焙烧预处理对一水硬铝石溶出性能影响的研究

辽宁科技大学本科生毕业设计（论文） I焙烧预处理对一水硬铝石溶出性能影响的研究摘 要我国铝土矿 95%为一水硬铝石矿。我国的一水硬铝石型铝土矿具有高铝、高硅、低铁，稳定的晶格结构，与碱的反应能力比较低的特点，所以难以采用纯拜耳法处理。针对此提出了对铝土矿进行焙烧预处理，然后采用石灰拜耳法进行溶出的新工艺。论文研究了马弗炉焙烧预处理工艺对铝土矿性能以及铝土矿溶出率的影响规律，通过实验得到以下结论：（1） 马弗炉焙烧预处理后，焙烧后铝土矿的微观结构变得疏松，比表面积增大，溶出过程中，增加了碱液与铝土矿的接触面积，使铝土矿的溶出性能得到明显改善；（2） 马弗炉烧时，随着焙烧温度的升高，铝土矿溶出性能得到明显提高，焙烧温度 585左右焙烧效果最佳，铝土矿溶出率可达到97.83%。（3） 焙烧温度过高，中间态氧化铝的晶型将逐步趋于完善，化学结构也随之变得稳定，从而导致焙烧矿的溶出性能下降。关键词：铝土矿，溶出性能，拜耳法，焙烧辽宁科技大学本科生毕业论文 第 2 页 共 41 页 2Research on Influence of the Roasting Pretreatment on the Bauxite Digestion Performance Abstract95% bauxite in our country is diaspore. The characteristics of diasporic bauxite of China are high content of aluminium and silicon but low content of ferrous，the relatively stable lattice structure and poor reaction capacity with alk, so it was difficult to be treated by Bayer process. Considering the characteristic above, a new process has been brought forward in which diasporic bauxite is pretreated by roasting method, and then is digested by Bayer process with lime. the effects of the different roasting pretreatment process by muffle or microwave oven on the performances of the bauxite and the bauxite digestion efficiency have been researched. The conclusions obtained through the experiment follow as: (1) After the pretreatment of being roasted by muffle oven, as a result, the contact areas between alkali liquor and bauxite become larger, accordingly the digestion performance could be improved. (2) With the muffle roasting temperature increasing , the disgestion performances are improved evidently，the optimal roasting effect is at 585，and the leaching efficiency of bauxite reaches 97.83%. (3) Calcination temperature is too high, intermediate crystalline alumina will gradually become more perfect, the