CN109252045A - 一种从含铝矿物中提取金属铝和硅铁合金的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的一种从含铝矿物中提取金属铝和硅铁合金的方法，步骤为：取含铝矿物，将其粉碎形成粉碎物料，使所述物料中包括组分及质量百分含量在相应范围内，将粉碎物料与炭质还原剂按质量配比进行混合，形成混合物料，加入粘结剂制成团烘干得干团块，进行还原反应获得铝硅铁合金熔体，处理形成合金锭，以合金锭为阳极，以炭质材料为阴极进行电解，在阴极获得金属铝，电解完成后，将剩余阳极从电解槽中取出迅速冷却，形成硅铁合金。该方法可实现主要成分为氧化铝和氧化硅废渣的全部高效利用，且处理过程中无二次污染，并将碳电热还原生产的铝硅合金或铝硅铁合金中铝和硅铁的分离，可获得高附加值纯铝产品，具有一定经济效益。

Description

一种从含铝矿物中提取金属铝和硅铁合金的方法
技术领域：
本发明属于冶金与环境技术领域，具体涉及一种从含铝矿物中提取金属铝和硅铁合金的方法。
背景技术：
我国是铝工业制造大国，氧化铝、电解铝产量均占世界40％以上。优质铝土矿资源比较匮乏，远不能满足我国铝工业的发展需求，50％以上的铝土矿需进口，这严重制约了我国铝工业的发展。因此，积极开拓非传统铝矿物生产金属铝及研发新的炼铝方法，对于增加国内铝资源供给、促进铝工业可持续发展具有重要意义。
另一方面，随着近几年国家环保要求的不断提高，大量的废渣处理问题已成为相关企业需要解决的首要问题，迫切需要提出经济可行的废渣利用新技术。这些废渣中很大一部分废渣的主要成分为氧化铝和氧化硅，如铝土矿浮选尾矿、粉煤灰、煤矸石、页岩渣等，这些废渣的产量每年高达数亿吨，尚未得到利用，只能采用堆积的方法处理，造成了较严重的环境污染。目前，上述行业均已开展相关废渣的应用研究。以这些废渣为原料碳电热还原制备铝硅合金或铝硅铁合金，然后以铝硅合金为原料制备铸造用铝硅合金，铝硅铁合金作为炼钢脱氧剂或炼镁还原剂利用，可实现废渣的利用，但由于该方法生产的铝硅合金和铝硅铁合金中杂质含量较高，在炼钢过程中用量有限，制作铸造用铝硅合金过程中除铁的成本较高，而做炼镁还原剂的经济性较硅铁合金要低，限制了碳电热法处理含铝硅废渣技术的应用。
发明内容：
本发明的目的是克服上述现有技术存在的不足，提供一种从含铝矿物中提取金属铝和硅铁合金的方法，该方法首先以低品位铝矿资源或主要成分为氧化铝和氧化硅的废渣为原料碳电热还原制取的铝硅合金或铝硅铁合金，然后以该铝硅合金或铝硅铁合金为可溶阳极进行电解，电解过程中铝硅合金或铝硅铁合金中的铝溶解进入熔盐中并在阴极析出纯的金属铝，而硅和铁不会溶解进入熔盐而留在阳极形成硅铁合金。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种从含铝矿物中提取金属铝和硅铁合金的方法，包括以下步骤：
步骤1，备料：
取含铝矿物，将其粉碎形成粉碎物料，所述粉碎物料的粒度小于0.15mm，使所述物料中包括组分及质量百分含量为氧化铝15～50％，二氧化硅25～60％，氧化铁≤15％，氧化钙≤10％，氧化镁≤10％，其它单个氧化物含量低于5％，余量为杂质；
步骤2，物料混合：
将粉碎物料与炭质还原剂按质量配比进行混合，形成混合物料；其中，所述的炭质还原剂以其中固定碳含量计，具体炭质还原剂中固定碳含量与混合物物料的质量比为(0.20～0.50):1；
步骤3，合金熔液制备与处理：
