石灰对三水铝土矿溶出氧化铝的影响

王恒玉，赵 瑜，房 辉

(龙口东海氧化铝有限公司，山东 龙口 265713)

石灰拜耳法与常规拜耳法相比，具有强化溶出、降低碱耗、脱除杂质及改善赤泥沉降性能等优点。国内铝土矿以一水硬铝石类型为主，矿石品位较差，溶出条件严苛，采用石灰拜耳法可有效解决这一难题。相关研究已有很多[1-14]，结果表明，以石灰拜耳法处理一水硬铝石铝土矿优势明显，合理配料可提高氧化铝溶出率和降低碱耗；但因不同地区矿石成分有差异，石灰掺配比例差别也较大。

近年来，氧化铝企业的原料多为进口三水铝石型铝土矿。鉴于石灰拜耳法具有良好效果，针对三水铝土矿的石灰溶出也进行了很多研究[15-16]，研究结果对氧化铝企业有积极指导作用。然而，三水铝石型与一水硬铝石型矿石的矿物组成不同，石灰溶出反应机制也不同；三水铝石型铝土矿产地较多，而相关研究相对较少：所以，加大相关方面的研究力度有重要意义。试验研究了某三水铝石型铝土矿添加石灰的溶出性能，旨在为三水铝石型铝土矿的开发利用提供参考。

1 试验部分

1.1 试验原料

试验用三水铝石型铝土矿由几内亚某矿业有限公司提供。矿石混合均匀后缩分，经烘箱烘干，大颗粒用鄂式破碎机破碎，然后用振动磨细磨后混匀过筛，制备成不同粒度样品。化学成分见表1。矿石中氧化铝含量较高，其次是氧化铁，总有机碳含量较低，属于高铝低硅型铝土矿，适合于拜耳法生产氧化铝。

表1 铝土矿的主要化学成分 %

矿石的X射线衍射分析结果见表2。矿石中主要含铝矿物为三水铝石，含铁矿物主要是赤铁矿和铝针铁矿，含硅矿物主要是红柱石、高岭石和石英，含钛矿物主要是锐钛矿和金红石。

表2 铝土矿的主要物相组成 %

试验用石灰取自某氧化铝公司原料车间，经熟化、过筛、高温焙烧后密封备用。石灰中总氧化钙质量分数为90%，其中有效钙质量分数为80%。

试验所用循环母液由某氧化铝公司分解母液和分析纯氢氧化钠及去离子水调配。

1.2 试验原理与方法

三水铝石型铝土矿在常规溶出过程中主要有如下3个反应，分别是三水铝石、高岭石与苛性碱的溶解反应及脱硅反应。

(1)

(2)

(3)

添加石灰后，溶出反应增多。除上述反应外，还有氧化钙的溶解反应、碳酸钠的苛化反应及导致氧化铝损失的2个反应。其中反应(7)的生成物水化石榴石(钙硅渣)有利于降低碱耗。

(4)

(5)

3CaO·Al2O3·6H2O(s)+NaOH(aq);

(6)

3CaO·Al2O3·xSiO2·yH2O(s)+NaOH(aq)。

(7)

铝土矿溶出过程中，添加石灰可以促进水合铝硅酸钠转变为水化石榴石，改善赤泥沉降性能，降低赤泥含碱量。

溶出试验在高压釜装置中进行，熔盐加热。石灰添加量用铝土矿质量分数表示。根据配矿要求，先称取一定质量铝土矿放入反应钢弹中，添加石灰及所需循环母液后密封。密封钢弹依次放置在钢弹架上，随后移至可控温熔盐浴中，开启搅拌并计时。溶出反应达到预设时间后，取出钢弹，用循环水强制冷却降温，然后用真空抽滤机对矿浆进行液固分离。滤液及赤泥分别进行成分分析。

溶出赤泥中N/S为溶出反应后赤泥中的氧化钠与氧化硅的质量比(钠硅比)，溶出液A/S为溶出反应后溶液中氧化铝与氧化硅质量比(硅量指数)。氧化铝实际溶出率用矿石和赤泥铝铁比表示，计算公式为

式中：η—矿石中氧化铝实际溶出率，%；(A/F)矿石—矿石中氧化铝与氧化铁质量比；(A/F)赤泥—赤泥中氧化铝与氧化铁质量比。

2 试验结果与讨论

2.1 石灰添加量对氧化铝溶出的影响

试验条件：循环母液中苛性碱质量浓度190 g/L， 温度145 ℃，反应时间60 min。石灰添加量(相对铝土矿质量)对铝土矿溶解的影响试验结果如图1所示。

图1 石灰添加量对氧化铝溶出的影响

由图1看出，随石灰添加量增加，氧化铝溶出率及赤泥N/S降低，溶出液A/S升高。未添加石灰时，赤泥中的脱硅物相以水合铝硅酸钠为主；而添加石灰后，脱硅物相中出现了六水铝酸三钙和水化石榴石，且随石灰添加量增加，这2种物相也增加，从而导致氧化铝溶出率下降。随石灰添加量增加，赤泥N/S降低，这主要与脱硅反应产物有关：在石灰作用下，脱硅产物中出现了水化石榴石钙硅渣，随石灰添加量增加，钠硅渣减少而钙硅渣增加；添加石灰后，溶出液A/S升高，石灰的加入促进钙硅渣生成，溶出液得到深度净化。综合考虑，适宜的石灰添加量为1%。

