包头稀土精矿浓硫酸酸化工艺

李向东，李虎平，孟玉琴，王维欢，胡广寿/文 甘肃稀土新材料股份有限公司
包头白云鄂博稀土矿是我国第一大稀土矿床，其主要成分氟碳铈矿和独居石。

自20世纪80年代张国成院士团队提出浓硫酸高温强化焙烧分解稀土精矿的工艺以来，经过30～40年的发展，此工艺已经成为分解包头稀土混合型稀土精矿的首选工艺，经过大量技术人员多年的努力，工艺日趋完善。

但随着国家稀土精矿配额、能耗指标、环保指标的要求日趋严格，以及国际市场竞争的压力越来越大，提高单体炉窑的产能产量成为各个稀土分离企业降低物料单耗、降低能源单耗、降低“三废”处理压力的重要途径。

浓硫酸高温强化焙烧主要是将浓硫酸、铁粉、包头混合型稀土精矿酸化后在回转窑中进行焙烧，而后水浸除杂得到硫酸稀土溶液。

生产过程中精矿的酸化工艺直接决定回转窑是否“结窑”或者“拉稀”，进而影响回转窑的产能和稀土浸出率。

由于稀土精矿浓硫酸酸化过程是硫酸强化焙烧的辅助工艺，大量的技术人员在研究焙烧工艺时对稀土精矿的浓硫酸酸化工艺进行了研究，但是专门讨论稀土精矿浓硫酸酸化过程的文献比较少，难以系统的指导工业生产中的酸化工艺。

因此本实验以包头高品位稀土精矿和低品位稀土精矿为研究对象，通过浓硫酸直接酸化的方法，探索了稀土精矿酸化工艺，目的在于对生产过程中出现的问题：酸化过
【摘要】：本实验以包头高品位为稀土精矿和低品位为稀土精矿为研究对象，通过浓硫酸直接酸化的方法，研究 了酸矿比对酸化过程中矿浆液膨胀倍数、矿浆液比重的影响，同时探索了不同酸矿比在对应酸化时间 中矿浆液的粘度。

实验结果表明：包头高矿单独酸化酸矿比为1.3，包头低矿单独酸化酸矿比为1.5， 酸化过程膨胀倍数最大，矿浆液才能在酸化时间为10 min粘度最低；通过高低矿不同比例混合实验， 探索出产能最大，收率最高的酸化工艺条件为：包头矿高矿：包头低矿= 8:2，酸矿比1.4，酸化时间 10 min时，膨胀系数小，矿浆液粘度最低，稀土浸出率达到最高值94.8%。

【关键词】：包头稀土精矿，硫酸，粘度，稀土浸出率
【中图分类号】：TF845 【文献标识码】：A
程剧烈反应导致“硫酸稀土矿浆液冒槽”、酸化过程中浆液体积膨胀“结死”酸化槽、粘度过大导致回转窑下料管堵塞、酸化时间不够导致酸化过程不完全等生产问题进行指导。

1试验
1.1 原料
1.2 试验装置与试剂
装置：JJ-1型电动搅拌、TE6101-L 电子天平、自制运动粘度计（四氟乙烯，下端流孔为φ5 mm）、量筒若干。

试剂：98%工业硫酸、铁粉（Fe ≥60%）
1.3实验方法
准确称取100 g湿稀土精矿，按Fe/P = 3.3的比例，准确称取铁粉，对铁粉和精矿进行充分混合均匀备用，按不同酸比称取工业硫酸，将硫酸倒入塑料烧杯中，开启搅拌，缓慢加入混合好的稀土精矿，开始记录时间，观察反应情况，加料结束后直至大量气泡消失，此过程的时间可以认为是酸化初步反应时间，观察冒气泡现象，然后将浆液通过自制的粘度计测试运动粘度。

