一种高效分离赤泥中铝铁的方法

1.本发明涉及冶金固体废料综合利用领域，特别涉及一种高效分离赤泥中铝铁的方法。


背景技术：

2.赤泥是氧化铝溶出过程中产生的副产品，因为其中碱金属含量较高，所以被定义为固体有害物料，赤泥中铁含量为30～60%，al2o3含量为15%左右，同时还有许多有价金属元素(钛、硅、稀散金属)，因此具有重要的利用价值，但是赤泥中铝、铁矿物嵌布粒度细、相互胶结，且类质同象现象普遍存在，矿物单体解离度低，传统选矿手段难以实现铁铝的有效分离，使得其难以大规模的开发和利用。
3.据统计每生产1t氧化铝会产生0.8～1.5t赤泥，目前我国赤泥年产出量超过1亿吨，堆存的赤泥量累计高达16亿吨，但是综合利用率却不到10%。不仅占用大量的土地资源，而且还会造成严重的二次污染，极大地制约了我国铝工业的可持续发展，浪费了大量宝贵的铁、铝、钛等金属资源。
4.目前高居不下的对外依存度不仅对我国钢铁产业和铝工业高质量发展造成了严重的影响，还危及了国家的经济安全，因此在当前优质含铁资源日趋枯竭的情况下，开发高效的铝铁分离技术，对保护环境以及缓解我国铁、铝资源紧张的局面，实现赤泥的低碳资源化利用都具有重要的现实意义。
5.迄今为止，火法冶金被认为是实现赤泥中铝铁分离最有效的工艺，火法冶金主要是在还原剂的作用下将赤泥中赤铁矿或针铁矿转变成磁铁矿或金属铁，目前火法冶金主要以碳热还原为主，主要工艺为熔融还原和直接还原-磁选。熔融还原和煤基直接还原-磁选可通过高温和添加大量添加剂实现赤泥中铁与铝有效分离和回收，然而火法冶金存在还原剂量大、碳排放量大、污染严重等问题，无法顺应“双碳”绿色发展潮流，因此为了突破碳热还原的技术瓶颈，需要改变能源结构和还原方式。
6.公开号为cn103290206a的中国发明专利公开了一种高效分离赤泥中铁和铝的复合添加剂及应用，该发明的技术方案为，包括下述成分：石灰石、硼砂、碳酸钠和腐殖酸钠。其制备方法是将碳酸钠、硼砂、石灰石和腐殖酸钠进行配比、称量和混匀，然后采用球磨机干式细磨到粒度≤0.074mm，其应用是在赤泥直接还原—磁选—碱溶出工艺中，按赤泥质量的8～20%添加所述复合添加剂，但是该发明采用的是煤基直接还原，存在碳排放量大、能耗高、添加剂量大、成本高等问题，同时该发明在成球工序中对粘结剂的用量要求较高，添加剂量大，导致生产成本高等缺陷，因此针对上述缺陷发明了一种高效分离赤泥中铝铁的方法。


技术实现要素：

7.针对传统碳热还原法处理赤泥存在能耗高、污染大、碳排放量大和成本高的难题，本发明的目的在于提供了一种高效分离赤泥中铝铁的方法，实现了赤泥绿色高值低碳化利
用。
8.为了达到上述目的，本发明提供了一种高效分离赤泥中铝铁的方法，包括以下步骤。
9.s1，原料预处理：将赤泥、复合粘结剂与添加剂混合，将所得混合料强力混匀后进行高压辊磨处理后得到预处理料。
10.s2，造球：将步骤s1所得的预处理料进行造球处理后得到生球，并对其进行干燥处理得到干球。
11.s3，富氢直接还原：将步骤s2所得的干球装入气基竖炉进行氢还原处理，还原后在保护气氛下进行冷却处理后得到金属化球团。
12.s4，电磁感应诱导：将步骤s3所得到的金属化球团放入电磁感应炉中进行晶粒诱导长大，在此过程中对金属化球团进行热处理，热处理过程采用惰性气体保护，得到热处理后的球团。
13.s5，球磨磁选：将步骤s4所得到热处理后的球团进行球磨磁选得到铁精矿和富铝矿。
14.s6，富铝矿碱浸：将步骤s5所得到富铝矿进行碱浸处理，碱浸处理后得到铝酸钠溶液和富钛渣。
15.优选的方案，步骤s1中，所述赤泥包括以下质量百分含量的组分：30~65%fe2o3，5~30%al2o3，0~5%na2o，0~10%tio2，5～20%sio2，余量为cao及其它杂质，在造球过程中，赤泥中的铝硅矿物能够将微细颗粒吸附粘结在大颗粒表面，可以取代一部分粘结剂，因此赤泥中的铝硅矿物含量越高，在后续造球过程所需要的粘结剂含量就越低。
