（冶金工程专业论文）中低品位铝土矿溶出沉降性能研究.pdf

， j 二、上 y ； 飞 75lf j 【、 | i ， _ i ad i s s e r t a t i o ni nm e t a l l u r g ye n g i n e e r t h ed i s s o l v i n ga n ds e d i m e n t a t i o nc a p a b i l i t yo fm i d - - l o w g r a d eb a u x i t e b y x u e y i s h u s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rz h a n gt i n g a n s p e c i a l t y ：m e t a l l u r g ye n g i n e e r n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y d e c e m b e r2 0 0 7 、。 一 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写 过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并 表示谢意。 学位论文作者签名：裤铭林 日期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： j 东北大学硕士学位论文摘要 摘要 2 0 0 3 年以来，受电解铝行业扩张的影响，我国氧化铝一直供不应求，氧化铝价 格持续在高位徘徊，引发了国内的氧化铝投资热潮。随着新建、扩建氧化铝项目陆续 建成投产，氧化铝产能迅速扩张，对铝土矿资源的需求量也大幅增长，矿石资源的短 缺加剧了各氧化铝厂对矿石资源的竞争，矿石贫化问题日益突出，矿石品位逐步降低， 给现有的氧化铝生产带来了十分不利的影响，严重制约了氧化铝生产企业产能的提高 和经济技术指标的优化。矿石品位降低成为困扰氧化铝生产企业的关键问题。 为了最大限度地降低铝土矿品位降低带来的不利影响，合理地利用矿石资源，本 文针对中铝河南分公司矿石品位逐步降低的状况，开展了中低品位矿石预脱硅、拜耳 法溶出、赤泥沉降等有关性能的研究。通过对拜耳法溶出及沉降过程的分析，讨论了 影响溶出、沉降性能的主要因素，结合河南分公司生产工艺和设备实际状况，进行了 一系列条件试验。主要考察了： ( 1 ) 矿石s 、石灰添加量、预脱硅时间对预脱硅效果的影响； ( 2 ) 矿石s 、石灰添加量、母液n k 及母液dk 对溶出性能的影响； ( 3 ) 矿石s 、不同絮凝剂、稀释矿浆浓度及絮凝剂添加量对赤泥沉降性能的影响。 通过对试验结果的详细分析讨论，确定了各影响因素的最适宜的选择范围，同时 针对中国铝业河南分公司的生产实际，提出了具体的工艺优化措施。在矿石品位逐步 降低的情况下，本课题的研究结果有利于促进生产过程中工艺技术指标的优化，提高 氧化铝产量和降低各项消耗，为中国铝业河南分公司合理高效地利用中低品位铝土矿 生产提供了参考。 本课题主要针对如何优化工艺指标方面进行了初步的研究，在实际生产中，还应 该从工艺流程方面进行改进和完善。因此，开发低成本利用我国中低品位铝土矿生产 氧化铝的工艺技术，实现矿石资源的合理利用，是本课题今后研究的主要方向。 关键词：中低品位铝土矿预脱硅溶出沉降石灰添加量 f 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i n f l u e n c e dw i t l lt h ee l e c t r o l y z e da l u m i n u mi n d u s t r y ，t h ea l u m i n ad e m a n de x c e e d e d t h es u p p l yi nc h i n af r o m2 0 0 3 ，t h ep r i c eo fa l u m i n aw a so nt h eh i g hl e v e l ，t h i sa r o s et h e i n v e s t m e n tu p s u r g e w i t ht h ep r o d u c i n go fn e wi t e m s ，t h eq u i c k l yd i l a t i o no fp r o d u c t i o n , t h ed e m a n dt ob a u x i t ei n c r e a s e ds p e e d i n e s s ，t h