以铝土矿尾矿为原料碳热法制取铝硅合金中生团块的性能.pdf

第 8 卷第 5 期 过 程 工 程 学 报 Vol.8 No.5 2008 年 10 月 The Chinese Journal of Process Engineering Oct. 2008 收稿日期2008−05−21，修回日期2008−07−21 基金项目国家高技术研究发展计划863基金资助项目编号2007AA06Z116 作者简介杨栋1981−，男，陕西省高陵县人，博士研究生，主要研究方向为电热法制取铝硅合金；冯乃祥，通讯联系人，Tel 024-83686463, E-mail FengNaixiang. 以铝土矿尾矿为原料碳热法制取铝硅合金中生团块的性能 杨 栋， 傅大学， 王耀武， 冯乃祥 东北大学材料与冶金学院，辽宁 沈阳 110004 摘 要探讨了一种用于测试铝土矿尾矿碳热法制取铝硅合金中生团块真密度的方法，并用容重法验证了其可行性. 在此基础上，以抗压强度和气孔率为指标，通过单因素实验和正交实验，考察了制团压力、干粉粘结剂含量、配水量、 尾矿粒度对生团块性能的影响. 结果表明，获取优质生团块的最佳工艺条件为制团压力 22.5 MPa，干粉粘结剂含量 9ω，配水量 13ω，尾矿粒度 0.420.178 mm. 此时生团块的抗压强度为 27.8 MPa，气孔率为 18.7. 关键词铝土矿尾矿；生团块；抗压强度；气孔率；单因素实验；正交实验 中图分类号TF655.3.2 文献标识码A 文章编号1009−606X200805−0920−06 1 前 言 选矿−拜尔法生产氧化铝工艺的开发对提高我国氧 化铝工业的市场竞争力、合理利用中低品位铝土矿资源 做出了重大贡献. 但选矿过程中要产出占原矿 25左右 的尾矿，一个年产 50 万 t 精矿的选矿厂要产出 13 万 t 尾矿干基. 一方面，这些尾矿堆存会污染环境，占用 土地；另一方面，尾矿中还含有大量有用资源，铝/硅比 在 1.5 左右，高于高岭土，是一种具有很大开发利用价 值的二次资源[1,2]. 据统计， 大约 60以上的铝是以铝合 金的形式进入消费领域的，其中，尤以铝硅合金消费量 最大[3]. 目前，生产铝硅合金的方法有兑掺法和碳热法. 比之兑掺法，电热法制取铝硅合金具有流程简单、设备 投资少、能量利用率高、电能消耗少、对原料要求低高 岭土、粘土即可作为原料等优点[4,5]，因此，以铝土矿 尾矿为原料碳热法制取铝硅合金的研究具有重大意义. 碳热法制取铝硅合金在电弧炉中进行， 发生的反应 为固−固反应. 将各反应物磨细混匀压制成团， 使各反应 物之间充分接触，有利于反应的进行，同时亦可避免炉 底上涨[6,7]. 根据电弧炉冶炼的工艺特点， 生球入炉直至 生成液态合金排出，一直处于运动状态，球团干燥后必 须具有较大的抗压强度，才能承受上部大量生球的压力 而不破碎，向下移动时受力摩擦而不产生粉末，这样， 反应时料层才有足够的空隙排出反应生成的气体，保证 还原反应顺利进行[8]；同时，团块本身也必须具有较大 气孔率，使反应过程中产生的气体易逸出[8,9]. 可见，良 好的生团块性能是碳热法制取铝硅合金的先决条件[9]. 本实验所用的团块组成为铝土矿尾矿、烟煤、氧化 铝、亚硫酸盐纸浆废液. 在抽真空或煮沸时，这种团块 在水中和一般有机溶剂中都会出现溶解溃散现象，不能 用传统的阿基米德法[10−12]直接测试其气孔率. 文献[13] 介绍了一种改进的阿基米德法用于测试类似团块在水 中和一般有机溶剂中都出现溶解溃散的气孔率. 它是 在制团时加入足量水饱和团块中的气孔，然后烘干团 块，根据水分减少量计算团块的真密度和气孔率，但所 加水量难以量化，因此所测气孔率可能存在较大误差. 同时，对于本实验所用的团块，若水量太大，则难以脱 模， 团块本身会发生形变而导致假密度测量困难. 因此， 本研究根据所用尾矿易细磨的特点，探讨一种测定该团 块气孔率的方法. 即取少量物料按比例混匀细磨至 0.075 mm 以下，在 500 MPa 压力下制团，以干料压实 密度近似作为团块的真密度， 并参考 GB/T5071-1997 的 测试原理，利用容重法验证了该方法的可行性. 然后根 据配料的真密度和在各种粘结剂、 水量配比和不同压力 下所测团块的体积密度求得所制团块干燥后的气孔率. 在此基础上， 以生团块的抗压强度、 气孔率为参考指标， 通过单因素实验和正交实验，考察了制团压力、干粉粘 结剂含量、配水量及尾矿粒度对生团块性能的影响，最 终确定了制取优质生团块的最佳工艺条件. 2 实 验 2.1 制团原料 实验以浮选后的铝土矿尾矿为原料，成分见表 1， 经罐磨机研磨后粒度见表 2. 所用氧化铝为分析纯试剂. 还原剂为优质神府烟煤，成分见表 3，实验时研磨至 0.097 mm 以下. 采用亚硫酸盐纸浆废液作粘结剂， 纸浆 干粉粘结剂/水质量比为 11，密度为 1.1 g/cm3. 第 5 期 杨栋等以铝土矿尾矿为原料碳热法制取铝硅合金中生团块的性能 921 表 1 尾矿的化学成分 Table 1 Chemical composition of bauxite tail , ω Al2O3 SiO2 Fe2O3 TiO2 CaO MgO K2O Others 43.8 26.33 10.52 3.08 2.8 0.42 0.14 12.91 表 2 尾矿的粒度组成 Table 2 Particle size distribution of bauxite tail Particle size mm Content , ω 0.84 22.74 0.840.42 20.59 0.420.178 21.40 0.1780.124 17.38 0.1240.097 6.88 0.84 mm 降至 0.840.42 mm 时， 气孔率下降较大，此后气孔率虽有下降、波动，但变化 幅度不太大. 这是因为粒度大时， 颗粒之间接触面积小， 孔隙较大，受压时体积收缩的空间大，气孔率下降幅度 就大. 