(1)向混合物料中加入粘结剂制成团后，烘干得干团块，其中，所述的粘结剂加入质量为混合物料量的5～10％，制团压力为50～150MPa；
(2)将干团块进行还原反应，还原后获得铝硅铁合金熔体，所述的铝硅铁合金熔体中铝含量为30～60％，硅含量为20～70％，铁含量为2～20％，杂质含量≤8％；其中，所述的还原反应在矿热炉内进行，还原反应温度为2000～2500℃；
(3)将铝硅铁合金熔体依次经过精炼，铸锭和冷却，形成合金锭；
步骤4，电解：
以合金锭为阳极，以炭质材料为阴极进行电解，在阴极获得金属铝，同时形成剩余阳极；其中：所述的电解温度为700～850℃，电解时间为24～800h；
步骤5，硅铁合金制备：
电解完成后，将剩余阳极从电解槽中取出迅速冷却，形成硅铁合金。
所述的步骤1中，其它单个金属氧化物主要包括氧化钠，氧化钾和二氧化钛等。
所述的步骤1中，含铝矿物为含铝废渣或低品位铝矿资源，其中，所述的含铝废渣主要成分为氧化铝和氧化硅，具体为铝土矿浮选尾矿、粉煤灰、煤矸石、页岩渣等废渣的一种或几种混合；所述的低品位铝矿资源指铝硅比较低的铝土矿、高岭石、钠长石、钾长石等中的一种或几种，此外在配料过程中为了提高含铝矿物中的氧化铝含量还可以向物料中添加纯氧化铝。
所述的步骤2中，炭质还原剂为煤，石油焦，煅后无烟煤，焦炭或冶金焦等中的一种或几种混合。
所述的步骤2中，炭质还原剂预先经过研磨处理至粒度＜0.15mm。
所述的步骤3(1)中，粘结剂为亚硫酸纸浆废液粘结剂、黏土、沥青或膨润土中的一种或几种混合。
所述的步骤3(1)中，制成团后烘干具体过程为：将制好的团块放入到烘干设备中在100～150℃的温度下烘干3～6小时，获得干团块。
所述的步骤3(2)中，矿热炉熔炼过程中发生的还原反应如式1～7所示，上述步骤2中的炭质还原剂加入使粉碎物料中各氧化物充分还原为单质即可，且无需过量：
3C+2Fe2O3＝2Fe+3CO (1)
3C+2Al2O3＝2Al+3CO (2)
C+SiO2＝Si+2CO (3)
C+Na2O＝2Na+CO (4)
CaO+C＝Ca+CO (5)
MgO+C＝Mg+CO (6)
TiO2+C＝Ti+2CO (7)
所述的步骤3(2)中，铝硅铁合金熔液中含有少量的氧化物渣和碳化物，需进行精炼。
所述的步骤3(3)中，具体的精炼过程为：矿热炉流出的铝硅铁合金熔体温度在1500℃以上，先将该合金熔体冷却至1200℃以下，然后向冷却的铝硅铁合金熔液中加入精炼剂，进行精炼，所述的精炼剂加入质量为冷却的铝硅铁合金熔体质量的1～3％。
所述的步骤3(3)中，精炼剂主要由氯化物和氟化物组成，所述的氯化物为NaCl、MgCl2、LiCl或KCl中的一种或几种，所述的氟化物为氟化铝、冰晶石、氟化镁、氟化钾、氟化锂或氟化钠中的一种或几种；各物质质量百分含量为NaCl 20～50％，MgCl2 10-50％，KCl10～50％，LiCl 0～15％，氟化铝0～25％，冰晶石5～25％，氟化钠≤10％，氟化钾≤10％，氟化锂≤5％，氟化镁≤5％。
所述的步骤3(3)中，铸锭和冷却的过程为：将精炼后的合金熔液倒入到铸锭机中铸锭后急速冷却形成合金锭，具体冷却要求为在1min之内冷却至400℃以下，形成合金锭；其中，所述的急速冷却的目的是防止铝硅铁合金偏析。
所述的步骤3(3)中，根据后续可溶阳极的形状，铸锭成相应圆柱形或方形形状的合金锭。
所述的步骤3(3)中，冷却方式为水冷或风冷。
