拜耳法赤泥制備海綿鐵影響因素分析

高建陽，陳玉海，鄭 霞

（中國鋁業山東分公司 研究院，山東 淄博255065）

拜耳法赤泥制備海綿鐵影響因素分析

高建陽，陳玉海，鄭 霞

（中國鋁業山東分公司 研究院，山東 淄博255065）

采用煤基直接還原燒成—渣鐵磁選分離—母液溶出的方法處理拜爾法赤泥，配入自制復合助劑，進行了生產優質海綿鐵的試驗探討。通過SEM-EDS、X射線等手段研究了煤基直接還原過程中金屬鐵晶粒長大特性，著重討論了添加劑種類、焙燒條件及磁選參數等對金屬鐵晶粒長大特性的影響，自制添加劑A為優選添加劑，最佳焙燒溫度為1200℃，焙燒時間2 h，磁場強度以2 000 A/m為宜，所得產品的金屬化率為92.9%，含鐵品位為93.7%，鐵回收率為94.42%。

赤泥；煤基直接還原；海綿鐵；磁選；添加劑；回收率

1 前言

拜爾法赤泥因其顆粒不夠均勻、組成復雜且堿性較大，堆存和再利用都存在困難。中國鋁業山東分公司第二氧化鋁廠拜耳法溶出后的赤泥主要礦物是赤鐵礦、鋁針鐵礦、銳鈦礦、三水鋁石及方解石等，利用該廠赤泥，在實驗室配入自制助劑，采用煤基直接還原燒成—渣鐵磁選分離—母液溶出的新工藝流程，研究了拜爾法赤泥直接還原過程中固相反應特點及金屬鐵晶粒長大特性，并著重試驗添加劑種類、焙燒條件、磁場強度、還原氣氛等對金屬鐵晶粒長大特性的影響［1］。結果表明，用直接還原—渣鐵磁選分離—母液溶出的方法處理拜爾法赤泥，可以生產優質鐵，同時得到鋁、硅、鈉。所得產品的金屬化率為92.9%，含鐵品位為93.7%，鐵回收率為94.42%。

2 試驗理論基礎

2.1 固體碳直接還原

用固體碳作為還原劑對鐵的氧化物進行還原，生成的氣相產物是CO，稱為直接還原。赤泥在軟化和熔化之前，直接與還原劑接觸的面積很小，反應速度慢，還原過程受到限制。在高溫區的還原主要有兩個過程：

1）CO 間接還原過程，Fe3O4+CO=3FeO+CO2，FeO+CO=Fe+CO2（放熱13 600 kJ）；2）間接還原產生的CO2與固體還原劑發生反應（貝-波反應），CO2+C=2CO（吸熱165 800 kJ）。

上述反應的最終結果即FeO+C=Fe+CO（吸熱152 200 kJ）。兩個反應中，實際上還是CO起還原作用，但是就整個過程來說，還原劑消耗的還是固體碳，所以稱這個過程為直接還原［2］。

2.2 理論焦比的計算

直接還原鐵的還原劑碳量消耗（Cd）：

其中［Fe］為噸生鐵中的鐵量，kg；rd為鐵的還原度，%。由FeO+nCO=Fe+CO2+（n-1）CO可知，CO的碳量消耗（C1）：

其中r1為間接還原度（%）。對于Fe來說，rd+r1=1，即r1=1-rd。因此，對于碳量的消耗來說，關鍵要找到合適的n值。在高溫直接還原區，CO遇到FeO發生如下反應［3］：

其中n1=1/Kp1+1，KP1為平衡常數。

氣相混化合物CO2+（n1-1）CO上升，遇到要保證從其他鐵的氧化物中還原出對應數量的FeO，則可以得出：

平衡常數KP2=CO2%/CO%=（4/3）/（n1-4/3），則求得還原Fe3O4的過量系數n2=4/3（1/KP2+1）。

當n1=n2時，FeO和Fe3O4還原所用的還原劑消耗都可以滿足，而此時的溫度認定為是全部還原的最低溫度，而相對應的還原劑消耗認定為理論碳消耗（n1=n2=n）［4］。

3 試驗及研究方法

3.1 試驗原料

試驗所用的拜爾法赤泥系國外三水型鋁土復合礦常壓拜耳法溶出所得的殘渣，殘渣粒徑為0.1～0.3 mm。赤泥主要礦物組成為赤鐵礦、含鋁赤褐鐵礦、鋁針鐵礦、非晶質硅酸鹽、高嶺石、三水鋁石、石英、方解石等。還含有較豐富的Sc、Nb、Ti、Ga、Li、Rb、V等元素，它們主要呈分散狀態存在于赤泥各種礦物中，呈獨立礦物和離子吸附狀態的相很少。

