 溫 英，甘懷俊，王巧華.陽泉鋁礬土礦富鋁除鐵的研究［J］.中國錳業(yè)，1995，13(6):12-16.

［20］ 魏黨生.高鐵鋁土礦綜合利用工藝研究［J］.有色金屬，2008，6(2):14-18.

［21］ 黃光紅，馬士強，彭雪清，等.一種高鐵鋁土礦的選礦方法［P］.中國，ZL200810143823.4.2009-04-29.

［22］ 李天庚，王宵楠，吳一峰.高鐵鋁土礦鋁鐵分離綜合利用方法［P］.中國，ZL200610017376.9.2006-07-26.

［23］ Bhima R R.Novel approach for the beneficiation of ferruginous bauxite by microwave［J］.Minerals and Metallurgical processing，1996，13(3):103-106.

［24］ 梁愛珍.國外鋁土礦選礦概況［J］.國外金屬礦選礦，1983(2):31-36.

［25］ 逯軍正，于先進，張麗鵬.從赤泥中回收鐵的研究現(xiàn)狀［J］.山東冶金，2007(4):10-12.

［26］ 薛群虎，陳延偉.拜耳法高鐵赤泥回收鐵的試驗研究［J］.礦物巖石，2011(12):6-12.

［27］ 唐曉寧，甘 霖，劉冬艷，等．赤泥還原焙燒脫鐵試驗研究［J］.濕法冶金，2012，31(5):312-315.

［28］ 郭文林.冷卻降溫制度對鋁酸鈣渣浸出和自粉性能影響的研究［D］.沈陽:東北大學，2009.

［29］ 劉桂華，等.高鐵一水硬鋁石型鋁土礦的低鈣比燒結［J］.中國有色金屬學報，2008(10):1903-1908.

［30］ 王 波.鈣鋁硅化合物在鋁酸鈣爐渣形成過程中相變規(guī)律和浸出性能的研究［D］.沈陽:東北大學，2008.

［31］ 胡文韜，王化軍.高鐵鋁土礦直接還原—溶出工藝［J］.北京科技大學學報，2012(5):506-511.

［32］ 孫 娜.高鐵三水鋁石型鋁土礦中鐵鋁硅分離的研究［D］.長沙:中南大學，2010.

［33］ 郭培民，趙 沛，張殿偉.低溫下碳還原氧化鐵的催化機理研究［J］.鋼鐵釩鈦，2006，27(4):1-5.

［34］ 郭興敏，唐洪福，張圣弼，等.Li2CO3在含碳球團還原中催化機理的研究［J］.金屬學報，2000(6):638-641.