基于直接还原法的高铁赤泥铁铝高效分离回收基础研究

The high-iron content red mud, as a typical secondary resource, is the tailing produced during extracting alumina from bauxite with the Bayer process. The treatment and utilization of red mud with high iron content is of great significance to improve resource utilization and ecological environment. To utilize such resources, a novel process of direct reduction roasting- magnetic separation- leaching is proposed in this project. And studies on the separation and recycling of Fe-Al in red mud have been carried out by using the theory and methods including mineral processing and extractive metallurgy. The main contents can be described as follows: Investigation on the mineralogy characters of red mud with different grained sizes; Building up thermodynamic relations of ferrous, aluminiferous and siliceous oxides in reduction process with or without the addition of sodium-based additives; Setting up thermodynamic conditions to separate iron and aluminium; Studying the phase transformation and structural evolution of ferrous, aluminiferous and silaceous minerals in the reduction roasting process by means of MPE and micro-structure analysis; Exposition the reduction dynamics of iron grains; Finding out the enrichment laws of ferrous, aluminiferous and silaceous elements in the role of magnetic field and leaching agents. This project will reveal the micro-mechanism of high-efficiency separation of ferrous and aluminiferous in the process of direct reduction roasting- magnetic separation- leaching, and provide theory instruction and technical support for the utilization of red mud with high iron content.

高铁赤泥作为拜耳法工艺中产生的固体残渣，是一种典型的二次资源。赤泥的资源化利用及无害化处理，对提高资源利用率和改善生态环境意义重大。本项目针对高铁赤泥的资源化问题，提出直接还原—磁选—浸出的新思路，运用矿物加工和提取冶金原理和方法，开展赤泥中铁、铝等金属的高效分离研究。具体内容包括：研究不同粒级高铁赤泥工艺矿物学，确立铁、铝、硅等氧化物在还原焙烧及钠基添加剂作用下反应的热力学关系，获得高铁赤泥中铁和其他元素分离的热力学条件；运用MPE软件、微观结构分析等技术，研究还原焙烧过程中铁、铝、硅等矿物物相的转变规律及其微观结构的演变，查明金属铁晶粒生长的动力学控制特征；研究磁场和浸出剂作用下铁、铝、硅等元素的富集规律。本项目的开展将为揭示直接还原-磁选-浸出工艺中铁、铝高效分离的微观机制，实现高铁赤泥的资源化利用提供理论指导和技术支持。

高铁赤泥是拜耳法生产氧化铝过程中产生的废弃物，是一种典型的二次资源。开展赤泥综合利用是促进我国氧化铝工业可持续发展的必然选择。但是，采用单一选矿工艺难以实现赤泥中铁铝的高效分离和回收。本项目在研究不同粒级高铁赤泥工艺矿物学的基础上，确立铁、铝、硅等氧化物在还原焙烧及钠基添加剂作用下发生化学反应的热力学关系，获得高铁赤泥中铁和其他元素分离的热力学条件；运用MPE软件、微观结构分析等技术，研究还原过程中铁铝硅等矿物物相的转变规律以及微观结构的演变，开发钠基添加剂调控技术；查明在磁场和浸出剂作用下高铁赤泥中铁、铝等元素的富集规律，揭示直接还原-磁选-浸出工艺中铁、铝分离的微观机制及钠基添加剂对高铁赤泥铁铝高效分离的作用机理。研究结果表明，赤泥颗粒粒径均小于45μm，铁元素在粗粒级颗粒中含量较高，而铝元素则相反。热力学计算结果表明，Fe2O3-Al2O3-SiO2体系在还原过程中三者将发生固相反应，生成铁橄榄石、FeO•Al2O3及Al2O3•SiO2。在实验所选温度范围内，在碳酸钠存在的还原体系内各物质生成的优先顺序为：Na2O•Al2O3•6 SiO2> Na2O•Al2O3•4SiO2> Na2O•2 SiO2> Na2O•SiO2>NaAlO2>2Na2O•SiO2；而在硫酸钠存在的还原体系内各物质生成的优先顺序为：Na2O•Al2O3•6SiO2>Na2O•Al2O3•4SiO2>Na2O•2SiO2>Na2O•SiO2>2Na2O•SiO2>NaAlO2。工艺优化参数结果表明，当硫酸钠用量为5%，还原温度1100℃，还原时间120min，磨矿浓度50%，磁场强度为675mT的条件下，可获得铁品位82.43%，Al2O3含量2.86%的磁性产物，铁回收率为89.42%。以硫酸为浸出剂，在温度为25℃，硫酸浓度为25%、液固比为10、浸出时间为50min、搅拌速度为300r/min的条件下，氧化铝浸出率可达到90.12%。浸出反应过程受扩散控制，表观活化能为7.823 kJ/mol。还原产物微观结构表明，未添加钠盐时，大部分铁矿物与铝、硅矿物结合紧密；当添加硫酸钠还原时，铁氧化物还原速度快。机理研究表明，硫酸钠被还原生成了S及Na2S，焙烧体系内形成低熔点化合物，在局部形成液相，为铁离子的扩散提供通道。