es h o r t a g eo fo r er e s o u r c ep r i c k e du pt h e c o m p e t i t i o n , t h e l e a n n e s so fo r ee x t r u d e d n l er e d u c t i o no fo r e g r a d eb r o u g h t d i s a d v a n t a g e s ，r e s t r i c t e dt h ee n h a n c e m e n to fo u t p u ta n dt h eo p t i m i z a t i o no fi n d e x e s t h e r e d u c t i o no fo r eg r a d eb e c a m et h ek e yp r o b l e mw h a tp u z z l e dt h ee n t e r p r i s e s i no r d e rt or e d u c et h e i n f l u e n c eo fb a u x i t e ，r e a l i z e d u t i l i z i n gt h e o r er a t i o n a l l y c o n t r a p o s e dt h es t a t u so fr e d u c t i o no fo r eg r a d ei nh e n a nb r a n c h ，c h a l o ，c a r r i e do u tt h e c a p a b i l i t i e sr e s e a r c h o ft h ep r e - d e s i l i c a t i o n c ，t h ed i s s o l v i n g a n dt h es e d i m e n t a t i o n t h r o u g h a n a l y z i n gt h ep r o c e s so fd i s s o l v i n ga n ds e d i m e n t a t i o n , d i s c u s s e dt h em a i nf a c t o r si n f l u e n c e dt h e c a p a b i l i t y , c o m b i n e dw i t ht h ep r o d u c i n gf a c t s ，c a r r i e dt h r o u g 出as e r i e so fc o n d i t i o ne x a m i n a t i o n s t h e m a i nr e s e a r c h e dc o n t e n tw e l ： ( 1 ) t h ei n f l u e n c eo f t h ea s ，l i m ea d d e da n dt h et i m et ot h ee f f e c to f p r e - d e s i l i c a t i o n c ； ( 2 ) t h ei n f l u e n c eo ft h ea s ，l i m ea d d e d , t h ec o n c e n t r a t i o no ft h ec a u s t i ca n dt h ec a u s t i cr a t i ot ot h e d i s s o l v i n g ； ( 3 ) t h ei n f l u e n c eo f t h ea s ，t h ef l o c c u l a t e s ，t h ec o n c e n t r a t i o no fs e r o s i t ya n dt h ef l o c c u l a t ea d d e dt o t h es e d i m e n t a t i o n t h r o u g ht h ep a r t i c u l a rd i s c u s s i n ga n da n a l y z i n g ，c o n f i l m e dt h ea p p r o p r i a t er a n g eo f t h ei n f l u e n c e df a c t o r s ，c o m b i n e dw i t ht h ep r o d u c i n go fh e n a nb r a n c h ，c h a l o ，a d v a n c e dt h e t e c