CN107805717A - 一种利用赤泥制备铝钪合金的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种从赤泥中制备铝钪合金的系统，包括：混料装置、烧结装置、冷却装置、磨细装置、磁选装置、碱浸出装置、酸浸萃取装置、电解装置。还公开了一种从赤泥中制备铝钪合金的方法，包括：将烘干的赤泥、还原剂、添加混合均匀，然后将混合物料进行烧结，随炉冷却至室温后磨细，之后采用磁选回收铁，之后用碱液溶出磁选尾渣，即可将氧化铝溶出，然后将碱浸出渣进行酸浸和萃取，得到Sc2O3，以氧化铝和Sc2O3为原料并添加冰晶石在高温下电解形成Al‑Sc合金，整个工艺过程原料不需要进行成型处理，工艺简单，所需反应温度低于常规工艺，能生产出高附加值产品Al‑Sc合金，实现赤泥中金属的综合回收利用。

Description

一种利用赤泥制备铝钪合金的系统和方法
技术领域
本发明涉及铁合金领域，尤其涉及一种利用赤泥制备铝钪合金的系统和方法。
背景技术
赤泥，是铝土矿提炼氧化铝过程中产生的废弃物，因其为赤红色泥浆而得名。随着铝工业的不断发展，自2005年到2015年，中国氧化铝产量从859万吨/年发展到5898万吨/年，全球氧化铝产量从5616万吨/年发展到12471万吨/年。赤泥为氧化铝工业提取氧化铝时排出的污染性废渣，一般平均每生产1吨氧化铝，可副产1～2吨赤泥。我国氧化铝赤泥的年新增量可达7000万吨以上，历史累计堆存量已超过3.5亿吨。世界上大多数氧化铝厂是将赤泥堆积或者倾入深海。赤泥中含有大量的铁、铝、钠、钙等金属，赤泥的堆存不仅占用大量的土地和农田，耗费较多的堆场建设及维护费用，造成严重的水质污染，且浪费了大量的金属资源。赤泥中既含有价金属组分如Fe2O3、Al2O3、Na2O、TiO2等经济价值较低的碱金属，同时含有大量的稀土金属元素，比如赤泥中的Sc2O3的含量有的可达0.02％，比普通钪矿中的含量高出一个数量级。单独就某一种元素进行回收利用不能很好地解决工艺经济性和赤泥堆存量巨大的问题，必须采用多种金属联合回收技术才能真正的实现赤泥的综合利用和减量化。因此，赤泥的综合治理及其金属资源的有效回收成为人们日益关注的焦点。
铝钪合金是一种高性能铝合金，被认为是新一代航天航空、舰船、兵器用高性能铝合金结构材料。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提出一种利用赤泥制备铝钪合金的系统和方法，降低制备铝钪合金的技术难度和电耗，实现了多金属综合回收利用，提高了经济效益。
为此本发明公开了一种从赤泥中制备铝钪合金的系统，具体包括：
混料装置，所述混料装置具有原料入口和混合物料出口，且适用于将各种原料混合均匀，以便得到混合物料；
烧结装置，所述烧结装置具有烧结物料入口和烧结物料出口，所述烧结物料入口与所述混料装置的混合物料出口相连，所述烧结装置用于将所述混合物料进行烧结；
冷却装置，所述冷却装置具有与所述烧结物料出口相连的冷却物料入口和冷却物料出口，所述冷却装置用于将所述的烧结后的物料进行冷却，以便得到冷却混合物料；
磨细装置，所述磨细装置具有磨细物料入口和磨细物料出口，且所述磨细物料入口与所述冷却物料出口相连，冷却混合物料经磨细装置磨细后得到磨细物料；
磁选装置，所述磁选装置具有与所述磨细物料出口相连的磁选物料入口，磁选铁精粉出口和磁选尾矿出口，磁选装置适用于将所述的磨细物料进行磁选，以便得到磁选铁精粉和磁选尾矿；