2 结果讨论
2.1 包头高品位、低品位稀土精矿单独酸化实验
包头高矿、低矿分别以1.0，1.1，1.2，1.3，1.4，1.5，1.6的酸矿比进行试验。

记录剧烈酸化反应时间和观察不到冒气泡现象时的酸化总时间，粗略测
量酸化反应时的料浆膨胀率和酸化后的料浆密度。

使用运动粘度计测量酸化后浆料的运动粘度。

2.1.1 包头高品位稀土精矿硫酸酸化固化试验
（1） 酸矿比对包头高矿酸化过程的影响
本实验中所述的膨胀倍数为：在酸化过程中，当稀土精矿加入浓硫酸时，体系中会产生大量粘性泡沫，体积会急速的膨胀，其最大体积和硫酸液面稳定时的体积之比，本实验称之为膨胀倍数。

在实际生产中，浓硫酸和稀土精矿在调浆罐中混合之后，会通过加料管直接自流至回转窑中，加料过程属于连续运行过程。

膨胀系数越大，即在酸化过程中形成的粘性泡沫越多，容易冒出调浆罐，导致生产无法进行。

图1看出，随着酸矿比的不断增大，膨胀倍数持续稳定在3.67左右，当酸矿比大于1.3以后，膨胀倍数迅速降低，其原因可能是由于稀土中浓硫酸量较大，在搅拌过程中，可以迅速地与稀土精矿接触，且接触面积瞬间增大，反应速率快，反应温度高，粘性泡沫不易形成。

图1所示，待反应完全以后，读取浆液体积，与加入体系中的稀土精矿和浓硫酸质量可以得出酸化浆液的比重，可以看出，随着酸矿比的增大，矿浆液比重成波动下降的趋势，说明酸化时浓硫酸加入量越大，其相对体积越小。

表1 稀土精矿非稀土元素分析结果
图1 酸矿比对包头高矿酸化的影响
Figure 1 Effect of acid-to-mineral ratio on acidification of Baotou
high-grade ore
Table 1 Analysis results of non-rare earth elements in
rare earth concentrate
（2） 酸矿比对包头高矿酸化后粘度的影响
在实际生产过程中，调浆罐和回转窑之间由加料管连接，加料管与水平方向会有一定的倾角，粘度过大，浆料自流速度慢，容易出现浆料挂壁等问题，造成加料管堵塞，影响生产，这就对酸化后的矿浆液粘度提出了要求。

图2看出，随着酸矿比的不断
增大，酸化后浆液粘度不断降低。

当酸矿比在1.3以下时，随着搅拌酸化时间的延长，其包头高矿酸矿混合物的运动粘度降低，这可能是因为，随着酸化反应的持续进行，大量的粘性泡沫破裂，造成物料之间的流动性提高，导致整个酸化后的浆料体系粘度随时间的延长不断地降低；当酸矿比在1.3以上时，随着搅拌酸化时间的延长，由于硫酸在体系中的比重较大，前期反应快，体系温度高，随着时间的延长，温度降低速度快，反应过程中的浓硫酸与铁粉、钙等形成杂质形成的硫酸盐，造成其包头高矿酸矿混合物的运动粘度增大；进一步的可以看出，其酸化后矿浆液粘度，随着酸矿比的增大而降低，随着酸化时间的延长而增加。

2.1.2 包头低品位稀土精矿硫酸酸化固化试验（1） 酸矿比对包头低矿酸化过程的影响
图3看出，随着酸矿比的不断增大，膨胀倍数先减小后增大；当酸矿比增大到1.2时，膨胀倍数达到较小值3.1，这可能时因为包头低矿的中钙元素占比较大，在酸化过程中，形成了硫酸钙沉淀，包裹于稀土精矿表面，导致反应速率降低；但是随着酸矿比的持续增大，酸化浆液中的硫酸占比增大，未反应的稀土精矿之间相互机械摩擦，破坏硫酸钙包覆层，稀土精矿与硫酸持续进行酸化反应，产生大量粘性泡沫，浆液的体积增大。