h n o l o g yo p t i m i z a t i o ns t e p s 1 1 1 er e s e a r c hr e s u l t sw i l lb ep r o p i t i o u st ot h eo p t i m i z a t i o n o fi n d e x e s ，t h ee n h a n c e m e n to fo u t p u ta n dt h ef a l lo ft h ec o n s u m i n g ，w i l lo f f e rt h ec o n s u l t t ou t i l i z et h em i d - l o wb a u x i t er a t i o n a l l y t h i sp a p e rc a r r i e dt h er e s e a r c ho nt e c h n o l o g yi n d e x e so p t i m i z a t i o n , i nt h ep r o d u c i n g ， m u s ti m p r o v e0 1 1t h et e c h n o l o g yf l o w e m p o l d e rt h el o wc o s tt e c h n o l o g yp r o d u c ea l u m i n a w i t hm i d - l o wg r a d eo r e ，r e a l i z et h eu t i l i z eo fr e s o u r c ei nr e a s o n , i st h ed e v e l o p i n gt r e n d k e yw o r d s ：m i d - l o wg r a d e ，b a u x i t e ，p r e - d e s i l i c a t i o n c ，d i s s o l v i n g , s e d i m e n t a t i o n , l i m e a d d e d 东北大学硕士学位论文目录 摘要 a b s t r a c t 目录 目录 i i i i 1 -第一章绪论 1 1 研究背景1 1 2 我国氧化铝工业”2 1 2 1 我国氧化铝工业的发展2 1 2 2 我国氧化铝产量统计3 1 2 3 我国氧化铝工业取得的技术成就3 1 3 我国铝土矿资源7 1 3 1 铝土矿的化学组成和矿物组成7 1 3 2 铝土矿矿石结构特点8 1 3 3 铝土矿质量的衡量方法9 1 3 4 我国铝土矿概况“1 0 1 4 本课题的研究背景和研究现状1 3 1 4 1 本课题的研究背景”1 3 1 4 2 研究目的和意义”15 1 4 3 研究现状1 5 1 5 本课题的主要研究内容1 7 第二章一水硬铝石溶出及沉降机理1 8 2 1 一水硬铝石拜耳法溶出机理l8 2 1 1 一水硬铝石型铝土矿溶出的理论基础1 8 2 1 2 拜耳法生产氧化铝的原理和基本工艺流程1 9 2 1 3 一水硬铝石溶出机理“2 1 2 1 4 一水硬铝石溶出的化学反应2 2 2 2 一水硬铝石溶出动力学2 5 2 3 影响溶出过程的因素2 6 2 3 1 溶出温度的影响2 6 2 3 2 循环母液碱浓度的影响2 6 2 3 3 配料分子比的影响2 7 2 3 4 矿石磨细程度的影响2 7 l 东北大学硕士学位论文 目录 2 3 5 搅拌强度的影响2 7 2 3 6 石灰添加量的影响”2 8 2 3 7 溶出时间的影响2 8 2 4 赤泥沉降”2 8 2 4 1 溶出矿浆稀释的目的2 8 2 4 2 拜耳法赤泥沉降性能”2 9 2 4 3 拜耳法赤泥沉降和压缩性能的影响因素2 9 2 4 4 絮凝剂”3 0 2 5 本章小结3 1 第三章试验设备及试验方法 3 2 3 1 试验原料及处理3 2 3 1 1 铝土矿”? 3 2 3 1 2 石灰”3 3 3 1 3 母液及洗液3 3 3 1 4 絮凝剂”3 4 3 2 试验设备及方法3 4 3 2 1 预脱硅试验设备及方法”3 4 3 2 2 溶出试验设备及方法3 5 3 2 3 稀释沉降试验设备及方法“3 5 3 2 4 液固分离设备”3 5 3 3 试验分析仪器及设备”3 5 3 3 1 物料化学成分分析仪器3 5 3 3 2 物相分析仪器3 5 3 4 试验过程有关计算公式3 5 3 4 1 常规指标计算公式”3 5 3 4 2 配料计算3 7 3 5 本章小结3 8 第四章试验结果讨论与分析 3 9 4 1 预脱硅试验结果讨论与分析3 9 4 1 1 预脱硅试验条件3 9 4 1 2 预脱硅试验结果3 