拜耳法赤泥中Ga、Sc、Nb、Li、Rb、V等元素不能用簡單的選礦方法進行富集，也不能用淋洗方法處理，其綜合利用必須同主元素Fe的利用結合起來。

赤泥的耐火檢驗結果：變形溫度1 320℃，軟化溫度1 400℃，熔化溫度1 460℃。化學成分見表1。

表1 拜耳法赤泥的主要化學成分 %

使用煤作還原劑，試驗用煤來自兗州礦務局，工業分析結果如下：固定碳65.2%，揮發分18.13%，灰分11.72%，其他不燃雜質4.65%，硫0.66%；反應活性0.21 g/min。還原煤經破碎后，干式篩分出-l mm作為試驗用煤。試驗用的其他添加劑為天然礦物與黏結劑組成。

3.2 主要設備與儀器

主要設備：還原焙燒爐高溫箱式爐、小型實驗室噴霧干燥機、電動液壓制樣機、高速混合制粒機、實驗室高梯度磁選機、實驗室回轉窯、盤式真空過濾機、實驗室磁力脫水槽。

主要分析儀器：X射線衍射儀，X熒光分析儀，SEM-EDS，ICP。

3.3 研究方法與工藝流程

將一定量的赤泥、添加劑和還原煤，按赤泥∶混合助劑∶還原煤的試驗比例混合均勻，在電動液壓制樣機上壓制成型，然后置于剛玉坩堝內。為防止氧化，在團塊樣的上部加入一定量的還原劑，送入還原焙燒爐內的低溫段預熱10 min，再置于爐內。升溫至1 050～1 250℃焙燒0.5～2.5 h，取出用自配溶出液對燒成物料溶出，溶出液冷卻過濾，濾餅團塊經破碎、用3R型雷蒙粉磨機磨至一定細度，再經高梯度濕式磁選機磁選分離，得到鐵粉；濾液測定溶液成分。

圖1為拜爾法赤泥綜合利用工藝流程。

圖1 拜爾法赤泥綜合利用工藝流程

4 試驗結果及討論

4.1 添加劑對還原鐵質量的影響

按照赤泥的具體成分，控制鈣比C/S=0～2.0，堿比N/A=0～1.0，同時控制赤泥∶還原煤=83∶14（質量百分數）；還原焙燒溫度為1 050～1 250℃，焙燒時間為2 h，磁場強度為2 000 A/m，磨礦細度為-0.074 mm占40%。考察不同添加劑對還原鐵（DRI）的影響，并與不加添加劑時DRI的質量進行對比。此時赤泥∶還原煤=86∶14（質量分數），結果見表2～4。

表2 鈣比為0時不同堿比引起的變化

表3 堿比為0時不同鈣比引起的變化

由表2可知，加入添加劑，可以大大提高還原鐵品位和金屬化率，同時還可提高精礦中鐵回收率；并且這3種添加劑對還原鐵質量影響的效果好壞順序為：A＞B＞C。這是因為拜爾法赤泥中的主要單體氧化物為Fe2O3、Al2O3、SiO2和少量Na2O，在還原過程中，這些礦物顆粒必然互相接觸發生固相反應，生成鐵橄欖石和鐵尖晶石類化合物，在外加添加劑直接還原過程中，添加劑離解出的CaO、MgO等與鐵橄欖石和鐵尖晶石反應，置換出FeO，提高了FeO的活度，從而提高了還原鐵的品位，使還原鐵的金屬化程度顯著增加，同時也提高了還原鐵中的鐵回收率。因此，試驗的自制添加劑A確定為優選添加劑。

表4 堿比為0.2時不同鈣比引起的變化

4.2 焙燒條件對還原鐵質量的影響

控制赤泥∶還原煤∶添加劑的質量配比為83∶14∶3，磁場強度為2 000 A/m，磨礦細度為-0.074 mm占40%，焙燒時間2 h，試驗不同焙燒溫度對還原鐵質量的影響，結果見表5。

掃描電鏡觀察表明，還原過程中所生成的球狀或類球狀顆粒（亮白色）被絮狀物（灰色）包裹，當溫度升至1200℃，可觀察到在絮狀物中長大后的球狀顆粒；當溫度升至1 250℃時，生成了連續晶相，能譜分析結果表明，球狀顆粒的主要成分是鐵（見圖2a），絮狀物的主要成分有Al、Si、Fe和少量Na等（見圖2b）。

表5 焙燒溫度對還原鐵質量的影響

圖2 還原過程中生成物主要化學成分組成的能譜分析

由表5可知，當焙燒溫度低于1200℃時，還原鐵的品位、鐵金屬化率和鐵回收率隨著焙燒溫度的升高而增大，但當焙燒溫度超過1200℃時，還原鐵的品位、鐵金屬化率和鐵回收率增大不明顯。故焙燒溫度以1200℃為宜。

同樣還原焙燒溫度為1200℃，其他條件不變，考察不同焙燒時間對還原鐵質量的影響，結果見表6。

表6 焙燒時間對還原鐵質量的影響

由表6可以看出，隨著焙燒時間的延長，還原鐵的金屬化程度增大，還原鐵的渣含量降低，因此還原鐵的品位、鐵金屬化率和鐵回收率增大，但當焙燒時間超過2 h后，還原鐵的品位、鐵金屬化率和鐵回收率增大不明顯，故焙燒時間以2 h為宜。

