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高铁铝土矿热压块还原-电炉熔分工艺探索研究 1 高铁铝土矿热压块还原-电炉熔分工艺探索研究 王 峥 柳政根 储满生 赵嘉琦 王宏涛 赵 伟 （东北大学材料与冶金学院，辽宁沈阳 110819） 摘 要 高铁三水铝土矿是一种富含铁铝的复合矿产资源，由于其铁铝质量比大于 1、铝硅质量比小于 3，其铁铝 品位不满足各自钢铁工业和铝工业的要求。为了实现高铁铝土矿中铁、铝的高效分离，在实验室条件下进行了高铁 铝土矿热压块还原-电炉熔分工艺探索研究。研究表明，高铁铝土矿热压块还原-熔分工艺可实现高铁铝土矿铁铝的 高效分离，得到的铁水质量类似于高炉水平，得到的铝酸钙自粉渣适用于碳酸钠溶液浸出提取 Al2O3；高铁铝土矿 热压块具有较高的冷态抗压强度和还原冷却后强度，其还原装置的选取更为广泛，可选择反应器包括转底炉、车底 炉，或煤基竖炉；随着配碳比的增加，冷态抗压强度呈上升的趋势，还原冷却后强度呈降低的趋势，还原速率加快， 但熔分效果变差，适宜的配碳比为 1.0。本研究为高铁铝土矿的综合利用提供了新途径。 关键词 高铁铝土矿，含碳热压块，直接还原，熔分，铁铝分离 Exploratory Research on the Reduction and Melting Process of High Iron Gibbsite Ore Based on Hot Briquette Wang Zheng, Liu Zhenggen, Chu Mansheng, Zhao Jiaqi, Wang Hongtao, Zhao Wei School of Materials Metallurgy, Northeastern University, Shenyang 110819, China Abstract High iron gibbsite ore is a kind of composite mineral resources and rich in iron and aluminum. As the wFe2O3/wAl2O3 is no less than 1.0 and the wAl2O3/wSiO2 is no more than 3.0, the grade of iron and aluminum do not meet the demands of steel industry and alumina industry, respectively. In order to achieve the effective separation iron and alumina from high iron gibbsite ore, the exploratory research on the reduction and melting process of high iron gibbsite ore based on hot briquette is carried out under laboratory conditions. The results show that, the reduction and melting process of high iron gibbsite ore based on hot briquette could separate iron and alumina from high iron gibbsite ore effectively. The hot metal which is similar to blast furnace pig iron and calcium aluminate slag are obtained. The Al2O3 could be leached from calcium aluminate slag by adding odium carbonate solution. As the high iron gibbsite ore hot briquette have enough compressive strength before and after reduction, the reactor could have many choices, such as rotary hearth furnace, car-bottom furnace, coal agent shaft furnace, and so on. With increasing carbon ratio, the compressive strength and reduction