所述的步骤4中，电解采用的电解液是氯化物和氟化物的熔盐，其中：所述的氯化物包括NaCl、LiCl和KCl中的一种或几种，所述的氟化物包括氟化铝、冰晶石、氟化钾、氟化锂和氟化钠中的一种或几种。
所述的步骤4中，电解液中各物质质量百分含量为NaCl 10～50％，KCl 10～50％，LiCl≤15％，氟化铝≤25％，冰晶石≤25％，氟化钠≤10％，氟化钾≤10％，氟化锂≤5％。
所述的步骤4中，金属铝纯度达到99.70％以上。
所述的步骤4中，阴极炭质材料为无烟煤质炭块、半石墨质炭块、半石墨化炭块或石墨化炭块中的一种。
所述的步骤4中，阳极剩余的硅铁合金中硅含量为50～95％，铁含量5～30％，杂质≤10％。
所述的步骤5中，剩余阳极冷却操作在炉壳内进行，所述的炉壳为密闭结构，所述的炉壳内充有氩气保护。
本发明中电解过程中阳极合金中的铝溶解进入电解液中，然后在阴极析出纯的金属铝，而阳极合金中的硅和铁及其他杂质金属不溶解进入电解质液，从而使铝硅铁合金中的铝与其他金属分离。通过电解后获得纯铝和硅铁合金两种产品，阴极获得的金属铝纯度可达到99.70％以上。
本发明的有益效果：
(1)通过本发明的从含铝矿物中提取金属铝和硅铁合金的方法可实现主要成分为氧化铝和氧化硅废渣的全部高效利用，且处理过程中无二次污染；
(2)通过本发明的从含铝矿物中提取金属铝和硅铁合金的方法可实现碳电热还原生产的铝硅合金或铝硅铁合金中铝和硅铁的分离，可获得高附加值的纯铝产品，具有一定的经济效益。
附图说明：
图1为本发明的从含铝矿物中提取金属铝的工艺流程图。
具体实施方式：
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
以下实施例步骤3中矿热炉熔炼过程中发生的还原反应如式1～7所示：
3C+2Fe2O3＝2Fe+3CO (1)
3C+2Al2O3＝2Al+3CO (2)
C+SiO2＝Si+2CO (3)
C+Na2O＝2Na+CO (4)
CaO+C＝Ca+CO (5)
MgO+C＝Mg+CO (6)
TiO2+C＝Ti+2CO (7)
实施例1：
一种从含铝矿物中提取金属铝和硅铁合金的方法，其工艺流程图如图1所示，包括以下步骤：
以页岩渣为原料(页岩渣的成分如表1所示)，首先将页岩渣和烟煤粉碎至粒度小于0.15mm，混料形成混合物料，其中烟煤中固定碳含量与页岩渣的配料比例为0.40:1.0，加入混合物料质量6％的亚硫酸纸浆粘结剂，然后加入混合物料质量10％的水进行混料，制团，制团压力为50MPa，制取的团块放入到烘干设备中在150℃温度下烘干5h，获得干团块；然后将干团块放入到矿热炉内进行熔炼，熔炼温度为2000℃，熔炼后获得的铝硅铁合金熔体冷却至1200℃以下，加入质量为冷却的铝硅铁合金熔液质量1％的精炼剂，经精炼后浇铸后1min之内水冷至400℃以下，成圆柱形合金锭，作为可溶阳极，精炼剂成分及质量百分含量为NaCl50％，MgCl2 40％，KCl 5％，冰晶石5％，熔炼后获得的铝硅铁合金熔体成分如表2所示；
将合金锭阳极放入到电解槽中电解，电解质体系选择NaCl45％，KCl 45％，AlF310％的熔盐，电解温度为720℃，电解槽阴极为纯半石墨质炭块，电解24小时后，在阴极获得金属铝，剩余阳极合金铸锭中硅和铁及其他杂质进入电解质体系中；阳极中的铝基本全部被分离，在阴极获得的铝纯度为99.85％，阳极剩余的硅铁合金中含硅83.87％，含铁9.89％，铝2.11％，其它杂质含量4.13％；
