石灰拜耳法鋁土礦的溶出工藝研究

王永昌，溫相琳

（龍口東海氧化鋁有限公司，山東龍口，265713）

0 引言

鋁占地球物質(zhì)總含量的8 %，是地殼中含量最豐富的元素之一。由于鋁及其合金具有較多優(yōu)異性能，因此被廣泛用于電力、交通運輸、建筑、航天和耐火材料等行業(yè)，是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)原材料［1，2］。近年來，高品位鋁土礦日益減少，加之近年來國家對環(huán)保要求不斷提高，因此相關(guān)學(xué)者對處理低品位鋁土礦的研究日趨深入。我國用于氧化鋁生產(chǎn)的鋁土礦大多為一水硬鋁石型鋁土礦，在已探明的儲量中80%以上屬于中低品位（A/S＜8）［3，4］。堿法生產(chǎn)氧化鋁包括拜耳法、燒結(jié)法和聯(lián)合法等多種方法。對于高硅的中低品位鋁土礦，不適合使用常規(guī)拜耳法來生產(chǎn)氧化鋁，而使用工藝流程復(fù)雜、堿耗高、基建投資大的拜耳-燒結(jié)混聯(lián)法工藝［5-7］，從而使生產(chǎn)成本增加，缺乏市場競爭力。因此，根據(jù)我國中低品位鋁土礦的特點，研究經(jīng)濟(jì)有效的高效溶出工藝對我國鋁土礦的可持續(xù)發(fā)展具有重大的現(xiàn)實意義。

本文以一水硬鋁石為原料，使用原有拜耳法，添加石灰進(jìn)行高溫溶出，系統(tǒng)地研究了石灰用量、溶出溫度（T）、苛性堿濃度（Na2Ok）、溶出時間（τ）、礦漿攪拌強(qiáng)度及液固比（L/S）對溶出率（ηA）及溶出過程的影響，確定了合適的溶出工藝條件，可進(jìn)一步降低堿耗和節(jié)省生產(chǎn)成本，實現(xiàn)低品位鋁土礦的高效溶出。

1 試驗

1.1 試驗原料

鋁土礦、石灰及蒸發(fā)母液取自氧化鋁廠生產(chǎn)現(xiàn)場，礦物成分、化學(xué)成分、礦石粒度、石灰成分及循環(huán)堿液成分均采用化學(xué)分析的方法檢測，使用MXF-2400型X射線熒光分析儀進(jìn)行測試。

礦石粒度＜ 500 μm、＜ 315 μm及＜ 63 μm的質(zhì)量百分含量分別為100%、99.05%及63%～67%；石灰中全鈣（CaOT）和有效鈣（CaOf）含量分別為84.38%和84.29%。礦石礦物成分和化學(xué)成分檢測結(jié)果見表1～2。

表1 主要礦物成分

表2 主要化學(xué)成分

取貴州氧化鋁廠現(xiàn)用蒸發(fā)母液配制成200 g/l、220 g/l、240 g/l及260 g/l四種不同濃度的循環(huán)堿液，循環(huán)堿液αk為2.84。

1.2 試驗裝置

1.2.1 磨礦裝置

試驗所用磨礦裝置見表3。

表3 試驗所用磨礦裝置

1.2.2 溶出裝置

溶出試驗所用裝置為XY-Φ45×6型鋼彈高壓釜，鋼彈內(nèi)配備螺母起攪拌作用，轉(zhuǎn)速為45 r/min，選用無機(jī)鹽作為加熱介質(zhì)。

1.3 試驗過程

稱取一定比例磨制好的礦石、石灰及循環(huán)堿液加入高壓釜內(nèi)，攪拌均勻后將高壓釜緊固密封，放進(jìn)加熱到一定溫度的熔鹽浴中，啟動攪拌后記時，溶出反應(yīng)結(jié)束后取出礦漿，液固分離，赤泥干燥后取樣分析，分析濾液成分。

1.4 有關(guān)計算公式

氧化鋁實際溶出率（ηA）的計算方法：

式中：

（A/S）礦為鋁土礦中Al2O3與SiO2的重量百分比；

（A/S）泥為赤泥中Al2O3與SiO2的重量百分比。

2 結(jié)果與討論

2.1 石灰用量

試驗條件如下：循環(huán)母液Na2Ok濃度為240 g/l，溶出時間為55 min，礦漿αk為1.45，溶出溫度為280℃，L/S為6：1。在此條件下考察石灰用量對氧化鋁溶出率的影響，結(jié)果如圖1所示。