chemical structure also become stable, resulting in the dissolution of ore roasting performanceKeywords: bauxite, digestion performance，bayer, roasting辽宁科技大学本科生毕业设计（论文） 第 4 页 目 录摘 要 .IAbstract.II第一章 绪 论 .11.1 铝土矿资源概述.11.1.1 我国铝土矿的分布及特点.11.1.2 我国铝土矿资源与世界铝土矿资源的比较.31.2 氧化铝生产的主要方法.41.2.1 碱法生产氧化铝.41.2.2 酸法生产氧化铝.51.2.3 酸碱联合法生产氧化铝.51.2.4 热法生产氧化铝.51.3 铝土矿的焙烧预处理.51.3.1 焙烧过程中含硅矿物行为及对预脱硅的作用.61.3.2 焙烧过程中铝土矿的微观结构变化.61.3.3 焙烧过程中针铁矿相变及对赤泥沉降性能的影响.71.3.4 焙烧脱除铝土矿中的有机物.71.3.5 焙烧脱除铝土矿中的硫.71.4 本论文研究背景及研究内容.81.4.1 研究背景.81.4.2 研究内容.9第二章 实 验 .122.1 实验原料.122.1.1 矿物.122.1.2 实验药剂.142.2 实验设备.142.3 实验方法.152.3.1 磨矿.15辽宁科技大学本科生毕业设计（论文） 第 4 页 2.3.2 焙烧.152.3.3 溶出.152.3.4 赤泥沉降.162.3.5 化学成分定量分析方法.162.3.6 扫描电子显微镜图.172.3.7 X 射线衍射分析 .172.3.8 比表面积分析.182.4 相关计算公式.182.4.1 配矿量计算.182.4.2 分子比与溶出率的计算.18第三章 焙烧预处理对铝土矿性能的影响研究 .223.1 马弗炉焙烧预处理矿石工艺研究.223.1.1 铝土矿表观形貌在焙烧过程中的变化.223.2.2 焙烧温度对焙烧矿溶出性能的影响.253.2.3焙烧时间对焙烧矿溶出性能的影响.263.2.4石灰添加量对焙烧矿溶出性能的影响.263.3 焙烧预处理过程中矿物物相转化研究.273.3.1氧化铝水合物的表征.273.3.2焙烧温度对焙烧矿物相变化的影响规律.283.3.3 焙烧时间对焙烧矿物相变化的影响规律.303.4 焙烧预处理对一水硬铝石矿溶出性能影响研究.323.5 小结.34第五章 结 论 .41参考文献 .42致 谢 .44辽宁科技大学本科生毕业设计（论文） 第 6 页第一章 绪 论1.1 铝土矿资源概述1.1.1 我国铝土矿的分布及特点我国已探明铝土矿矿区 315 处。按矿产储量最新分类统计，我国铝土矿储量约 5.39 亿 t，基础储量 7.16 亿 t，资源量 17.87 亿 t，总资源储量 25.03 亿 t。我国铝土矿资源较为集中，主要分布在山西、河南、山东、贵州、广西 5省区。以上 5 省区铝土矿保有储量占全国保有储量的 91.1%。矿床类型以沉积型为主，主要分布在山西、河南、贵州，而储存于广西、云南的铝土矿主要是堆积型矿床，约占我国总储量的 11%1。我国绝大多数铝土矿(约 95%)都是一水硬铝石型铝土矿，只有海南等地的铝土矿是三水铝石，但至今尚未工业开采。我国典型的铝土矿的化学成分和矿物组成如表 1.1 和表 1.2 所示。从表中可见，我国铝土矿的化学成分特点一般为高铝、高硅和低铁( 少部分例外) ，即，氧化铝含量高，氧化硅含量也高，铝硅比较低(多数在 47 之间) 。铝硅比 9 表 1.1 我国部分铝土矿矿物组成Tab1.1 Compositions of part of bauxite mineral of our country项目 成分 广西那豆矿 河南渑池矿 河南新安框 山西孝义矿一水硬铝石 60.25 69.52 78.58 65.71三水铝石 2.18 高岭石 4.99 2.77 7.65 25.85赤铁矿 5.48 2.45 针铁矿 15.41 锐钛矿 2.69 1.60 3.49 2.90方解石 0.49 1.20 石英 1.08 1.10 0.46 0.44平均物相组成伊利石 7.11 6.21 