碱浸出装置，所述碱浸出装置具有与所述磁选尾矿出口相连的磁选尾矿入口，氧化铝出口和碱浸出渣出口，碱浸出装置用于得到碱浸出渣和氧化铝产品；
酸浸萃取装置，所述酸浸萃取装置具有与所述碱浸出渣出口相连的碱浸出渣入口和Sc2O3出口，碱浸出渣经酸浸萃取装置得到Sc2O3；
电解装置，所述电解装置具有原料入口、产品出口和气体出口，且所述原料入口与所述磁选铁精粉出口、所述氧化铝出口和所述Sc2O3出口相连，氧化铝、Sc2O3和冰晶石经所述电解装置得到最终产品Al-Sc合金和CO气体。
进一步地，所述烧结装置为为隧道窑或回转窑，所述烧结装置还具有一个CO气体入口；
进一步地，所述电解装置的气体出口与所述烧结装置的CO气体入口相连，用于将所述电解装置产生的CO气体回流至烧结装置用于还原烧结。
根据本发明的另一个方面，本发明还提出了一种从赤泥中制备铝钪合金的方法，包括以下步骤：
S1、将烘干的赤泥、还原剂、添加剂按比例混合得到混合物料；
S2、将所述混合物料烧结得烧结物料；
S3、将所述烧结物料随炉冷却至室温后磨细得到磨细物料；
S4、将所述磨细物料磁选，得到磁选铁精粉和磁选尾矿；
S5、将所述磁选尾矿用碱液浸出，得到碱浸出渣和氧化铝浸出液；
S6、将所述碱浸出渣用3mol/L盐酸进行酸浸，液固比为3:1，并对浸出液使用P204、TBP和仲辛醇进行萃取，得到Sc2O3溶液；
S7、以所述氧化铝浸出液和Sc2O3溶液为原料，并添加冰晶石在高温下采用熔盐电解法电解形成Al-Sc合金和CO气体，所述氧化铝、所述Sc2O3和所述冰晶石三者的摩尔比例为17：3：80。
进一步地，上述方法还包括：
S8、电解产生的所述CO气体返回到步骤S2中为烧结提供还原气氛，促进还原反应。
进一步地，所述赤泥是拜耳法赤泥或联合法赤泥中的一种或两种混合物。
进一步地，所述还原剂是兰炭、焦炭或非炼焦煤中的一种或几种，粒度为1～3mm。
进一步地，所述添加剂包括钙系添加剂和碳酸钠，所述钙系添加剂是生石灰、石灰石、碳酸钙、白云石中的一种，粒度为0.074mm以下。
进一步地，步骤S1中赤泥、还原剂、添加剂的比例以质量份计为：赤泥90份，还原剂9～18份，钙系添加剂27～45份，碳酸钠13.5～36份，使得n(Na2O)/n(Al2O3)＝1，n(CaO)/n(SiO2)＝2。
进一步地，步骤S2中混合物料的烧结温度为1100-1250℃，烧结时间为60～90min。
进一步地，步骤S3中磨细物料中不高于0.074mm的颗粒占80％～90％。
进一步地，所述铁精粉的铁品位为75％～85％，铁回收率为80～85％。
进一步地，所述氧化铝的回收率为85％～90％。
进一步地，所述Sc2O3纯度为85％～95％。
进一步地，步骤S7中所述熔盐电解法电解的温度为900～1000℃，所述Al-Sc合金的Sc质量百分含量为0.5％～2％，Al和Sc的质量百分含量之和大于99％。
按照所述的原料配比进行配料，可以在低于常规转底炉处理赤泥的温度下，同时实现赤泥中铁的还原和铝的物相的调整，使其既有利于后续磨矿磁选流程回收铁，也可以提高碱浸过程中铝的回收。
赤泥中的铁矿物经还原后转换为金属铁，经磁选流程除去铁以后，可以为后续浸出流程提供合适的原料，促进碱浸过程中铝的回收。
本发明的有益效果在于：
(1)整个工艺过程原料不需要进行成型处理，工艺简单；
(2)工艺所需反应温度低于常规工艺如隧道窑、回转窑、竖炉或转底炉处理赤泥所需温度，能耗低；