4.3 磁場強度對還原鐵質量的影響

利用200-DC型高梯度濕式磁選機的磁場強度可調及梯度可調性，控制赤泥∶還原煤∶添加劑質量配比為83∶14∶3，還原焙燒溫度為1200 ℃，焙燒時間為2 h，磨礦細度為-0.074 mm粒級占40%，考察不同磁場強度對還原鐵質量的影響，結果見表7。

表7 不同磁場強度對還原鐵質量的影響

由表7可以看出，磁場強度對還原鐵中鐵金屬化率沒有影響，磁場強度對還原鐵的品位和鐵回收率有一定程度的影響，隨著磁場強度的增大，還原鐵的品位和鐵回收率有一定程度的增大，但當磁場強度增大到2 000 A/m后，還原鐵的品位和鐵回收率幾乎不變。故磁場強度以2 000 A/m為宜。圖3給出的是實驗室還原海綿鐵產品實物照片。

圖3 實驗室還原海綿鐵產品實物照片

4.4 確定分選粒度

為確定分選最佳粒度，對溶出渣進行了EDS分析，選擇最佳磨礦控制，粒度結果如下：圖4為還原鐵SEM圖片，圖5為還原鐵EDS圖片，圖6為還原渣SEM圖片。

圖4 還原鐵SEM圖片

圖5 還原鐵EDS圖片

圖6 還原渣SEM圖片

4.5 還原氣氛影響分析

赤泥直接還原的燒成制度完全不同于氧化鋁熟料燒成，還原氣氛控制要求嚴格，若試驗過程中還原氣氛控制不理想，過剩空氣系數偏高，而且波動大，原料極易在爐內結成大塊［5］。

反應環境要求不但要有良好的還原氣氛而且要保持還原氣氛的連續性，否則造成大量含鐵氧化物反應不完全，發生中間過程或者局部再氧化，這對于直接還原鐵來說是致命的硬傷，試驗結果也證明了這一點，會大大降低金屬化率和回收率［6］。

5 結論

采用拜耳法赤泥配加還原助劑、自制復合助劑、控制碳比等配料方式，進行多組份配料高溫燒成，通過控制溫度、時間、氣氛等工藝參數得到赤泥熟料，然后通過溶出過程控制，得到高鋁堿液和富鐵殘渣，高鋁堿液送到氧化鋁廠大流程；而富鐵殘渣再通過二次處理，控制磁場強度、梯度、粒度等參數，得到了高品位的磁性鐵粉，含鐵品位為93.7%，鐵回收率為94.42%。而非磁性殘渣用來生產建筑材料。

［1］ 高建陽.新法分選拜爾法赤泥研究報告［R］.淄博：中國鋁業山東分公司，2002.

［2］ Y.K.Rao.Stoichiometry and thermodynamics of metallurgical process［M］.London：Chambrige，1985：880-891.

［3］ 孫宗毅.細粒嵌布多金屬貧鐵礦石開發利用新工藝［J］.礦冶工藝，1992（增刊）：9-10.

［4］ 梅賢恭.某高鐵三水型鋁鐵復合礦拜耳法溶出及赤泥直接還原工藝與理論研究［D］.長沙：中南工業大學，1993.

［5］ 喬治.西格蒙德.關于鋁土礦殘渣處理和利用的研究最終報告［J］.貴陽鋁鎂設計研究院，譯.鋁鎂技術報導，1988（5）：61-70.

［6］ 梅賢恭，孫宗毅，陳藎.高鐵赤泥煤基直接還原過程中固相反應的熱力學分析［J］.輕金屬，1984（7）：8-12.

Analysis of the Influence Factors of Preparation Sponge Iron by Red Mud from Bayer Process

GAO Jian-yang,CHEN Yu-hai,ZHENG Xia
（The Research Institute of Shandong Corporation of China Aluminum Co.,Ltd.,Zibo 255065,China）

This article made the test discussion of producing high-quality sponge iron,that is,dealing with the red mud from bayer process by coal-based direct reduction roasting and adding self-made composite additives,second magnetic separation of slag and iron and then third cold bond agglomeration.The metallic iron grains growth characteristics in the course of coal-based direct reduction were studied by means of X-ray and SEM-EDS etc.It also emphatically discussed the influences of the variety of addictives,roasting condition and magnetic dressing parameters on the metallic iron grains growth characteristics.The results were as follows:the self-made additive A as optimum additive,the best roasting temperature 1200℃,the roasting time 2 h and advisable magnetic intensity in 2 000 A/m,then the high-quality sponge iron was a metallization rate of 92.9%,the iron content was 93.7%and the iron recovery rate was 94.42%.

red mud;coal-based direct reduction;sponge iron;magnetic separation;additive;recovery

X758

A

1004-4620（2010）04-0037-04

2010-04-23

高建陽，男，1972年生，1996年畢業于西安建筑科技大學冶金工程專業，工程碩士。現為中國鋁業山東分公司研究院高級工程師，重點科研項目負責人，從事項目研發工作。