高铁铝土矿铝铁分离研究现状

高铁铝土矿铝铁分离研究现状2014-07-10高铁铝土矿铝铁分离研究现状许斌李帅军摘要：介绍了我国高铁铝土矿的资源储量和分布。根据国内外对高铁铝土矿铝铁分离开展的研究，论述了选矿法、磁化焙烧法、直接还原法、拜耳法、酸法等工艺的研究现状。关键词：高铁铝土矿；铝铁分离；研究现状；综合利用0引言近年来随着氧化铝工业高速的发展，我国铝土矿开采量也逐年递增，但国内铝土矿产量仍无法满足氧化铝生产需要，导致从国外进口的铝土矿比例迅速增长，铝资源对外依存度大幅增加，严重影响我国铝行业的战略安全。另一方面，我国高铁铝土矿的资源储量高达十几亿吨，随着技术的进步，高铁铝土矿的开发利用将是我国氧化铝工业可持续发展的有力保证。高铁铝土矿含铁矿物以赤铁矿、针铁矿、褐铁矿等形式存在，铝矿物则以三水铝石、一水软铝石和一水硬铝石的形式存在。其中，高铁三水型铝土矿大量分布在广西贵港等地，而高铁一水硬铝石型铝土矿分布在桂西、云南文山、黔中、山西保德及河南巩义等地。目前，高铁铝土矿的利用难点在于如何高效低耗无污染的实现铝铁分离。1高铁铝土矿铝铁分离的研究现状1.1选矿法选矿法是通过物理、化学的方法，利用铁矿物和铝矿物可选性能的差别使其分离富集，得到适用于工业生产的精矿产品，主要包括重选、磁选、浮选、电选、絮凝以及强磁选－阴离子反浮选等选矿工艺。中南大学对广西平果那豆矿进行了直接磁选除铁工艺的研究，磁选后铝磁性物中Fe2O3含量19.64%降至6.97%～8.59%，A/S由9.52提高到11.06～11.63。Grzymek以波兰Legnica地区产出的高铁高硅铝土矿为原料，采用破碎、筛分、摇床选别、分级、磁选等方法，得到含Al2O334%、Fe2O37%的铝精矿和Fe2O360%、TiO220%的钛铁精矿。该法首先是要实现原矿中的铝铁矿物充分解理，对于矿物粒度嵌布简单的高铁铝土矿，不仅可以使铁铝分离开来，还可以提高铁铝矿物的品位，是一种简单有效经济的方法。然而高铁铝土矿中铁矿物粒度较细，铁铝矿物共生关系复杂，紧密嵌布，地球化学和晶体化学行为铁铝相近，类质同象替代较为常见，该法对此类矿石的铝铁回收率低，有用成分损失较大，分离效果差。1.2磁化焙烧法磁化焙烧法是以还原性气体或煤作为还原剂，将铝土矿中的铁矿物还原为强磁性的磁铁矿，经过磁选将磁铁矿分离出来，得到铁精矿和高品位的铝精矿。郑州矿产综合利用研究所采用Al2O349.76%，SIO24.9%，A/S10.16，Fe2O328.23%的铝土矿，进行了磁化焙烧－磁选的工艺研究。该工艺将原矿破碎至小于5mm，配加焦炭量为25%，在焙烧温度780℃，焙烧时间４．５小时条件下进行磁化焙烧；焙烧矿经磨矿、磁选，可得到Al2O360.28%，TFe10.25%的铝土矿精矿，氧化铝回收率为70.26%，磁铁矿精矿中TFe含量可达56.35%，铁回收率为42.89%，氧化铝含量可达20%以上。该法存在的问题是，铁铝矿物在磁选过程中损失较大，回收率低，无论铁精矿中氧化铝含量还是铝精矿铁含量均超标，无法达到工业应用的要求。1.3直接还原法直接还原法也是采用煤或者气体作为还原剂，在固态条件下将矿石中的铁矿物还原为金属态，经过磁选实现金属铁与铝精矿的分离。胡四春等对山西保德一水硬铝石型高铁铝土矿进行了中温金属化焙烧－磁选工艺的试验研究，铝精矿品位＞60%，氧化铝回收率＞70%，铁精矿TFe品位＞80%，TFe回收率＞60%，铝铁产品均达到了工业利用的品位，但是回收率均处于较低水平。