山西高鐵鋁土礦溶出工藝試驗(yàn)研究

王紅偉，馬春玉，馬科友，張學(xué)英

（濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 冶金化工系，河南 濟(jì)源 459000）

鋁土礦是生產(chǎn)氧化鋁最重要的礦石資源，其化學(xué)成分復(fù)雜，除了主要成分Al2O3之外，還含有SiO2，F(xiàn)e2O3，TiO2等雜質(zhì).礦石中 Al2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、鋁土礦的鋁硅比（A/S）和鋁土礦的類(lèi)型是評(píng)價(jià)鋁土礦質(zhì)量的主要指標(biāo)［1］.我國(guó)鋁土礦資源豐富，分布范圍較廣，但大部分都是一水硬鋁石型高鐵鋁土礦（Fe2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于10%），A/S值偏低［2-4］.

工業(yè)上生產(chǎn)氧化鋁的主要方法是堿法，即拜耳法和燒結(jié)法.拜耳法工藝流程簡(jiǎn)單，產(chǎn)品質(zhì)量好，能耗低，但適宜處理A/S值高于7的高品位鋁土礦，且要求Fe2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于15%［5］.拜耳法不能經(jīng)濟(jì)地處理低鋁硅比的鋁土礦，因?yàn)镾iO2與鋁酸鈉溶液反應(yīng)生成不溶的含水鋁硅酸鈉，不僅造成Al2O3和Na2O的損失，而且會(huì)在加熱和溶出設(shè)備上形成結(jié)疤，能耗升高；而Fe2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)高，特別是以針鐵礦形式存在時(shí)，會(huì)造成Al2O3溶出率降低、赤泥分離洗滌困難、堿耗增加、Al2O3產(chǎn)品質(zhì)量降低［6］.燒結(jié)法可以處理A/S值為3～4的低品位鋁土礦，但工藝流程復(fù)雜，能耗高、成本高，產(chǎn)品質(zhì)量差，且要求Fe2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在7%～10%.Fe2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)高，燒結(jié)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量液相，導(dǎo)致熟料窯結(jié)圈；Fe2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)低則熟料難以成球［5］.因此，我國(guó)很多高鐵鋁土礦成為難以有效開(kāi)發(fā)利用的“呆滯礦”［7-10］.

隨著我國(guó)氧化鋁工業(yè)的持續(xù)快速發(fā)展，我國(guó)優(yōu)質(zhì)鋁土礦資源正逐步消耗殆盡，加之國(guó)外資源大國(guó)對(duì)鋁土礦原料出口的限制，我國(guó)氧化鋁工業(yè)面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn).因此，開(kāi)發(fā)利用我國(guó)高鐵鋁土礦，優(yōu)化氧化鋁生產(chǎn)工藝條件，對(duì)于我國(guó)鋁工業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重大意義.

本文以山西高鐵鋁土礦為原料，結(jié)合氧化鋁生產(chǎn)實(shí)踐，開(kāi)展預(yù)脫硅、拜耳法溶出和赤泥沉降分離試驗(yàn)，研究配料赤泥鋁硅比（A/S）和石灰添加量（按石灰中CaO合占礦石總量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)，下同）對(duì)礦石溶出效果、赤泥沉降分離性能等的影響，為氧化鋁生產(chǎn)企業(yè)有效利用鋁土礦資源、進(jìn)行氧化鋁生產(chǎn)工藝優(yōu)化及開(kāi)發(fā)提供參考.

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

鋁土礦取自氧化鋁生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，按試驗(yàn)要求將礦石磨細(xì)，其中粒徑大于0.208 mm的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.2%，大于0.147 mm的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于15%，混勻、密封備用，其化學(xué)成分見(jiàn)表1，物相組成為一水硬鋁石、赤鐵礦、針鐵礦、高嶺石、伊利石、銳鈦礦和金紅石.

表1 鋁土礦的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical compositions of bauxite（mass fraction） %

石灰取自生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)石灰爐新出爐石灰，敲碎手工剔除未燒透的黑心，磨細(xì)后密封備用，其主要化學(xué)成分見(jiàn)表2.

循環(huán)母液是由取自生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的蒸發(fā)母液按試驗(yàn)要求調(diào)配而成，其化學(xué)成分見(jiàn)表3.

表2 石灰的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 2 Chemical compositions of lime（mass fraction） %

表3 循環(huán)母液的化學(xué)成分Table 3 Chemical compositions of circulating mother liquid

1.2 試驗(yàn)設(shè)備與方法

本試驗(yàn)以山西高鐵鋁土礦為原料，對(duì)原礦漿先進(jìn)行預(yù)脫硅后再進(jìn)行高壓溶出試驗(yàn).

