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铝土矿浮选尾矿电热法生产一次铝硅合金的研究

作　者: 王耀武
导　师: 冯乃祥
学　校: 东北大学
专　业: 有色金属冶金
关键词: 铝土矿浮选尾矿盐酸浸出除铁固液分离碳电热还原一次铝硅合金铸造用铝硅合金
分类号: TF821
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

2008年我国工业铝产量达到1300万吨以上,约占世界总产量的1/3,但我国用于生产氧化铝的铝土矿自给率已低于50%,铝土矿的缺乏已经成为制约我国铝行业发展的首要问题,低品位铝土矿的选矿拜耳法生产氧化铝将成为我国未来铝工业发展的主要方向之一,但在铝土矿浮选过程中产生约25%的尾矿,这部分尾矿如果不加以利用不仅造成资源的浪费,而且污染环境。目前,25%以上的原铝被用于生产铝硅合金,以低品位铝土矿为原料电热法生产一次铝硅合金,一次铝硅合金精炼加铝稀释后直接配制应用合金,不仅可以节约纯铝而且可以降低能耗,缩短流程。本论文首先对以铝土矿浮选尾矿为原料,烟煤为还原剂在电弧炉内直接熔炼生产一次铝硅合金和工业电热法生产铸造用共晶铝硅合金的生产工艺进行研究,得出以铝土矿浮选尾矿为原料生产的一次铝硅合金由于含铁量较高应用现阶段的生产工艺不适合用于铸造用铝硅合金的生产。对铝土矿浮选尾矿盐酸溶液除铁生产低铁尾矿,然后以低铁尾矿为原料电热法生产一次铝硅合金的工艺进行了研究。浮选尾矿的盐酸浸出除铁过程中,影响氧化铁浸出率的最主要因素为浸出温度,其次是浸出溶液的盐酸浓度,然后是浸出时间,影响最小的是浸出液固比。尾矿中氧化铁浸出率随浸出温度越高、浸出时间增长、浸出液盐酸浓度增大和浸出液固比的增大而越高,但同时氧化铝的浸出率也越高。较佳的浸出条件为：浸出温度80℃,浸出液固比5：1,浸出溶液盐酸浓度22%,浸出时间120分钟,在该条件下氧化铁的浸出率可以达到95%以上,氧化铝的浸出率在4.3%以下,浸出后尾矿中的氧化铁含量可以从10.52%降低到0.6%以下。浸出后的浆料加入絮凝剂进行固液分离,以聚丙烯酰胺为絮凝剂加入浸出料浆中可实现固液的快速分离,沉降后获得的上清液固含在0.2g/L以下。对尾矿盐酸浸出除铁的动力学分析得出,尾矿在盐酸溶液浸出的过程中可分为两个阶段：当氧化铁的浸出率小于55%时,浸出过程速率由界面化学反应控制,其表观活化能为86715J/mol;当氧化铁的浸出率大于60%时,浸出速率由流体反应物HCl在多孔固体中的非稳态扩散控制,其表观活化能为119647J/mol。由于尾矿浸出过程中氯化氢的利用率较低(只有14%),采用浸出液反复蒸馏浸出的方法可提高氯化氢的利用率。浸出液经蒸馏—浸出—蒸馏—浸出后可进行最多五次的反复浸出。每次蒸馏较佳的体积百分比为10%,经五次蒸馏浸出后,浸出液中的氯化铁浓度可达到18.50%,原浸出液中氯化氢的利用率超过50%,每1L浸出液可处理尾矿约0.8公斤。浸出后获得的浸出液可通过先蒸馏浓缩然后高温焙烧的方法处理,处理后获得氯化氢和含部分氧化铝的氧化铁的粉末,氯化氢可通过水吸收进行回收再利用,氧化铁可作为炼铁原料。每吨尾矿的除铁成本在300元以下。以除铁后的尾矿为原料,以神府烟煤为还原剂,亚硫酸纸浆废液为粘结剂,经配料计算和团块性能测试得出较佳的配料及制团条件为：每100公斤尾矿配入烟煤52.34公斤,干粉粘结剂9公斤,水9公斤,较佳的制团压力为20-25MPa,物料粒度为0.087-0.124mm。配好的团块在电弧炉内熔炼获得的一次铝硅合金含铝量达到了55%以上,含铁量低于1.7%,合金其它主要杂质为钙、钛、钾和钠,熔炼后尾矿中的铝元素的回收率达到了90%以上,硅元素的回收率达到85%以上。获得的一次铝硅合金可用于生产钛含量较高的铸造用铝硅合金或新型的铝硅钛多元合金。