rate of high iron gibbsite hot briquette tend to increase, while the compressive strength after reduction and melting separation effect tend to decrease. The proper carbon ratio of high iron gibbsite hot briquette is 1.0. This paper could provide a new technological approach for the comprehensive utilization of high iron gibbsite ore. Key words high iron gibbsite ore， carbon composite hot briquette， direct reduction， melting separation，Fe-Al separation 国家自然科学基金资助项目（51374058）。 王峥，男，硕士研究生，从事冶金资源综合利用研究，753297881 储满生，男，教授/博士生导师，从事炼铁及资源综合利用研究，chums 2 第十届中国钢铁年会暨第六届宝钢学术年会论文集 1 引言 高铁三水铝土矿是一种富含铁铝的复合矿产资源，由于其铁铝质量比大于 1、铝硅质量比小于 3，作为 氧化铝生产的原料并不合适[1]。为了实现高铁铝土矿铁铝的有效分离，国内外先后提出了物理选矿法[2]、酸 浸碱溶法[35]、熔炼法[6]、生物法[7]和直接还原法[811]等工艺，但由于高铁铝土矿资源禀赋较差，至今未能得 到有效利用。近年来，随着“直接还原-熔分”工艺的深入研究和实际应用[1213]，将该工艺应用于高铁铝土 矿的铁铝分离成为可能[1415]。与冷固结含碳球团相比，热压块由于其还原速度快、高温强度高、无须使用 黏结剂等优点[1617]，将其用在高铁铝土矿等资源的直接还原综合利用流程中成为可能[18]。 因此，本文提出了高铁铝土矿热压块还原-电炉熔分-铝酸钙炉渣浸出提铝新工艺。针对新工艺的关键环 节，探索了配碳比对高铁铝土矿热压块抗压强度、还原过程、熔分过程的影响，考察了熔分过程得到的铝酸 钙炉渣的物相组成，初步形成了高铁铝土矿热压块还原-电炉熔分技术，为高铁铝土矿的有效综合利用提供 了新的技术途径。 2 验原料与实验方法 2.1 实验原料 高铁用高铁铝土矿来自广西贵港，经焙烧脱水磨矿制备成粉末状，其粒度为-74 μm 占 90.66，其化学 成分列于表 1。实验用煤为烟煤，其工业分析列于表 2。实验用熔剂为 CaO 化学试剂。 表 1 高铁铝土矿的化学成分 Table 1 hemical composition of high iron gibbsite ore after dehydration 成分 TFe Fe2O3 SiO2 Al2O3 CaO MgO S P2O5 其他 含量/ 38.19 54.56 13.42 26.22 0.05 0.56 0.01 0.33 4.84 表 2 实验用烟煤的工业分析 Table 2 ndustry analysis on bituminous coal used in tests 成分 灰分 Aad 挥发份 Vdaf 分析水 Mad 全硫 Std 固定碳 FC 含量/ 14.00 33.70 1.36 0.02 50.94 2.2 实验方法 实验首先将高铁铝土矿、烟煤磨矿值 0.15 mm 以下，然后将高铁铝土矿矿粉、烟煤煤粉和 CaO 熔剂按 一定比例混匀、加热、热压制备高铁铝土矿热压块。再将高 铁铝土矿热压块装入氮气保护的高温炉内进行预还原。预还 原后，将热压块取出进行高温熔分，控制炉渣冷却速率，获 得铁水和铝酸钙炉渣。考察各工艺参数对铁收得率和铝收得 率的影响。 3 实验结果与讨论 3.1 配碳比对高铁铝土矿热压块抗压强度的影响 对于含碳球团而言，满足一定的抗压强度是其使用的先 决条件[19]。热压块不使用黏结剂，其主要利用煤的热塑性使 热压块具有一定的抗压强度。图 1 为配碳比（FC/O）对高铁 铝土矿热压块抗压强度的影响（热压温度 450℃，热压压力 图 1 配碳比对高铁铝土矿热压块抗压强度的影响 Fig. 1 Effect of carbon ratio on compression strength of high iron gibbsite hot briquette 高铁铝土矿热压块还原-电炉熔分工艺探索研究 3 50 MPa） 。从图中可以看出，随着配碳比的升高，高铁铝土矿热压块的抗压强度呈逐渐上升的趋势，且其抗 压强度不低于 900 N/个。 