山西高鐵鋁土礦溶出工藝試驗研究

王紅偉，馬春玉，馬科友，張學英

（濟源職業技術學院 冶金化工系，河南 濟源 459000）

鋁土礦是生產氧化鋁最重要的礦石資源，其化學成分復雜，除了主要成分Al2O3之外，還含有SiO2，Fe2O3，TiO2等雜質.礦石中 Al2O3的質量分數、鋁土礦的鋁硅比（A/S）和鋁土礦的類型是評價鋁土礦質量的主要指標［1］.我國鋁土礦資源豐富，分布范圍較廣，但大部分都是一水硬鋁石型高鐵鋁土礦（Fe2O3的質量分數大于10%），A/S值偏低［2-4］.

工業上生產氧化鋁的主要方法是堿法，即拜耳法和燒結法.拜耳法工藝流程簡單，產品質量好，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的質量分數小于15%［5］.拜耳法不能經濟地處理低鋁硅比的鋁土礦，因為SiO2與鋁酸鈉溶液反應生成不溶的含水鋁硅酸鈉，不僅造成Al2O3和Na2O的損失，而且會在加熱和溶出設備上形成結疤，能耗升高；而Fe2O3質量分數過高，特別是以針鐵礦形式存在時，會造成Al2O3溶出率降低、赤泥分離洗滌困難、堿耗增加、Al2O3產品質量降低［6］.燒結法可以處理A/S值為3～4的低品位鋁土礦，但工藝流程復雜，能耗高、成本高，產品質量差，且要求Fe2O3的質量分數在7%～10%.Fe2O3質量分數過高，燒結時會產生大量液相，導致熟料窯結圈；Fe2O3質量分數過低則熟料難以成球［5］.因此，我國很多高鐵鋁土礦成為難以有效開發利用的“呆滯礦”［7-10］.

隨著我國氧化鋁工業的持續快速發展，我國優質鋁土礦資源正逐步消耗殆盡，加之國外資源大國對鋁土礦原料出口的限制，我國氧化鋁工業面臨著嚴峻的考驗.因此，開發利用我國高鐵鋁土礦，優化氧化鋁生產工藝條件，對于我國鋁工業可持續發展具有重大意義.

本文以山西高鐵鋁土礦為原料，結合氧化鋁生產實踐，開展預脫硅、拜耳法溶出和赤泥沉降分離試驗，研究配料赤泥鋁硅比（A/S）和石灰添加量（按石灰中CaO合占礦石總量的質量分數計，下同）對礦石溶出效果、赤泥沉降分離性能等的影響，為氧化鋁生產企業有效利用鋁土礦資源、進行氧化鋁生產工藝優化及開發提供參考.

1 試 驗

1.1 試驗原料

鋁土礦取自氧化鋁生產現場，按試驗要求將礦石磨細，其中粒徑大于0.208 mm的質量分數小于0.2%，大于0.147 mm的質量分數小于15%，混勻、密封備用，其化學成分見表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 鋁土礦的化學成分（質量分數）Table 1 Chemical compositions of bauxite（mass fraction） %

石灰取自生產現場石灰爐新出爐石灰，敲碎手工剔除未燒透的黑心，磨細后密封備用，其主要化學成分見表2.

循環母液是由取自生產現場的蒸發母液按試驗要求調配而成，其化學成分見表3.

表2 石灰的化學成分（質量分數）Table 2 Chemical compositions of lime（mass fraction） %

表3 循環母液的化學成分Table 3 Chemical compositions of circulating mother liquid

1.2 試驗設備與方法

本試驗以山西高鐵鋁土礦為原料，對原礦漿先進行預脫硅后再進行高壓溶出試驗.

1.2.1 預脫硅試驗設備及方法

預脫硅試驗在型號為XYF-Φ44×8鋼彈水浴槽中進行.將礦石、石灰和循環母液按一定的配料比例加入鋼彈中，攪勻后上緊鋼彈，放入預先升溫的水浴槽中，開動攪拌，升溫至試驗要求溫度后，保溫預脫硅.達到脫硅時間后取出鋼彈，選其中一個鋼彈水冷降溫，過濾分析溶液成分和經洗滌、烘干的濾餅成分，其余鋼彈放入溶出設備中進行溶出.

1.2.2 溶出試驗設備及方法

將從預脫硅水浴槽中取出的鋼彈放入預先控溫的型號為XYF-Φ44×6的熔鹽爐中，開動攪拌，升溫至試驗要求溫度后，保溫溶出.達到溶出時間后取出鋼彈，水冷降溫，過濾分析溶液成分和經洗滌、烘干的濾餅成分.

1.2.3 赤泥沉降分離試驗設備及方法

用取自氧化鋁生產現場的赤泥一次洗液對溶出礦漿進行稀釋，混勻后裝入250 mL沉降管中，再將其置于95℃玻璃水浴中預熱保溫備用.