9 4 1 3 试验结果讨论与分析4 1 4 1 4 预脱硅试验结论4 6 4 2 溶出试验结果讨论与分析4 6 i v 东北大学硕士学位论文 目录 4 2 1 溶出试验条件4 6 4 2 2 溶出试验结果4 6 4 2 3 溶出试验结果讨论与分析4 9 4 2 4 溶出试验结论5 4 4 3 沉降试验结果讨论与分析5 5 4 3 1 沉降试验条件一5 5 4 3 2 沉降试验结果5 5 4 3 3 沉降试验结果分析与讨论”5 7 4 3 4 沉降试验结论5 9 4 4 生产应对措施5 9 4 5 本章小结6 0 第五章结论6 1 5 1 结论6 1 5 2 进一步研究的展望6 1 参考文献6 2 致谢6 6 v 东北大学硕士学位论丈 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 铝是地壳中含量最丰富的金属，也是世界上除钢铁以外应用最广泛的金属，金属 铝具有特殊的化学、物理特性，可以多次循环使用。金属铝因其特有的属性，广泛应 用于建筑、包装、电力和交通运输等行业，是国民经济发展的重要基础原材料。 随着我国工业化进程的加快，对铝的需求越来越大，铝的消费量出现了快速增长， “十五”期间，我国铝消费量年均增长1 5 2 ，“十一五 头两年原铝表观消费量分别 增长2 2 1 和3 7 【l j 。铝消费量的增加带动了电解铝工业的发展，近几年来，国内电 解铝工业发展迅猛，产能和产量高速增长。2 0 0 1 年，国内已建成的电解铝企业有1 3 0 家，生产能力达4 2 5 万讹，实际产量3 3 7 万t t 2 ，2 0 0 1 年以后，国内电解铝行业的产能和 产量更是以百万吨的增幅大幅增长，均超过了同期世界上铝业大国的产能和产量，连 续3 年保持2 0 以上的增幅，截止n 2 0 0 5 年底，我国的电解铝产能已达到了1 0 7 9 万吨 年，实际产量也达到了7 8 1 万吨。快速增长的电解铝产能使其上游产品氧化铝的需求 量猛增，2 0 0 1 年国内氧化铝需求量为8 0 0 万吨，n 2 0 0 5 年国内氧化铝需求量增长n 2 0 0 0 万吨以上p j 。而同期国内氧化铝产量只能满足一半的需求，另外一半需要进口。 由于电解铝的过度投资，导致了氧化铝市场的紧缺，国内氧化铝市场缺口较大， 冶金级氧化铝一直处于供不应求的局面，在国内产量无法满足的情况下，电解铝企业 大量购买进1 3 氧化铝，推动了国际氧化铝价格的不断上涨，继而拉动了国内氧化铝价 格上扬，2 0 0 3 年，进口氧化铝价格从2 5 0 0 元吨上涨到4 8 0 0 元吨，国产氧化铝也f 1 3 2 2 0 0 元吨上涨至1 3 7 0 0 元吨，之后的两年，氧化铝价格一路上扬后持续在高位徘徊，2 0 0 6 年进口氧化铝国内现货价格达至u 6 0 0 0 元吨，国产氧化铝价格达5 6 0 0 元吨，较3 年前上 涨了1 5 6 8 2 【4 j 。氧化铝行业的可观利润激发了国内的氧化铝投资扩建热潮，近几年 投资氧化铝项目成为有色金属行业的一个热点。 从2 0 0 3 年开始，国内的主要氧化铝生产商一中国铝业公司加快了氧化铝扩建步 伐，其下属的河南、山西、山东、中州数家分公司相继启动了新的扩建工程，随后广 西平果、广西华银1 6 0 万吨氧化铝项目、贵州遵义8 0 万吨氧化铝项目和重庆8 0 万吨氧 化铝项目也开始加紧建设。2 0 0 4 年，由东方希望集团、美国杰德金属公司、先锋全球 投资有限公司与河南黄河铝电集团共同投资的渑池1 0 5 万吨氧化铝项目动工改变了我 国氧化铝由国有企业中国铝业公司独家生产的格局，之后许多地方、企业及民营资产 纷纷重金投向氧化铝行业，陆续开工了诸多项目，如华铝集团、晋北氧化铝项目、重 庆博赛矿业集团、河南义马矿业集团、山东信发华宇氧化铝有限公司、凯曼集团等氧 东北大学硕士学位论文第一章绪论 化铝项目，其中不乏在业内影响较大的氧化铝项目。据统计，1 刍2 0 0 3 年以来，全国规 划、论证、拟建的项目多达2 9 个，建设总规模达到2 9 4 8 万吨年，其中已开工项1 三1 2 5 个，一期建设总规模达1 8 0 3 万吨年，加上已形成的1 0 0 0 万吨的产能，近两年总产能 将达至l j 3 0 0 0 万吨年【3 】，几乎占到世界现有氧化铝产能的一半。 随着新建、扩建氧化铝项目建成投产，氧化铝产能迅速扩张，国内氧化铝产量大 幅增长，增加了氧化铝的市场供应，同时对铝土矿资源的需求量也大幅增长，铝土矿 一氧化铝一电解铝产业链中的瓶颈逐渐向铝土矿转移。有关统计数据表明：预计2 0 0 6 年- 2 0 1 0 年间，中国对铝土矿需求的年均增长率将达到2 2 ，而同期中国铝土矿产量 的年平均增长率预计为1 5 ，生产量的增长明显低于需求量的增长。