3.2 配碳比对高铁铝土矿热压块还原的影响 根据前期对高铁铝土矿热压块碳热还原时研究，本文中高铁铝土矿热压块还原的还原温度设定为 1300℃，还原时间为 40 min，还原实验结果分别示于图 2图 4。从图 2 中可以看出，1300℃还原后高铁铝 土矿热压块的外部形貌没有太大的变化。对还原后热压块进行抗压强度分析，分析结果如图 3 所示。从图 3 中可以看出，随着配碳比的增加，热压块的还原冷却后强度呈降低的趋势，在配碳比为 1.0 时，抗压强度最 高， 为 631 N/个。 从还原冷却后强度可以看出， 热压块的还原冷却后强度较高， 还原后仍呈现还原前的形状。 因此，高铁铝土矿热压块还原可选反应器较为广阔，可以选择转底炉、车底炉，甚至可选择产能更大，热利 用效率更高的煤基竖炉。图 4 为配碳比对高铁铝土矿热压块还原率的影响。从图 4 中可以看出，随着配碳比 的增加，热压块的还原率呈升高的趋势，但幅度不大，在配碳比为 1.0 时，还原率最低，但仍高于 90，满 足下一步电炉熔分的要求。 图 2 不同配碳比下高铁铝土矿还原后形貌 Fig. 2 Morphology of high iron gibbsite hot briquette after reduction with different carbon ratio 图 3 配碳比对高铁铝土矿热压块还原冷却后强度的影响 图 4 配碳比对高铁铝土矿热压块还原率的影响 Fig. 3 Effect of carbon ratio on compression strength n Fig. 4 Effect of carbon ratio on reduction ratio n of high iron gibbsite hot briquette after reduction of high iron gibbsite hot briquette 3.3 配碳比对电炉熔分渣铁分离的影响 分别选取配碳比为 1.0 和 1.8 的还原后高铁铝土矿热压块进行电炉熔分实验。熔分温度为 1500℃，待熔分 完全后，控制炉渣冷却速率不大于 10℃/min，分别得到熔分后的含铁物相和铝酸钙炉渣，如图 5 所示。从图 5 中可以看出，配碳比为 1.0 时，得到的铁块和渣相更为纯净。当配碳比为 1.8 时，由于过量的煤石墨化阻碍了 铁的聚集，同时炉渣中也夹杂有部分碳颗粒。当配碳比为 1.0 时，很好地实现了渣铁的分离，得到的铝酸钙自 粉渣较细。得到的铁块碳含量为 3.89，金属铁含量为 94.23，硅含量为 0.24，类似于高炉铁水；铝酸钙 炉渣中 Al2O3含量约为 30.12，FeO 含量仅为 1.26。铁铝回收率均高于 90，实现了铁、铝的高效分离。 将配碳比为 1.0 高铁铝土矿热压块还原熔分得到的铝酸钙炉渣进行 XRD 分析，其结果如图 6 所示。从 图 6 可以看出，铝酸钙炉渣有三种物相，12CaO7Al2O3最多，其次为 CaOSiO2，少量的 SiO2。在所有铝酸 钙化合物中， 12CaO7Al2O3在碳酸钠溶液中的活性最高， 最容易溶解， 而其他铝酸钙化合物溶解性能较差[20]。 4 第十届中国钢铁年会暨第六届宝钢学术年会论文集 因此，可通过铝酸钙炉渣的浸出实现高铁铝土矿中 Al2O3的回收利用。相关研究表明，生成的自粉铝酸钙炉 渣粒度越小，越利于 Al2O3的浸出[21]。 图 5 不同配碳比下高铁铝土矿还原熔分后铁相和铝酸钙渣相 Fig .5 Iron phase and calcium aluminate slag phase from reduction-smelting separation of high iron gibbsite with different carbon ratio 4 结论 （1） 高铁铝土矿热压块还原-熔分工艺可实现高铁铝土 矿铁铝的高效分离，得到的铁水质量类似于高炉水平，得 到的铝酸钙自粉渣适用于碳酸钠溶液浸出提取 Al2O3； （2）高铁铝土矿热压块具有较高的冷态抗压强度和还 原冷却后强度，其还原装置的选取更为广泛，可选择反应 器包括转底炉、车底炉，或煤基竖炉； （3）配碳比的增加，冷态抗压强度呈上升的趋势，还 原冷却后强度呈降低的趋势，还原速率加快，但熔分效果 变差，适宜的配碳比为 1.0。 参 考 文 献 [1] 柳政根，唐珏，郭鹏辉，等. 高铁铝土矿铁铝分离技术的研究现状[A]. 2012 年全国炼铁生产技术会议暨炼铁学术年会文 集[C]. 北京中国金属学会，2012，657-662. 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