1.2.1 預(yù)脫硅試驗(yàn)設(shè)備及方法

預(yù)脫硅試驗(yàn)在型號(hào)為XYF-Φ44×8鋼彈水浴槽中進(jìn)行.將礦石、石灰和循環(huán)母液按一定的配料比例加入鋼彈中，攪勻后上緊鋼彈，放入預(yù)先升溫的水浴槽中，開(kāi)動(dòng)攪拌，升溫至試驗(yàn)要求溫度后，保溫預(yù)脫硅.達(dá)到脫硅時(shí)間后取出鋼彈，選其中一個(gè)鋼彈水冷降溫，過(guò)濾分析溶液成分和經(jīng)洗滌、烘干的濾餅成分，其余鋼彈放入溶出設(shè)備中進(jìn)行溶出.

1.2.2 溶出試驗(yàn)設(shè)備及方法

將從預(yù)脫硅水浴槽中取出的鋼彈放入預(yù)先控溫的型號(hào)為XYF-Φ44×6的熔鹽爐中，開(kāi)動(dòng)攪拌，升溫至試驗(yàn)要求溫度后，保溫溶出.達(dá)到溶出時(shí)間后取出鋼彈，水冷降溫，過(guò)濾分析溶液成分和經(jīng)洗滌、烘干的濾餅成分.

1.2.3 赤泥沉降分離試驗(yàn)設(shè)備及方法

用取自氧化鋁生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的赤泥一次洗液對(duì)溶出礦漿進(jìn)行稀釋?zhuān)靹蚝笱b入250 mL沉降管中，再將其置于95℃玻璃水浴中預(yù)熱保溫備用.

試驗(yàn)時(shí)先讀出沉降管內(nèi)料漿總高，攪拌后按要求加入絮凝劑，緊接著再次均勻攪拌后按動(dòng)秒表計(jì)時(shí)，依次讀出 0.5，1，2，3，5，10，30 min的泥漿層高度，然后用澄清度計(jì)測(cè)出各沉降管內(nèi)上清液的澄清度，計(jì)算10 min時(shí)赤泥的沉降速度和30 min時(shí)赤泥的壓縮液固比（L/S）.

1.2.4 分析及檢測(cè)方法

采用化學(xué)滴定法分析液相成分；固相物料中的Al2O3和CaO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用EDTA容量法分析，SiO2，F(xiàn)e2O3，TiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用 722N型可見(jiàn)光分光光度計(jì)分析，K2O和Na2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用6400A型火焰光度計(jì)分析，MgO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用SpectrAA-220型原子吸收分光光度計(jì)分析；鋁土礦和赤泥的物相組成采用X’Pert Pro MPD X射線(xiàn)粉末衍射儀分析.

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 預(yù)脫硅試驗(yàn)結(jié)果與討論

硅礦物在堿法生產(chǎn)氧化鋁過(guò)程中由于生成含水鋁硅酸鈉，不僅造成Al2O3和Na2O的損失，而且在生產(chǎn)設(shè)備和管道上析出成為結(jié)疤，大幅降低設(shè)備傳熱系數(shù).工業(yè)生產(chǎn)中為了減輕硅渣結(jié)疤，通常將原礦漿在80～100℃下保溫?cái)嚢?～10 h進(jìn)行預(yù)脫硅.預(yù)脫硅效果主要取決于礦石中的硅礦物形態(tài)，同時(shí)與堿液濃度、溫度、石灰添加量等諸多因素有關(guān)［11］.

本文研究了在配料αk1.5、配料赤泥A/S1.5、配料赤泥N/S（鈉硅比）0.2、脫硅溫度100℃、脫硅時(shí)間8 h條件下，石灰添加量對(duì)礦漿預(yù)脫硅效果的影響，試驗(yàn)結(jié)果如表4～6所示.

表4 預(yù)脫硅液成分Table 4 Compositions of pre-desilication solution

表5 預(yù)脫硅試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Effects of lime addition on pre-desilication %

表6 預(yù)脫硅渣的物相組成Table 6 Effects of lime addition on the composition of pre-desilication slag

由表4～6可以看出，隨石灰添加量的增大，形成了更多的鋁鈣化合物進(jìn)入固相；溶液中的SiO2隨石灰添加量的增加而降低，F(xiàn)e2O3質(zhì)量濃度只有 1 mg/L；預(yù)脫硅率（ηSi）在 27.99% ～31.63%，預(yù)脫鈦率（ηTi）在15.98% ～20.51%；石灰添加量為9%時(shí)有微量的高嶺石沒(méi)能溶解.

2.2 溶出試驗(yàn)結(jié)果與討論

鋁土礦溶出是拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，不僅應(yīng)把礦石中的Al2O3充分地溶出來(lái)，而且要得到αk盡可能低的溶出液和具有良好的沉降性能的赤泥.為確定適宜的溶出條件，結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)工藝，本文主要研究了270℃條件下，石灰添加量、配料赤泥A/S對(duì)溶出效果的影響.所選擇的溶出試驗(yàn)條件如下：配料 αk1.50，配料赤泥A/S 1.35，1.50，配料赤泥 N/S 0.20；石灰添加量為9%，12%，15%；溶出時(shí)間為40 min.試驗(yàn)結(jié)果如表7～8所示.

