一水硬铝石矿活化焙烧工艺研究.pdf

收稿日期 2008211212 基金项目国家自然科学基金资助项目50174018 ;教育部高等学校博士学科点专项科研基金资助项目20050145029 ;辽宁省 优秀青年科技人才基金资助项目2005221012 作者简介王一雍1980 - ,男,辽宁鞍山人,东北大学博士研究生,辽宁科技大学讲师;张廷安1960 - ,男,河南周口人,东北大 学教授,博士生导师 第30卷第8期 2009年8月 东 北 大 学 学 报自 然 科 学 版 Journal of Northeastern UniversityNatural Science Vol130 ,No. 8 Aug.2 0 0 9 一水硬铝石矿活化焙烧工艺研究 王一雍,张廷安,鲍 丽,金 辉 东北大学 多金属共生矿生态化利用教育部重点实验室,辽宁 沈阳 110004 摘 要利用马弗炉对我国一水硬铝石矿进行了活化焙烧的实验研究,以降低拜耳法溶出的温度研究 了焙烧温度、 焙烧时间等因素对铝土矿的溶出性能的影响,将活化焙烧矿的溶出性能与原矿的溶出性能进行 了对比利用SEM技术对活化焙烧矿的微观形貌进行表征实验结果表明合适的活化焙烧工艺条件为焙烧 温度585℃,焙烧时间60 min在此焙烧条件下,当达到最大溶出率时,焙烧矿的溶出温度较原矿下降了40℃ 关 键 词一水硬铝石;活化焙烧工艺;焙烧温度;焙烧时间;溶出性能 中图分类号 TF 803. 21 文献标识码 A 文章编号 10052302620090821166204 Study on Roasting Process of Diasporic Bauxite WAN G Yi2yong , ZHAN G Ting2an , BAO Li , JIN Hui Key Laboratory forEcological Utilization ofMultimetallic Mineral , Ministry of Education , Northeastern University , Shenyang 110004 , China. Correspondent ZHANG Ting2an , professor , E2mail zhangta smm. neu. Abstract An activating roasting process of Chinese diasporic bauxite was tested by muffle to lower the digestion temperature in Bayer process.The effects of operation parameters such as roasting temperature/ time on the digestibility of the diasporic bauxite were investigated , and the digestibilities of the activated roasted ore and raw ore were compared with each other.The microstructure and morphology of roasted ore were characterized by SEM. The results showed that the optimal roasting temperature/ time is 585℃for 60 min , and under such roasting conditions the digestion temperature of roasted ore decreases by 40℃in comparison with that of the raw ore when the digestibility comes up to the same maximum value. Key words diasporic bauxite ; activating roasting process; roasting temperature ; roasting time ; digestibility 铝土矿溶出过程是拜耳法生产氧化铝的最关 键过程和主要耗能工序之一[1 - 2]强化拜耳法溶 出不仅关系到溶出工序本身的经济性,而且直接 影响氧化铝生产的技术经济指标,一直是一水硬 铝石生产氧化铝的研究重点目前强化拜耳法溶 出主要有两大途径[3 - 4]一是提高溶出温度,提 