(3)本发明提出的系统与传统处理工艺不同，能生产出高附加值产品Al-Sc合金，实现赤泥中金属的综合回收利用。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得显而易见和容易理解，其中：
图1是本发明中从赤泥中制备铝钪合金的系统的结构示意图。
图2是本发明中从赤泥中制备铝钪合金的方法的流程示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
根据本发明的附图1，示出了一种从赤泥中制备铝钪合金的系统，具体包括：
混料装置1，所述混料装置1具有原料入口和混合物料出口，且适用于将各种原料混合均匀，以便得到混合物料；
烧结装置2，所述烧结装置2具有烧结物料入口和烧结物料出口，所述烧结物料入口与所述混料装置的混合物料出口相连，所述烧结装置2用于将所述混合物料进行烧结；
冷却装置3，所述冷却装置3具有与所述烧结物料出口相连的冷却物料入口和冷却物料出口，所述冷却装置3用于将所述的烧结后的物料进行冷却，以便得到冷却混合物料；
磨细装置4，所述磨细装置4具有磨细物料入口和磨细物料出口，且所述磨细物料入口与所述冷却物料出口相连，冷却混合物料经磨细装置4磨细后得到磨细物料；
磁选装置5，所述磁选装置5具有与所述磨细物料出口相连的磁选物料入口，磁选铁精粉出口和磁选尾矿出口，磁选装置5用于将所述的磨细物料进行磁选，以便得到磁选铁精粉和磁选尾矿；
碱浸出装置6，所述碱浸出装置6具有与所述磁选尾矿出口相连的磁选尾矿入口，氧化铝出口和碱浸出渣出口，碱浸出装置6用于得到碱浸出渣和氧化铝产品；
酸浸萃取装置7，所述酸浸萃取装置7具有与所述碱浸出渣出口相连的碱浸出渣入口和Sc2O3出口，碱浸出渣经酸浸萃取装置得到Sc2O3；
电解装置8，所述电解装置8具有原料入口、产品出口和气体出口，且所述原料入口与所述磁选铁精粉出口、所述氧化铝出口和所述Sc2O3出口相连，氧化铝、Sc2O3和冰晶石经所述电解装置8得到最终产品Al-Sc合金和CO气体。
更具体地，所述烧结装置2为隧道窑或回转窑，所述烧结装置2还具有一个CO气体入口；
更具体地，所述电解装置8的气体出口与所述烧结装置2的CO气体入口相连，用于将所述电解装置8产生的CO气体回流至烧结装置2用于还原烧结。
根据本发明的附图2，示出了一种从赤泥中制备铝钪合金的方法，包括以下步骤：
S1、将烘干的赤泥、还原剂、添加剂在混料装置1中按比例混合得到混合物料；
S2、将所述混合物料在烧结装置2中烧结得烧结物料；
S3、将所述烧结物料在冷却装置3中随炉冷却至室温后在磨细装置4中磨细得到磨细物料；
S4、将所述磨细物料在磁选装置5中磁选，得到磁选铁精粉和磁选尾矿；
S5、将所述磁选尾矿在碱浸出装置6中用碱液浸出，得到碱浸出渣和氧化铝浸出液；
S6、将所述碱浸出渣用3mol/L盐酸进行酸浸，液固比为3:1，并对浸出液使用P204、TBP和仲辛醇进行萃取，得到Sc2O3溶液；
S7、以所述氧化铝浸出液和Sc2O3溶液为原料，并添加冰晶石在高温下采用熔盐电解法电解形成Al-Sc合金和CO气体，所述氧化铝、所述Sc2O3和所述冰晶石三者的摩尔比例为17：3：80。
更具体地，上述方法还包括：
S8、电解产生的所述CO气体返回到步骤S2的烧结装置2中为烧结提供还原气氛，促进还原反应。
更具体地，所述赤泥是拜耳法赤泥或联合法赤泥中的一种或两种混合物。
更具体地，所述还原剂是兰炭、焦炭或非炼焦煤中的一种或几种，粒度为1～3mm。
