CN103924074A - 一种铁铝共生矿中有价金属元素的综合利用方法 - Google Patents

一种铁铝共生矿中有价金属元素的综合利用方法 Download PDF

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吕国志
刘燕
王艳秀
豆志河
赵秋月
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Abstract

本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种铁铝共生矿中有价金属元素的综合利用方法。本发明首先将氧化钙与铁铝共生矿混合，向混合物中加入苛性碱溶液，进行转型溶出反应得到一次转型溶液和一次溶出渣，向一次溶出渣中加入清水，通入CO2，进行碳化转型反应，得到二次转型渣，向二次转型渣中加入苛性碱溶液，得到溶铝液和三次溶铝渣，向三次溶铝渣中加入固体还原剂和粘结剂，进行深度还原，再进行磁选提铁。本发明通过将生产氧化铝过程中平衡固相的结构转变为硅酸钙以及碳酸钙，使尾渣理论上不含碱和铝，实现氧化铝工业的清洁生产、赤泥的利用和铁铝共生矿中有价元素的利用。

Description

一种铁铝共生矿中有价金属元素的综合利用方法
技术领域
本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种铁铝共生矿中有价金属元素的综合利用方法。
背景技术
我国的铝土矿资源多为一水硬铝石型铝土矿，且多为高铝、高硅的低品位铝资源。随着我国氧化铝工业的高速发展以及产能的提高，我国的优质铝土矿资源储量已很难满足我国铝工业的要求。在广西、河南、山东等省份高铁铝土矿及铁铝共生矿储量较大，目前探明储量已超过10亿吨。使用传统的拜耳法处理该类资源，仅以矿物中TFe含量10%计，在生产过程中产生的赤泥量就高于传统铝土矿的25~40%，且赤泥中的铁综合利用难度较大，目前高铁赤泥只能采用堆存的方式处理。
目前，铁铝共生矿中有价元素的综合利用技术主要包括选-冶联合及火法-湿法联合处理工艺：具体如陈德等发明的从高铁铝土矿中提取铁和铝的方法（公开号：CN1766128A），是将高铁铝土矿、石灰石、煤粉破碎后按比例混合后进行烧结，然后进行高炉冶炼，得到生铁产品，同时得到铝酸钙炉渣和CO2炉气；铝酸钙炉渣用碳酸钠溶液溶解浸出后，进行赤泥分离洗涤、脱硅、碳酸化分解制取氢氧化铝，再经焙烧得到氧化铝。
李天庚等发明的高铁铝土矿铝铁分离综合利用方法（公开号：CN1806930A），首先对高铁铝土矿进行强磁选铝铁分离，采用破碎机将矿石破碎至0~25mm粒度，通过分级机选出粒度为-0.074mm占60%~85%的矿粒，以水为输送介质，将矿浆经过强磁磁选机粗选，分离出磁性铁精矿和非磁性的粗选铝精矿；将粗选铁精矿和粗选铝精矿分别经过强磁磁选机精选和扫选，分离出精选铁精矿和精选尾矿，扫选铝精矿和扫选尾矿；将扫选铝精矿脱泥获得产品氧化铝精矿。再对分离出的磁选精矿铁精矿进行阴离子反浮选回收铁，将磁选精矿经磨矿后，磨矿粒度在-400目占84%~99%，添加调整剂、分散剂、抑制剂、捕收剂进行第一次反浮选，对分离出的铁精矿再进行第二次反浮选分离出产品富铁精矿和尾矿。
