富氧側(cè)吹爐熔煉高鐵鋁土礦工藝可行性探討

楊世干

（廣東申聯(lián)新材料科技有限公司，廣東 化州 525100）

1987年中南工業(yè)大學(xué)在廣西中部的貴港發(fā)現(xiàn)的三水鋁石型鋁土礦，廣泛分布于玉林至南寧一帶十余個(gè)縣市，是全國已知最大的三水鋁石型鋁土礦資源，預(yù)測(cè)資源儲(chǔ)量達(dá)10億多噸。國內(nèi)許多高等院校、科研院所和部分企業(yè)都針對(duì)這一資源進(jìn)行了卓有成效的實(shí)驗(yàn)研究工作，但至今尚無工業(yè)化生產(chǎn)的有效工藝[1]。富氧側(cè)吹爐作為熔池熔煉工藝的關(guān)鍵設(shè)備具有冶煉強(qiáng)度大、床能力高、入爐物料無需預(yù)處理和干燥、采用煤、廢殘極或其他含碳物作為燃料、煙塵率低、自動(dòng)化控制程度高、勞動(dòng)強(qiáng)度低、爐壽長和煙氣易于處理等很多優(yōu)點(diǎn)，近十多年來已在我國煉銅、鉛、銅鎳、鉍等有色領(lǐng)域得以充分應(yīng)用，并在不斷實(shí)踐中加以改進(jìn)，相應(yīng)的冶煉工藝也日趨成熟和穩(wěn)定。而將富氧側(cè)吹爐用于處理高鐵鋁土礦，作為一種新工藝不僅存在理論上的可行性，為實(shí)現(xiàn)工業(yè)化奠定了一定的基礎(chǔ)。

1 原有先鋁后鐵工藝及其優(yōu)缺點(diǎn)

目前，中南大學(xué)、東北大學(xué)等科研院校經(jīng)過較為充分的理論和試驗(yàn)研究，提出了選礦冶煉、先鋁后鐵、先鐵后鋁等幾個(gè)大類的生產(chǎn)工藝，而先鐵后鋁法衍生出了四個(gè)工藝：預(yù)還原焙燒-電爐熔分-氧化鋁提取工藝、回轉(zhuǎn)窯還原焙燒-磁選粒鐵-氧化鋁提取工藝、回轉(zhuǎn)窯高溫還原-鐵渣分離-氧化鋁提取工藝、鋁土礦燒結(jié)-高爐熔煉-鐵渣分離-氧化鋁提取工藝。四個(gè)先鐵后鋁工藝均通過火法冶煉分離出鐵及鋁酸鈣爐渣，再用碳酸鈉溶液浸出鋁酸鈣爐渣得到鋁酸鈉溶液和硅鈣渣，鋁酸鈉溶液經(jīng)除雜、碳分、清洗、煅燒等工序得到氧化鋁，硅鈣渣用作生產(chǎn)水泥的原料，實(shí)現(xiàn)了礦石的綜合利用。而不同之處在于鐵鋁分離過程，采用的冶煉工藝及裝置不同，金屬回收率和冶金成本也有所不同[2]。

（1）預(yù)還原焙燒-電爐熔分-氧化鋁提取工藝。將配好石灰石和煤的鋁土礦，投入回轉(zhuǎn)窯中進(jìn)行預(yù)還原焙燒，焙燒溫度1000℃～1100℃。將燒結(jié)礦加入電爐進(jìn)行還原熔煉，分離出鐵水和高鋁渣。該工藝的特點(diǎn)是流程簡(jiǎn)單，是現(xiàn)行煉鐵工業(yè)和氧化鋁工業(yè)的有機(jī)組合，技術(shù)成熟。缺點(diǎn)是采用電爐熔煉，電耗很大，成本高，經(jīng)濟(jì)上不劃算。

（2）回轉(zhuǎn)窯還原焙燒-磁選粒鐵-氧化鋁提取工藝。將配好石灰石和煤的鋁土礦，投入回轉(zhuǎn)窯中進(jìn)行預(yù)還原焙燒，焙燒溫度1400℃～1500℃。利用燒結(jié)礦緩冷膨脹自粉的特點(diǎn)得到粒狀鐵和鋁酸鈣爐渣，再用磁選方法選出鐵粒。該方案主要是為了減少電耗而用回轉(zhuǎn)窯進(jìn)行金屬的還原。缺點(diǎn)是鐵不能有效聚合，磁選效果差，技術(shù)難度大，綜合成本高。

