铝土矿浮选尾矿制取铝硅铁合金时团块性能研究.pdf

收稿日期 2011- 11- 18 基金项目 国家高技术研究发展计划项目 2007AA06Z116, 2008AA03Z512 作者简介 罗洪杰 1965- , 男, 辽宁本溪人, 东北大学教授; 姚广春 1947- , 男, 辽宁沈阳人, 东北大学教授, 博士生导师 第33卷第5期 2012 年 5 月 东北大学 学报自然科学版 Journal of Northeastern University Natural Science Vol133, No. 5 May2 0 12 铝土矿浮选尾矿制取 铝硅铁合金时团块性能研究 罗洪杰, 刘宜汉, 姚广春, 孙 挺 东北大学 材料与冶金学院, 辽宁 沈阳 110819 摘 要 以选矿拜耳法生产氧化铝过程中形成的铝土矿浮选尾矿为原料、 以煤和石油焦为还原剂, 以纸 浆干粉为黏结剂, 通过混合和压制的方式制取可用于还原熔炼的团块状物料重点检测了团块的抗压强度和 比电阻研究结果表明 由不同种类的煤制备的团块在抗压强度和比电阻上均存在较大差异; 随着纸浆干粉含 量的增加团块的抗压强度增大, 但比电阻迅速减小; 还原剂配比发生变化对团块抗压强度和比电阻均没有显 著的影响 关 键 词 抗压强度; 比电阻; 团块; 浮选尾矿; 铝硅铁合金 中图分类号 TF 111. 13 文献标志码 A 文章编号 1005 -3026 201205 -0694 -04 Perance Research of Briquettes Used for Preparing A- l S- i Fe Alloy with Flotation Tailings of Bauxite as Raw Materials L UO Hong -jie, LI U Yi-han,YA O Guang -chun, SUN T ing School of Materials specific resistance; briquette; flotation tailings; A- l S- i Fe alloy 尽管我国铝土矿资源较为丰富, 但矿石质量不 高,绝大部分属于高铝、 高硅的一水硬铝石型其 中, 80以上铝土矿的铝硅比在 5 8 之间, 这种 资源特点决定了我国氧化铝生产不能采用常规的 拜耳法[1]20 世纪末, 经过我国多家企事业单位的 联合攻关, 创新性地采用浮选脱硅的方法对中、 低 品位的铝土矿进行处理, 使所得精矿的铝硅比处于 9 11之间, 可直接用于拜耳法流程, 形成了选矿 拜耳法生产氧化铝新工艺[2- 5]但是, 采用选矿拜 耳法生产氧化铝时, 产出的浮选尾矿约占原矿质量 的20为此, 铝土矿浮选尾矿的综合利用问题已 引起人们的关注[6- 9]本文以铝土矿浮选尾矿为原 料、 以煤和石油焦为还原剂, 以纸浆干粉为黏结剂, 通过混合、 压制的方式制取团块, 以团块性能检测 为重点, 以期为下一步还原熔炼打下基础 1 实验与检测方法 1. 1 主要原料 实验使用的铝土矿浮选尾矿取自某铝业公 司, 其主要成分 质量分数, 为 Al2O34318, SiO226133, Fe2O310152, CaO 218, T iO23108, MgO 0142, K2O 0114, Na2O 0125, 水 114所选的 碳质还原剂包括 1烟煤、 2烟煤、 3无烟煤和 4石油焦还原剂的工业分析见表 1选用某造纸 厂生产的纸浆干粉为黏结剂, 纸浆干粉在使用前 需配制成一定质量分数的纸浆液 表 1 还原剂的工业分析 质量分数 Table 1 Industrial analysis of reductantsmass fraction 编 号空气干燥基水份空气干燥基灰份空气干燥基挥发份空气干燥基固定碳空气干燥基全硫 1烟煤 2. 015. 9738. 6853. 340. 50 2烟煤 0. 998. 1933. 2657. 560. 48 3无烟煤0. 9317. 476. 0775. 530. 32 4石油焦0. 280. 289. 3890. 060. 39 1. 