16.优选的方案，步骤s1中，所述粘结剂为复合粘结剂，其用量为赤泥质量的0.5~2.0wt%。
17.优选的方案，所述复合粘结剂的组分为膨润土和腐殖酸钠，其中各组分占比为，膨润土30～60%和腐殖酸钠40～70%，两个组分之和为100%，其中膨润土中碱金属含量较高，在铁氧化物还原过程中可有效改善其还原速率；同时腐殖酸钠是含钠的有机粘结剂，在高温过程中有机物挥发，但是钠元素则留在体系中，可以起到改善铁氧化物还原和实现铝硅矿物的矿相转变的作用。
18.优选的方案，步骤s1中，所述添加剂为含钠添加剂，包括碳酸钠、碳酸氢钠、氢氧化钠和硫酸钠中的一种或多种，其用量为赤泥质量的2～12wt%，由于原料中存在al2o3和sio2，铁氧化物在还原过程中会生成铁橄榄石和铁铝尖晶石，当加入钠盐时会生成铝酸钠和硅酸钠，避免生成铁橄榄石和铁铝尖晶石，同时释放“feo”，从而加快铁氧化物还原，但添加过量的钠盐会造成球团还原速率加快，引起球团还原粉化；同时添加过量的钠盐会使炉膛耐火材料腐蚀的更严重，因此需要严格控制加入钠盐的比例。
19.优选的方案，步骤s1中，所述的高压辊磨，水分为7.5～9.0%，给料速度2～6kg/min，辊磨压力为1.0～1.5n/mm。高压辊磨水分偏高时，混合料太粘，易堵塞高压辊磨机，影响流程稳定运行；高压辊磨水分偏低，复合粘结剂与矿物表面化学作用减弱，导致生球性能变差，给料速度太快，混合料太多，容易造成高压辊磨机堵塞；给料速度太慢，辊磨效果较差，生球性能差。高压辊磨压力过小，则所得到的物料比表面积小，活性较差；高压辊磨压力过大，能耗较高，因此需要严格控制水分含量、给料速度和辊磨压力。
20.优选的方案，步骤s2中，采用圆盘造球机进行造球，造球水分为10～16wt%，造球时间为8～12min，生球粒度为8～16mm。
21.优选的方案，步骤s2中，制备的生球达到如下性能：生球抗压强度超过10n/个、落下强度大于4次/0.5m、爆裂温度超过300℃，干球抗压强度高于200n/个。
22.优选的方案，步骤s3中，干球氢还原的温度为800～950℃，还原时间为30～180min，氢气占比为55～100vol/%，氢气流量为25～50l/min。
23.优选的方案，步骤s4中，还原球团热处理磁场强度为2.5～10t，频感应炉的频率为1000～1500hz，热处理温度为1100～1300℃，热处理时间为20～40min，加热过程通入ar气保护，其流量为2l/min，氢还原过程，铁氧化物被还原成金属铁，嵌布在铝硅矿物之间，单体解离度低。
24.优选的方案，步骤s5中，热处理球团球磨矿浆浓度为50～80%，球磨产品粒度小于0.074mm的占比为80～95%，磁选强度为800～2000gs，由于金属铁具有顺磁性，在磁场作用下，铁颗粒会聚集，改善与铝硅矿物的嵌布关系，增大解离度；同时，高温有利于晶粒长大。因此，在电-磁-热三者协同作用下，铁颗粒和铝硅矿物背向迁移，从而扩大两者差异性，改善嵌布关系，提高单体解离度。
25.优选的方案，步骤s6中，磁选尾矿碱浸温度为25～95℃，碱浸时间30～180min，碱浓度为2～5mol/l，液固质量比为3～10ml/g。
26.优选的方案，通过添加添加剂和电磁感应的处理避免铝会转变成刚玉，从而铝的回收率。
27.本发明具有以下有益技术效果：1)本发明提供了一种高效分离赤泥中铝铁的方法，在氢气的还原下，铁氧化物还原成金属铁；铝氧化物在低温及添加剂协同作用下形成铝酸钠，避免刚玉的形成；同时在电磁感应作用下，金属铁晶粒聚集长大，扩大金属颗粒与脉石之间解离度，利于后续磁选分离，因此本发明利用氢还原-电磁感应诱导结晶处理赤泥，实现了铁氧化物还原成金属铁的同时铝氧化物转变成易溶于水的铝酸钠，提高了产品的附加值。
28.2)本发明提供了一种高效分离赤泥中铝铁的方法，利用氢还原温度低、还原速率快、能耗低、效率高以及无碳排放的优势，对赤泥进行还原，从而改变传统碳热还原存在的诸多问题，本发明不但能够提高还原效果，还可以改善赤泥综合利用效果，而且无排放无污染。