同时，该尾矿抗压强度低，粒度大时易在压力下 破碎，使孔隙被填充，因此气孔率下降幅度就大；而当 尾矿粒度较小时，物料致密度变大，尾矿本身不仅不能 继续破裂反而因为比表面积增大而产生团聚[18]， 气孔率 的减小变缓. 综合考虑， 取尾矿粒度为 0.1780.124 mm. 图 7 粒度对生团块性能的影响 Fig.7 Effect of particle size on properties of green pellets 图 8 分别为粒度大于 0.84 和小于 0.097 mm 时团块 截面的 SEM 照片. 在图 8a中， 由于团块内部的物料颗 粒较大，颗粒之间存在较大的间隙，明显可见截面上有 许多约 1 m 的小孔和少量 5 m 左右的大孔， 同时甚至 伴随有十几微米的贯通孔. 而在图 8b中， 贯通孔消失， 虽存在 5 m 左右的大孔，但为数极少，小孔数量也较 少，大部分被物料填充，团块较为致密. 3.3 正交实验 在单因素实验基础上，为优化工艺条件，实验制取 9 种生团块，每种 14 g，各取 3 个平行样. 以生团块的 抗压强度、气孔率为指标，考察制团压力、干粉粘结剂 含量、配水量、粒度 4 个因素，按照 L934正交实验表 安排实验. 因素水平见表 5，结果见表 6. 1012141618 8 12 16 20 24 28 Compression strength MPa Moisture content , ω 15 16 17 18 19 20 21 Pore ratio 24681012 4 8 12 16 20 24 28 Pore ratio Compression strength MPa Dry agglomerant content , ω 17 18 19 20 21 22 23 0.840.840.420.420.178 0.1780.124 0.1240.0970.84 mm b 制团压力尾矿粒度 配水量，较优工艺为 A2B2C2D2；以生团块气孔率为指 标， 各因素的影响程度依次为尾矿粒度制团压力干粉 粘结剂含量配水量， 较优工艺条件为 A1B2C1D1. 可见， 上述 2 项指标的条件不完全一致. 现假定 2 项指标的地 位相等，利用综合平衡法作如下分析1 因素 B 取 B2 时 2 项指标一致，均可取得较优值；2 因素 C 对 2 项 指标均为最不重要因素，取 C1或 C2皆可；3 因素 D 对气孔率为最重要因素，而对抗压强度却为第 3 重要因 素，因此取 D1为好；4 因素 A 对 2 项指标均为第 2 重要因素，取 A1时，气孔率较好，取 A2时，抗压强度 较好，因气孔率的 K1和 K2差值很小，比抗压强度的 K1 和 K2差值小得多，因此取 A2为好. 综上，最佳的工艺 条件为 A2B2C2D1或 A2B2C1D1，为简化后续实验，二者 择一，仅取前者作为最佳工艺条件. 用以上确定的最佳工艺条件，取混匀后物料 5 份， 每份 14 g，进行生团块性能测定，得抗压强度分别为 27.8 , 27.7, 28.3, 27.6 , 27.5 MPa， 平均值为 27.8 MPa. 气 孔率分别为 18.2, 19.1, 18.6, 19.0, 18.4， 平均值 为 18.7. 二者均优于实际工业应用指标抗压强度20 MPa，气孔率13，结果说明此工艺条件稳定可行. 第 5 期 杨栋等以铝土矿尾矿为原料碳热法制取铝硅合金中生团块的性能 925 4 结 论 1 物料配方相同的条件下，粉末压实法和容重法 所测真密度值较一致，仅相差 0.003 g/cm3，证明对于该 团块物料，粉末压实法是可行的. 2 对生团块抗压强度与气孔率影响最大的分别是 干粉粘结剂含量和尾矿粒度， 配水量对二者的影响最小. 最佳工艺条件为制团压力 22.5 MPa,干粉粘结剂含量 9ω，配水量 13ω，尾矿粒度 0.420.178 mm. 此 时生团块的抗压强度为 27.8 MPa，气孔率为 18.7，均 优于实际工业指标. 参考文献 [1] 袁明亮，汪艳梅，胡岳华. 铝土矿尾矿除钛和铁及其采用表面改 性 [J]. 中国有色金属学报, 2007, 1712 2059−2064. 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Based on the , the influences of pressing pressure, dry agglomerant content, moisture content and particle size on the properties of green pellets were investigated by single-factor and orthogonal experiments using the compressing strength and pore ratio of green pellets as inds. The optimum conditions for the properties of green pellets are obtained as fellows pressing pressure 22.5 MPa, dry agglomerant content 9ω, moisture content 13ω and particle size 0.42∼0.178 mm. Under the optimum conditions, the compressing strength and pore ratio of green pellets are 27.8 MPa and 18.7, respectively. Key words bauxite tail; green pellets; compressing strength; pore ratio; single-factor experiment; orthogonal experiment