卢惠民等发明的一种以高铁铝土矿为原料制备得到多种产物的组合生产方法（公开号：101337683A），首先对高铁铝土矿用盐酸作为浸出介质进行加压浸出，铁以离子形式进入盐酸中形成铁的氯化物，而铝则留在固体铝土矿中，从而使铁与铝得到分离；然后对盐酸浸出液进行焙烧，得到铁红和氯化氢气体，氯化氢气体用洗涤水吸收成为盐酸后循环利用；对上层产物进行熔炼、定向结晶制备出硅含量为14wt%以下的共晶铝硅合金。
陈德等发明的从高铁铝土矿中提取铁和铝的方法（申请号：200510200493），是将高铁铝土矿、石灰石、煤粉破碎后按比例混合，再进行烧结，然后进行高炉冶炼，得到生铁产品，同时得到铝酸钙炉渣和CO2炉气；铝酸钙炉渣用碳酸钠溶液溶解浸出后，进行赤泥分离洗涤、脱硅、碳酸化分解制取氢氧化铝，再经焙烧得到氧化铝。采用本发明提供的方法，可同时回收高铁铝土矿中的铁和氧化铝，达到了综合利用矿产资源的目的，对开发利用我国储量丰富的潜在矿产资源具有重要意义。
在上述方法中，采用磁选的方式铁的总体收率较低，且会向氧化铝生产过程中引入一定量的有机浮选机，从而影响产品质量；采用烧结的方式会提高氧化铝生产过程的能耗，增加生产成本；而使用酸法处理含铝原料的设备投入较大。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种铁铝共生矿中有价金属元素的综合利用方法，以TFe含量>10%，氧化铝质量含量>30%的铁铝共生矿为原料，通过添加氧化钙的转型溶出、通入CO2气体转型分解、碱溶以及还原-磁选等过程，同时实现矿物中铁、铝的回收以及尾渣的综合利用，目的是有效提高铝和铁的回收效率并降低生产过程的能耗。
实现本发明目的的技术方案按照以下步骤进行：
（1）首先将氧化钙与铁铝共生矿混合，混合时按照CaO与铁铝共生矿中的氧化硅质量比为（1.3~5)：1，向混合物中加入苛性碱溶液，于100~280℃进行转型溶出反应15~60min，得到一次转型溶液和一次溶出渣；
其中的铁铝共生矿中的部分氧化铝转化为铝酸钠形式进入一次转型溶液，该过程反应如下：
Al2O3·nH2O+2NaOH+(3-n)H2O→2NaAl(OH)4，式中n=1或3；
其余的氧化铝、氧化铁、氧化硅与氧化钙反应转化为水化石榴石和铁水化石榴石，得到一次溶出渣，溶出过程的转型反应如下：
 (x/2)Al2O3·2SiO2·2H2O+(1-x/2)Al2O3·3H2O+3CaO+(3-3x/2)H2O→3CaO·Al2O3·xSiO2·(6-2x)H2O；            Al2O3·2SiO2·2H2O+Fe2O3·H2O+6CaO+5H2O→3CaO·Fe2O3·SiO2·4H2O+3CaO·Al2O3·SiO2·4H2O；
（2）将一次溶出渣与一次转型溶液分离后，向一次溶出渣中加入清水，清水与一次溶出渣在液固质量比为（2~15）：1，在密闭容器中混合后，于80~160℃向反应容器内通入CO2，并控制CO2气体分压为0.5~2.0MPa，进行碳化转型反应，得到二次转型渣；
其中，一次转型渣中的水化石榴石分解为硅酸钙、碳酸钙以及氢氧化铝，铁水化石榴石分解为硅酸钙、碳酸钙以及氧化铁，二次转型过程的主要反应如下：
3CaO·Al2O3·xSiO2·(6-2x)H2O+(3-2x)CO2→xCa2SiO4+(3-2x)CaCO3+2Al(OH)3+(3-2x)H2O；
3CaO·Fe2O3· SiO2·4H2O+CO2→Ca2SiO4+CaCO3+2Fe(OH)3+H2O；
（3）向二次转型渣中加入苛性碱溶液，得到溶铝液和三次溶铝渣，所述的溶铝液与步骤（1）中得到的一次转型溶液合流，作为制备氧化铝产品的原料；
