拜耳法赤泥中铁的提取及残渣制备建材实验研究

拜耳法赤泥中的主要元素为硅、铝、钙等，通过烧结可能生成 β-2CaO·SiO2 等活性 成分。土耳其 Taner Kavas 以赤泥为主要原料，以硼渣作为助熔剂，两者的质量比为 85:15，在 900℃制得的烧结砖样品抗压强度能够达到 40MPa，抗折强度能够达到 9MPa[13]。土耳其的 Kara M.等人利用水洗的赤泥也能制得抗压强度较高的赤泥砖[14]。
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1.1 国内外拜耳法综合利用研究现状
1.1.1 生产建筑材料
土耳其 Ataturk 大学的 Ekrem Kalkan 进行了将赤泥用作水泥稳定剂的研究[11]。实 验发现，与天然粘土夯实试件相比，加有赤泥和水泥-赤泥添加剂的夯实试件具有较高 的抗压强度、较低的水压传导率和水胀率，在地质水利方面的应用具有可行性。
华中科技大学 硕士学位论文 拜耳法赤泥中铁的提取及残渣制备建材实验研究 姓名：刘万超 申请学位级别：硕士 专业：环境工程 指导教师：杨家宽
20070609
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摘要
本文以拜耳法赤泥为原料，在对其进行化学组成、矿物组分和铁物相分析的基础 上，用直接还原焙烧-磁选法回收海绵铁，磁选后残渣用于生产建筑材料。
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独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
学位论文作者签名： 日期： 年 月 日
氧化铝生产工艺大致可以分为四类，即碱法、酸法、酸碱联合法和热法，但目前 工业生产几乎全部采用碱法[3]。根据铝土矿原料的不同，碱法生产氧化铝的工艺也有所 不同，一般分为烧结法、拜耳法和拜耳－烧结联合法等。以一水硬铝石为主的低品位 铝土矿为原料的氧化铝厂一般采用烧结法；高铝硅比、高品位的三水铝石和一水软铝 石铝土矿一般采用烧碱低温溶出的拜耳法工艺生产 Al2O3；对于中低品位铝土矿，一般 先采用拜耳法低温溶出部分 Al2O3，分离的拜耳法赤泥残留 Al2O3 含量较高，因此再经 过烧结法进一步提取 Al2O3，这种生产工艺称为联合法（即拜耳法和烧结法的联合工 艺）。由于拜耳法工艺较烧结法能耗低、效益好，我国新上氧化铝厂及国外的氧化厂多 采用拜耳法。
化 学 分 析 结 果 表 明 ， 该 拜 耳 法 赤 泥 的 主 要 成 分 为 氧 化 铁 （ 27.93% ）， 氧 化 铝 （22.00%），二氧化硅（20.98%），其次为钙、钠、钛等。XRD 分析表明，该赤泥中主 要的矿物组成为石英，赤铁矿，针铁矿，钙霞石，方解石和伊利石。铁物相分析显示， 该赤泥中的铁以赤（褐）铁矿为主要存在状态，其次为硅酸铁、碳酸铁和硫化铁。
Under above conditions, primary elements of residues were O, Si, Al, Na, Ca, and primary mineralogical compositions including nepheline, α-Al2O3, CaSiO3 and little iron. The residues mixed with 13% lime, steam curing for 11h at 80℃, after pressure molding at 20MPa. The compressive strength of specimen added up to 24.10Mpa. It was possible to make building materials such as steam- cured bricks from this residue.
本文对还原焙烧磁选回收铁残渣制备建材的工艺进行了简单的经济性分析，认为 该工艺在经济上是有利可图的。
关键词：拜耳法赤泥 直接还原焙烧-磁选 回收铁 建材 综合利用
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Abstract
In this dissertation, recovery of iron was investigated from Red Mud (RM) of Bayer process as raw materials with direct reduction sintering process followed by magnetic separation, and building materials were prepared from magnetic separation residues after analyzing chemical and mineral compositions, and ferrous chemical phase.
Results of chemical analysis showed that compositions of RM included Fe2O3 (27.93%), SiO2 (20.98%), Al2O3 (22.00%), and others were Ca, Na, Ti and so on. As XRD pattern showed, the mineralogical compositions in RM were quartz, hematite, limonite, cancrinite, calcite and illite. According to the chemical phase analysis, most of iron existed as hematitelimonite ore, followed by FeSiO3, FeCO3 and FeS.