在真空碳管炉内对一次铝硅合金的还原机理进行了研究,通过对除铁尾矿在真空碳管炉内不同温度下获得产物进行物相分析,得到除铁尾矿在真空碳管炉内的还原过程为：首先是在较低温度下(1600℃以下),尾矿中的氧化硅与碳反应生成SiC,少量的氧化硅被还原成为硅并与由铁的氧化物还原成的单质铁结合成为硅铁化合物(主要是Fe2Si、Fe5Si3和Fe3Si),当温度继续上升到1700-1800℃时,尾矿中的氧化铝开始与碳反应生成铝氧碳化物(主要是Al4O4C,还有少量的A12OC),当温度继续升高到1800-1900℃时,在较低温度生成的铝氧碳化物被碳化硅分解,生成铝和硅,最终成为一次铝硅合金。实验结果证明铝土矿浮选尾矿经盐酸浸出除铁后生产的一次铝硅合金可作为生产铸造用铝硅合金的原料,该方法生产一次铝硅合金不仅节约了资源而且保护了环境,具有一定的实际意义。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-13
第1章绪论  13-31
  1.1 铸造铝硅合金  13-17
    1.1.1 铸造铝硅合金的分类  13-14
    1.1.2 铸造铝硅合金的生产和应用  14-15
    1.1.3 冰晶石-氧化铝融盐电解法生产金属铝  15-16
    1.1.4 电热法生产金属硅  16
    1.1.5 铸造铝硅合金的生产方法  16-17
  1.2 国内外铸造铝硅合金的应用和研究现状  17-19
  1.3 电热法生产铝硅合金  19-26
    1.3.1 电热法生产铝硅合金的铝矿资源  19-20
    1.3.2 电热法生产铝硅合金的优点  20-22
    1.3.3 电热法生产一次铝硅合金的技术研究现状  22-23
    1.3.4 由一次铝硅合金生产铸造用铝硅合金的研究现状  23-25
    1.3.5 目前电热法生产铸造用铝硅合金存在的主要问题  25-26
  1.4 铝矿的除铁方法概述  26-29
  1.5 论文的主要内容  29-31
第2章以铝土矿浮选尾矿为原料电弧炉制取一次铝硅合金的研究  31-37
  2.1 铝土矿浮选尾矿  31-33
    2.1.1 低品位铝土矿浮选拜尔法生产氧化铝  31-32
    2.1.2 铝土矿浮选尾矿的成分与物相  32-33
  2.2 铝土矿浮选尾矿电热法生产一次铝硅合金  33-36
    2.2.1 实验方法  33-35
    2.2.2 实验结果与讨论  35-36
  2.3 本章小结  36-37
第3章一次铝硅合金净化除铁制取铸造用铝硅合金的研究  37-50
  3.1 工业矿热电弧炉生产的一次铝硅合金的矿物组成及主要杂质成分  37-38
  3.2 由一次铝硅合金生产铸造用共晶铝硅合金的实验室研究  38-46
    3.2.1 一次铝硅合金生产铸造用铝硅合金的除渣和除铁  38-39
    3.2.2 过滤法去除铝硅合金中富铁相的机理研究  39-46
  3.3 工业电热法生产铸造用共晶铝硅合金的工艺及存在问题  46-48
    3.3.1 工业电热法生产铸造用共晶铝硅合金的工艺  46-47
    3.3.2 工业电热法生产铸造用共晶铝硅合金存在的主要问题  47-48
  3.4 本章小结  48-50
第4章铝土矿浮选尾矿盐酸除铁制取低铁尾矿的实验研究  50-80
  4.1 浮选尾矿盐酸除铁的原理  50-51
  4.2 实验仪器与试剂  51-53
    4.2.1 盐酸浸出实验的主要仪器  51
    4.2.2. 溶液滴定试验主要仪器  51-52
    4.2.3 尾矿浸出浆液固液分离主要仪器  52
    4.2.4 实验所用试剂  52-53
  4.3 铝土矿浮选尾矿的盐酸浸出  53-54