矿石资源的短缺 加剧了各氧化铝厂对矿石资源的竞争，而且由于氧化铝生产厂为了追求产量，往往是 采用富矿、弃掉贫矿，造成铝土矿资源的浪费，矿石贫化问题日益突出，矿石品位逐 步降低，给现有的氧化铝生产带来了较大的影响，工艺技术指标恶化，生产组织困难， 不利于生产的稳定进行。因此，针对矿石品位逐步降低的状况，开展中低品位矿石有 关性能的研究，结合矿石特点进行工艺优化，已成为各氧化铝生产企业必须面临和解 决的首要问题。 1 2 我国氧化铝工业 1 2 1 我国氧化铝工业的发展 我国氧化铝工业的发展大致可以分为三个阶段：一是上世纪5 0 年代7 0 年代，主 要是从无到有，建立烧结法、发展联合法，完善工艺、稳定生产、积累经验；二是上 世纪8 0 年代 9 0 年代初，主要是总结生产实践经验，学习国外先进技术，国内研究开 发与引进消化相结合，稳定和发展了生产，奠定了一水硬铝石生产氧化铝工艺技术更 高发展的基础；三是上世纪9 0 年代以后，氧化铝工业技术进步速度明显加快，开始实 现了一水硬铝石生产氧化铝技术的质的飞跃【5 j 。 上世纪5 0 年代以来，我国氧化铝工业从无到有，从小到大，取得了很大的成绩， 先后建立了山东、郑州、贵州三个氧化铝厂，后来在国家优先发展铝的方针指导下， 又陆续建成了山西、中州和平果等重点氧化铝企业，至上世纪9 0 年代形成了我国六大 氧化铝生产基地1 6 1 。2 0 0 1 年，在中国国有铝行业重组过程中，山东铝厂、中国长城铝 业公司( 郑州铝厂、中卅i 铝厂、郑州轻金属研究院) 、山西铝厂、贵州铝厂、平果铝 厂及青海铝厂重组为中国铝业公司，同年，中国铝业公司又与广西投资( 集团) 有限 公司和贵州省物资开发投资公司共同发起，注册成立中国铝业股份有限公司，简称“中 国铝业 ( c h a l e o ) ，2 0 0 1 年1 2 月1 1 日、1 2 日，中国铝业股票分别在纽约证券交易所 和香港联合交易所有限公司挂牌上市。中国铝业是中国最大的氧化铝生产商，是全球 东北大学硕士学位论文第一幸绪论 第二大氧化铝生产商，同时也是中国最大的原铝生产商，被誉为中国铝工业的“联合 舰队。 进入新世纪以来，电解铝工业迅猛发展给氧化铝工业扩大规模、增加产量提供了 较好的发展机遇。国内掀起了氧化铝建设热潮，原来从未涉足氧化铝行业的地方、企 业和民营资本争相投资建设氧化铝项目，先后开工了多个新建和扩建项目，国内氧化 铝产能迅速扩张。在产能扩张的同时，各氧化铝生产企业的技术经济指标也有明显改 善，产品质量稳定，能源、物料消耗下降，企业的竞争力正在逐步提升 7 1 。 1 2 2 我国氧化铝产量统计 统计数据表明，从1 9 5 4 年至2 0 0 0 年，我国氧化铝产量基本以每十年翻一番的速度 发展。进入2 1 世纪以后，中铝系氧化铝产能大幅提高，2 0 0 4 年为6 9 9 万吨，2 0 0 5 年增 长至1 j 8 8 6 万吨，2 0 0 6 年达至u 9 0 0 万吨以上，2 0 0 4 年以后非中铝系氧化铝产能飞速提高， 2 0 0 4 年仅为4 2 万吨，2 0 0 5 年增长到1 5 0 万吨，2 0 0 6 年达至u 6 0 0 万吨，2 0 0 6 年我国氧化铝 总产量达至u 1 3 7 0 万吨，同比增长6 0 9 7 ，其中非中铝系氧化铝产量为4 0 8 万吨，我国 氧化铝产量统计见表1 1 t 6 8 1 。 表1 1 我国氧化铝产量统计 t a b l e l - 1t h eo u t p u to fa l u m i n a 预计2 0 0 7 年非中铝系氧化铝产量将突破9 0 0 万吨，届时将与中铝系氧化铝产能相 当。 1 2 3 我国氧化铝工业取得的技术成就 我国的氧化铝工业从二十世纪五十年代的烧结法生产氧化铝起步，主要是应用和 发展烧结法1 9 1 ，在烧结法的基础上，独创了拜耳烧结混联法生产工艺【m 1 1 】，建设了 具有世界先进水平的一水硬铝石为原料的拜耳法氧化铝生产线，通过多年来的技术攻 关，在技术和工艺方面取得了许多成果。特别是近二十年来，通过自主研发以及对引 进技术的消化吸收和再创新，我国氧化铝生产技术步入了快速发展的轨道，一大批适 合我国资源特点和生产方法要求的新工艺、新技术和新装备的研发成功和生产应用， 推动了我国氧化铝生产技术和装备的优化升级，技术装备水平不断提高，各项技术经 济指标不断优化和改善，实现了用最经济的方法从循环母液中回收金属镓，赤泥和粉 东北大学硕士学位论文第一章绪论 煤灰的综合利用研究取得了一定的进展，从而提高了氧化铝生产的综合经济效益，大 大提高了中国氧化铝工业的竞争力，近二十年来，我国氧化铝工业取得的主要技术成 就如下【6 、1 2 、1 3 1 。 