29.3)本发明提供了一种高效分离赤泥中铝铁的方法，利用电-磁-热三者的相互协同，使得铁晶粒和脉石矿物之间解离度增大，简化脉石与金属之间嵌布关系，可有效降低成本，提高效率。
30.4）本发明通过调节赤泥中铝硅矿物的含量，有效降低后续所需要的粘结剂用量。
31.5）本发明通过复合粘结剂和添加剂的实现铝矿物矿相重构，并通过电磁感应诱导结晶促进铁晶粒的聚集和长大。
附图说明
32.图1为本发明一种高效分离赤泥中铝铁的方法的工艺流程图。
实施方式
33.以下通过具体实施例和附图对本发明技术方案进行详细的阐述。
34.以下实施例及对比例，除特别声明外，所使用的原料，其化学成份如下：fe47.76%，al2o310.26%，sio22.25%，na2o1.13%，tio22.34%；其余为cao等其余杂质。
实施例1
35.(1)将赤泥、10%添加剂和1%的复合粘结剂(膨润土占50%，腐殖酸钠占50%)进行混匀，使得n(na2o):n(al2o3)=1:1。
36.(2)将所得到的混合料进行高压辊磨，高压辊磨水分为8.5%、辊磨压力为1.17n/mm、给料速度是4kg/min。
37.(3)将预处理后的物料加入圆盘造球机进行造球，造球时间为10min，生球水分为10%左右，生球粒度控制在8～16mm；制备出的生球落下强度为5.8次/0.5m，抗压强度25n/个，爆裂温度为350℃；将生球进行干燥，得到的干球抗压强度为288n/个。
38.(4)将干球放入竖炉内，通入氢气直接还原，还原为950℃，还原时间120min，气体流速为25l/min，还原后在氮气中冷却，得到的还原球团金属化率为93%，易溶氧化铝占比82%。
39.(5)将还原球团放入电磁感应炉进行诱导结晶，热处理温度为1200℃，热处理磁场强度5t，频率为1500hz，热处理时间30min，得到的热处理球团铁晶粒能达50μm。
40.(6)将热处理球团依次进行磨矿磁选-碱浸，磨矿粒度为低于0.074mm的占比为85%，磁场强度为1000gs；碱浸温度为95℃，碱浸时间为120min，碱浓度为4mol/l，液固质量比为10：1ml/g。
41.所述磨矿磁选-碱浸铁回收率可达93%，铁精矿品位为92%，氧化铝回收率为85%。
实施例2
42.(1)将赤泥、12%添加剂和1.5%的复合粘结剂(膨润土占50%，腐殖酸钠占50%)进行混匀，使得n(na2o):n(al2o3)=1.2:1；(2)将所得到的混合料进行高压辊磨，高压辊磨水分为8.5%、辊磨压力为1.17n/mm、给料速度是4kg/min。
43.(3)将预处理后的物料加入圆盘造球机进行造球，造球时间为10min，生球水分为10%左右，生球粒度控制在8～16mm；制备出的生球落下强度为8.8次/0.5m，抗压强度28n/个，爆裂温度为350℃；将生球进行干燥，得到的干球抗压强度为260n/个。
44.(4)将干球放入竖炉内，通入氢气直接还原，还原为900℃，还原时间120min，气体流速为25l/min，还原后在氮气中冷却，得到的还原球团金属化率为90%，易溶氧化铝占比86%。
45.(5)将还原球团放入电磁感应炉进行诱导结晶，热处理温度为1300℃，热处理磁场强度10t，频率为1500hz，热处理时间30min，得到的热处理球团铁晶粒能达70μm。
46.(6)将热处理球团依次进行磨矿磁选-碱浸，磨矿粒度为低于0.074mm的占比为85%，磁场强度为800gs；碱浸温度为95℃，碱浸时间为120min，碱浓度为4mol/l，液固质量比为10：1ml/g。
47.所述磨矿磁选-碱浸铁回收率可达95%，铁精矿品位为94%，氧化铝回收率为88%。
实施例3
48.(1)将赤泥、8%添加剂和1.5%的复合粘结剂(膨润土占50%，腐殖酸钠占50%)进行混匀，使得n(na2o):n(al2o3)=0.8:1。