由于高铁铝土矿中铁矿物颗粒细微，采用直接还原后的金属铁晶粒难以聚合长大，磁选效果较差，因此有研究者在高铁高硅铝土矿中配入钠盐作为促进铁矿物还原和铁晶粒长大的添加剂，在相对较高的温度（900～1100℃）下进行金属化还原焙烧，经磁选得到高品位的海绵铁粉和富铝的非磁性物，通过磁选分离得到海绵铁，铝精矿进行拜耳法溶出。朱忠平对广西高铁三水铝石型铝土矿进行了直接还原－磁选试验研究，试验中通过添加一定配比的钠盐添加剂，较大幅度的提高了铁、铝的回收率，可获得TFe93.73%、Al2O31.21%的磁性物和TFe6.73%、Al2O340.56%的非磁性物产品，铁回收率93.07%，铁铝矿物的回收率和精矿品位与没有添加钠盐相比有较大幅度的提升。高铁铝土矿直接还原焙烧在一定程度上能够取得较好的铝铁分离效果，钠盐的添加促进金属铁结晶，可以起到强化还原及磁选分离的效果。1.4拜耳法拜耳法主要是针对高铁三水铝石矿，先按拜耳法溶解矿石提取氧化铝，经选矿或酸溶从赤泥中回收铁。对于拜耳法溶出的研究已较为成熟，故研究多集中在从赤泥中回收铁。陈德和徐树涛将高铁三水铝土矿进行了拜耳法溶出－赤泥选铁研究，氧化铝的回收率可达53%～58%；赤泥配入还原煤和燃烧煤，进行成型干燥、还原焙烧、磁选，铁的回收率达到80%以上，得到的海绵铁粉可进行造球、炼钢使用；刘培旺等人采用湿式高梯度脉动磁选法处理某拜耳法赤泥，可得到ＴＦｅ含量54%～56%的铁精矿，该铁精矿能用于高炉炼铁。陈世益对广西高铁三水铝石矿进行常压、低温和低碱浓度条件下溶出约10分钟，三水铝石矿溶出率高于90%，赤泥掺入煤粉经压团、干燥，进入回转窑还原焙烧，然后破碎、磁选、成型为海绵铁团块，产品的全铁品位和金属化率均高于90%，铁回收率大于85%。拜耳法适合处理高铝硅比（A/S＞7）的三水铝石矿，对原矿的品质要求高，且在高铁三水铝土矿中，Al2O3不仅以三水铝石形式存在，有时会夹杂有一水硬铝石和一水软铝石，而拜耳法常压浸出时只能溶出三水铝石形式存在的Al2O3，Al2O3浸出率较低，原矿中Al2O3在浸出过程中损失较大，而且无法分离固溶在Fe2O3中的Al2O3，导致铁精矿中Al2O3含量会较高。1.5酸法酸法是利用铁、铝在不同的条件下溶于酸的能力的不同，利用铁、铝盐溶液蒸发结晶的先后顺序分离出铁铝的盐晶体，再经热分解得到氧化铝和氧化铁。东北大学张廷安等人利用酸法对高铁铝土矿进行了铝铁分离研究，原矿中铝硅比为1.5～5，TFe含量为30%，将原矿粉碎后置入密闭容器内，经过浸出、萃取、分离、加热热解等工序，获得氧化铝和氧化铁产品，挥发出来的氯化氢气体经收集可进行循环利用。91.58%的氧化铝可有效浸出，铁元素浸出率高达95.42%，铁铝回收率达到较高水平，SiO2集中在固液分离得到的浸出渣中，含量可达88.13%。由于在酸溶的过程中，硅的化合物多属于不溶物，铁铝则与酸反应溶于液体，故酸法适合处理高硅铝土矿。酸法也存在较多问题：从铝盐溶液中除铁困难；对于工业应用来说，溶解单位重量的有价产品所需溶剂数量较大，酸液的回收循环使用难度大，对环境污染严重；设备要求高，要有较高的抗腐性，成为工业应用的最大限制。1.6还原烧结法还原烧结法，即利用传统烧结法生产氧化铝的技术。在高铁高硅铝土矿中配加碳酸钠、碳酸钙和煤粉进行烧结，铝土矿与碳酸钠反应生成固态铝酸钠，硅矿物与高温分解的氧化钙作用生成硅酸钙，而铁矿物则被还原为磁铁矿或者金属铁。