2.2 温度对氧化铝溶出的影响

无论溶出过程受化学反应控制，还是受扩散过程控制，温度均是影响氧化铝溶出率的关键因素。升高温度，有利于提高反应速率常数，降低反应体系黏度。随温度升高，反应活化能降低，循环母液中氧化铝平衡溶解度增大，在蒸发能力有限条件下可进行低浓度作业。

试验条件：石灰添加量1%，循环母液苛性碱质量浓度190 g/L，反应时间60 min。温度对氧化铝溶出的影响试验结果如图2所示。

图2 温度对氧化铝溶出的影响

由图2看出，随温度升高，氧化铝溶出率升高，145 ℃时达最高，之后趋于稳定。温度较低条件下，铝土矿中的三水铝石反应不完全，氧化铝溶出率较低；温度超过145 ℃后，三水铝石已充分溶解，一水软铝石不溶而使氧化铝溶出率趋于稳定。随温度升高，赤泥N/S提高，不利于降低碱耗；同时，活性硅与碱反应速率也加快，矿石中的含硅矿物反应趋于完全，造成赤泥N/S升高[17]。温度越高，溶出液A/S越高；不同温度下，形成的脱硅产物不同，溶出液A/S取决于溶硅和脱硅反应程度，温度升高有利于脱硅反应进行[18]。综合考虑，确定温度以145 ℃为宜。

2.3 溶出时间对氧化铝溶出的影响

溶出时间过短，反应不够充分，矿石中的有效铝不能完全溶出；溶出时间过长，则易引起矿石中其他杂质参与反应，使溶出液纯度降低。

试验条件：石灰添加量1%，循环母液苛性碱质量浓度190 g/L，温度145 ℃。溶出时间对氧化铝溶出的影响试验结果如图3所示。

图3 溶出时间对氧化铝溶出的影响

由图3看出：随溶出时间延长，氧化铝溶出率缓慢降低。三水铝石易与碱反应，在碱浓度较高条件下所需溶出时间较短；体系中氧化铝浓度达到平衡后，再继续延长溶出时间，氧化铝溶出率因副反应发生而出现小幅下降。随溶出时间延长，含硅矿物高岭石的反应速率显著提高，即可溶硅反应更完全，使得赤泥N/S逐渐升高；随溶出时间延长，溶出液A/S逐渐提高，溶出液脱硅深度加大，在添加石灰条件下更为明显。石灰是优良的脱硅剂，延长溶出时间有利于脱硅产物水化石榴石的生成。综合考虑，确定溶出时间以60 min为宜。

2.4 苛性碱质量浓度对氧化铝溶出的影响

循环母液中苛性碱质量浓度影响氧化铝溶出，对溶出液A/S也有重要影响。苛性碱质量浓度越高，溶液中氧化铝未饱和度越高。增大苛性碱质量浓度可强化氧化铝溶出效果；但苛性碱质量浓度过高，溶液稳定性增强，反而对氧化铝溶出不利。

试验条件：石灰添加量1%，溶出温度145 ℃，溶出时间60 min。循环母液中苛性碱质量浓度对氧化铝溶出的影响试验结果如图4所示。

图4 苛性碱质量浓度对氧化铝溶出的影响

由图4看出，随母液苛性碱质量浓度升高，氧化铝溶出率提高，但幅度不大。这是因为苛性碱质量浓度过大会使溶出液稳定性增强，溶液黏度变大，扩散速度降低，不利于反应进行。随苛性碱质量浓度升高，赤泥N/S降低，溶出液A/S下降明显。较高苛性碱质量浓度条件下，溶出液中的二氧化硅介稳浓度增大，脱硅产物钠硅渣和钙硅渣生成量减少，导致赤泥N/S降低[19]；但高岭石溶解速度加大，二氧化硅在溶出液中的溶解度也随之增大；石灰的添加又大大促进高岭石的溶解反应，使得溶出液中二氧化硅浓度提高[20]。综合考虑，确定循环母液苛性碱质量浓度以190 g/L为宜。

3 验证试验

根据单因素试验结果，在石灰添加量1%、循环母液苛性碱质量浓度190 g/L、温度145 ℃、溶出时间60 min条件下进行3组平行试验，结果见表3。可以看出，各组试验结果较为接近，氧化铝平均溶出率为84.9%，赤泥N/S平均为0.14，溶出液A/S平均为94。

表3 验证试验结果

4 结论

对几内亚某三水铝石型铝土矿，通过添加石灰，用循环母液溶出氧化铝，技术上是可行的。适宜条件下，氧化铝溶出率达84.9%，赤泥中氧化钠与氧化硅的质量比为0.14，溶出液硅量指数为94。采用石灰拜耳法处理三水铝石型铝土矿，溶出反应机制与一水硬铝石溶出反应机制不同。石灰添加量不宜过大，否则会降低氧化铝溶出率；但溶出赤泥N/S和溶出液硅量指数较优，可降低碱耗，提高溶液纯净度。