圖1 石灰用量對A12O3溶出率的影響

從圖1可以看出，在其他溶出條件一定的情況下，提高石灰的用量，氧化鋁的溶出率迅速提高。當(dāng)石灰用量為6.5%時，ηA達(dá)到最大；當(dāng)繼續(xù)提高石灰用量時，ηA反而降低。

試驗研究表明，在溶出一水硬鋁石型鋁土礦時，若不添加石灰，溶出效果很差，這是因為鋁土礦中的TiO2使一水硬鋁石在鋁酸鈉溶液中的溶解性能變差，使Al2O3溶出率降低，生成的Na2O·3TiO2·2H2O在一水硬鋁石表面形成一層保護(hù)膜，使堿液很難擴(kuò)散到礦石內(nèi)，進(jìn)而導(dǎo)致Al2O3不易溶出。而添加石灰則會與TiO2反應(yīng)生成2CaO·TiO2·nH2O以消除TiO2在一水硬鋁石溶出過程中的不利影響，提高Al2O3的溶出速度，促使針鐵礦轉(zhuǎn)變?yōu)槌噼F礦。其間，過量的石灰反而會造成3CaO·Al2O3·6H2O形態(tài)損失，造成Al2O3的損失［3］。

2.2 溶出溫度

試驗條件如下：循環(huán)母液Na2Ok濃度為240 g/1，溶出時間為55 min，石灰用量為6.5%，礦漿αk為1.45，L/S為6：1。在此條件下考察溶出溫度對氧化鋁溶出率的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2 A12O3溶出率與溫度的關(guān)系

從圖2可以看出，在其他溶出條件一定的情況下，氧化鋁的ηA隨溶出溫度的升高而提高，在溫度為220℃～280℃的范圍內(nèi)，ηA的增加幅度逐漸減小。在Na2Ok=240 g/l、τ=55 min、CaO%=6.5%的條件下，溫度從220℃升高至240℃時，ηA從83.66%提高到86.01%，提高了2.35%，而溫度從260℃升高到280℃時，ηA從86.78%增大到87.21%，則提高了0.43%，在溫差都是20℃的情況下，ηA的提高量逐漸減小。

應(yīng)當(dāng)指出，在280℃時，鋁土礦已溶出完全，ηA已達(dá)到87.21%，若繼續(xù)提高溶出溫度，ηA雖略有提高，但增幅較小。由于鋁土礦在220℃時還未溶出完全，因此適當(dāng)提高溫度，ηA會有較大提升。但提高溫度后會增加汽耗，從而增加生產(chǎn)成本，同時，高溫下溶出ηA增加顯著，可縮短溶出時間和降低堿耗。因此，若溶出設(shè)備能滿足，可選擇適當(dāng)降低其他溶出條件（如石灰用量、溶出時間，礦漿攪拌強(qiáng)度等）來平衡采用高溫增加的成本［8］。

試驗研究表明，在鋁土礦反應(yīng)完全且可以平衡能耗的前提下，提高溫度的主要作用是助力溶出反應(yīng)正常進(jìn)行，使Al2O3平衡濃度增大，降低活化能，提高溶出率，溫度越高趨勢越明顯。溫度提高，OH-的活度增大，加快了擴(kuò)散速度，也加快了溶出速度，使ηA提高。此外，提高溫度還能強(qiáng)化Ca（OH）2的活化作用，提高溶出速度［9］。

2.3 循環(huán)堿液的苛性堿濃度

試驗條件如下：溶出時間為55 min，礦漿αk為1.45，溶出溫度為280℃，石灰添加量為6.5%，L/S為6：1。在此條件下考察苛性堿濃度對氧化鋁溶出率的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 A12O3溶出率與苛性堿濃度的關(guān)系

從圖3可以看到，在其他溶出條件一定的情況下，氧化鋁ηA隨母液苛性堿濃度的提高而增大，且ηA增大幅度較大。在Na2Ok=240 g/l時，氧化鋁的ηA達(dá)到最大，若進(jìn)一步提高母液苛性堿濃度，則溶出率反而增加緩慢。文獻(xiàn)指出［3］在常規(guī)溶出條件下，基于較低苛性堿濃度，隨著苛性堿濃度的提高，ηA增大幅度通常較大，但在高苛性堿濃度下，ηA的增加幅度相對較小。

因此，要想獲得較高的溶出率，一直提高堿濃度是不可取的，會增加蒸發(fā)過程的困難和負(fù)擔(dān)。權(quán)衡整個流程，循環(huán)母液的Na2Ok不宜過高。在高溫溶出時選擇相對低的堿濃度，既可以得到較高的溶出率，又可以降低能耗。