試驗時先讀出沉降管內料漿總高，攪拌后按要求加入絮凝劑，緊接著再次均勻攪拌后按動秒表計時，依次讀出 0.5，1，2，3，5，10，30 min的泥漿層高度，然后用澄清度計測出各沉降管內上清液的澄清度，計算10 min時赤泥的沉降速度和30 min時赤泥的壓縮液固比（L/S）.

1.2.4 分析及檢測方法

采用化學滴定法分析液相成分；固相物料中的Al2O3和CaO的質量分數采用EDTA容量法分析，SiO2，Fe2O3，TiO2的質量分數采用 722N型可見光分光光度計分析，K2O和Na2O的質量分數采用6400A型火焰光度計分析，MgO的質量分數采用SpectrAA-220型原子吸收分光光度計分析；鋁土礦和赤泥的物相組成采用X’Pert Pro MPD X射線粉末衍射儀分析.

2 試驗結果與討論

2.1 預脫硅試驗結果與討論

硅礦物在堿法生產氧化鋁過程中由于生成含水鋁硅酸鈉，不僅造成Al2O3和Na2O的損失，而且在生產設備和管道上析出成為結疤，大幅降低設備傳熱系數.工業生產中為了減輕硅渣結疤，通常將原礦漿在80～100℃下保溫攪拌6～10 h進行預脫硅.預脫硅效果主要取決于礦石中的硅礦物形態，同時與堿液濃度、溫度、石灰添加量等諸多因素有關［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℃、脫硅時間8 h條件下，石灰添加量對礦漿預脫硅效果的影響，試驗結果如表4～6所示.

表4 預脫硅液成分Table 4 Compositions of pre-desilication solution

表5 預脫硅試驗結果Table 5 Effects of lime addition on pre-desilication %

表6 預脫硅渣的物相組成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入固相；溶液中的SiO2隨石灰添加量的增加而降低，Fe2O3質量濃度只有 1 mg/L；預脫硅率（ηSi）在 27.99% ～31.63%，預脫鈦率（ηTi）在15.98% ～20.51%；石灰添加量為9%時有微量的高嶺石沒能溶解.

2.2 溶出試驗結果與討論

鋁土礦溶出是拜耳法生產氧化鋁的關鍵環節，不僅應把礦石中的Al2O3充分地溶出來，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，結合生產現場工藝，本文主要研究了270℃條件下，石灰添加量、配料赤泥A/S對溶出效果的影響.所選擇的溶出試驗條件如下：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%；溶出時間為40 min.試驗結果如表7～8所示.

表7 溶出試驗結果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預脫硅后270℃高溫溶出效果顯著，赤泥物相中未檢測到一水硬鋁石相.石灰添加量在9%～15%間變化時，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，實際溶出率（η實）在78%～82%.

石灰添加量由9%增大到15%時，溶出赤泥N/S顯著降低，但實際溶出率降低了約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，而鈉硅渣量相應也會下降，苛性堿進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對溶出效果影響不大.

2.3 赤泥沉降分離試驗結果與討論

赤泥沉降分離既關系到氧化鋁產品質量和設備生產能力，又影響氧化鋁生產成本.本文結合氧化鋁生產現場赤泥沉降分離的實際情況，采用質量濃度為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，試驗結果如表9所示.

表9 赤泥沉降分離試驗結果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時沉降速度均可達到12 mm/min左右，30 min時上清液澄清度均清澈透明.

當石灰添加量由9%增加到15%時，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，赤泥的產出量增大，有可能增加赤泥沉降分離、輸送系統的壓力.

3 結論及建議

（1）高鐵鋁土礦在100℃下預脫硅8 h，隨石灰添加量的增大，形成了更多的鋁鈣化合物進入固相；溶液中的SiO2的質量濃度隨石灰添加量的增加而降低，Fe2O3的質量濃度低至1 mg/L；預脫硅率在 27.99% ～31.63%，預脫鈦率在15.98%～20.51%；石灰添加量為9%時有微量的高嶺石沒能溶解.

（2）預脫硅后礦漿在270℃溶出高鐵鋁土礦效果顯著，赤泥物相中未檢測到一水硬鋁石相.赤泥配料A/S對溶出效果影響不大，而石灰添加量的變化對溶出效果有顯著影響.當石灰添加量由9%增大到15%時，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實際溶出率由約82%降至78%.這是因為隨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，而鈉硅渣量相應也會下降，苛性堿進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，工藝指標的確定要綜合考慮兩者的影響.

（3）在實驗室沉降分離條件下，料漿Al2O3質量濃度在170 g/L左右，當添加3 mL質量濃度為0.1 g/L的Nacol 9779絮凝劑時，不同溶出工藝條件下高鐵礦溶出礦漿赤泥10 min時的沉降速度均可達到12 mm/min左右，30 min時的上清液澄清度均清澈透明.當石灰添加量由9%增加到15%時，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，赤泥的產出量增大，有可能增加赤泥沉降分離、輸送系統的壓力.