49.(2)将所得到的混合料进行高压辊磨，高压辊磨水分为8.5%、辊磨压力为1.17n/mm、给料速度是4kg/min。
50.(3)将预处理后的物料加入圆盘造球机进行造球，造球时间为10min，生球水分为10%左右，生球粒度控制在8～16mm；制备出的生球落下强度为8.8次/0.5m，抗压强度28n/个，爆裂温度为350℃；将生球进行干燥，得到的干球抗压强度为240n/个。
51.(4)将干球放入竖炉内，通入氢气直接还原，还原为900℃，还原时间120min，气体流速为25l/min，还原后在氮气中冷却，得到的还原球团金属化率为90%，易溶氧化铝占比78%。
52.(5)将还原球团放入电磁感应炉进行诱导结晶，热处理温度为1300℃，热处理磁场强度5t，频率为1250hz，热处理时间30min，得到的热处理球团铁晶粒能达55μm。
53.(6)将热处理球团依次进行磨矿磁选-碱浸，磨矿粒度为低于0.074mm的占比为85%，磁场强度为1200gs；碱浸温度为95℃，碱浸时间为120min，碱浓度为4mol/l，液固质量比为10：1ml/g。
54.所述磨矿磁选-碱浸铁回收率可达90%，铁精矿品位为90%，氧化铝回收率为82%。
55.对比例1(1)将赤泥和1.5%的复合粘结剂(膨润土占50%，腐殖酸钠占50%)进行混匀。
56.(2)将所得到的混合料进行高压辊磨，高压辊磨水分为8.5%、辊磨压力为1.17n/mm、给料速度是4kg/min。
57.(3)将预处理后的物料加入圆盘造球机进行造球，造球时间为10min，生球水分为10%左右，生球粒度控制在8～16mm；制备出的生球落下强度为8.8次/0.5m，抗压强度28n/个，爆裂温度为350℃；将生球进行干燥，得到的干球抗压强度为200n/个。
58.(4)将干球放入竖炉内，通入氢气直接还原，还原为900℃，还原时间120min，气体流速为25l/min，还原后在氮气中冷却，得到的还原球团金属化率为76%，易溶氧化铝占比42%。
59.(5)将还原球团放入电磁感应炉进行诱导结晶，热处理温度为1300℃，热处理磁场强度10t，频率为1500hz，热处理时间30min，得到的热处理球团铁晶粒能达30μm。
60.(6)将热处理球团依次进行磨矿磁选-碱浸，磨矿粒度为低于0.074mm的占比为85%，磁场强度为800gs；碱浸温度为95℃，碱浸时间为120min，碱浓度为4mol/l，液固质量比为10：1ml/g。
61.所述磨矿磁选-碱浸铁回收率可达76%，铁精矿品位为65%，氧化铝回收率为50%。
62.对比例2(1)将赤泥、12%添加剂和1.5%的复合粘结剂(膨润土占50%，腐殖酸钠占50%)进行混匀，使得n(na2o):n(al2o3)=1.2:1；(2)将所得到的混合料进行高压辊磨，高压辊磨水分为8.5%、辊磨压力为1.17n/
mm、给料速度是4kg/min。
63.(3)将预处理后的物料加入圆盘造球机进行造球，造球时间为10min，生球水分为10%左右，生球粒度控制在8～16mm；制备出的生球落下强度为8.8次/0.5m，抗压强度28n/个，爆裂温度为350℃；将生球进行干燥，得到的干球抗压强度为200n/个。
64.(4)将干球放入竖炉内，通入氢气直接还原，还原为900℃，还原时间120min，气体流速为25l/min，还原后在氮气中冷却，得到的还原球团金属化率为90%，易溶氧化铝占比86%。
65.(5)将未热处理球团依次进行磨矿磁选-碱浸，磨矿粒度为低于0.074mm的占比为85%，磁场强度为800gs；碱浸温度为95℃，碱浸时间为120min，碱浓度为4mol/l，液固质量比为10：1ml/g。
66.所述磨矿磁选-碱浸铁回收率可达90%，铁精矿品位为70%，氧化铝回收率为60%。

技术特征：