2.4 溶出時間

試驗條件如下：Na2Ok濃度為240 g/L，礦漿αk為1.45，溶出溫度為280℃；石灰用量為6.5%，L/S為6：1。在此條件下考察溶出時間對氧化鋁溶出率的影響，結(jié)果如圖4所示。

圖4 A12O3溶出率與溶出時間的關(guān)系

從圖4可以看出，在其他溶出條件一定的情況下，隨著溶出時間的延長，Al2O3的溶出率從快速提高到增加緩慢再到保持不變，反應(yīng)時間從10 min到55 min，ηA從85.58%提高到87.21%，時間繼續(xù)延長至90 min，氧化鋁ηA增加緩慢。因此，從生產(chǎn)角度來看，延長溶出時間是不合適的。

在一定的溶出條件下，反應(yīng)時間越長，反應(yīng)系統(tǒng)越接近平衡狀態(tài)。在系統(tǒng)達(dá)到平衡之后再延長時間，ηA變化不大，說明一味地延長溶出時間，對溶出效果并非有利，但是時間也不能太短，需要保證Al2O3溶出完全。

2.5 礦漿攪拌強(qiáng)度

試驗條件如下：礦漿αk為1.45，溶出溫度為280℃，石灰用量為6.5%，循環(huán)母液Na2Ok濃度為240 g/l，L/S為6：1。在此條件下考察礦漿攪拌強(qiáng)度對氧化鋁溶出率的影響，結(jié)果圖5所示。

圖5 AI2O3溶出率與攪拌強(qiáng)度的關(guān)系

從圖5可以看出，在其他溶出條件一定的情況下，在攪拌前期，攪拌速度對溶出率有較大影響，在較短溶出時間內(nèi)，溶出率就已較大。當(dāng)τ=45 min時，ηA分別達(dá)到86.88%（70 r/min）、86.7%（50 r/min）、86.11%（20 r/min），這是因為溶出初期，加強(qiáng)攪拌有利于加強(qiáng)溶出過程中的化學(xué)反應(yīng)，但在溶出中后期，這種影響越來越小，在τ= 60 min時，ηA分別約為87.23%（70 r/min）、87.20%（50 r/min）和87.19%（20 r/min）。

實驗結(jié)果表明，加強(qiáng)攪拌強(qiáng)度，溶出速度有較明顯的提高，這是因為劇烈的攪拌使鋁土礦表面擴(kuò)散層的厚度減少，加快了溶出過程。但隨著溶出的進(jìn)行，影響逐漸減弱，這是因為到了溶出后期，鋁土礦內(nèi)部的擴(kuò)散阻力增加，相對運動速度減小。

2.6 液固比

試驗條件如下：溶出時間為55 min，礦漿αk為1.45，溶出溫度為280℃，石灰用量為6.5%，循環(huán)母液Na2Ok濃度為240 g/l，礦漿攪拌強(qiáng)度為70 r/min。在此條件下考察液固比對氧化鋁溶出率的影響，結(jié)果圖6所示。

圖6 A12O3溶出率與液固比的關(guān)系

從圖6可以看出，在其他溶出條件一定的情況下，隨著L/S的增大，ηA從85.89%提升到87.21%，這是因為L/S越大，溶液未飽和程度越大，溶出過程的速度越快。但是L/S過大會導(dǎo)致母液循環(huán)量增大，礦石所需配入的堿量增大，對生產(chǎn)不利。因此，L/S選擇為6：1，此時鋁土礦中Al2O3的ηA為87.21%。

3 結(jié)論

（1）添加石灰對溶出一水硬鋁石礦的作用較為突出，添加適量的石灰能活化一水硬鋁石的溶出反應(yīng)，有利于提高Al2O3溶出率。

（2）在T=280℃，低苛性堿濃度條件下，可獲得較好的溶出效果；堿濃度CNa2Ok＞240 g/l時，溶出率有所提高，但幅度不大；延長溶出時間，溶出率提高，但τ＞55 min時，再延長溶出時間，溶出率提升空間不大；在T=280℃時，攪拌強(qiáng)度在溶出初期對溶出率影響較大，后期影響減弱，在攪拌速度為70r/min時溶出率最佳。

（3）最佳溶出工藝條件：CaO%=6.5%，T=280℃，CNa2Ok=240 g/l，τ=55 min，攪拌速度70 r/min，L/S為6：1。此外，一水硬鋁石添加適量石灰活性較好，生成水化石榴石量不大，故Al2O3溶出率較高。