更具体地，所述添加剂包括钙系添加剂和碳酸钠，所述钙系添加剂是生石灰、石灰石、碳酸钙、白云石中的一种，粒度为0.074mm以下。
更具体地，步骤S1中赤泥、还原剂、添加剂的比例以质量份计为：赤泥90份，还原剂9～18份，钙系添加剂27～45份，碳酸钠13.5～36份，使得n(Na2O)/n(Al2O3)＝1，n(CaO)/n(SiO2)＝2。
更具体地，步骤S2中混合物料的烧结温度为1100-1250℃，烧结时间为60～90min。
更具体地，步骤S3中磨细物料中不高于0.074mm的颗粒占80％～90％。
更具体地，所述铁精粉的铁品位为75％～85％，铁回收率为80～85％。
更具体地，所述氧化铝的回收率为85％～90％。
更具体地，所述Sc2O3纯度为85％～95％。
更具体地，步骤S7中所述熔盐电解法电解的温度为900～1000℃，所述Al-Sc合金的Sc质量百分含量为0.5％～2％，Al和Sc的质量百分含量之和大于99％。
具体实施例
实施例1
某拜耳法赤泥的全铁质量分数为32.61％，0.046mm以下颗粒占87％，还原剂采用兰炭(固定碳83％，灰分9％)，粒度为2mm。将其烘干后以质量份计按照拜耳法赤泥：兰炭：石灰石：碳酸钠＝90：9：31.5：16.2进行配料并混合均匀，使得n(Na2O)/n(Al2O3)＝1，n(CaO)/n(SiO2)＝2，将混合物料在1100℃下烧结60min，随炉冷却至室温后，磨细至不高于0.074mm占80％后经磁选回收铁，之后用碱液溶出磁选尾渣，即可将氧化铝溶出，氧化铝回收率为85％，磁选铁精矿铁品位为75％，铁回收率为85％。然后将碱浸出渣用盐酸进行酸浸，并对浸出液使用P204、TBP和仲辛醇进行萃取，得到纯度较高，约85％的Sc2O3。以氧化铝和Sc2O3为原料，并添加冰晶石(Na3AlF6)，使氧化铝、Sc2O3和冰晶石三者的摩尔比例为17：3：80。在900℃下采用熔盐电解法电解形成Al-Sc合金，其中Sc含量为0.5％，Al和Sc的含量之和为99.3％。电解所产生的CO气体返回到烧结装置，促进其还原。
实施例2
某拜耳法赤泥的全铁质量分数为32.61％，0.046mm以下颗粒占87％，还原剂采用焦炭(固定碳77％，灰分9％)，粒度为2mm。将其烘干后以质量份计按照拜耳法赤泥：焦炭：生石灰：碳酸钠＝90：13.5：36：22.5，使得n(Na2O)/n(Al2O3)＝1，n(CaO)/n(SiO2)＝2，进行配料并混合均匀，将混合物料在1200℃下烧结70min，随炉冷却至室温后，磨细至不高于0.074mm占85％后经磁选回收铁，之后用碱液溶出磁选尾渣，氧化铝回收率为87％，磁选铁精矿铁品位为78％，铁回收率为81％。然后将碱浸出渣用盐酸进行酸浸，并对浸出液使用P204、TBP和仲辛醇进行萃取，得到纯度较高，约90％的Sc2O3。以氧化铝和Sc2O3为原料，并添加冰晶石(Na3AlF6)，使氧化铝、Sc2O3和冰晶石三者的摩尔比例为17：3：80。在950℃下采用熔盐电解法电解形成Al-Sc合金，其中Sc含量为1.5％，Al和Sc的含量之和为99.5％。电解所产生的CO气体返回到烧结装置，促进其还原。
实施例3