1 2 3 1 铝土矿选矿 通过选矿以提高矿石质量是改进氧化铝生产的途径之一。铝土矿脱硅中常采用的 方法主要有化学脱硅、物理脱硅和其他一些特殊脱硅方法，有些方法尚处于实验室研 究阶段，如生物选矿，有些已经投入生产应用，如物理脱硅【1 4 j 。近几年，国内主要进 行了化学选矿( 预脱硅) 、浮选法脱硅和反浮选脱硅研究，浮选脱硅取得了较好的试 验和应用效果，铝土矿浮选脱硅可以较好地解决了我国铝土矿资源的贫化问题，是解 决我国低品位铝土矿经济利用的有效途径【1 5 6 1 。实施铝土矿选矿方法为我国氧化铝工 业的可持续发展打下了良好的基础。 1 2 3 2 节能降耗 能耗高是我国氧化铝工业与国外氧化铝工业的主要差距之一，降低能耗也是我国 氧化铝生产改进的主要目标之一，氧化铝生产的能耗主要集中于拜耳法溶出、母液蒸 发、熟料烧结、氢氧化铝焙烧和粗液脱硅等工序。近年来，我国氧化铝工业的广大科 技工作人员在节能降耗方面开展了大量的研究工作，并取得了较大的进展。 ( 1 ) 拜耳法溶出 近些年来，我国氧化铝工业在拜耳法强化溶出方面取得了较大成就，相继完成了 “3 0 0 m 3 h 一水硬铝石管道化溶出技术创新 、“拜耳法生产氧化铝间接加热强化溶出 工艺和设备研究 等工业试验和应用，形成了多种强化溶出技术：如管道化溶出、管 道预热停留罐溶出及单管预热一反应釜溶出等【”1 9 1 。这些强化溶出技术及装置的采 用大大降低了拜耳法溶出的热耗，是实现氧化铝生产节能降耗的重要技术措施。 ( 2 ) 氢氧化铝焙烧 各种类型的流态化焙烧炉的采用大大降低了焙烧热耗。中铝山西分公司、河南分 公司、广西分公司、中州分公司、贵州分公司相继引进或开发研究了不同类型的流态 化焙烧炉，提高了焙烧生产控制水平，提高了设备热效率，使焙烧热耗大幅降低。 ( 3 ) 生料烧结 生料烧结是烧结法生产中能耗最大的一个工序。近些年来，通过科技工作者的刻 苦攻关，相继完成了“二段烧成新工艺研究、“强化烧结法氧化铝生产新工艺 以及 “富矿烧结法 等工业试验，均取得了比较理想的结果 2 3 - 2 4 。 ( 4 ) 母液蒸发 母液蒸发是蒸汽消耗最大的工序，为了降低蒸发汽耗，各氧化铝生产企业通过技 术攻关或改造，引进或开发了降膜蒸发技术，充分利用降膜蒸发器传热效率高、蒸发 强度高和高效闪蒸器蒸发面积大、单位产能高的优点，稳定了蒸发过程操作，提高了 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 设备运转率和热效率，使蒸发汽耗得以大幅度降低，取得了较好的效果【2 5 1 。 ( 5 ) 烧结法脱硅 近年来，我国氧化铝生产烧结法脱硅技术经历了直接加热脱硅一间接加热连续脱 硅一常压脱硅的发展过程。间接加热连续脱硅是指加蒸汽与被加热溶液不直接接触而 进行的脱硅技术，避免了蒸汽对溶液的稀释；常压脱硅技术是使石灰乳先与铝酸钠溶 液反应生成水合铝硅酸钙，增加其活化能后再加入粗液进行脱硅，可以在较低的作业 温度下，以较少的石灰乳消耗和较短的作业时间完成脱硅作用，并获得较高的硅量指 数【6 2 6 - 2 s 1 。 脱硅技术的应用和发展，有力地促进了我国氧化铝工业生产中脱硅汽耗的逐步降 低。 1 2 3 3 产品质量和品种 随着国内外对环保要求的日益严格以及大型预焙电解槽的广泛应用，具有颗粒均 匀粗大、较好的流动性、良好的熔盐溶解性能、优越的干法吸附性等诸多优点的砂状 氧化铝更加受到青睐，生产高产出率的砂状氧化铝已成为国内各大氧化铝生产厂的主 攻方向，中铝下属各分公司对砂状分解技术进行了较长时间的探索和研究工作 2 9 - 3 0 。 中铝郑州研究院、山西分公司、贵州分公司等单位开发了高浓度铝酸钠溶液二段种分 生产砂状氧化铝技术，制得了物理性能合乎要求的产品；广西分公司开发了一段法分 解技术生产砂状氧化铝。这些技术的开发应用，促进了我国氧化铝产品质量的改进， 氧化铝的粒度和强度等均有了很大的改善。 近些年来，国内对非冶金用氧化铝的研制方面进行了大量的工作，相继有上百个 非冶金用氧化铝产品投入批量生产，如高纯超细氢氧化铝、高纯超细氧化铝、p a 2 0 3 、a 1 ( o h ) 3 填料系列、4 a 沸石、拟薄水铝石等【1 3 1 ，在电子、石油、化工、耐火 材料及医药等许多技术领域取得了广泛的应用。 1 2 3 4 新的生产方法和工艺流程 针对我国铝土矿的资源特点，为了节能降耗、实现无废料生产，我国氧化铝工业 界相继研究了一些新的生产方法和工艺流程，取得了一大批可工业应用的科研成果， 如串联法、石灰拜耳法、选矿拜耳法、富矿烧结法等。 ( 1 ) 串联法 串联法是先用经济的拜耳法处理矿石、回收绝大部分氧化铝，然后用烧结法处理 拜耳法赤泥，回收大部分的碱和小部分氧化铝，烧结法溶液脱硅后进入拜耳法系统。 