电解完成后，将剩余阳极从电解槽中取出在充有氩气保护且密闭的炉壳内迅速冷却，形成硅铁合金。
表1油页岩渣的成分
表2由页岩渣制取的铝硅铁合金熔体的主要成分
实施例2
一种从含铝矿物中提取金属铝和硅铁合金的方法，其工艺流程图如图1所示，包括以下步骤：
以高铝粉煤灰和氧化铝为原料(粉煤灰的成分如表3所示)，其中，氧化铝加入质量为高铝粉煤灰质量的18％，以石油焦为还原剂，首先将粉煤灰和石油焦粉碎至粒度小于0.15mm，加入氧化铝粉进行混料形成混合物料，其中石油焦中固定碳含量与粉煤灰和氧化铝粉的配料比例为0.25:0.90:0.10，加入混合物料质量6％的亚硫酸纸浆粘结剂，然后加入混合物料质量10％的水进行混料，制团，制团压力为100MPa，制取的团块在250℃温度下烘干3h，获得干团块；然后将干团块放入到矿热炉内进行熔炼，熔炼温度为2200℃，熔炼后获得的铝硅铁合金熔体冷却至1200℃以下，加入质量为冷却的铝硅铁合金熔液质量1％的精炼剂，经精炼后浇铸后1min之内风冷至400℃以下，成圆柱形合金锭，作为可溶阳极，精炼剂成分及质量百分含量为NaCl 50％，KCl 40％，冰晶石10％。熔炼后获得的铝硅铁合金熔体成分如表4所示。
将合金阳极放入到电解槽中电解，电解质体系选择NaCl 40％，KCl 40％，冰晶石20％，电解温度为760℃，电解槽阴极为纯无烟煤炭块，电解24小时后，在阴极获得金属铝，剩余阳极合金铸锭中硅和铁及其他杂质进入电解质体系中；阳极中的铝基本全部被分离，在阴极获得的铝纯度为99.70％，阳极剩余的硅铁合金中含硅70.56％，含铁16.27％，铝6.32％，其它杂质含量6.15％；
电解完成后，将剩余阳极从电解槽中取出在充有氩气保护且密闭的炉壳内迅速冷却，形成硅铁合金。
表3粉煤灰的主要成分
表4铝硅铁合金熔体的成分
实施例3
一种从含铝矿物中提取金属铝和硅铁合金的方法，其工艺流程图如图1所示，包括以下步骤：
以铝土矿浮选尾矿为原料(铝土矿浮选尾矿的成分如表5所示)，以冶金焦为还原剂，首先将铝土矿浮选尾矿和冶金焦粉碎至粒度小于0.15mm，混料形成混合物料，其中冶金焦中固定碳含量与铝土矿浮选尾矿的配料比例为0.29:1.00，加入混合物料质量6％的膨润土粘结剂，然后加入混合物料质量10％的水进行混料，制团，制团压力为60Mpa，制取的团块在250℃温度下烘干4h，获得干团块；然后将该团块放入到矿热炉内进行熔炼，熔炼温度为2300℃，熔炼后获得的铝硅铁合金熔体冷却至1200℃以下，加入质量为冷却的铝硅铁合金熔液质量3％的精炼剂，经精炼后浇铸后1min之内冷却至400℃以下，成方形合金锭，作为可溶阳极，精炼剂成分及质量百分含量为NaCl 50％，KCl 40％，冰晶石10％。熔炼后获得的铝硅铁合金熔体成分如表6所示；
将合金阳极放入到电解槽中电解，电解质体系选择NaCl40％，KCl30％，氯化锂10％，冰晶石10％，氟化铝5％，氟化锂5％，电解槽阴极为纯石墨炭块，电解温度为700℃，电解48小时后，在阴极获得金属铝，剩余阳极合金铸锭中硅和铁及其他杂质进入电解质体系中；阳极中的铝基本全部被分离，在阴极获得的铝纯度为99.75％，阳极剩余的硅铁合金中含硅50.56％，含铁32.27％，铝2.52％，钛含量7.24％，钙含量3.50％，其它杂质含量3.91％；
电解完成后，将剩余阳极从电解槽中取出在充有氩气保护且密闭的炉壳内迅速冷却，形成硅铁合金。