高溶出温度可以降低溶出液摩尔比、 缩短溶出时 间、 降低循环碱液的质量浓度,从而提高循环效 率,降低能耗提高溶出温度仍然是氧化铝提产降 耗的主流渠道,但溶出温度提高,铝酸钠溶液的饱 和蒸汽压急剧增加,对溶出设备的强度要求更高, 设备上将遇到困难,该途径难以适用于改造我国 原有的氧化铝生产体系二是通过外场处理,改变 铝土矿自身晶体结构,改善其溶出性能,实现低温 溶出,从而达到强化溶出的目的,比如焙烧活化、 机械活化、 微波处理等方式 国内外研究结果表明[5 - 9],将铝土矿在适当 的条件下加以焙烧是提高其中氧化物活性的有效 方法活化焙烧能大幅提高一水硬铝石矿的化学 活性,改善焙烧矿的溶出性能,对磨矿、 预脱硅、 赤 泥沉降、 晶种分解以及赤泥综合利用将带来有利 的影响相对于提高溶出温度的强化途径,通过外 场作用改变矿石的结构显得简便而可行,成为目 前强化溶出的主要研究方向本文针对河南某铝 矿进行了一水硬铝石活化焙烧-低温拜耳法溶出 工艺实验研究,确定了其最佳的焙烧条件,揭示了 一水硬铝石型铝土矿强化溶出的微观机制,由此 形成强化溶出的技术原型,为一水硬铝石活化焙 烧-拜耳法强化溶出工艺在工业生产上的实际应 用提供了理论基础 1 实 验 实验所采用的铝土矿石来自某铝厂,经过破 碎,细磨至实验所需粒度要求矿石的XRD分析 结果如图1所示结果表明,铝土矿主要由一水硬 铝石矿组成,还含有针铁矿、 高岭石、 锐钛矿等共 生矿物 图1 原矿的XRD分析结果 Fig. 1 XRD patterns of raw ore samples 溶出液配制由某铝厂的种分母液和分析纯 氢氧化钠及分析纯氢氧化铝配制而成其组分如 表1所示 活化焙烧实验在SX2- 5 - 12型箱式电阻炉 中进行,采用热电偶进行自动测温将预处理矿 石置于石墨坩埚中,放入电阻炉内,进行活化焙 烧实验焙烧矿溶出实验在WHFS - 1型高压釜 中进行,采用的工艺条件为溶出温度200℃,溶 出时间60 min ,石灰添加量5 溶出液与焙烧矿 混合后放入高压釜内,溶出过程结束后,将溶出矿 浆抽滤,过滤分离溶出赤泥,然后分别测定溶液中 Al2O3和Na2Ok质量浓度和赤泥中Al2O3和SiO2 的含量,算出不同条件下的Al2O3溶出率η和溶 出液的摩尔比r 表1 溶出母液成分分析 Table 1 Composition of digested mother liquor 样 品 质量浓度/ gL - 1 NkNTAl2O3 r 1212. 4232. 2113. 13. 09 2212. 4233. 2206. 71. 6 注Nk为苛碱,NT为全碱,r为循环母液摩尔比 2 结果与讨论 为了对一水硬铝石活化焙烧的微观机理有更 进一步的认识,对不同条件下的焙烧产物的晶体 形貌进行分析,结果如图2、 图3所示从图2可 以看出,温度对一水硬铝石矿的表面形貌影响十 分显著,随着焙烧温度的增加,这种结构变化趋势 越来越明显435～485℃ 还能看到类似一水硬铝 石矿的晶体结构,相应的矿石的比表面积增大的 趋势并不明显;当焙烧温度超过535℃,一水硬铝 石的晶面纵纹开始消失,矿石表面的微裂纹和微 小孔洞逐渐增加,矿石逐渐失去原有的微观形貌, 相应的比表面积增加的趋势十分明显;当焙烧温 度达到585℃ 时,致密的一水硬铝石晶体结构完 全消失,晶体表面完全由孔洞和微裂纹构成,晶粒 发生了细化现象;当焙烧温度达到635℃ 时,晶粒 的细化现象更为严重,并且局部有烧结的现象发 生,由于焙烧温度过高造成铝土矿烧结,过渡态的 氧化铝开始转化成晶体结构完整的刚玉,比表面 积反而减小了 图2 不同焙烧温度下一水硬铝石矿的扫描电镜照片 Fig. 2 SEM images of diasporic bauxite at different roasting temperatures in muffle a 原矿 ; b 435℃ ; c 485℃ ; d 535℃ ; e 585℃ ; f 635℃ 7611第8期 王一雍等一水硬铝石矿活化焙烧工艺研究 图3 不同焙烧时间下一水硬铝石矿的扫描电镜照片 Fig. 3 SEM images of diasporic bauxite held for different roasting time in muffle a 原矿 ; b 10 min; c30 min; d60 min; e80 min; f100 min 从图3可以看出,当焙烧温度为585℃ 时,焙 烧时间在10～20 min内,焙烧矿的表面形貌与原 矿相比变化不大;当焙烧时间超过30 min ,晶体表 面出现了微裂纹和细小孔洞;当焙烧时间达到60 min时,微裂纹和细小孔洞已经占据了整个晶体 表面,焙烧矿晶体表面变得疏松多孔;焙烧时间继 续增加,焙烧矿的表观形貌变化不大焙烧矿的比 表面积随着焙烧时间的增加也在逐渐增大,当焙 烧时间为10～60 min ,比表面积增加趋势很明显, 但焙烧时间为80 ,100 min时,相应的比表面积与 焙烧时间为60 min的比表面积相比变化不大因 此可以推断,585℃ 焙烧60 min ,已足以有效改变 矿物的微观形貌,达到理想的活化效果 2. 