随着酸矿比的不断增大，矿浆液的比重大致不变，当酸矿比达到1.5时，突然增大，这可能是因为硫酸钙包覆膜破碎以后，矿浆液中存在大量的微小硫酸钙颗粒，且体系中的稀土精矿完全与硫酸发生反应形成的粘性泡沫与微小硫酸钙颗粒混合在一起，粘性泡沫破裂，整体体积缩小，矿浆液比重增大。

（2） 酸矿比对包头低矿酸化后粘度的影响
图4所示，当酸矿比在1.3以下时，由于气泡较多和运动粘度较大，无法测定酸化10 min和20 min 的运动粘度，酸化时间的在30 min以上时，矿浆液的粘度达到500 mm2/min以上，这可能是因为，包头低矿的中的钙等杂质元素含量较高，形成了硫酸钙等固体小颗粒，增加了整个体系中的固体的相对含量，造成粘度非常大，浆液没有流动性。

随着酸矿比的不断增加，矿浆液的粘度先降低，当酸矿比增大至1.4时，粘度将至较低点；随着矿酸比的图3 酸矿比对包头低矿酸化的影响
图2 酸矿比对酸化后矿浆液粘度的影响
Figure 2 Effect of acid ratio on viscosity of acidified slurry Figure 3 Effect of acid ratio on acidification of Baotou
low-grade ore
不断增大，整个酸化过程中形成一种循环反应：硫酸钙包覆稀土精矿——包覆层破碎——稀土精矿反应——新包覆层形成，从而造成随着酸矿比的增加，其运动粘度先降低——后升高——再降低的趋势。

随着酸化时间的延长，其运动粘度先升高后降低，为了提高生产效率，选择酸化时间10 min 为宜。

2.2 包头高品位和低品位精矿混合酸化实验
根据包头高矿与包头低矿的单因素实验，本实验取酸矿比为1:1.4，将包头高矿与包头低矿按照不同比例均匀混合，进行酸化实验。

（1） 酸矿比对混合精矿酸化过程的影响
图5看出，随着包头低矿配比的增加，矿浆液的比重基本保持不变，但其膨胀倍数呈现先增大，后减小的趋势。

当包头高矿：包头低矿= 5:5时，其膨胀系数达到最大值4.23，说明在包头低矿达到50%时，其酸化过程瞬时反应速率最快，造成瞬时浆液体积增大。

（2） 酸矿比对混合精矿酸化后粘度的影响 图6看出，随着包头低矿配比的增加，矿浆液的粘度先升高—降低—再升高的趋势，这主要是由于包头低矿加入的影响。

当包头低矿的配比不断增加至30%～40%（高矿：低矿= （7～6）:（3～4））
时，混合精矿在硫酸作用下，大量反应，其运动粘度增大稳定在260 mm 2/s 以上，在这个配比下，矿浆液的流动性比较差。

但是当低矿配比继续增大至50%，其运动粘度反而降低到250 mm 2/s，有利于物料的流动。

当低矿配比小于70%时，随着酸化时间的延长，其运动粘度不断地升高，酸化时间延长到30 min 时，伴随着高低矿配比的不同，运动粘度有波动，但基本趋于稳定；当低矿配比大于70%时，随着酸化时间的延长，矿浆液的粘度先升高，在30 min 时，粘度达到最大值，然后随着时间的延长不断地降
图
4 酸矿比对酸化后矿浆液粘度的影响
Figure 4 Effect of acid ratio on viscosity of acidified slurry
图5 包头高矿与包头低矿不同配比对精矿酸化过程的影响Figure 5 Effect of different ratio of Baotou high ore and Baotou low ore on concentrate acidification process
图6 包头高矿与包头低矿不同配比
对酸化后矿浆液粘度的影响
Figure 6 Effect of different proportions of Baotou high ore
and Baotou low ore on viscosity of acidified ore slurry
94.8%。