某联合法赤泥的全铁质量分数为29.57％，0.046mm以下颗粒占88％，还原剂采用兰炭(固定碳83％，灰分9％)，粒度为2mm。将其烘干后以质量份计按照拜耳法赤泥：焦炭：生石灰：碳酸钠＝90：18：40.5：31.5，使得n(Na2O)/n(Al2O3)＝1，n(CaO)/n(SiO2)＝2，进行配料并混合均匀，将混合物料在1250℃下烧结90min，随炉冷却至室温后，磨细至不高于0.074mm占90％后经磁选回收铁，之后用碱液溶出磁选尾渣，氧化铝回收率为90％，磁选铁精矿铁品位为85％，铁回收率为80％。然后将碱浸出渣用盐酸进行酸浸，并对浸出液使用P204、TBP和仲辛醇进行萃取，得到纯度较高，约90％的Sc2O3。以氧化铝和Sc2O3为原料，并添加冰晶石(Na3AlF6)，使氧化铝、Sc2O3和冰晶石三者的摩尔比例为17：3：80。在1000℃下采用熔盐电解法电解形成Al-Sc合金，其中Sc含量为2％，Al和Sc的含量之和为99.7％。电解所产生的CO气体返回到烧结装置，促进其还原。
实施例4
某联合法赤泥的全铁质量分数为29.57％，0.046mm以下颗粒占88％，还原剂采用非炼焦煤(固定碳80％，灰分10％)，粒度为2mm。将其烘干后以质量份计按照拜耳法赤泥：非炼焦煤：碳酸钙：碳酸钠＝90：18：27：13.5，使得n(Na2O)/n(Al2O3)＝1，n(CaO)/n(SiO2)＝2，进行配料并混合均匀，将混合物料在1250℃下烧结90min，随炉冷却至室温后，磨细至不高于0.074mm占90％后经磁选回收铁，之后用碱液溶出磁选尾渣，氧化铝回收率为90％，磁选铁精矿铁品位为85％，铁回收率为80％。然后将碱浸出渣用盐酸进行酸浸，并对浸出液使用P204、TBP和仲辛醇进行萃取，得到纯度较高，约90％的Sc2O3。以氧化铝和Sc2O3为原料，并添加冰晶石(Na3AlF6)，使氧化铝、Sc2O3和冰晶石三者的摩尔比例为17：3：80。在1000℃下采用熔盐电解法电解形成Al-Sc合金，其中Sc含量为2％，Al和Sc的含量之和为99.8％。电解所产生的CO气体返回到烧结装置，促进其还原。
实施例5
某联合法赤泥的全铁质量分数为29.57％，0.046mm以下颗粒占88％，还原剂采用兰炭(固定碳83％，灰分9％)和焦炭(固定碳77％，灰分9％)，粒度为2mm。将其烘干后以质量份计按照拜耳法赤泥：兰炭和焦炭：白云石：碳酸钠＝90：18：45：36，使得n(Na2O)/n(Al2O3)＝1，n(CaO)/n(SiO2)＝2，进行配料并混合均匀，将混合物料在1250℃下烧结90min，随炉冷却至室温后，磨细至不高于0.074mm占90％后经磁选回收铁，之后用碱液溶出磁选尾渣，氧化铝回收率为90％，磁选铁精矿铁品位为85％，铁回收率为80％。然后将碱浸出渣用盐酸进行酸浸，并对浸出液使用P204、TBP和仲辛醇进行萃取，得到纯度较高，约90％的Sc2O3。以氧化铝和Sc2O3为原料，并添加冰晶石(Na3AlF6)，使氧化铝、Sc2O3和冰晶石三者的摩尔比例为17：3：80。在1000℃下采用熔盐电解法电解形成Al-Sc合金，其中Sc含量为2％，Al和Sc的含量之和为99.8％。电解所产生的CO气体返回到烧结装置，促进其还原。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种从赤泥中制备铝钪合金的系统，其特征在于，所述系统包括：
混料装置，所述混料装置具有原料入口和混合物料出口；
烧结装置，所述烧结装置具有与所述混料装置的混合物料出口相连的烧结物料入口和烧结物料出口；
冷却装置，所述冷却装置具有与所述烧结物料出口相连的冷却物料入口和冷却物料出口；
