一水硬鋁石型高硫鋁土礦硫酸焙燒試驗研究

婁振寧，洪 瑾，馮曉東，熊 英，翟玉春

（1．東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，遼寧 沈陽 110819；2．遼寧大學(xué) 化學(xué)院，遼寧 沈陽 110036）

隨著氧化鋁工業(yè)的發(fā)展，鋁土礦的需求量持續(xù)增加，高品位鋁土礦資源越來越匱乏。我國的鋁土礦資源多為一水硬鋁石型鋁土礦，其中高硫鋁土礦占很大比重，現(xiàn)有儲量約1．5億t，主要分布在貴州和山東，部分分布于廣西、云南東南部、重慶中北部、四川東南部和湖北等地［1-2］。高硫鋁土礦因其成分和結(jié)構(gòu)的特殊性，尚未大規(guī)模用于氧化鋁生產(chǎn)。國內(nèi)外關(guān)于鋁土礦焙燒及高硫鋁土礦脫硫的研究較多［3-9］，但無需脫硫直接進行硫酸化焙燒的相關(guān)研究未見報道。本試驗結(jié)果為高硫鋁土礦資源的綜合利用提供了一條可供選擇的新途徑［10］。

1 試驗部分

1．1 試驗原料

試驗所用原料為某地區(qū)的高硫鋁土礦。礦石經(jīng)破碎、磨細至80μm以下，其化學(xué)成分見表1，XRD分析結(jié)果如圖1所示。可以看出，高硫鋁土礦的物相組成主要為一水硬鋁石、黃鐵礦、二氧化硅。

表1 鋁土礦主要化學(xué)組分的質(zhì)量分數(shù) %

圖1 高硫鋁土礦的XRD譜圖

1．2 試驗方法

將一定量磨細的礦樣與濃硫酸按一定比例混合均勻后裝入坩堝，放入電阻爐內(nèi)。待溫度達到設(shè)定值時開始計時，一定時間后取出。將焙燒熟料按一定液固質(zhì)量比加入去離子水中，置于電熱恒溫水浴鍋中加熱，達到一定溫度時開始攪拌，計時反應(yīng)結(jié)束后真空抽濾，濾液為溶出液。用滴定分析法測定濾液中Al、Fe質(zhì)量濃度，計算Al、Fe溶出率。

1．3 試驗原理

高硫鋁土礦中的鋁主要以一水硬鋁石（AlOOH）形式存在，鐵主要以黃鐵礦（FeS2）形式存在。在一定條件下，鋁土礦與硫酸混合后焙燒，礦物中的鋁、鐵與硫酸發(fā)生反應(yīng)生成可溶性的鋁鹽、鐵鹽，而二氧化硅不反應(yīng)。焙燒過程中主要化學(xué)反應(yīng)如下：

焙燒過程產(chǎn)生的煙氣用堿吸收，發(fā)生的反應(yīng)為

2 試驗結(jié)果及討論

2．1 單因素試驗

2．1．1 物料配比對Al、Fe溶出率的影響

在焙燒溫度350℃、焙燒時間180min條件下，物料配比對Al、Fe溶出率的影響試驗結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯觯篈l、Fe的溶出率均隨H2SO4用量增加而升高；當(dāng)物料配比高于2．75∶1后，Al、Fe溶出率上升幅度較小。隨硫酸用量增加，反應(yīng)進行的更充分；但硫酸用量過多，會產(chǎn)生過多的煙氣：綜合考慮，硫酸與高硫鋁土礦的質(zhì)量比確定為2．75∶1。

圖2 物料配比對Al、Fe溶出率的影響

2．1．2 焙燒時間對Al、Fe溶出率的影響

在焙燒溫度350℃、物料配比2．75∶1條件下，焙燒時間對Al、Fe溶出率的影響如圖3所示。

圖3 焙燒時間對Al、Fe溶出率的影響

從圖3看出：焙燒時間由120min延長到180 min，Al溶出率提高明顯，F(xiàn)e溶出率緩慢升高，這表明焙燒時間越長，反應(yīng)越充分；當(dāng)焙燒時間超過180min后，Al溶出率趨于穩(wěn)定，F(xiàn)e溶出率已超過97%。因此，適宜的焙燒時間確定為180min。