其优点是a 1 2 0 3 的总回收率高，碱耗较低，可以降低生产的综合能耗和生产成本，易 于实现矿石的调配和均化。但是串联法中拜耳法赤泥炉料的烧结较为困难，当矿石中 f e 2 0 3 含量低时，还存在烧结法系统供碱不足的问题【6 】。 ( 2 ) 石灰拜耳法 东北大学硕士学位论文第一章绪论 石灰拜耳法是指在拜耳法溶出过程中添加比常规拜耳法溶出过量的石灰，使配入 的石灰量除满足与t i 0 2 反应，还使溶出过程中的脱硅产物由方钠石型的含水铝硅酸钠 转变为水化石榴石型的含水铝硅酸钙，减少溶出脱硅产物中的碱含量，降低溶出赤泥 的n s ，以达到降低生产过程碱耗的目的 3 1 - 3 3 】。 石灰拜耳法突破了常规拜耳法不能单纯用于处理低铝硅比矿石的局限，大大放宽 了生产对铝土矿a s 的限制，可以实现达到低消耗、高回收率的经济技术效果，是一 种可以经济地处理较低品位的一水硬铝石矿生产氧化铝的方法【6 3 4 1 。 ( 3 ) 选矿拜耳法 选矿拜耳法是指在常规拜耳法生产流程中增设选矿脱硅过程，是处理我国中、低 品位一水硬铝石型铝土矿生产氧化铝新的生产方法，旨在应用选矿手段提高矿石a s ， 以改善拜耳法处理较低品位铝土矿时的整体经济效益。选矿拜耳法是针对我国铝土矿 a s 较低、直接采用拜耳法不经济的特点开展的一项重大科研工作，是国家“九五 技术攻关成果，1 9 9 9 年l l n 通过了专家鉴定，属国际首创【3 5 。3 6 1 。 ( 4 ) 富矿烧结法 传统的烧结法适宜处理a s 为3 5 左右的低品位铝土矿，富矿烧结法是在两组分两 段烧结法工艺的基础上，通过采用适宜的熟料配方及相应的烧成制度生产高品位熟 料，降低熟料折合比，降低生产热耗，进而降低生产成本的一种新的氧化铝生产工艺。 富矿强化烧结对不同铝硅比的含铝原料具有广泛的适应性，允许生料配方在较大的范 围内波动。富矿烧结是烧结法系统提产降耗的重要措施【6 2 1 1 ，我国现有的传统烧结法 氧化铝厂采用富矿烧结法新工艺生产氧化铝，能够较好地实现增产降耗的目的。 1 2 3 5 资源综合利用 ( 1 ) 金属镓和钪的回收 金属镓是一种价格贵重的稀有金属，镓没有可供开采的单独矿物，常与铝土矿伴 生。在氧化铝生产过程中，矿石中的镓随铝一同被碱溶液浸出并在循环母液中逐步得 到富集【3 7 j 。 近年来，国内科研人员在镓的回收方面开展了大量的研究工作，并取得了较大进 展。中铝河南分公司采用树脂吸附法从母液中回收镓，目前粗镓产能达至1 1 5 t 年，高 纯镓产能达n s t 年。 铝土矿中伴生的最有潜力的金属是钪，在氧化铝生产中，绝大部分金属钪进入赤 泥中。中铝广西分公司在研究氧化铝生产的新方法中，成功实现了钪的富集，为提取 金属钪创造了极为便利的条件。 ( 2 ) 赤泥综合利用 氧化铝生产中会产出大量赤泥，每生产一吨氧化铝，相应产出l 2 吨赤泥，赤泥 中挟带碱液，是氧化铝厂最大的污染源。随着我国对环保的要求日益严格，赤泥综合 东北大学硕士学住论文第一章绪论 利用研究越来越受到重视。赤泥的综合利用，主要包括两个方面的工作，一是提取赤 泥中的有用组份，回收其中的有价金属；二是将赤泥作为原料和添加剂，整体加以利 用。国内对赤泥整体利用的研究比较多，也取得了较大的进展，目前，国内一些氧化 铝生产企业和研究院所正在开展从赤泥中提取有价元素的研究。 ( 3 ) 尾矿综合利用 随着铝土矿选矿的工业应用，铝土矿选尾矿的利用成为氧化铝业界面临的问题之 一。铝土矿选尾矿粒度极细，比表面积较大，吸水性极强，给固液分离处理和堆存都 带来很大的困难。针对铝土矿选尾矿的特殊物化性质，有关科研工作人员开展了铝土 矿选尾矿应用研究，并取得了一些进展。铝土矿选尾矿可用于制备和合成建材、耐火 材料、复合吸水材料等，还可用于采空区的复垦。 近些年来，我国氧化铝工业取得了一系列技术成果，通过对这些技术成果的推广 应用，我国氧化铝生产企业的装备水平和技术水平不断提高，有力地促进了我国氧化 铝工业的发展。 1 3 我国铝土矿资源 1 3 1 铝土矿的化学组成和矿物组成 铝是地壳中分布最广泛的元素之一，在地壳中的平均含量为8 7 ( 折成氧化铝为 1 6 4 ) ，仅次于氧和硅。铝的化学性质活泼，在自然界中多以氧化物、氢氧化物和含 氧的铝硅酸盐状态存在。地壳中的含铝矿物约有二百五十多种，约4 0 是各种铝硅酸 盐。铝矿物基本都是与各种脉石矿物共生在一起的，并混有杂质，在世界许多地方蕴 藏着大量的铝硅酸盐岩石。目前，用于氧化铝生产的最重要的铝矿资源是铝土矿，世 界上9 9 以上的氧化铝是用铝土矿为原料生产的；其次是明矾石、霞石、粘土等【3 8 】。 