向所述的三次溶铝渣中加入固体还原剂和粘结剂，进行造球成球团或直接压块成块坯，球团或块坯在750~1250℃的温度下进行深度还原，还原时间为5~240min，得到含有金属铁、硅酸钙及氧化钙的熟料，将熟料破碎至-150μm，再与清水按照液固质量比为（3~15）：1混合成熟料液，在磁场强度200~1200GS下，通过顺流磁选的方式提取熟料液中的金属铁，或者干式磁选的方式提铁。
其中，所述的铁铝共生矿中TFe含量>10%，氧化铝质量含量>30%。
所述的苛性碱溶液浓度为120~260g/L，加入时控制苛性碱溶液与固体的液固质量比为（2.5~7）：1。
所述的苛性碱溶液可以用铝酸钠溶液代替，铝酸钠溶液中的苛性碱浓度120~260g/L、氧化钠与氧化铝摩尔比（2.5~3.5）：1
所述的CO2气体指纯CO2气体及含有CO2的气体原料，包括锅炉烟气和石灰窑尾气。
所述的清水也可以采用低碱度的工业水代替。
所述的固体还原剂是煤粉或焦碳。
所述的粘结剂是硅藻土、水或膨润土，粘结剂加入量为三次溶铝渣质量的1~10%。
所述的球团直径为8~40mm，接压块成块坯的压强为4~30MPa。
本发明中所述的转型溶出过程是以氧化钙作为生产过程的主要原料之一，但生产过程使用的钙化原料并非局限于氧化钙，转型溶出过程可使用任何含有氧化钙的物料。
与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是： 
(1)本发明通过将使用上述物料生产氧化铝过程中平衡固相的结构转变为硅酸钙以及碳酸钙，使尾渣理论上不含碱和铝，实现氧化铝工业的清洁生产以及赤泥的利用；
(2) 使用该技术用于直接处理含铝铁的矿物原料，矿物中与含铝矿物共生的含铁矿相在钙化转型中部分转化为铁水化石榴石，铁水化石榴石经碳化处理后完全分解转化为氧化铁，可实现氧化铝矿物中与铝矿共生的铁矿完全解离，从而降低了铝矿中由于铁铝矿相伴生以及铁铝类质同晶现象造成的含铁矿物难于提取的问题；
(3)尾渣主要成分是硅酸钙及碳酸钙，可直接用于水泥工业，大幅度降低该类资源利用过程产生的固废量。
附图说明
    图1为本发明的工艺流程示意图。
具体的实施方式
本发明所举实施例采用铁铝共生矿为原料，本发明实施例并非限定本发明的范围；
本发明所举实施例中所采用的铁铝共生矿成分按质量百分比含TFe-17.60%，Al2O3-38.12%，SiO2-12.31%，TiO2-5.64%；
本发明所举实施例中所采用煤粉成分按质量百分比为固定碳85%，挥发份1.8%；
本发明所举实施例中所采用焦碳成分按质量百分比为固定碳87.6%，挥发份1.26%；
本发明所举实施例中所采用的石灰为工业级生石灰经烧制而成，其中氧化钙含量在75%左右。
实施例1
（1）首先将氧化钙与铁铝共生矿混合，混合时按照CaO与铁铝共生矿中的氧化硅质量比为1.3：1，向混合物中加入浓度为120g/L的苛性碱溶液，加入时控制苛性碱溶液与固体的液固质量比为7：1，于280℃进行转型溶出反应60min，得到一次转型溶液和一次溶出渣；
（2）将一次溶出渣与一次转型溶液分离后，向一次溶出渣中加入清水，清水与一次溶出渣在液固质量比为3：1，在密闭容器中混合后，于120℃向反应容器内通入CO2，并控制CO2气体分压为1.2MPa，进行碳化转型反应，得到二次转型渣；
（3）向二次转型渣中加入浓度为120g/L的苛性碱溶液，得到溶铝液和三次溶铝渣，所述的溶铝液与步骤（1）中得到的一次转型溶液合流，作为制备氧化铝产品的原料；