  4.4 浸出浆液的固液分离  54-58
    4.4.1 絮凝剂  55-57
    4.4.2 絮凝剂的配制及沉降参数测定  57-58
  4.5 实验结果与讨论  58-79
    4.5.1 浸出除铁后尾矿的成分  58-60
    4.5.2 各种因素对浮选尾矿盐酸浸出除铁效果的影响  60-65
      4.5.2.1 浸出温度对氧化铁和氧化铝浸出率的影响  60-61
      4.5.2.2 浸出液固比对氧化铁和氧化铝浸出率的影响  61-62
      4.5.2.3 浸出液盐酸浓度对氧化铁和氧化铝浸出率的影响  62
      4.5.2.4 浸出时间对氧化铁和氧化铝浸出率的影响  62-63
      4.5.2.5 正交实验确定最佳的实验条件  63-65
    4.5.3 盐酸浸出尾矿的动力学分析  65-75
    4.5.4 絮凝剂对浸出浆液沉降效果的影响  75-79
  4.6 本章小结  79-80
第5章浸出液的回收利用  80-100
  5.1 浸出液循环浸出提高氯化氢利用率的研究  80-89
    5.1.1 实验方法  80-85
    5.1.2 实验结果与讨论  85-89
  5.2 浸出液的回收利用  89-95
    5.2.1 盐酸废液的处理方法  89-90
    5.2.2 实验方法  90-91
    5.2.3 试验结果与讨论  91-95
  5.3 浸出液的负压蒸馏  95-97
  5.4 浸出液回收利用成本分析  97-98
  5.5 本章小结  98-100
第6章利用浸出除铁后的尾矿制取低铁一次铝硅合金的实验研究  100-113
  6.1 原料的配料  100-104
    6.1.1 还原剂的选择  100-102
    6.1.2 粘结剂的选择  102
    6.1.3 配料计算  102-104
  6.2 物料制团  104-107
  6.3 团块的电弧炉熔炼  107-112
    6.3.1 电弧炉熔炼获得的一次铝硅合金  107-109
    6.3.2 一次铝硅合金的应用  109-112
  6.4 本章小结  112-113
第7章一次铝硅合金熔炼机理的探讨  113-130
  7.1 真空碳管炉尾矿还原实验方法  113-114
    7.1.1 实验设备  113
    7.1.2 实验方法  113-114
  7.2 尾矿真空碳管炉还原的实验与讨论  114-125
    7.2.1 尾矿真空碳管炉还原的实验结果  114-116
    7.2.2 电弧炉内团块的还原过程分析  116-118
    7.2.3 尾矿真空碳管炉熔炼一次铝硅合金的还原过程  118-123
      7.2.3.1 纯氧化物与碳的反应  118-120
      7.2.3.2 配料团块在低温下的反应  120-122
      7.2.3.3 配料团块在高温下的反应  122-123
      7.2.3.4 尾矿金属氧化物中在碳管炉内的碳还原过程  123
    7.2.4 加碳量对尾矿还原产物的影响  123-125
  7.3 尾矿熔炼一次铝硅合金的机理探讨  125-129
    7.3.1 真空碳管炉内物料的反应温度测定  125-126
    7.3.2 尾矿熔炼一次铝硅合金的反应机理  126-129
  7.4 本章小结  129-130
第8章结论  130-132
参考文献  132-139
致谢  139-140
攻读博士期间发表的论文  140-141
作者简介  141-142
附录  142

铝土矿浮选尾矿电热法生产一次铝硅合金的研究

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