2．1．3 焙燒溫度對Al、Fe溶出率的影響

在物料配比2．75∶1、焙燒時間180min條件下，焙燒溫度對Al、Fe溶出率的影響試驗結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯觯S溫度升高，Al、Fe溶出率均先升高后下降，在350℃時達最大。從動力學(xué)角度考慮，升高溫度，質(zhì)量和熱量傳遞速度加快，分子擴散更容易，硫酸與Al、Fe反應(yīng)速度加快，有利于反應(yīng)的進行，Al、Fe溶出率增大；但溫度過高會使部分硫酸分解為三氧化硫和水，導(dǎo)致參與反應(yīng)的硫酸的量減少，Al、Fe溶出率下降。綜合考慮，確定焙燒溫度以350℃為宜。

圖4 焙燒溫度對Al、Fe溶出率的影響

2．2 正交試驗

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，按3因素3水平正交試驗方案［10］，進一步考察物料配比、焙燒時間、焙燒溫度對Al、Fe溶出率的影響，進而獲得適宜的焙燒條件。正交試驗條件及結(jié)果見表2?？梢钥闯觯焊饕蛩貙l、Fe溶出率的影響順序為焙燒溫度＞物料配比＞焙燒時間；適宜的工藝條件為焙燒溫度350℃，H2SO4與高硫鋁土礦的質(zhì)量比為2．75∶1，焙燒時間180min，與條件試驗結(jié)果基本一致。

表2 正交試驗條件及結(jié)果

3 結(jié)論

某一水硬鋁石型高硫鋁土礦經(jīng)硫酸焙燒再用水浸，可獲得較高的Al、Fe溶出率。試驗確定的適宜焙燒條件為焙燒溫度350℃，H2SO4和高硫鋁土礦的質(zhì)量比2．75∶1，焙燒時間180min。適宜條件下，Al、Fe溶出率高達83%和99%，效果較好。焙燒過程中，各因素對Al、Fe溶出率的影響順序為焙燒溫度＞物料配比＞焙燒時間。

［1］呂國志，張廷安，鮑麗，等．高硫鋁土礦的焙燒預(yù)處理［J］．過程工程學(xué)報，2008，8（5）：892-896．

［2］周吉奎，李花霞．高硫鋁土礦中黃鐵礦的細菌氧化試驗研究［J］．金屬礦山，2011，463（12）：67-70．

［3］張祥遠，李軍旗，陳朝軼，等．貴州某高硫鋁土礦中硫和鋁的溶出行為［J］．濕法冶金，2011，30（4）：312-315．

［4］王一雍，張廷安，陳霞，等．微波焙燒對一水硬鋁石礦浸出性能的影響［J］．過程工程學(xué)報，2007，7（2）：317-321．

［5］趙恒勤，楊重愚，劉航博．鋁土礦預(yù)焙燒強化溶出的動力學(xué)研究［J］．礦產(chǎn)保護與利用，1998，6（3）：28-32．

［6］Padilla R，Vega D，Ruiz M C．Pressure Leaching of Sulfidized Chalcopyrite in Sulfuric Acid-Oxygen Media［J］．Hydrometallurgy，2007，86（1／2）：80-88．

［7］劉丕，呂子劍，韓中嶺．我國鋁土礦預(yù)焙燒對拜耳法生產(chǎn)的影響及工業(yè)應(yīng)用的分析［J］．輕金屬，1997（4）：15-18．

［8］何潤德，胡四春，黎志英，等．用高硫型鋁土礦生產(chǎn)氧化鋁過程中濕法除硫方法討論［J］．濕法冶金，2004，23（2）：66-68．

［9］戚立寬．低品位和高硫鋁土礦的處理法［J］．輕金屬，1995（1）：14-16．

［10］陳建設(shè)．冶金試驗研究方法［M］．北京：冶金工業(yè)出版社，2005：56-58．