1 焙烧温度对铝土矿溶出性能的影响 将435 ,485 ,535 ,585 ,635和685℃下焙烧 60 min的焙烧矿在200℃ 温度下进行溶出,溶出 实验结果见图4其中η为氧化铝溶出率, r为溶 出液摩尔比由图4可知,在435～685℃ 的温度 范围内,焙烧矿中氧化铝溶出率呈现先增加、 后 图4 焙烧温度对氧化铝溶出性能的影响 Fig. 4 Effect of roasting temperature on digestibility of bauxite 减少的趋势,在585℃ 左右达到该溶出条件下的 最大值从图4焙烧温度与溶出液摩尔比的关系 同样能得出该趋势这与矿物微观形貌的变化规 律完全吻合 2. 2 焙烧时间对一水硬铝石溶出性能的影响 将焙烧温度为585℃,焙烧时间分别为10 , 20 ,30 ,40 ,60 ,80和100 min的焙烧矿在200℃ 的 温度下进行溶出,实验结果如图5所示从图中可 以看出,焙烧时间在10～60 min时,随着焙烧时 间的增加,η显著增加,相应的r值明显降低,但 当焙烧时间超过60 min时,矿石中氧化铝溶出率 的增加趋势和相应的r的降低趋势明显减缓,这 与焙烧矿的微观形貌变化规律也一致由此可以 推断焙烧温度585℃、 焙烧时间60 min是该铝土 矿的一个最佳焙烧条件 图5 焙烧时间对氧化铝溶出性能的影响 Fig. 5 Effect of roasting time on digestibility of bauxite 2. 3 原矿与活化矿溶出性能比较研究 矿石经过焙烧预处理后,溶出性能得到极大 改善本文对在585℃ 焙烧60 min的焙烧矿,在 180 ,200 ,220 ,240和260℃ 的溶出温度下,进行 溶出性能实验研究,结果如图6、 图7所示其中η 8611东北大学学报自然科学版 第30卷 为实际溶出率从图中可以看出,矿石经过焙烧 后,其溶出性能有了明显改善矿石未焙烧前,当 溶出温度为260℃ 时,溶出率接近理论值矿石的 理论溶出率为89114 ,溶出液的摩尔比降低到 1156左右;而当溶出温度为220℃ 时,焙烧矿的 实际溶出率已经达到理论值,相应的r降低到 1145左右从图6中可以明显看出,活化矿在 220 ,240和260℃ 时的η几乎相同,图6中相应 的r也有此规律由此推断矿石经焙烧后,达到 理想溶出效果所需的溶出温度大大降低,从 260℃ 降到了220℃,这就大幅度地节约了能耗, 实现了一水硬铝石矿的低温拜耳法溶出 图6 溶出温度对焙烧矿溶出率的影响 Fig. 6 Effect of digesting temperature on digestion rate of roasted ore 图7 溶出温度对焙烧矿溶出液摩尔比的影响 Fig. 7 Effect of digesting temperature on molecular ratio in digested solution with roasted ore 3 结 论 1 活化焙烧后,矿石表面形貌发生了极大改 变随着焙烧温度的增加,焙烧矿表面的缝隙和微 裂纹都明显增加,表面变得疏松多孔,但焙烧温度 过高会使矿物发生烧结现象;焙烧时间的增加也 会使矿物的微观形貌发生改变 2 在435～585℃ 的焙烧温度区间内,活化 焙烧后氧化铝的溶出性能随着焙烧温度的增加而 增加,当焙烧温度超过585℃ 时,氧化铝的溶出性 能下降合适的焙烧条件为焙烧温度585℃,焙烧 时间60 min 3 焙烧预处理会使铝土矿发生晶格畸变,使 其变成晶型不完善、 化学活性较高的中间态氧化 铝,从而改善其溶出性能在本实验中,矿石经过 活化焙烧后,其溶出温度降低了40℃,从260℃ 降低到220℃ 参考文献 [1]Li M S , Peng Z H , Liu G H ,et al. 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