高铁氧化铝赤泥中铁回收技术研究

庄锦强

（福建省三钢（集团）有限责任公司烧结厂，福建三明 365000）

高铁氧化铝赤泥中铁回收技术研究

庄锦强

（福建省三钢（集团）有限责任公司烧结厂，福建三明 365000）

以高铁氧化铝赤泥为对象进行还原焙烧－磁选试验研究，从铁氧化物还原理论出发，分析其在还原气氛下的行为特点，重点研究了在不同种类添加剂类别及用量情况下，赤泥中铁氧化物还原效果及还原后的金属铁与其它非磁性成分分离效果。最终试验结果表明，实验条件为添加6%碳酸钠、6%硫酸钠时（还原条件：焙烧温度1 050℃、焙烧时间60 min、还原介质为褐煤），焙烧矿中铁的金属化率为90.16%，在一定条件下经磨矿磁选后铁精矿全铁品位为90.21%，铁回收率达到94.86%。

赤泥；直接还原；添加剂；金属铁

赤泥是铝土矿经强碱溶出氧化铝后的不溶性固体，因其颗粒较细，且氧化铁含量较高，所以称之为赤泥。铝土矿原矿中氧化铁含量的不同，使得赤泥的颜色随着氧化铁含量的增加由浅变深。根据氧化铝生产工艺的区别，可以将赤泥分为烧结法赤泥、拜耳法赤泥和联合法赤泥。国内烧结法赤泥主要分布在山东、贵州、山西和中州等地，平均铁品位、铝含量分别为7.68%、7.97%，其余硅、钙的含量较高；混合法赤泥主要分布在郑州和山西等地，其平均铁品位、铝含量皆在8.10%左右，但是混合法产生的赤泥CaO含量非常高，平均达到44.68%；拜耳法赤泥生产地主要是平果铝业，其Fe2O3含量达到32.20%，且Al2O3的含量达到19.10%［1］。

我国是氧化铝生产大国，截至目前为止，我国氧化铝赤泥的堆存量累积达2亿t，其中只有4%的氧化铝赤泥能够被利用，即氧化铝赤泥的综合利用率仅为4%。预计到2015年，赤泥累计堆存量将达到3.5亿t［2～4］。

赤泥的组成和性质极其复杂，主要化学成分有Fe2O3、Al2O3、SiO2、CaO、TiO2、REO等，均属于可回收利用的有价物质，能够用作工业生产的原材料［5，6］。目前，由于赤泥中矿物成分多，结构复杂，赤泥的综合利用已成为世界性难题［7，8］，因此，开展赤泥的有价元素的回收利用具有重要的意义。

研究表明，氧化铁还原至金属铁时会经历中间产物——浮氏体的过程，而由于赤泥中存在较多的铝、硅化合物，在高温还原气氛下铝、硅化合物能与浮氏体发生反应，生成铁、铝、硅多元化合物，抑制了浮氏体继续还原，从而直接影响还原后赤泥中铁的的金属化率及收得率。在还原过程加入添加剂后，铝、硅化合物在高温还原过程中优先与钠盐发生反应，生成铝硅酸钠，从而阻碍了与铁氧化物的结合，使得浮氏体能够顺利地还原成金属铁［9，10］。

本试验立足于高铁氧化铝赤泥中铁的回收，通过添加不同种类、不同比例的添加剂强化铁的还原及与其它成分的分离，旨在通过一系列工艺过程，充分回收氧化铝赤泥中的铁元素。

1 原料性能和试验方法

1.1 原料性能

研究采用的赤泥为山东氧化铝厂生产的烧结法赤泥，其主要成分及含量见表1。

表1 赤泥主要化学成分 %

由表1可知，该赤泥为高铁氧化铝赤泥，其全铁含量较高，达到48.23%，远高于一般的赤泥。原料中Al2O3和SiO2的含量分别为7.31%和7.69%，铝硅比接近1，烧损为10.28%。因此，该赤泥是高铁、低铝、低硅赤泥。此外原料中还含有TiO2（1.42%）、Na2O（1.35%）、CaO（0.94%）等有价元素，分离回收铁后将得到富集，可进一步回收利用。