烧结熟料的处理有两种途径：1）经碳酸钠溶液浸出，赤泥经磁选回收磁铁矿或金属铁；2）先通过磁选铁铝分离后，非磁性部分进行铝酸钠溶出提取氧化铝和碱。美国矿务局对赤泥的还原烧结做了工艺性试验，将赤泥、碳酸钠、碳酸钙及煤粉混合、磨碎、焙烧，钠铝比（Na2CO３／Al2O3）为1.5，钙肽比（CaO/TiO2）为1.75，焦炭用量大于理论值，氧化铝的回收率达到87%，铁回收率为78%。JonasKamlet也提出将高铁铝土矿与碳酸钠、碳酸钙和焦炭粉按比例混合均匀，在一定温度下进行还原烧结，烧结料经磨矿、磁选，精矿用作炼铁原料，尾矿进行碱液溶出生产氧化铝。该法存在能耗高、配煤量大、成本高、高温烧结困难的问题。干法细磨熟料时，铁易与其它物相包裹，造成有用成分损失较大，氧化铝净溶出率偏低，铁的回收率也不高。１．７铝酸钙炉渣冶炼法铝酸钙炉渣冶炼法是在高铁铝土矿配入石灰石（或生石灰）、煤，在回转窑、高炉或电炉等高温设备中，在半熔融或熔融状态下，进行还原、烧结或冶炼，将铁矿物还原为固态金属铁或熔融铁或合金铁，铝矿物与石灰进行造渣，制得铝酸钙炉渣。铝铁分离可通过铁水与铝酸钙炉渣的渣铁分离，或通过磁选分离铁粒。铝酸钙炉渣在缓慢冷却过程会发生自粉化，发生物相转变生成易溶的12CaO·7Al2O3和CaO•Al2O3，最后通过碳酸钠溶液浸出铝酸钙炉渣提取氧化铝。铝酸钙炉渣冶炼法主要有4种工艺：“金属化还原－电炉溶分－提取氧化铝”，缺点为电能耗量过大，经济上不可行；“粒铁法”对设备要求较高，技术难度较大；“生铁熟料法”要将铁矿物还原成铁水能耗较高，同时液相铁水的生成会对回转窑炉衬产生严重腐蚀，使其使用寿命大幅缩短；“烧结－高炉冶炼法”是先进行烧结，然后烧结矿进高炉，铁矿物还原成铁水，铝矿物生产铝酸钙渣系并渣铁分离，该法在技术上可行，铁还原过程焦比较高，铝酸钙炉渣的氧化铝溶出率有待于进一步提高。东北大学提出的“烧结－高炉冶炼－氧化铝提取”方案，详尽研究了广西高铁铝土矿的高炉冶炼及铝酸钙炉渣的浸出性能，结果表明，高铁铝土矿经高炉冶炼后，会产生大量铝酸钙炉渣，渣铁比高达3.25，渣中铝硅比低，高炉内必须保持较高炉温才能实现炉渣熔化，从而导致高炉炼焦比也很高，可达2042.6kg/t；铝酸钙炉渣的冷却速度要求控制住4～6℃/min，降到1200℃以下后在冷却罐中自然冷却，炉渣的低温粉化率几乎达到100%；铝酸钙炉渣物相成分主要为12CaO·7Al2O3和2CaO·SiO2；在Na2Oc浓度为120g/L，浸出时间为2h，浸出温度为75℃，L/S为4.5的浸出条件下，铝酸钙炉渣中的氧化铝浸出率可达到80%以上。铝酸钙炉渣冶炼法缺点是熔炼温度高、石灰消耗量大、炉渣量大；炉渣冷却速度要求控制严格，低于10℃/min；工业生产占地较大，氧化铝浸出率也不高。相较于其他3种方法，烧结－高炉冶炼法在技术上可行性较强，能耗有一定程度的降低，在当前铝土矿需求日趋紧张的情况下，作为一种技术储备仍具有较强的意义。2结语目前对于高铁铝土矿铝铁分离的方法多具有一定的局限性，尚没有一种方法能够高效低耗无污染的实现铝铁分离的效果。由于高铁铝土矿矿石结构的复杂性，要靠简单的选矿方法实现铝铁分离非常困难。而酸法在一定程度上可行，却对技术设备提出更高的要求。直接还原法则提出一种通过寻找新型添加剂来改变矿石焙烧过程中的结构，从一个新的角度开辟铝铁分离的研究方向。铝酸钙炉渣冶炼法则是从冶炼的角度出发，通过造渣实现铝铁分离，技术上已较为成熟，如何最大程度的降低能耗是其能否工业应用的关键。