2.01辽宁科技大学本科生毕业设计（论文） 第 6 页表 1.2 中国主要铝土矿产地的矿石特征Tab1.2 Characteristic of the bauxite of main producing area in China省份Al2O3 含量(%)SiO2 含量(%)Fe2O3 含量(%)平均铝硅比(%)占全国总储量(%)广西 5860 56 1517 9.9 12.8贵州 6768 8.811.1 2.23.0 6.17.8 18.1河南 6471 7.513.7 3.05.1 4.79.4 26.0广东 5461 1522 59 3.73.9 3.8广西 6365 1113 23 5.06.0 26.0以上的优质铝土矿仅占总储量的 18.5%。全国 40 多个典型矿区铝土矿的加权平均铝硅比仅为 6 左右。除广西等少数矿区外，大多数铝土矿氧化铁含量都在 5%以下。贵州和山东还有相当数量的高硫含量的铝土矿，目前尚未开发利用。我国铝土矿有两个特点，其一是硅含量高。硅对氧化铝生产的危害极大，其最大的危害是在生产过程中与碱和氧化铝发生反应生成不溶性的铝硅酸钠而进入赤泥，既消耗了碱又损失了氧化铝：(1.1)324232 )(26SiONaHaAlNOHSiOAl (1.2) HniaAlN 34 同时由于溶出液在生产流程中发生脱硅反应，所生成的钠硅渣会在生产设备和管道上析出结疤而妨碍生产；残留在铝酸钠溶液中的硅也会在分解时随同氢氧化铝一起析出，降低了产品的质量。我国 80%以上铝土矿的硅含量高，铝硅比均小于 8，不能直接作为拜耳法工艺的生产原料，而只能用联合法或烧结法工艺。我国铝土矿资源的第二个特点是氧化铝含量高，这正是我国氧化铝工业为什么能够在用含硅高的一水硬铝石资源的情况下，还能取得很好的技术经济指标的重要原因，也是我国铝土矿资源的一大优势。然而过去我们对此往往视而不见，始终一味把我国铝土矿资源归结为既是一水硬铝石，又是含硅高的劣质资源。其实评价铝土矿资源的质量标准不应该简单地用是否是三水铝石型还是一水硬铝石型来判断，矿石中活性硅含量和氧化铝的品位才是判别铝土矿质量的主要标准。我国铝土矿资源只要采用经济辽宁科技大学本科生毕业设计（论文） 第 6 页合理的方法预脱硅，就可以使其成为可直接用拜耳法工艺生产氧化铝的优质原料，这是优化我国氧化铝生产工艺重要途径。1.1.2 我国铝土矿资源与世界铝土矿资源的比较世界铝土矿资源极为丰富。据美国地质调查局 2003 年公布的资料 2，世界铝土矿总储量为 224.7 亿 t，基础储量为 332.0 亿 t。除地中海东部巴尔干地区和我国华北、西南这些较小的矿带外，其余大型的铝土矿矿带基本都位于热带及亚热带地区，几内亚、澳大利亚、巴西、牙买加、印度和圭亚那的储量居世界前六位，它们合计的储量约占世界总储量的 71%3。世界铝土矿储量在近 50 年间增长 l0 倍以上，特别是 20 世纪五六十年代和九十年代，随着澳大利亚、巴西、印度等国和拉丁美洲相继发现大规模的铝土矿，世界铝土矿储量大幅度增长。尽管目前世界年耗铝土矿约 1.5 亿 t，但总储量仍有增长趋势。表 1.32列出了世界已探明的的铝土矿的储量及矿物类型，中国铝土矿储量约占世界铝土表 1.3 世界已探明的铝土矿储量、品位和矿物类型Tab1.3 Reserves tenor and mineral type of assured bauxite of the world平均品位/%国名 储量/亿 t基础储量/亿t Al2O3 SiO2矿物类型几内亚 74.0 86.0 4050 三水铝石澳大利亚 44.0 87.0 3252 25 三水铝石牙买加 20.0 25.0 50 23 三水铝石巴西 18.0 29.0 55 三水铝石印度 7.7 14.0 4560 15 三水铝石圭亚那 7.0 9.0 三水铝石中国 7.0 23.0 61.97 10.37 一水硬铝石苏里南 5.8 6.0 5.5 23 三水铝石委内瑞拉 3.2 3.5 51 三水铝石俄罗斯 2.0 2.5 一水硬铝石一水软铝石其他国家 36 47 辽宁科技大学本科生毕业设计（论文） 第 6 页矿储量的 3%左右，但目前中国的铝土矿产量却为全球铝土矿产量的 10%。