袁致濤 張 松 李麗匣 于福家

(東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院)

我國(guó)是礦產(chǎn)資源大國(guó)，已探明的礦產(chǎn)資源約占世界總量的12%，僅次于美國(guó)和俄羅斯，居世界第3位［1］。其中鋁土礦資源豐度屬中等水平，總保有儲(chǔ)量達(dá)22.7億t，居世界第7位［2］。我國(guó)高鐵鋁土礦資源十分豐富，礦石中主要含鋁礦物有一水硬鋁石、一水軟鋁石、三水鋁石，主要含鐵礦物有赤鐵礦、針鐵礦、褐鐵礦等。大量高鐵鋁土礦資源鐵、鋁均未達(dá)到各自的工業(yè)品位，但鐵礦物和鋁礦物總量甚至超過礦物總量的80%，如能高效分離其中的鋁、鐵，綜合回收這2種元素，對(duì)緩解我國(guó)鋁、鐵礦石短缺局面具有重要意義。因此，高鐵鋁土礦作為一種有巨大開發(fā)潛力的礦產(chǎn)資源，越來越被礦業(yè)界關(guān)注。

1 我國(guó)高鐵鋁土礦石資源特點(diǎn)

高鐵鋁土礦石主要化學(xué)成分為A12O3、Fe2O3、SiO2和H2O，其中氧化鐵含量通常在5% ～37%，最高可達(dá)58.1%。礦石中的主要礦物為三水鋁石、一水硬鋁石、一水軟鋁石、針鐵礦、赤鐵礦、褐鐵礦和高嶺土，以及少量銳鈦礦、伊利石、硬錳礦、綠泥石等［5］。高鐵型鋁土礦結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜，多為自形、半自形、他形結(jié)構(gòu)及凝膠結(jié)構(gòu)、晶粒狀結(jié)構(gòu)、微晶－隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)、溶蝕交代結(jié)構(gòu)，通常為鮞狀、網(wǎng)狀及孔洞狀構(gòu)造等［6-7］。鐵礦物與鋁礦物難以分離除與二者嵌布關(guān)系復(fù)雜有關(guān)外，F(xiàn)e、Al離子因半徑、能量系數(shù)、電離勢(shì)等接近，因而Fe與Al普遍互相交代也是造成鋁鐵分離困難的重要原因。

我國(guó)高鐵鋁土礦資源主要分布在廣西、福建和山西等省區(qū)。由于地質(zhì)成礦條件不同，各地區(qū)形成了具有各自特征的高鐵鋁土礦石。

福建漳浦高鐵鋁土礦是由水解淋濾作用形成的紅土型鋁土礦，礦石中主要礦物是三水鋁石和少量的一水鋁石，次要礦物有赤鐵礦、針鐵礦等。礦石中A12O3含量為45%，F(xiàn)e2O3含量為17%，SiO2含量?jī)H有6%左右。主要的礦石結(jié)構(gòu)有膠狀結(jié)構(gòu)、微晶結(jié)構(gòu)、假象交代結(jié)構(gòu)等，常見有豆?fàn)?、皮殼狀膠結(jié)構(gòu)造以及次生膠結(jié)構(gòu)造，礦床分布于漳浦深土、赤湖、佛曇一帶，礦區(qū)沿海岸線從大肖向北東方向延伸約40 km，資源儲(chǔ)量達(dá)500萬～1 000萬 t［8］。海南文昌地區(qū)的鋁土礦石性質(zhì)與漳浦地區(qū)相近，含鐵量稍低，主要位于蓬萊一帶，保有儲(chǔ)量達(dá)1 330萬t。

廣西貴港高鐵鋁土礦石Fe2O3含量達(dá)35%～46%，在漫長(zhǎng)的歲月里，濕熱交替氣候環(huán)境將裸露地表的泥盆系、石炭系碳酸鹽風(fēng)化成了高鐵三水鋁土礦。礦石中主要礦物為三水鋁石、針鐵礦、赤鐵礦和高嶺土。礦石主要呈隱晶結(jié)構(gòu)、凝膠結(jié)構(gòu)，常見豆?fàn)?、鮞狀、結(jié)核狀構(gòu)造［9］。該類鋁土礦分布于廣西中南、東南部玉林市至南寧市一帶的近十個(gè)縣市，其中貴港、橫縣、賓陽一帶礦石質(zhì)量好，礦化面積大。貴港鋁土礦大部分出露地表，覆蓋層薄，礦層疏松，極易開采，總儲(chǔ)量超過2億t。