采用X射线衍射技术（XRD）对高铁氧化铝赤泥的物相进行了分析，图1为其XRD分析结果。从图1中可以看出，高铁氧化铝赤泥中所含的主要矿物为针铁矿、赤铁矿和石英。

图1 赤泥XRD物相分析结果

1.2 试验方法

1.2.1 造 块

将干燥后的赤泥原矿与一定比例的添加剂混匀，加入适量的水分，在500 N压力下压制成Φ1 cm ×1 cm的圆柱状团块，并在100℃下烘干。

1.2.2 还原焙烧

采用SK－8－13型不锈钢竖式电炉进行球团的还原焙烧试验，不锈钢竖式电炉结构示意图如图2所示。其规格为电压220 V，功率8 kW，常用温度1 300℃，最高温度1 350℃，加热室尺寸Φ80 mm× 220 mm。以不锈钢罐（Φ60 mm×150 mm）作为反应载体。称取约50 g煤铺于罐底，再放入约40 g干燥球团，最后加入过量的还原煤填满不锈钢罐。当电炉温度达到预设焙烧温度并恒定后，将不锈钢罐放入，待电炉温度再次达到预设焙烧温度时开始计时。焙烧一定时间后，将不锈钢罐取出，使球团隔绝空气自然冷却至室温。

1.2.3 磨 矿

先将焙烧球团破碎至粒度＜1 mm，然后称取一定质量，按一定的磨矿浓度置于球磨机内磨至一定细度。磨矿设备为RK／ZQM液晶智能湿式球磨机，其规格为：最大磨样量300 g，转速112 r／min，功率0.25 kW，规格Φ160 mm×60 mm。

图2 不锈钢竖式电炉结构示意图

1.2.4 磁 选

采用XCGS－73型磁选管对矿浆进行弱磁选。所得磁性产品和非磁性物矿浆经沉降后，在真空泵作用下过滤，滤渣烘干，烘干后的磁性产品即为金属铁粉。

2 铁氧化物还原热力学分析

研究采用褐煤作为还原剂，由于固体碳与铁氧化物发生固固反应的速度较慢，只有在二者接触面才能发生反应。而固体碳在高温下将发生气化反应产生CO，赤泥团块内部主要靠CO扩散从而被还原，且气固反应的速度快得多。因此，在赤泥还原过程中，铁氧化物的还原与碳气化反应同时进行，且还原过程以气固反应为主，图3为CO还原铁氧化物的气相平衡图。

从图3中可以看出，三氧化二铁的还原是逐步进行的，其在非常低的CO浓度下即可被还原成四氧化三铁，从而被进一步还原。四氧化三铁的还原与温度、体系CO浓度存在较大关系：（1）在还原温度小于Tb时，由于体系中CO浓度比四氧化三铁还原成金属铁时的CO平衡浓度低，因此，在此温度范围内，固体碳气化反应产生的CO不足以使四氧化三铁发生还原，故铁氧化物在还原成四氧化三铁后将停止进行，还原温度小于Tb时是四氧化三铁的稳定存在区；（2）当还原温度在Ta与Tb之间时，气化反应产生的CO浓度比四氧化三铁还原成浮氏体时的CO平衡浓度高，但是比浮氏体还原成金属铁时的CO平衡浓度低，因此，在此温度范围内，铁氧化物可被还原至浮氏体，是浮氏体的稳定存在区域；（3）当还原温度高于Ta时，固体碳气化产生的CO浓度比浮氏体还原为金属铁时的CO平衡浓度高，此时铁氧化物将被还原为金属铁。

因此，Ta和Tb将气相平衡图划为三个区域，T＞Ta的区域为金属铁稳定区；T＜Tb的区域为四氧化三铁稳定区；Ta＞T＞Tb的区域为浮氏体稳定区。从图3分析可以得出，铁氧化物还原转化为金属铁的必要条件是：T＞868 K，CO浓度＞59.1%。

图3 碳还原铁氧化物的气相平衡图

3 试验结果及讨论

该试验研究采用褐煤作为还原介质，焙烧条件固定为：焙烧温度1 050℃、焙烧时间60 min；磨选条件固定为：磨矿浓度50%、磨矿时间10 min、磁选场强1 T。首先研究了钠盐添加剂的种类及添加比例对分选效果的影响，得到了铁与其他成分分离的最优钠盐组成，并进一步研究了焙烧团块的显微结构，分析了钠盐添加剂在还原过程的作用机理。

3.1 碳酸钠的影响

试验首先研究了单独添加碳酸钠时对还原及分选效果的影响，结果如图4所示。从图4中可以看出，与未加碳酸钠相比，铁的还原及分选效果得到了明显提高，随着碳酸钠添加比例的上升，焙烧矿中金属化率、精矿TFe有显著的提高。碳酸钠比例增加到15%时，焙烧矿中铁的金属化率达到90%以上，此时精矿TFe为88.95%；同时可以看出添加碳酸钠后对铁Fe回收率的影响不明显。由此可知，单独添加碳酸钠时的比例需高于15%才达到较好的还原和分选效果。