另外，中国铝矾土储量较大，但其品质较低，生产成本亦缺乏竞争力。世界铝土矿资源分布极不均匀，其中约 80以上集中分布在少数几个国家。某些铝工业发达的国家却严重缺乏铝土矿资源，如美国、俄罗斯、法国和德国所拥有的铝土矿储量之和，还不到世界储量的 2，澳大利亚和几内亚两国的储量约占世界总储量近一半；西半球的巴西、牙买加、圭亚那、苏里南和委内瑞拉五国的储量接近世界总储量的 25%。铝土矿储量丰富国家的矿石类型主要为三水铝石和一水软铝石矿，仅中国、希腊、俄罗斯、南斯拉夫和伊朗等国拥有一定规模的一水硬铝石矿。世界铝土矿开采的平均品位 A/S 为 l0 以上，A/S 低于 l0 的铝土矿一般不宜直接采用拜耳法处理。表 1.41列出了我国铝土矿和世界大部分铝土矿的主要差别，从表 1.4 可以看出我国铝土矿和世界其它铝土矿相比，有很大差别。事实上我国铝土矿资源虽然丰富，但多为贫矿，高品位的矿石储量小；且多为伴生矿床，多金属矿共生、伴生元素多，组分复杂 4。这些不利因素都增加了选冶难度，同时也容易造成资源的严重浪费，这是我国铝土矿资源与世界其它国家相比的劣势，但我国铝土矿氧化铝含量较高，这是我国铝土矿的一大资源优势。 表 1.4 我国铝土矿和国外大部分铝土矿的主要区别Tab1.4 Main difference 三 between bauxite of our country and most of bauxite abroad铝土矿 人均储量/t 铝硅比 一般矿体大小 主要矿石类型 主要硅矿物类型国外矿 4.0 10 大型（1.0 亿 t）三水铝石、一水软铝石高岭石、石英（矿物构成简单）我国矿 0.4大多47中小型（ 0.3 亿 t）一水硬铝石高岭石、伊利石（矿物构成复杂）1.2 氧化铝生产的主要方法迄今为止，已经提出了很多从铝矿石或其他含铝矿原料中提取氧化铝的方法，可归纳为四类，即碱法、酸法、酸碱联合法与热法 5。辽宁科技大学本科生毕业设计（论文） 第 6 页1.2.1 碱法生产氧化铝碱法生产氧化铝，是用碱（NaOH 或 Na2CO3）处理铝矿石，使矿石中的氧化铝转变成铝酸钠溶液。矿石中的铁、钛等杂质和绝大多数的硅则成为不溶解的化合物。将不溶解的残渣（由于含氧化铁而呈红色，故称为赤泥）与溶液分离，经洗涤后弃去或进行综合处理，以回收其中的有用组分。纯净的铝酸钠溶液即可分解析出氢氧化铝，经分离、洗涤后进行煅烧，便获得氧化铝产品。分解母液则循环使用来处理另一批矿石。1.2.2 酸法生产氧化铝酸法生产氧化铝，是用硝酸、硫酸、盐酸等无机酸处理含铝原料而得到相应铝盐的酸性水溶液。然后使这些铝盐或水合物晶体（通过蒸发结晶）或碱式铝盐（水解结晶）从溶液中析出，亦可用碱中和这些铝盐水溶液，使铝以氢氧化铝形式析出。煅烧氢氧化铝、各种铝盐的水合物或碱式铝盐，便得到氧化铝。对酸法生产氧化铝的研究已进行了半个多世纪，与碱法相比，它存在一些重大缺点，如需要昂贵的耐酸设备，酸的回收比较复杂，从铝盐溶液中除铁也较困难等。但酸法用于处理分布很广的高硅低铁铝矿在原则上是合理的。一些铝土矿资源缺乏的国家，一直在研究用处理非铝土矿原料生产氧化铝的酸法作为技术储备。近年来，酸法的研究取得了进展，但从经济角度上还不能与处理优质铝土矿的碱法相竞争。1.2.3 酸碱联合法生产氧化铝酸碱联合法是先用酸法从高硅铝土矿中制取含铁、钛等杂质的不纯氢氧化铝，然后再用碱法（拜尔法）处理，这一流程的实质是用酸法除硅，碱法除铁。此法流程复杂，没有获得工业应用。1.2.4 热法生产氧化铝热法适合处理高硅高铁铝矿。其实质是在电炉或高炉内进行矿石的还原熔炼，同时获得硅铁合金（或生铁）与含氧化铝的炉渣，二者籍比重差分离后，再用碱法从炉渣中提取氧化铝。原苏联和挪威个别氧化铝厂曾经用此法生产氧化铝，但后来或改用联合法处理优质铝土矿，或者停产了。由于技术和经济方面的原因，有些氧化铝生产方法已被淘汰，有些还处于实验研究阶段，目前用于工业生产的只有少数几种方法，它们几乎全属于碱法。碱法生产氧化铝有拜尔法、烧结法以及拜尔-烧结联合法等多种流程。辽宁科技大学本科生毕业设计（论文） 第 6 页1.3 铝土矿的焙烧预处理我国铝土矿资源主要属于一水硬铝石型，由于其矿物学的特点，在拜尔法生产中的溶