1.一种高效分离赤泥中铝铁的方法，其特征在于，包括以下步骤：s1，原料预处理：将赤泥、复合粘结剂与添加剂混合，将所得混合料强力混匀后进行高压辊磨预处理得到预处理料；s2，造球：将步骤s1所得的预处理料进行造球处理后得到生球，并对其进行干燥处理得到干球；s3，富氢直接还原：将步骤s2所得的干球装入气基竖炉进行氢还原处理，还原后在保护气氛下进行冷却处理后得到金属化球团；s4，电磁感应诱导：将步骤s3所得到的金属化球团放入电磁感应炉中进行晶粒诱导长大，在此过程中对金属化球团进行热处理，热处理过程采用惰性气体保护，得到热处理后的球团；s5，球磨磁选：将步骤s4所得到热处理后的球团进行球磨磁选得到铁精矿和富铝矿；s6，富铝矿碱浸：将步骤s5所得到富铝矿进行碱浸处理，碱浸处理后得到铝酸钠溶液和富钛渣。2.根据权利要求1所述的一种高效分离赤泥中铝铁的方法，其特征在于，所述赤泥包括以下质量百分含量的组分：30~65%fe2o3、5~30%al2o3、0~5%na2o、0~10%tio2和5～20%sio2，余量为cao及其它杂质。3.根据权利要求1所述的一种高效分离赤泥中铝铁的方法，其特征在于，所述步骤s1中复合粘结剂添加量为赤泥质量的0.5~2.0wt%，所述复合粘结剂的组分为膨润土和腐殖酸钠，其中各组分占比为膨润土30～60%和腐殖酸钠40～70%，两个各组分占比之和为100%。4.根据权利要求1所述的一种高效分离赤泥中铝铁的方法，其特征在于，所述步骤s1中添加剂为含钠添加剂，包括碳酸钠、氢氧化钠、碳酸氢钠和硫酸钠其中一种或多种，添加剂用量为赤泥质量的2～12wt%。5.根据权利要求1所述的一种高效分离赤泥中铝铁的方法，其特征在于，所述步骤s1中高压辊磨至矿粉粒度小于0.074mm的占80%以上，比表面积高于1500cm2/g，辊磨线压力1.0～1.5n/mm，辊磨原料水分7.5～9.0%，给料速度2～6kg/min。6.根据权利要求1所述的一种高效分离赤泥中铝铁的方法，其特征在于，所述步骤s2中造球采用圆盘造球机，造球水分为10～16wt%，造球时间为8～12min，生球粒度为8～16mm。7.根据权利要求1所述的一种高效分离赤泥中铝铁的方法，其特征在于，所述步骤s3中氢还原温度为800～950℃，还原时间为30～180min，氢气占比为55～100vol/%，氢气流量为25～50l/min。8.根据权利要求1所述的一种高效分离赤泥中铝铁的方法，其特征在于，所述步骤s4中，磁场强度为2.5～10t，频感应炉的频率为1000～1500hz，热处理温度为1100～1300℃，热处理时间为20～40min，加热过程通入ar气保护，其流量为2l/min。9.根据权利要求1所述的一种高效分离赤泥中铝铁的方法，其特征在于，所述步骤s5中，所述的球磨磁选处理中球磨矿浆浓度为50～80%，球磨产品粒度小于0.074mm的占比80～95%，磁选强度为800～2000gs。10.根据权利要求1所述的一种高效分离赤泥中铝铁的方法，其特征在于，所述步骤s6中，碱浸温度为25～95℃，碱浸时间30～180min，碱浓度为2～5mol/l，液固质量比为3～10ml/g。

技术总结
本发明公开了一种高效分离赤泥中铝铁的方法，属于冶金固体废料综合利用领域，包括以下步骤：S1：将赤泥、复合粘结剂与添加剂按一定比例混合，所得混合料强力混匀后，进行高压辊磨预处理。S2：将预处理料进行造球得到生球，对其进行干燥处理后得到干球。S3：将干球装入气基竖炉进行氢基还原处理，还原后在保护气氛下进行冷却，得到金属化球团。S4：将金属化球团放入电磁感应炉中进行晶粒诱导长大，热处理过程采用惰性气体保护，得到热处理后的球团。S5：将热处理后的球团进行球磨磁选得到铁精矿和富铝矿。S6：将富铝矿进行碱浸得到铝酸钠溶液和富钛渣。本发明改善了铁铝分离效果，提高了铁铝回收率，实现了赤泥高效增值化利用。实现了赤泥高效增值化利用。实现了赤泥高效增值化利用。


技术研发人员：李思唯 潘建 朱德庆 郭正启 李启厚 杨聪聪
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：2023.06.16
技术公布日：2023/10/7