（3）回轉(zhuǎn)窯高溫還原-鐵渣分離-氧化鋁提取工藝。將配好石灰石和煤的鋁土礦，投入回轉(zhuǎn)窯中進(jìn)行還原焙燒，焙燒溫度1480℃以上，得到鐵水和鋁酸鈣爐渣。該工藝優(yōu)點(diǎn)是能源大部分為煤。缺點(diǎn)是熔煉溫度高，能耗較高；回轉(zhuǎn)窯爐襯腐蝕快，壽命短，工藝可行性較差。

（4）鋁土礦燒結(jié)-高爐熔煉-鐵渣分離-氧化鋁提取工藝。將配好石灰石、石灰和煤的鋁土礦，投入燒結(jié)機(jī)得到燒結(jié)礦并將其投入高爐冶煉，高爐熔煉溫度1500℃以上，得到鐵水和鋁酸鈣爐渣。通過控制配料和高爐熔煉，可獲得98%以上的鐵回收率。缺點(diǎn)是燒結(jié)燒成率低，燒結(jié)塊強(qiáng)度不足，焦粉消耗量大，過程不易控制；高爐熔煉為固體熔煉，爐渣堿度高、粘度大，采用燃料為冶金焦炭，焦耗大，綜合成本高。

2 富氧側(cè)吹爐熔煉高鐵鋁土礦工藝流程

針對(duì)廣西高鐵鋁土礦特點(diǎn)，經(jīng)諸多試驗(yàn)研究之后，提出了富氧側(cè)吹爐熔煉高鐵鋁土礦新工藝，其核心工藝流程為：

高鐵鋁土礦開采后，經(jīng)過粗碎、洗礦得到精礦，再與煤粒、石灰石一起投入富氧側(cè)吹爐中，向爐中鼓入富氧空氣，鐵組分被還原為鐵水，石灰石分解為石灰，與礦石中的二氧化硅、氧化鋁結(jié)合生成鋁酸鈣爐渣，熔體進(jìn)入電熱前床進(jìn)一步沉降分離，鋁酸鈣爐渣進(jìn)入緩冷系統(tǒng)，冷卻后得到爐渣粉料，再用碳酸鈉溶液浸出得到鋁酸鈉溶液和硅鈣渣，用富氧側(cè)吹爐煙氣凈化后作為原料氣（含較高濃度二氧化碳）使鋁酸鈉溶液碳分，得到氫氧化鋁，氫氧化鋁經(jīng)煅燒得到氧化鋁，硅鈣渣作為生產(chǎn)水泥的原料出售；鐵水經(jīng)過脫硫脫磷外售作為煉鋼原料；通過余熱鍋爐捕收煙氣余熱用于發(fā)電。

3 富氧側(cè)吹爐熔煉高鐵鋁土礦工藝可行性分析

（1）工藝成熟部分分析。從上述工藝流程看出，高鐵鋁土礦采選、制氧站、配氣站、余熱發(fā)電、鋁酸鈣爐渣緩冷、浸出、碳分、氫氧化鋁煅燒、鐵水脫硫/脫磷、煙氣通過洗氣塔等工序均為成熟的工業(yè)生產(chǎn)過程，且在高鐵鋁土礦其他工藝方案中已得以證實(shí)可行，相關(guān)設(shè)備均可穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）物料成分變化分析。廣西高鐵鋁土礦精礦成分如表1所示：

從Al2O3-SiO2-CaO三元相圖可知，鈣鋁組分在高溫下可以形成多種化合物：3CaO.Al2O3、12CaO.7Al2O3、CaO.Al2O3、CaO.2Al2O3、CaO.6Al2O3等， 其 中 3CaO.Al2O3、12CaO.7Al2O3在碳酸鈉溶液中可以溶出，而12CaO.7Al2O3的溶出性能強(qiáng)于3CaO.Al2O3，因此冶金計(jì)算配料是按全部生成12CaO.7Al2O3來進(jìn)行的，為了防止CaO.Al2O3、CaO.2Al2O3的生成降低溶出率，影響鋁的綜合回收率，配料的石灰適當(dāng)過量。試驗(yàn)產(chǎn)出的鋁酸鈣爐渣成分如表2所示：