向所述的三次溶铝渣中加入固体还原剂煤粉和粘结剂硅藻土，粘结剂加入量为三次溶铝渣质量的5%，进行造球成球团，球团直径为8~40mm，球团在1250℃的温度下进行深度还原，还原时间为5min，得到含有金属铁、硅酸钙及氧化钙的熟料，将熟料破碎至-150μm，再与清水按照液固质量比为5：1混合成熟料液，在磁场强度1200GS下，通过顺流磁选的方式提取熟料液中的金属铁，或者干式磁选的方式提铁。
通过本实施例处理后，矿物中氧化铝的提取效率可达到90.12%，尾渣中氧化铝与氧化硅质量比为0.35，氧化铁的收率可在85%以上。
实施例2
（1）首先将氧化钙与铁铝共生矿混合，混合时按照CaO与铁铝共生矿中的氧化硅质量比为5：1，向混合物中加入浓度为260g/L的苛性碱溶液，加入时控制苛性碱溶液与固体的液固质量比为2.5：1，于100℃进行转型溶出反应15min，得到一次转型溶液和一次溶出渣；
（2）将一次溶出渣与一次转型溶液分离后，向一次溶出渣中加入清水，清水与一次溶出渣在液固质量比为15：1，在密闭容器中混合后，于80℃向反应容器内通入CO2，并控制CO2气体分压为2.0MPa，进行碳化转型反应，得到二次转型渣；
（3）向二次转型渣中加入浓度为260g/L的苛性碱溶液，得到溶铝液和三次溶铝渣，所述的溶铝液与步骤（1）中得到的一次转型溶液合流，作为制备氧化铝产品的原料；
向所述的三次溶铝渣中加入固体还原剂焦炭和粘结剂水，粘结剂加入量为三次溶铝渣质量的10%，进行造球成球团，球团直径为8~40mm，球团在750℃的温度下进行深度还原，还原时间为240min，得到含有金属铁、硅酸钙及氧化钙的熟料，将熟料破碎至-150μm，再与清水按照液固质量比为15：1混合成熟料液，在磁场强度200Gs下，通过顺流磁选的方式提取熟料液中的金属铁，或者干式磁选的方式提铁。
通过本实施例处理后，矿物中氧化铝的提取效率可达到86.56%，尾渣中氧化铝与氧化硅质量比为0.42，氧化铁的收率可在80%以上。
实施例3
（1）首先将氧化钙与铁铝共生矿混合，混合时按照CaO与铁铝共生矿中的氧化硅质量比为3：1，向混合物中加入浓度为240g/L的苛性碱溶液，加入时控制苛性碱溶液与固体的液固质量比为5：1，于240℃进行转型溶出反应30min，得到一次转型溶液和一次溶出渣；
（2）将一次溶出渣与一次转型溶液分离后，向一次溶出渣中加入清水，清水与一次溶出渣在液固质量比为10：1，在密闭容器中混合后，于120℃向反应容器内通入CO2，并控制CO2气体分压为0.5MPa，进行碳化转型反应，得到二次转型渣；
（3）向二次转型渣中加入浓度为240g/L的苛性碱溶液，得到溶铝液和三次溶铝渣，所述的溶铝液与步骤（1）中得到的一次转型溶液合流，作为制备氧化铝产品的原料；
向所述的三次溶铝渣中加入固体还原剂焦炭和粘结剂膨润土，粘结剂加入量为三次溶铝渣质量的1%，进行造球成球团，球团直径为8~40mm，球团在1200℃的温度下进行深度还原，还原时间为40min，得到含有金属铁、硅酸钙及氧化钙的熟料，将熟料破碎至-150μm，再与清水按照液固质量比为3：1混合成熟料液，在磁场强度600Gs下，通过顺流磁选的方式提取熟料液中的金属铁，或者干式磁选的方式提铁。
通过本实施例处理后，矿物中氧化铝的提取效率可达到85.42%，尾渣中氧化铝与氧化硅质量比为0.43，氧化铁的收率可在80%以上。
实施例4
