基于碳热还原铝酸钙渣活性的基础理论研究

It is urgent to effectively utilize the iron-aluminum-containing ores with low quality in China in order to overcome the decreasing of the iron ores and the bauxite ores. Basing on the coal-based direct reduction, the extraction of both iron and aluminum by using the iron-aluminum-containing ores directly is a new and innovative technology, while the key process to extract aluminum is the activity of calcium aluminate slag. The reaction behavior of iron and aluminum under the conditions of the coal-based carbothermal direct reduction and the mechanism of phase transformation as well as the crystal morphology will be investigated in present project. Meanwhile, the existing forms of iron in the calcium aluminate slag and their effects on the forming of calcium aluminate slag as well as their cooperation mechanism will be ascertained. The theoretical system and the model of mineralogical structure transformation of the reduction slag from iron-aluminum-containing ores will also be established. Finally, the cooperative reinforcement technology by active calcium aluminate slag and iron reduction, and the theoretical system of extraction technology from low quality and multi-metal resources will be proposed, which would give theoretical directions to the development and utilization of low quality and multi-metal resources in China.

面临我国高品位铁矿资源和铝土矿资源日趋枯竭的局面，突破我国低品质、难利用铁铝共生矿高效利用的科学问题是当务之急。以煤基直接还原为基础，直接利用低品质、难利用铁铝共生矿，联合提取铁和铝等有价元素是一种绿色创新技术，其中铝酸钙渣活性的好坏是该技术能否高效提铝的关键。本项目拟以煤基直接还原为背景，研究铁铝有价元素在碳热直接还原反应条件下的反应行为、物相演变规律、结晶形态，确定铁残留在渣系的形态及对铝酸钙渣矿相形成的影响规律及与铝酸钙渣活性的交互作用机理，建立铁铝共生资源还原渣矿相结构演变规律的理论体系和模型，提出活性铝酸钙渣与还原铁协同强化生成技术原型，构建低品质铁铝共生资源提取的冶金工艺理论体系，为开发利用我国自有低品质铁铝共生资源提供理论指导。

针对我国铁、铝资源日趋枯竭的问题，提出了基于煤基直接还原联合提取铁铝共生资源中铁铝有价元素的创新技术，研究了铁铝在碳热还原下的反应热力学、矿相演变规律及结晶形态，确定了铁残留形态及对铝酸钙渣矿相形成的影响规律及其交互作用机理，建立了铝酸钙渣矿相结构演变的理论体系。.计算了铁在CaO-Al2O3-SiO2系碳热还原过程的反应热力学，研究了纯体系下不同铁形态和反应条件下预还原和熔分还原过程铁铝的反应行为及其对铝酸钙渣矿相形成的影响规律，并获得了最佳的配料和还原条件。铁以Fe2O3存在时，渣相组成为C12A7、CA、C2S、C3FS3；以FeOOH存在时，渣相组成为C12A7、CA、C2S和钙铁榴石；熔分温度低于1500℃时，渣中有C2AS生成，氧化铝浸出率差，铁聚集不理想；最佳配料条件为C/O=1.0~1.2、C/A=1.2；最佳还原制度为1250℃，15~30min→1500℃，20min。.研究了铁铝共生矿预还原过程配料和还原条件及MgO对铁、铝、硅矿相演变和金属化率的影响规律。预还原矿金属化率随着还原温度的升高而升高；还原时间低于30min时，生成C12A7、C2S、C3A、C2AS，延长时间C3A和C2AS逐渐向C12A7转化，超过1h铁发生氧化反应；配钙比过低或过高均降低金属化率，主要矿相为Fe、C2S、C12A7，并含有C3A、C2AS和CT；配碳量对金属化率和矿相组成影响不大；预还原最佳条件为：1250℃，30min，C/O为0.5，C/A为0.8。.研究了铁铝共生矿熔分还原过程的矿相演变规律、铝酸钙渣FeO残留量与自粉性能。随预还原C/O提高，渣相粘度增大，残留FeO含量升高；随预还原C/A升高，C2S与C2AS含量先升高后降低，C2AS发生转熔反应；随终还原C/A的提高，C2AS含量降低，C12A7含量先升高后降低，其晶格常数先降低后升高，同时渣相粘度增大、FeO含量升高；当C/O高于0.6时，渣相粘度增大，C2AS含量升高，铁聚集变差，渣中FeO含量升高；熔分温度高于1450℃时，C12A7逐渐向C3A转化，氧化铝浸出变差，渣中FeO含量降低；延长保温时间，转熔反应速率加快，C2AS含量降低，C12A7晶格常数减小，渣中FeO含量降低。.通过以上研究构建了铁铝共生资源联合提取的冶金工艺理论体系，从而为利用我国储量巨大的铁铝共生资源提供理论指导。