經(jīng)測(cè)定，該鋁酸鈣爐渣熔點(diǎn)在1380℃～1420℃之間，且在熔煉溫度下，其粘度較低，流動(dòng)性良好。因此，在使用富氧側(cè)吹熔池熔煉爐作為熔煉高鐵鋁土礦可確保熔體能順利流出。該鋁酸鈣爐渣采用碳酸鈉浸出，浸出率可達(dá)90%以上，所得鈣硅渣成分如表3所示：

表3 鈣硅渣成分

水泥的主要成分是硅酸鹽。普通水泥主要成分的名稱、化學(xué)式：硅酸三鈣3CaO.SiO2、硅酸二鈣2CaO.SiO2、鋁酸三鈣3CaO.Al2O3。而高鐵鋁土礦熔煉產(chǎn)出的爐渣中硅鈣組成經(jīng)光衍射分析，主要組分為硅酸二鈣，其他雜質(zhì)成分也符合生產(chǎn)普通硅酸鹽水泥的原料要求。將該硅鈣渣在某高校實(shí)驗(yàn)室條件下生產(chǎn)水泥，所得產(chǎn)品質(zhì)量符合水泥行業(yè)要求。

因此，從高鐵鋁土礦成分直至硅鈣渣成分的變化分析可知，采用新工藝處理廣西高鐵鋁土礦的工藝是可行的。

（3）富氧側(cè)吹爐熔煉部分分析。新工藝流程中，只有富氧側(cè)吹熔池熔煉部分從未得以進(jìn)行過相關(guān)試驗(yàn)，但富氧側(cè)吹熔池熔煉爐卻在銅、鉛、銅鎳、鉍等有色領(lǐng)域得到應(yīng)用，充分發(fā)揚(yáng)了其自身的諸多長處。從富氧側(cè)吹爐的結(jié)構(gòu)（參考朱祖澤、賀家齊主編的《現(xiàn)代銅冶金學(xué)》329頁）看，爐子本體從下到上分為四個(gè)區(qū)域：爐缸區(qū)、主反應(yīng)區(qū)、鼓泡區(qū)、二次燃燒區(qū)。爐缸區(qū)用于暫時(shí)儲(chǔ)存分離出來的密度較大的物質(zhì)，如冰銅、鉛液、冰桶冰鎳、鉛鉍合金等，在高鐵鋁土礦的處理中，由于鐵水和鋁酸鈣爐渣密度相差較大，鐵水沉降后儲(chǔ)存在爐缸區(qū)。主反應(yīng)區(qū)為物料混合和加入富氧的區(qū)域，利用鼓風(fēng)的壓力將這部分熔體劇烈攪動(dòng)，氣液固三相充分混合，熱傳遞很快。在處理高鐵鋁土礦時(shí)，這區(qū)域內(nèi)主要是礦石分解、氧化鐵被碳質(zhì)燃料還原、石灰石分解、新爐渣生成的反應(yīng)，雖然熔體溫度高，但爐子有銅水套保護(hù)。鼓泡區(qū)和二次燃燒區(qū)與其他有色金屬冶煉過程雷同，區(qū)別僅在于二次風(fēng)量的大小。和冶金原理上看，爐內(nèi)只要有足夠的熱就可以維持反應(yīng)的進(jìn)行，因此，經(jīng)過冶金計(jì)算加入足夠的煤或其他碳質(zhì)燃料，就可以順利產(chǎn)出鐵水和鋁酸鈣爐渣，反應(yīng)原理與在電爐、高爐內(nèi)基本相同。流程中設(shè)有電熱前床，目的是通過電極加熱可以使鐵水和鋁酸鈣爐渣升溫，確保整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)不會(huì)停爐，可用熱開爐方式保證正常生產(chǎn)。