图4 添加碳酸钠试验结果

3.2 硫酸钠的影响

硫酸钠对铁的还原及分选的影响试验结果如图5所示，从图5中可以看出，随着硫酸钠添加比例的上升，赤泥焙烧矿金属化率、精矿TFe有显著的提高，当硫酸钠比例增加至15%时，铁的金属化率及精矿TFe都达到90%以上。由此可知，单独添加硫酸钠的比例也需要高于15%才能达到较好的还原和分选效果。

图5 单独添加硫酸钠试验结果

3.3 碳酸钠和硫酸钠的共同影响

考虑到两种添加剂混合使用，能提高还原效果，故首先选用同时添加不同比例的碳酸钠和硫酸钠进行还原，还原结果如图6和图7所示。

图6的试验条件为固定添加10%碳酸钠，调整硫酸钠用量进行试验。从图6中可以看出，在固定添加10%碳酸钠条件下，随着添加硫酸钠比例的上升，焙烧矿金属化率及精矿TFe均有所提高，当硫酸钠添加量为6%时，金属化率为91.15%，精矿TFe为90.97%。

图6 固定10%碳酸钠调整硫酸钠用量试验

图7 固定6%硫酸钠调整碳酸钠用量试验

图7的试验条件为固定添加6%硫酸钠，考察此时碳酸钠用量对分选效果的影响。从图7中可以看出，在固定添加6%硫酸钠条件下，随着添加碳酸钠比例的上升，焙烧矿金属化率及精矿TFe均有所提高，当碳酸钠添加量为6%时，金属化率为90.16%，精矿TFe为90.21%。

通过以上试验结果可以得出，在以下实验条件下产出的金属铁粉质量最优：添加剂配比为6%碳酸钠、6%硫酸钠（固定焙烧温度为1050℃，焙烧时间为60 min）。

3.4 焙烧矿的显微结构

在相同的焙烧制度下，分别研究了无添加剂和在添加剂配比为6%硫酸钠＋6%碳酸钠的条件下焙烧团矿的显微结构，显微结构照片如图8所示。

图8 焙烧矿显微照片

从图8中可以看出，亮白色区域为金属铁颗粒。图8（a）为无添加剂条件下的显微结构图，虽然大部分铁得到了还原，但是由于其未聚集长大，铁晶粒尺寸小于10μm，在分选过程中不能将其富集。图8（b）为添加剂配比为6%碳酸钠、6%硫酸钠时焙烧矿的显微照片，由图可知，焙烧矿中的铁不仅得到了充分还原，而且在添加剂的作用下得到了聚集长大，晶粒尺寸在20μm左右，有利于后续的分选过程。

4 结 论

1.添加钠盐添加剂后，铝、硅化合物在高温还原过程中优先与钠盐发生反应，从而使铁氧化物能够充分地与还原剂接触，顺利地还原成金属铁并逐渐聚集长大。

2.单独添加碳酸钠或硫酸钠进行还原焙烧时，都能提高磁选后铁精矿的各项指标，然而在添加相同量的情况下，添加硫酸钠的效果比碳酸钠好，但是要获得较好的还原－磁选效果，需添加15%以上的添加剂。

3.同时添加两种添加剂，试验结果表明添加6%碳酸钠和6%硫酸钠时，磁选产生的精矿含全铁为90.21%，铁回收率为94.95%，能得到较好的分选效果。

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Study on the Technology of Iron Recovery from High Iron Content Alum ina Red M ud

ZHUANG Jin-qiang
（Sintering Plant of Sanming Steel（Group）Co.Ltd，Sanming 365000，China）

High-iron alumina oxide redmud was used as raw material to recover iron by reduction roasting followed by magnetic separation.The behavior of iron oxides during reduction roastingwas firstly studied.And the effects of sodium carbonate and sodium sulfate on the reduction and separation were researched in detail.The optimized additive proportion was obtained as 6%Na2CO3and 6%Na2SO4.The iron metallization of 90.16%was obtained under the additive proportion mentioned accompanyingwith the roasting temperature of1 050℃and roasting time of60min.In addition，iron concentratewith total iron grade of90.21%and iron recovery of94.86%was recovered in themagnetic separation process.

red mud；directly reducted；additive；metal Fe

TF803.2＋6

：A

：1003－5540（2014）02－0032－04

2014－03－02

庄锦强（1987－），男，助理工程师，主要从事铁矿石烧结、球团与矿产资源综合利用研究工作。