桂西鋁土礦為堆積型鋁土礦，礦石主要為他形粒狀結(jié)構(gòu)，鮞狀及致密塊狀構(gòu)造。礦石主要由一水硬鋁石、針鐵礦、赤鐵礦和高嶺土組成，A12O3含量為40.03% ～73.83%、Fe2O3含量為6.36% ～37.06%，組分簡(jiǎn)單，雜質(zhì)含量少。礦床集中分布于平果—靖西東西長(zhǎng)約240 km、南北寬約70 km的區(qū)域內(nèi)，是國(guó)內(nèi)最大的堆積型鋁土礦床，儲(chǔ)量在5億t以上［10］。

山西保德高鐵鋁土礦是大型紅土－沉積型鋁土礦，分布于保德橋頭以南至興縣奧家灣以北區(qū)域。礦石由一水硬鋁石、高嶺土、赤鐵礦、針鐵礦、銳鈦礦等礦物組成，儲(chǔ)量約為 1.4 億 t［11］。

此外，河南、四川、貴州等地也分布著大量的高鐵鋁土礦，全國(guó)高鐵型鋁土礦資源總量達(dá)到15億t以上［12］。雖然各地高鐵鋁土礦具有不同的礦產(chǎn)地質(zhì)特征，但大都裸露于地表，屬易開采礦石，且普遍解離性能差，到目前為止大部分高鐵鋁土礦還未得到合理的開發(fā)利用。

2 我國(guó)高鐵鋁土礦鋁鐵分離技術(shù)現(xiàn)狀

近幾十年來，我國(guó)相關(guān)科研院所和高校對(duì)高鐵鋁土礦的開發(fā)利用進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)性研究工作，針對(duì)不同性質(zhì)的礦石，逐漸形成了較系統(tǒng)的高鐵鋁土礦石綜合利用工藝。按高鐵鋁土礦綜合利用工藝先后，可分為先選后冶、先鋁后鐵和先鐵后鋁等原則工藝［13-16］;按處理鐵的方式，又可歸納為常規(guī)鋁鐵分離法、鐵礦物磁化焙燒鋁鐵分離法、鐵礦物高溫?zé)Y(jié)鋁鐵分離法等原則工藝，本文將按處理鐵的方式對(duì)鋁鐵分離技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行介紹。

2.1 常規(guī)鋁鐵分離工藝

2.1.1 常規(guī)的鋁土礦除鐵工藝

單一磁選或單一浮選工藝通常僅適合于鋁土礦除鐵。

李光輝等［17］對(duì)鋁礦物相對(duì)較細(xì)、鐵礦物相對(duì)較粗的某地高鐵鋁土礦石進(jìn)行了磁選選礦試驗(yàn)。結(jié)果表明:強(qiáng)磁選工藝可以實(shí)現(xiàn)一水硬鋁石型鋁土礦的鋁鐵分離，非磁性物(鋁精礦)Al2O3含量達(dá)65%以上、Fe2O3含量降至7%左右，滿足拜耳工藝對(duì)給料品質(zhì)的要求。

朱友益［18］采用自制的 ZY為鋁土礦捕收劑，Na2SiO3、LMC為抑制劑，在磨礦細(xì)度為－0.074 mm占97%的情況下，對(duì)山西陽泉鋁土礦石進(jìn)行了浮選試驗(yàn)。最終將 Al2O3含量從61.55%提高到了73.56%，F(xiàn)e2O3含量從1.38%下降到了0.83%。

溫英等［19］對(duì)Al2O3品位為62.03%、Fe2O3含量為2.64%的山西陽泉鋁礬土礦石進(jìn)行了富鋁除鐵研究。從階段磨礦、脫泥、浮選藥劑、加藥順序及流程結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究，最終確定采用選擇性較好的733為水鋁石捕收劑，六偏磷酸鈉+苛性淀粉為鐵礦物抑制劑，對(duì)階段磨礦至－0.045 mm占80%的磨礦產(chǎn)品進(jìn)行了分級(jí)分選，礦泥經(jīng)高梯度強(qiáng)磁選除鐵、礦砂經(jīng)浮選選鋁，最終獲得了Al2O3品位為78.34%、Fe2O3含量為0.77%的鋁精礦。

2.1.2 常規(guī)的鋁鐵綜合回收工藝

對(duì)于高鐵鋁土礦的綜合利用，通常采用磁浮聯(lián)合分選流程。

魏黨生［20］在對(duì)某地高鐵鋁土礦石化學(xué)成分、礦物組成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、粒度特性、賦存狀態(tài)和嵌鑲關(guān)系分析的基礎(chǔ)上，采用強(qiáng)磁選—陰離子反浮選工藝進(jìn)行了鋁鐵綜合回收試驗(yàn)研究，最終獲得了Al2O3含量超過68%、回收率超過70%的鋁精礦，以及鐵品位超過56%、回收率超過54%的鐵精礦。