因此，用富氧側(cè)吹熔池熔煉爐代替電爐、回轉(zhuǎn)窯、高爐等冶金爐窯來處理高鐵鋁土礦是完全可行的。

4 富氧側(cè)吹爐熔煉高鐵鋁土礦工藝的優(yōu)勢(shì)

（1）礦石無需預(yù)處理，減少燒結(jié)或回轉(zhuǎn)窯焙燒工序，消除預(yù)處理成本。富氧側(cè)吹爐處理的原料輔料均為粒狀物料，物料粒徑過大或粉狀均不利于生產(chǎn)。高鐵鋁土礦礦體厚度1.2m～6.8m，埋藏淺，表土層一般為0.5m～1.5m，絕大部礦石直接露出地表，原礦大多數(shù)為粒狀，經(jīng)粗碎和洗礦后即可滿足富氧側(cè)吹爐要求，無需燒結(jié)再破碎等復(fù)雜工序，可消除其他工藝中原料預(yù)處理成本。

（2）可使用煤、廢殘極及其它含碳物作為燃料，降低燃料成本。富氧側(cè)吹爐作為較為先進(jìn)的熔池熔煉爐，氧氣濃度達(dá)到60%以上的富氧空氣帶著壓力從熔體內(nèi)送入，只要有足夠的燃料燃燒熱量維持熔體溫度，即可保證熔煉過程正常進(jìn)行。因此，普通的燃料煤、廢殘極及其它含碳物料，只要熱值及成分能滿足爐內(nèi)需要，均可作為燃料，無需考慮價(jià)格高昂的冶金焦炭作為燃料，燃料成本大幅降低。而高爐熔煉需要考慮料柱的透氣性和燃料支撐物料的強(qiáng)度，必須需要冶金焦炭作為燃料。因此，與其他工藝相比，用富氧側(cè)吹爐處理高鐵鋁土礦的燃料成本較低。

（3）煙氣可作為后續(xù)碳分工序的原料氣，進(jìn)一步降低成本。由于采用富氧熔煉，側(cè)吹爐產(chǎn)出的煙氣中含二氧化碳較高，經(jīng)過凈化后即可作為后續(xù)碳分工序的原料氣，同時(shí)由于煙氣溫度有300℃以上，可提高碳分槽溶液溫度，加速反應(yīng)進(jìn)行，減少燃料或電加熱費(fèi)用。而高爐或回轉(zhuǎn)窯出來的煙氣如作碳分原料氣，反應(yīng)時(shí)間過長，相應(yīng)反應(yīng)槽和輸液泵過大，經(jīng)濟(jì)上不劃算。

（4）熔體停留時(shí)間長，爐渣易于調(diào)控至最佳成分。由于采用熔池熔煉，且鋁酸鈣爐渣在電熱前床有足夠停留時(shí)間，因此，非常利于調(diào)整爐渣成分，最大化地生成12CaO.7Al2O3，避免生成CaO.Al2O3等化合物，提高鋁的浸出率和回收率。

（5）自動(dòng)化控制程度高，不易死爐，勞動(dòng)條件好。富氧側(cè)吹爐在國內(nèi)已有十多年的發(fā)展歷程，從物料稱量、爐溫控制、熔體溫度調(diào)節(jié)、負(fù)壓控制、煙氣輸送、富氧流量和濃度調(diào)節(jié)等方面都可實(shí)現(xiàn)精確的自動(dòng)化調(diào)控，加上有電熱前床做保障，電熱前床內(nèi)的熔體可通過電極升溫，熔體返回爐內(nèi)簡(jiǎn)單，不容易死爐，確保生產(chǎn)的連續(xù)性。此外，由于爐子采用負(fù)壓操作，現(xiàn)場(chǎng)也盡可能規(guī)避人工操作，因此勞動(dòng)條件好。

5 結(jié)論

①富氧側(cè)吹爐熔煉高鐵鋁土礦工藝可行，各工序均為成熟工序，工藝完整，物料得以綜合利用。②富氧側(cè)吹爐作為工藝關(guān)鍵設(shè)備，在處理廣西高鐵鋁土礦的生產(chǎn)中有很多優(yōu)勢(shì)，成本將比其它工藝降低。③該工藝為廣西高鐵鋁土礦的有效利用提供了新的思路。