表7 溶出試驗(yàn)結(jié)果Table 7 Effects of lime addition on digestion

表8 溶出赤泥物相組成Table 8 Effects of lime addition on the composition of the composition of red mud

由表7～8可以看出，8 h預(yù)脫硅后270℃高溫溶出效果顯著，赤泥物相中未檢測(cè)到一水硬鋁石相.石灰添加量在9%～15%間變化時(shí)，溶出液αk在1.42～1.48，溶出赤泥 A/S在1.26～1.51，溶出赤泥N/S在0.06～0.26，實(shí)際溶出率（η實(shí)）在78%～82%.

石灰添加量由9%增大到15%時(shí)，溶出赤泥N/S顯著降低，但實(shí)際溶出率降低了約4%.因赤泥中水化石榴石成為硅鋁酸鈣礦物主晶相，造成了少量的Al2O3損失，而鈉硅渣量相應(yīng)也會(huì)下降，苛性堿進(jìn)入赤泥的量有所減少，赤泥N/S顯著降低，有利于降低堿耗.配料赤泥A/S對(duì)溶出效果影響不大.

2.3 赤泥沉降分離試驗(yàn)結(jié)果與討論

赤泥沉降分離既關(guān)系到氧化鋁產(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)備生產(chǎn)能力，又影響氧化鋁生產(chǎn)成本.本文結(jié)合氧化鋁生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)赤泥沉降分離的實(shí)際情況，采用質(zhì)量濃度為0.1 g/L的Nacol 9779為絮凝劑（3 mL），研究不同溶出條件下赤泥的沉降性能，試驗(yàn)結(jié)果如表9所示.

表9 赤泥沉降分離試驗(yàn)結(jié)果Table 9 Effects of lime addition on the red mud sedimentation and separation

從表9中可以看出，不同溶出工藝條件下赤泥10 min時(shí)沉降速度均可達(dá)到12 mm/min左右，30 min時(shí)上清液澄清度均清澈透明.

當(dāng)石灰添加量由9%增加到15%時(shí)，赤泥沉降速度略有提高，壓縮L/S由6.55降低到4.12.

隨著石灰添加量的增加，料漿固含加大，赤泥的產(chǎn)出量增大，有可能增加赤泥沉降分離、輸送系統(tǒng)的壓力.

3 結(jié)論及建議

（1）高鐵鋁土礦在100℃下預(yù)脫硅8 h，隨石灰添加量的增大，形成了更多的鋁鈣化合物進(jìn)入固相；溶液中的SiO2的質(zhì)量濃度隨石灰添加量的增加而降低，F(xiàn)e2O3的質(zhì)量濃度低至1 mg/L；預(yù)脫硅率在 27.99% ～31.63%，預(yù)脫鈦率在15.98%～20.51%；石灰添加量為9%時(shí)有微量的高嶺石沒(méi)能溶解.

（2）預(yù)脫硅后礦漿在270℃溶出高鐵鋁土礦效果顯著，赤泥物相中未檢測(cè)到一水硬鋁石相.赤泥配料A/S對(duì)溶出效果影響不大，而石灰添加量的變化對(duì)溶出效果有顯著影響.當(dāng)石灰添加量由9%增大到15%時(shí)，溶出液αk由1.42增至1.48，溶出赤泥A/S由1.27增至1.50，溶出赤泥N/S由0.26降至0.06，Al2O3實(shí)際溶出率由約82%降至78%.這是因?yàn)殡S著石灰添加量的增大，赤泥中水化石榴石成為硅鋁酸鈣礦物主晶相，造成了少量的Al2O3損失，而鈉硅渣量相應(yīng)也會(huì)下降，苛性堿進(jìn)入赤泥的量有所減少，赤泥N/S顯著降低，有利于降低堿耗.因此，工藝指標(biāo)的確定要綜合考慮兩者的影響.

（3）在實(shí)驗(yàn)室沉降分離條件下，料漿Al2O3質(zhì)量濃度在170 g/L左右，當(dāng)添加3 mL質(zhì)量濃度為0.1 g/L的Nacol 9779絮凝劑時(shí)，不同溶出工藝條件下高鐵礦溶出礦漿赤泥10 min時(shí)的沉降速度均可達(dá)到12 mm/min左右，30 min時(shí)的上清液澄清度均清澈透明.當(dāng)石灰添加量由9%增加到15%時(shí)，赤泥的沉速略有提高，壓縮L/S由6.55降低到4.12.

（4）隨著石灰添加量的增加，料漿固含加大，赤泥的產(chǎn)出量增大，有可能增加赤泥沉降分離、輸送系統(tǒng)的壓力.