黃光紅等［21］對(duì)某高鐵鋁土礦石采用磨礦(－0.074 mm占72%)—強(qiáng)磁粗選—強(qiáng)磁粗精礦再磨(－0.038 mm占90%)—強(qiáng)磁精選—強(qiáng)磁精礦反浮選提鐵脫鋁工藝處理，最終獲得了高品質(zhì)的鐵精礦，磁選尾礦與反浮選尾礦合并即為鋁精礦。

李天庚［22］對(duì)某高鐵鋁土礦石磨礦產(chǎn)品進(jìn)行1粗1精1掃強(qiáng)磁選，強(qiáng)磁掃選尾礦脫泥后即為鋁精礦，強(qiáng)磁選精礦再磨產(chǎn)品陰離子反浮選脫雜后即獲得較高品質(zhì)的鐵精礦。

高鐵鋁土礦石除可采用磁選、浮選及磁浮聯(lián)合選礦等常規(guī)工藝實(shí)現(xiàn)鋁鐵分離外，還有學(xué)者在微波預(yù)處理、載體浮選方面進(jìn)行過有益的探索，并取得了一些成果［23-24］。

對(duì)于鋁礦物與鐵礦物易于分離的礦石，常規(guī)分離方法可以經(jīng)濟(jì)、有效地將鐵、鋁分離。然而，大多數(shù)高鐵鋁土礦石的單體解離需要將礦石磨得很細(xì)，這就限制了常規(guī)分選工藝的應(yīng)用。

2.2 基于鐵礦物磁化焙燒的高鐵鋁土礦石鋁鐵分離工藝

高鐵鋁土礦石中的鐵礦物基本都是弱磁性鐵礦物。對(duì)于某些嵌布關(guān)系復(fù)雜的高鐵鋁土礦石，磁選很難達(dá)到理想的鋁、鐵分離效果，因此，通常采用磁化焙燒—磁選工藝對(duì)鐵礦物進(jìn)行回收。磁化焙燒的對(duì)象既可以是拜耳法產(chǎn)生的赤泥也可以是鋁土礦浮選尾礦［25］。

薛群虎等［26］采用磁化焙燒—磁選工藝對(duì)平果鋁業(yè)公司的高鐵赤泥進(jìn)行了鐵回收試驗(yàn)。試驗(yàn)以煤粉為固體還原劑，在較低溫度、較短時(shí)間內(nèi)使赤泥中的Fe2O3還原為Fe3O4，然后經(jīng)弱磁選獲得了鐵品位為54.51%、回收率為55.01%的鐵精礦。

唐曉寧等［27］研究了赤泥還原焙燒溫度對(duì)鐵回收效果的影響。結(jié)果表明，還原溫度從500℃升至600℃，鐵回收率由70.31%提高到81.67%;還原溫度進(jìn)一步升至700℃時(shí)，鐵回收率開始下降。這主要是由于還原溫度較低時(shí)，生成的Fe3O4磁性較弱，弱磁選難以充分回收;而當(dāng)還原溫度較高時(shí)，F(xiàn)eO熔融在Fe3O4中，產(chǎn)生弱磁性富氏體和硅酸鐵(Fe2SiO4)，進(jìn)而降低焙燒產(chǎn)物的磁性，導(dǎo)致鐵回收效率明顯降低。

2.3 基于高鐵鋁土礦石還原燒結(jié)的鋁鐵分離工藝

還原燒結(jié)高鐵鋁土礦石的鋁鐵分離工藝是將高鐵鋁土礦石與一定量的還原劑、添加劑混合，在高溫下(1 000℃以上)將鐵礦物還原成金屬鐵，再用磁選法分離出鐵，非磁性部分溶出氧化鋁的鋁鐵綜合回收工藝，或從還原燒結(jié)熟料中先溶出氧化鋁，再?gòu)娜艹鲈写胚x回收鐵的鋁鐵綜合回收工藝。該工藝不僅可解決拜耳法赤泥難沉淀的問題，而且在較短的流程下就能得到合格的生鐵和氧化鋁產(chǎn)品。

還原燒結(jié)過程的主要添加劑是氧化鈣或碳酸鈉，在氧化鐵還原成金屬鐵的過程中，鋁元素與添加的鈣鹽或鈉鹽反應(yīng)生成鋁酸鈣或鋁酸鈉。因此，根據(jù)鋁的走向，可將該工藝分為鈣鹽化還原燒結(jié)工藝和鈉鹽化還原燒結(jié)工藝。