（1）首先将氧化钙与铁铝共生矿混合，混合时按照CaO与铁铝共生矿中的氧化硅质量比为3：1，向混合物中加入浓度为160g/L的苛性碱溶液，加入时控制苛性碱溶液与固体的液固质量比为6：1，于220℃进行转型溶出反应40min，得到一次转型溶液和一次溶出渣；
（2）将一次溶出渣与一次转型溶液分离后，向一次溶出渣中加入清水，清水与一次溶出渣在液固质量比为2：1，在密闭容器中混合后，于160℃向反应容器内通入CO2，并控制CO2气体分压为1.0MPa，进行碳化转型反应，得到二次转型渣；
（3）向二次转型渣中加入浓度为160g/L的苛性碱溶液，得到溶铝液和三次溶铝渣，所述的溶铝液与步骤（1）中得到的一次转型溶液合流，作为制备氧化铝产品的原料；
向所述的三次溶铝渣中加入固体还原剂煤粉和粘结剂膨润土，粘结剂加入量为三次溶铝渣质量的1%，于4MPa下压块成块坯，块坯在1150℃的温度下进行深度还原，还原时间为30min，得到含有金属铁、硅酸钙及氧化钙的熟料，将熟料破碎至-150μm，再与清水按照液固质量比为10：1混合成熟料液，在磁场强度600Gs下，通过顺流磁选的方式提取熟料液中的金属铁，或者干式磁选的方式提铁。
通过本实施例处理后，矿物中氧化铝的提取效率可达到88.35%，尾渣中氧化铝与氧化硅质量比为0.42，氧化铁的收率可在85%以上。
实施例5
（1）首先将氧化钙与铁铝共生矿混合，混合时按照CaO与铁铝共生矿中的氧化硅质量比为3：1，向混合物中加入浓度为220g/L的苛性碱溶液，加入时控制苛性碱溶液与固体的液固质量比为5：1，于240℃进行转型溶出反应30min，得到一次转型溶液和一次溶出渣；
（2）将一次溶出渣与一次转型溶液分离后，向一次溶出渣中加入清水，清水与一次溶出渣在液固质量比为10：1，在密闭容器中混合后，于100℃向反应容器内通入CO2，并控制CO2气体分压为1.2MPa，进行碳化转型反应，得到二次转型渣；
（3）向二次转型渣中加入浓度为220g/L的苛性碱溶液，得到溶铝液和三次溶铝渣，所述的溶铝液与步骤（1）中得到的一次转型溶液合流，作为制备氧化铝产品的原料；
向所述的三次溶铝渣中加入固体还原剂煤粉和粘结剂膨润土，粘结剂加入量为三次溶铝渣质量的1%，于15MPa下压块成块坯，块坯在1250℃的温度下进行深度还原，还原时间为5min，得到含有金属铁、硅酸钙及氧化钙的熟料，将熟料破碎至-150μm，再与清水按照液固质量比为10：1混合成熟料液，在磁场强度800Gs下，通过顺流磁选的方式提取熟料液中的金属铁，或者干式磁选的方式提铁。
通过本实施例处理后，矿物中氧化铝的提取效率可达到82.35%，尾渣中氧化铝与氧化硅质量比为0.46，氧化铁的收率可在80%以上。
实施例6
（1）首先将氧化钙与铁铝共生矿混合，混合时按照CaO与铁铝共生矿中的氧化硅质量比为5：1，向混合物中加入浓度为240g/L的苛性碱溶液，加入时控制苛性碱溶液与固体的液固质量比为4：1，于260℃进行转型溶出反应30min，得到一次转型溶液和一次溶出渣；
（2）将一次溶出渣与一次转型溶液分离后，向一次溶出渣中加入清水，清水与一次溶出渣在液固质量比为8：1，在密闭容器中混合后，于120℃向反应容器内通入CO2，并控制CO2气体分压为1.2MPa，进行碳化转型反应，得到二次转型渣；
（3）向二次转型渣中加入浓度为240g/L的苛性碱溶液，得到溶铝液和三次溶铝渣，所述的溶铝液与步骤（1）中得到的一次转型溶液合流，作为制备氧化铝产品的原料；