表5铝土矿浮选尾矿的成分
表6以铝土矿浮选尾矿为原料生产的铝硅铁合金熔体成分

Claims (8)

1.一种从含铝矿物中提取金属铝和硅铁合金的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，备料：
取含铝矿物，将其粉碎形成粉碎物料，所述粉碎物料的粒度小于0.15mm，使所述物料中包括组分及质量百分含量为氧化铝15～50％，二氧化硅25～60％，氧化铁≤15％，氧化钙≤10％，氧化镁≤10％，其它单个氧化物含量低于5％，余量为杂质；
步骤2，物料混合：
将粉碎物料与炭质还原剂按质量配比进行混合，形成混合物料；其中，所述的炭质还原剂以其中固定碳含量计，具体炭质还原剂中固定碳含量与混合物物料的质量比为(0.20～0.50)∶1；
步骤3，合金熔液制备与处理：
(1)向混合物料中加入粘结剂制成团后，烘干得干团块，其中，所述的粘结剂加入质量为混合物料量的5～10％，制团压力为50～150MPa；
(2)将干团块进行还原反应，还原后获得铝硅铁合金熔体，所述的铝硅铁合金中铝含量为30～60％，硅含量为20～70％，铁含量为2～20％，杂质含量≤8％；
(3)将铝硅铁合金熔体依次经过精炼，铸锭和冷却，形成合金锭；
步骤4，电解：
以合金锭为阳极，以炭质材料为阴极进行电解，在阴极获得金属铝，同时形成剩余阳极；其中：所述的电解温度为700～850℃，电解时间为24-800h；
步骤5，硅铁合金制备：
电解完成后，将剩余阳极从电解槽中取出迅速冷却，形成硅铁合金。
2.根据权利要求1所述的从含铝矿物中提取金属铝和硅铁合金的方法，其特征在于，所述的步骤1中，含铝矿物为含铝废渣或低品位铝矿资源，其中，所述的含铝废渣主要成分为氧化铝和氧化硅，具体为铝土矿浮选尾矿、粉煤灰、煤矸石、页岩渣等废渣的一种或几种混合；所述的低品位铝矿资源指铝硅比较低的铝土矿、高岭石、钠长石、钾长石等中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的从含铝矿物中提取金属铝和硅铁合金的方法，其特征在于，所述的步骤2中，炭质还原剂预先经过研磨处理至粒度＜0.15mm。
4.根据权利要求1所述的从含铝矿物中提取金属铝和硅铁合金的方法，其特征在于，所述的步骤3(3)中，具体的精炼过程为：矿热炉流出的铝硅铁合金熔体温度在1500℃以上，先将该合金熔体冷却至1200℃以下，然后向冷却的铝硅铁合金熔体中加入精炼剂，进行精炼，所述的精炼剂加入质量为冷却的铝硅铁合金熔体质量的1～3％。
5.根据权利要求1所述的从含铝矿物中提取金属铝和硅铁合金的方法，其特征在于，所述的步骤3(3)中，铸锭和冷却的过程为：将精炼后的合金熔液倒入到铸锭机中铸锭后在1min之内冷却至400℃以下，形成合金锭。
6.根据权利要求1所述的从含铝矿物中提取金属铝和硅铁合金的方法，其特征在于，所述的步骤4中，金属铝纯度达到99.70以上。
7.根据权利要求1所述的从含铝矿物中提取金属铝和硅铁合金的方法，其特征在于，所述的步骤4中，阴极炭质材料为无烟煤质炭块、半石墨质炭块、半石墨化炭块或石墨化炭块中的一种。
8.根据权利要求1所述的从含铝矿物中提取金属铝和硅铁合金的方法，其特征在于，所述的步骤4中，阳极剩余的硅铁合金中硅含量为50～95％，铁含量5～30％，杂质≤10％。
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