Perdersen于1924年提出了著名的Perdersen法，該法是將高鐵高硅鋁土礦石與石灰石、焦炭按一定比例混合后在電爐中高溫熔煉，得到生鐵和鋁酸鈣爐渣。該爐渣的主要礦物為12CaO·7Al2O3(C12A7)和2CaO·SiO2(C2S)，由于爐渣中的C2S在冷卻過程中因晶型轉(zhuǎn)變而自粉，因此該爐渣又稱為自粉渣。自粉渣中的C12A7和CaO·Al2O3(CA)在碳酸鈉溶液中可溶解生成鋁酸鈉溶液和碳酸鈣。所得鋁酸鈉溶液用煙道尾氣(CO2)進(jìn)行碳酸化，從而析出Al(OH)3。用此法處理希臘含 Al2O358.5%，F(xiàn)e2O322.4%的高鐵鋁土礦石，鐵和氧化鋁的回收率都在 90%以上［28］。

劉桂華［29］采用還原燒結(jié)工藝對(duì)高鐵中等品位鋁土礦石進(jìn)行了鋁鐵分離研究。結(jié)果表明，增大鈣比會(huì)降低熟料中Al2O3和SiO2的溶出率;延長(zhǎng)燒成時(shí)間、提高燒成溫度均有利于Al2O3溶出率的增加和SiO2溶出率的降低;提高鈣比會(huì)降低熟料的最佳燒成溫度，燒成溫度范圍變窄，鈣比為1.5時(shí)，熟料燒成效果最好。

王波［30］采用還原燒結(jié)工藝對(duì)某高鐵鋁土礦石進(jìn)行了鋁鐵分離研究。結(jié)果表明，在高鐵鋁土礦石中加入與試樣質(zhì)量比均為5%的炭和石灰，在1 100℃保溫6～8 h，鐵的金屬化率可到達(dá)90%以上;爐渣鈣鋁比為2.2時(shí)具有較好的物相組成和浸出、自粉性能，氧化鋁浸出率可達(dá)84.29%。

胡文韜等［31］以Na2CO3為添加劑、煤為還原劑，采用還原燒結(jié)工藝對(duì)某高鐵鋁土礦石進(jìn)行了鋁鐵分離研究。在最優(yōu)工藝技術(shù)條件下，獲得了鐵品位為95.88%、回收率為89.92%的鐵粉末，氧化鋁溶出率達(dá)75.92%。

孫娜［32］對(duì)某高鐵鋁土礦石的還原燒結(jié)鋁鐵分離工藝研究表明，在最佳工藝技術(shù)條件下，可獲得鐵品位為93.73%，A12O3含量為1.21%的金屬鐵粉，鋁精礦的鋁回收率達(dá)到了93%。

鈉鹽化還原燒結(jié)過程中添加的碳酸鈉不僅固定了氧化鋁，使其不再與鐵礦物結(jié)合生成復(fù)雜、難分離的化合物，而且還具有促進(jìn)鐵還原的作用，已有研究表明，堿金屬在炭還原氧化鐵的過程中一方面能直接進(jìn)入氧化鐵的晶格，使之發(fā)生畸變;另一方面使炭的活性提高，加速炭氣化反應(yīng)的進(jìn)行，從而間接促進(jìn)氧化鐵的還原［33-34］。

3 結(jié)論

(1)磁選、浮選、磁浮聯(lián)合分選等常規(guī)鋁鐵分離工藝是易分離高鐵鋁土礦石開發(fā)利用的高效、低耗工藝;對(duì)于需細(xì)磨且鋁含量較高的礦石，拜耳法+赤泥磁化焙燒法可以較好地實(shí)現(xiàn)鋁和鐵的回收，但鐵精礦品位不高;高鐵鋁土礦石的高溫?zé)Y(jié)工藝可以獲得合格的氧化鋁和生鐵產(chǎn)品，且回收率較高，但生產(chǎn)成本也較高。

(2)我國(guó)是鋁、鐵消耗大國(guó)，一方面鋁鐵資源稟賦差、礦石供應(yīng)矛盾突出，另一方面大量難分離的高鐵鋁土礦資源待開發(fā)利用。因此，加快對(duì)鋁鐵分離的基礎(chǔ)研究，加強(qiáng)高鐵鋁土礦石鋁鐵分離技術(shù)研發(fā)，改良鋁鐵分離工藝，開展高鐵鋁土礦石資源大規(guī)模的開發(fā)利用實(shí)踐對(duì)解決我國(guó)鋁、鐵自給問題具有重要意義。但從當(dāng)前的開發(fā)利用技術(shù)狀況看，應(yīng)將降低能耗、提高效率作為今后工作的重點(diǎn)。

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