按照不同的氧化铝生产工艺，赤泥分为烧结法赤泥和拜耳法赤泥（联合产生的赤 泥性质与烧结法赤泥相似）。由于经过高温烧结工艺，烧结法赤泥中通常含有 2CaO·SiO2 等活性成分，因此国内外在烧结法赤泥生产水泥、免烧砖等建筑材料方面已经进行了 广泛研究并取得了一定的成果[6~10]。拜耳法冶炼氧化铝是采用强碱 NaOH 溶出高铝、 高铁、一水软铝石型和三水铝石型铝土矿，所产生的拜耳法赤泥中几乎不含 2CaO·SiO2 等活性成分。由于含铁高，耐腐蚀性差，很难直接用于建材行业上。目前，国内外对 拜耳法赤泥的综合利用主要集中在生产烧结建材（水泥、砖瓦、陶瓷等）、制备吸附材 料、合成沸石、提取有价金属等方面。
雅典国立理工大学 P.E. Tsakiridis 等进行了将赤泥用于生产水泥的实验 [12]。他们 向普通水泥生料中添加 3.5%的赤泥，经 1350℃，1400℃，1450℃焙烧后，对所得水泥 熟料进行微观测试、化学和矿物分析并测定其可磨性、凝固时间、抗压强度和膨胀性 能后，认为赤泥的加入不会影响水泥的质量。但这种方法赤泥的掺量太小，对于赤泥 巨大的产量来说，无异于杯水车薪。
理论分析说明，铁还原焙烧实验的主要影响因素有：焙烧温度、焙烧时间、添加 剂用量和配炭比。正交实验发现，因素对铁精矿产品的总铁含量、金属化率和铁回收 率等指标的影响并不一致。本文结合三组正交实验、四组单因素影响实验结果，探讨 了各因素的影响趋势及原因，并得出较为理想的还原焙烧条件为：焙烧温度 1300℃， 炭粉:赤泥为 18:100，添加剂:赤泥为 6:100，焙烧时间 110min。在该条件下焙烧产物 经磨细磁选后所得产品，总铁含量达到 89.05%，金属化率 96.98%，铁回收率 81.40%。 产品可用作海绵铁做炼钢原料。
1.1.2 用于环境污染治理
拜 耳 法 赤 泥 中 含 有 赤 铁 矿 （ α-Fe3O2 ） 和 针 铁 矿 （ α-FeO(OH) ）、 一 水 硬 铝 石 （Al2O3·H2O）、含水硅铝酸钠（Na2O·Al2O3·1.68SiO2·1.73H2O）、方解石（CaCO3）等物 相。赤泥具有多孔结构和较大的表面积并具有较强的碱性，可以在适当的场合得到应 用。
在进行残渣制砖实验之前，对上述条件下磁选所得残渣进行能谱分析，结果显示， 残渣中的主要元素为：O、Si、Al、Na、Ca 等。XRD 分析认为，其主要矿物组成为霞 石（NaAlSiO4）并含有 α-Al2O3、CaSiO3 和少量残留的铁。向残渣中掺入 13%的消石灰、 20MPa 压强下成型后，在一个大气压、80℃蒸汽中养护 11h 后，试件抗压强度可以达 到 24.10MPa，说明该残渣用于生产蒸养砖等建材具有可本授权书。
（请在以上方框内打“√”）
学位论文作者签名： 日期： 年 月 日
指导教师签名： 日期： 年 月 日
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1 概况
国际铝业协会统计数据显示，2006 年世界氧化铝产量为 5839.5 万吨[1]，其中中国 产量比去年同比增长 60%，达到 1370.0 万吨[2]，成为继澳大利亚之后的第二大氧化铝 生产国。
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保密□， 在 本论文属于
The result from a simple economic analysis showed that the process was feasible in the view of economics.
Key words: Red Mud from Bayer Process direct reduction roasting- magnetic separation iron recovery building materials comprehensive utilization
Roasting temperature, duration of roasting, additives and coal rations were primary factors of the reduction roasting experiment. According to the orthogonal experimental data, the effect of these factors on TFe was not identical with effect on MFe/TFe or recovery ratio. Considering all guide lines of test, better conditions of reduction roasting were obtained: 1300℃ roasting for 110min with coal powder: RM =18:100, additives: RM=6:100. Under these conditions, the TFe of concentrate we got was 88.77%, with 97.69% metallization degree and recovery ratio of iron was 81.40%. The production of iron concentrated could be used as DRI, raw material of steel-making.