向所述的三次溶铝渣中加入固体还原剂煤粉和粘结剂膨润土，粘结剂加入量为三次溶铝渣质量的5%，于30MPa下压块成块坯，块坯在1150℃的温度下进行深度还原，还原时间为240min，得到含有金属铁、硅酸钙及氧化钙的熟料，将熟料破碎至-150μm，再与清水按照液固质量比为10：1混合成熟料液，在磁场强度500Gs下，通过顺流磁选的方式提取熟料液中的金属铁，或者干式磁选的方式提铁。
通过本实施例处理后，矿物中氧化铝的提取效率可达到86.54%，尾渣中氧化铝与氧化硅质量比为0.42，氧化铁的收率可在85%以上。

Claims (10)

1.一种铁铝共生矿中有价金属元素的综合利用方法，其特征在于按照以下步骤进行：
（1）首先将氧化钙与铁铝共生矿混合，混合时按照CaO与铁铝共生矿中的氧化硅质量比为（1.3~5)：1，向混合物中加入苛性碱溶液，于100~280℃进行转型溶出反应15~60min，得到一次转型溶液和一次溶出渣；
（2）将一次溶出渣与一次转型溶液分离后，向一次溶出渣中加入清水，清水与一次溶出渣在液固质量比为（2~15）：1，在密闭容器中混合后，于80~160℃向反应容器内通入CO2，并控制CO2气体分压为0.5~2.0MPa，进行碳化转型反应，得到二次转型渣；
（3）向二次转型渣中加入苛性碱溶液，得到溶铝液和三次溶铝渣，所述的溶铝液与步骤（1）中得到的一次转型溶液合流，作为制备氧化铝产品的原料；
向所述的三次溶铝渣中加入固体还原剂和粘结剂，进行造球成球团或直接压块成块坯，球团或块坯进行深度还原，得到含有金属铁、硅酸钙及氧化钙的熟料，将熟料破碎至-150μm，再与清水按照液固质量比为（3~15）：1混合成熟料液，在磁场强度200~1200GS下，通过顺流磁选的方式提取熟料液中的金属铁，或者干式磁选的方式提铁。
2.根据权利要求1所述的一种铁铝共生矿中有价金属元素的综合利用方法，其特征在于所述的铁铝共生矿中TFe质量含量>10%，氧化铝质量含量>30%。
3.根据权利要求1所述的一种铁铝共生矿中有价金属元素的综合利用方法，其特征在于所述的苛性碱溶液浓度为120~260g/L，加入时控制苛性碱溶液与固体的液固质量比为（2.5~7）：1。
4.根据权利要求1所述的一种铁铝共生矿中有价金属元素的综合利用方法，其特征在于所述的苛性碱溶液可以用铝酸钠溶液代替，铝酸钠溶液中的苛性碱浓度120~260g/L、氧化钠与氧化铝摩尔比（2.5~3.5）：1。
5.根据权利要求1所述的一种铁铝共生矿中有价金属元素的综合利用方法，其特征在于所述的CO2气体指纯CO2气体及含有CO2的气体原料，包括锅炉烟气和石灰窑尾气。
6.根据权利要求1所述的一种铁铝共生矿中有价金属元素的综合利用方法，其特征在于所述的清水也可以采用低碱度的工业水代替。
7.根据权利要求1所述的一种铁铝共生矿中有价金属元素的综合利用方法，其特征在于所述的固体还原剂是煤粉或焦碳。
8.根据权利要求1所述的一种铁铝共生矿中有价金属元素的综合利用方法，其特征在于所述的粘结剂是硅藻土、水或膨润土，粘结剂加入量为三次溶铝渣质量的1~10%。
9.根据权利要求1所述的一种铁铝共生矿中有价金属元素的综合利用方法，其特征在于所述的球团直径为8~40mm，接压块成块坯的压强为4~30MPa。
10.根据权利要求1所述的一种铁铝共生矿中有价金属元素的综合利用方法，其特征在于所述的深度还原温度为750~1250℃，还原时间为5~240min。
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