1 3 1 1 铝土矿的矿物类型 铝土矿主要用于氧化铝生产( 约9 0 ) ，也可用于人造刚玉、耐火材料及水泥等 的生产。 铝土矿的铝矿物形态对生产工艺有很大的影响，铝土矿中的氧化铝主要以三水铝 石 a l ( o n ) 3 、一水软铝石【y - a 1 0 ( o h ) 】及一水硬铝石【q - a i o ( o h ) 状态存在，其性质 如表1 2 所示 6 1 。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 表1 2 三水铝石、一水软铝石、一水硬铝石的基本性质 t a b l e l 2t h eb a s l ec h a r a c t e ro f a l 2 0 3 3 h 2 0 、y - a 1 0 ( o h ) a n dq a i o ( o h ) 依据铝土矿中三种铝矿物的含量，一般可将铝土矿分为三水铝石型、一水软铝石 型、一水硬铝石型和各种混合型，如三水铝石一一水软铝石型、一水软铝石一一水硬 铝石型等，有的一水硬铝石型铝土矿中还含有少量刚玉。鉴别铝土矿类型的方法是测 定矿石的灼减以及进行差热分析、x 射线分析和结晶光学分析等【6 _ 引。 不同形态的氧化铝及其水合物在碱溶液中的溶解速度及溶解度是不同的，氧化铝 生产中矿石的溶出条件主要取决于矿石中氧化铝存在的矿物状态。三水铝石最易溶， 适用于拜耳法生产，能耗、碱耗低，产率高。一水软铝石溶解性能次于三水铝石，一 水硬铝石特别是刚玉最难溶，需要在高温高压和强碱浓度条件下才能溶解，一般只能 采用烧结法或混联法生产，能耗较高。 1 3 1 2 铝土矿的化学组成 铝土矿是一种组成复杂、化学成分变化很大的含铝矿物，主要化学成分为砧2 0 3 、 s i 0 2 、f e 2 0 3 、t i 0 2 ，还含有少量的c a o 、m g o 、s 、g a 、v 、c r 和p 等。 铝土矿中氧化铝的含量变化很大，低的在4 0 以下，高的可达7 0 以上。与其他 有色金属矿石相比，铝土矿可算是很富的矿，含铝量一般在3 0 以上，这对冶炼过程 是一个十分有利的因素。 铝土矿中的二氧化硅是在处理铝土矿制取氧化铝时最有害的杂质。二氧化铝的含 量直接关系到氧化铝的成本，原料消耗量，能量消耗量和回收率。 1 3 2 铝土矿矿石结构特点 1 3 2 1 铝土矿的地质类型 铝土矿矿床按其成因，可分为红土型、岩溶型( 又称喀斯特型) 和齐赫文型三种 主要的地质类型睁3 8 1 。 红土型铝土矿在世界铝土矿储量中占的比例较大，大多数红土型铝土矿为地表矿 床，容易露天开采，且大多为三水铝石型铝土矿，其开采利用率较高。 岩溶型铝土矿的形成主要是含铝的岩石被含有s 0 4 2 或c 0 3 2 等具有较强的腐蚀分 东北大学硕士学位论文第一章绪论 解作用的溶液分解，使岩石中的不同元素随溶液的流动而沉积到不同的方位，经风化 等形成铝土矿床。地下开采的铝土矿主要属岩溶型铝土矿。 齐赫文型矿床全部由搬运了的铝土矿物组成，沉积于铝硅酸盐岩石的表面，其形 成过程在沉积和保留等方面需要许多有利条件的配合，所以只能形成小型的铝土矿 区。 1 3 2 2 铝土矿的结构形状 铝土矿由于其成分不同及其生成地质条件的变化，具有各种颜色和结构形状，常 见的有以下几种： ( 1 ) 粗糙状铝土矿 特点是表面粗糙，一般常见颜色有灰色、灰白色、浅黄色等。 ( 2 ) 致密状铝土矿 特点是表面光滑致密，断口呈贝壳状，颜色多为灰色、青灰色，其中高岭石含量 较高，铝硅比较低。 ( 3 ) 豆鲕状铝土矿 特征是表面呈鱼子状或豆状，胶结物主要是粗糙状铝土矿，其次为致密状铝土矿， 颜色多为深灰色、灰绿色、红褐色或灰白色。豆粒或鲕粒在矿石中的比例不一定。鲕 粒的构造比较复杂，一般由二至七层以上的同心圆组成，这些同心圆可为同一矿物， 也可以是不同的矿物。鲕心的成分也不相同，这种矿石品位一般较低。 一般来说，矿石越粗糙，铝硅比越高；相反，矿石越致密，铝硅比也就越低。豆 鲕状质地坚硬者，铝硅比也较高。 铝土矿中的铝矿物在微观结构方面也具有各种不同的特征，即所谓的多晶性和特 殊性，在铝土矿中的一种矿物可以有不同的结晶度和微观结构。溶出过程一般是按结 晶度的好坏渐进的，结晶度差的氧化铝水合物总是更快地溶出。结晶度包括晶体大小 和结晶完整程度，即与晶格中的位错和类质同晶替代作用的程度有关。 铝土矿的结构不同，加之其脉石含量、形态和分布状态的不同，造成了铝土矿性 能的不同，铝土矿的结构特征对溶出动力学有很大的影响。 。1 3 3 铝土矿质量的衡量方法 铝土矿的质量主要取决于其中氧化铝存在的矿物形态和有害杂质含量，不同类型 的铝土矿溶出性能差别很大，衡量铝土矿质量，一般考虑以下几个方面： ( 1 ) 铝土矿的铝硅比 铝硅比是指矿石中