磨细装置，所述磨细装置具有与所述冷却物料出口相连的磨细物料入口和磨细物料出口；
磁选装置，所述磁选装置具有与所述磨细物料出口相连的磁选物料入口，磁选铁精粉出口和磁选尾矿出口；
碱浸出装置，所述碱浸出装置具有与所述磁选尾矿出口相连的磁选尾矿入口，氧化铝出口和碱浸出渣出口；
酸浸萃取装置，所述酸浸萃取装置具有与所述碱浸出渣出口相连的碱浸出渣入口和Sc2O3出口；
电解装置，所述电解装置具有原料入口、产品出口和气体出口，且所述原料入口与所述磁选铁精粉出口、所述氧化铝出口和所述Sc2O3出口相连。
2.如权利要求1所述的从赤泥中制备铝钪合金的系统，其特征在于，所述烧结装置为隧道窑或回转窑，所述烧结装置还具有一个CO气体入口。
3.如权利要求1所述的从赤泥中制备铝钪合金的系统，其特征在于，所述电解装置的气体出口与所述烧结装置的CO气体入口相连，用于将所述电解装置产生的CO气体回流至烧结装置用于还原烧结。
4.一种从赤泥中制备铝钪合金的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将烘干的赤泥、还原剂、添加剂按比例混合得到混合物料；
S2、将所述混合物料烧结得烧结物料；
S3、将所述烧结物料随炉冷却至室温后磨细得到磨细物料；
S4、将所述磨细物料磁选，得到磁选铁精粉和磁选尾矿；
S5、将所述磁选尾矿用碱液浸出，得到碱浸出渣和氧化铝浸出液；
S6、将所述碱浸出渣用3mol/L盐酸进行酸浸，液固比为3:1，并对浸出液使用P204、TBP和仲辛醇进行萃取，得到Sc2O3溶液；
S7、以所述氧化铝浸出液和Sc2O3溶液为原料，并添加冰晶石在高温下采用熔盐电解法电解形成Al-Sc合金和CO气体，所述氧化铝、所述Sc2O3和所述冰晶石三者的摩尔比例为17：3：80。
5.如权利要求4所述的从赤泥中制备铝钪合金的方法，其特征在于，还包括：
S8、电解产生的所述CO气体返回到步骤S2中为烧结提供还原气氛，促进还原反应。
6.如权利要求4所述的从赤泥中制备铝钪合金的方法，其特征在于，所述赤泥是拜耳法赤泥或联合法赤泥中的一种或两种混合物；
所述还原剂是兰炭、焦炭或非炼焦煤中的一种或几种，粒度为1～3mm；
所述添加剂包括钙系添加剂和碳酸钠，所述钙系添加剂是生石灰、石灰石、碳酸钙、白云石中的一种，粒度为0.074mm以下。
7.如权利要求4所述的从赤泥中制备铝钪合金的方法，其特征在于，步骤S1中赤泥、还原剂、添加剂的比例以质量份计为：赤泥90份，还原剂9～18份，钙系添加剂27～45份，碳酸钠13.5～36份，使得n(Na2O)/n(Al2O3)＝1，n(CaO)/n(SiO2)＝2。
8.如权利要求4所述的从赤泥中制备铝钪合金的方法，其特征在于，步骤S2中混合物料的烧结温度为1100-1250℃，烧结时间为60～90min；
步骤S3中磨细物料中不高于0.074mm的颗粒占80％～90％。
9.如权利要求4所述的从赤泥中制备铝钪合金的方法，其特征在于，所述铁精粉的铁品位为75％～85％，铁回收率为80～85％，
所述氧化铝的回收率为85％～90％，
所述Sc2O3纯度为85％～95％。
10.如权利要求4所述的从赤泥中制备铝钪合金的方法，其特征在于，步骤S7中所述熔盐电解法电解的温度为900～1000℃，所述Al-Sc合金的Sc质量百分含量为0.5％～2％，Al和Sc的质量百分含量之和大于99％。
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