2 团块制备 团块制备过程包括磨料、 混料、 压制、 烘干等 其中 采用 SD- 1 型振动研磨机进行磨料, 转速 为 1 400 r/ min, 混料分干混和湿混, 干混时先人 工混料 20 min 后, 再用 8411 型电动振筛机振动 混料 30 min湿混时将纸浆液倒入干混后的物料 之中, 人工混料 15 min; 采用手动液压制样机压制 团块坯料, 并保压 3 min 模具尺寸 520 mm 60 mm ; 采用 DZF- 1 型真空干燥箱连续烘干 5 8 h 135 e 下 1. 3 性能检测 团块的性能检测分为两种形式 一种是直接 对烘干后的团块进行检测; 另一种是将烘干后的 团块再放入 XMA5410 程序控温井式电阻炉内进 行焙烧 1 150 e , 40 min , 目的在于检验团块在 中高温下的性能, 为电弧炉还原熔炼提供依据性 能检测的具体内容包括抗压强度测试、 比电阻测 定等其中 采用东北大学力学实验室的 WDW- 100D 微机控制电子万能试验机检测团块的抗压 强度; 采用四电极法 伏安法 测量团块的比电阻 由于团块在烘干后不导电, 所以只测量焙烧后团 块的比电阻 2 结果与讨论 电弧炉冶炼制取铝硅铁合金时将会发生固- 固反应和气- 固反应, 物料间的接触情况和分布 的均匀程度以及团块的性能特征都将影响还原反 应进行的程度和速度因此, 制取符合性能要求的 团块是保证电弧炉内反应得以持续进行并获得高 回收率的重要前提条件 2. 1 抗压强度检测 抗压强度是检验团块性能的重要指标, 以之 来保证团块在进行电弧炉熔炼时不发生碎裂本 项研究中检测了不同制团条件下所得团块的抗压 强度图 1 为选择不同还原剂制取的团块在烘干 和焙烧后的抗压强度主要配料及制团条件为 配 碳量为理论量的 95, 煤的粒度小于 01295 mm, 石油焦粒度小于 01138 mm, 尾矿粒度小于 01147 mm, 纸浆干粉质量为原料总量的 6, 配水量为 1218, 还原剂配比 煤B石油焦 为 8B2, 制团压 力为 27 MPa由图 1 可以看出, 在 135 e 的烘干 温度下以不同种类的煤所制的团块表现出不同的 抗压强度其中 2烟煤的抗压强度最高, 3无烟 煤最低产生差别的原因除与煤的组分直接相关 外, 可能还与煤中所含的有机质数量及其分解相 关在 1 150 e 的焙烧温度下 经试验确定团块的 软化点在 1 100 1 150 e 之间, 因此采用的焙烧 温度略高于团块的软化温度 3无烟煤表现出更 高的抗压强度, 这种结果与烘干条件下的情况正 好形成对比以高挥发份、 低灰份的 1, 2烟煤 制备的团块, 高温条件下的抗压强度迅速降低因 此, 煤的选择需要综合考虑煤质对团块物理性能 的影响, 必要时可以采用混合配煤的方式 图 1 不同煤所制团块的抗压强度 Fig.1 Compressive strength of briquettes added with different kindsof coals 图 2 为不同纸浆干粉质量分数条件下所制团 块在烘干和焙烧后的抗压强度除了以 1烟煤为 还原剂外, 其他配料及制团条件同前由图 2 可以 看出, 135 e 烘干时随着纸浆干粉质量分数的增 加团块的抗压强度明显增大当纸浆干粉质量分 数为 8时, 团块的抗压强度达到27MPa; 而当纸 浆干粉质量分数升高至 10 时, 团块的抗压强度 695第 5 期 罗洪杰等铝土矿浮选尾矿制取铝硅铁合金时团块性能研究 达到 45 MPa, 再继续增加纸浆干粉数量团块的抗 压强度不再变化1 150 e 焙烧后, 当纸浆干粉质 量分数为 8 时团块的抗压强度为 12 MPa, 继续 增加纸浆干粉质量分数时, 抗压强度增长缓慢 图 2 纸浆干粉质量分数与团块抗压强度之间的关系 Fig.2 Variation of compressive strength of briquettes with content of dry powder of pulp 使用黏结剂是为了保证团块的完整性, 使其 不会在电热冶炼过程中发生粉化和碎裂实验表 明 纸浆干粉用量对团块的低温机械强度影响极 大, 但在高温下纸浆干粉含量对团块性能的影响 急剧减小, 说明加入纸浆干粉只能在低温条件下 起黏结作用 图 3 显示出还原剂配比对团块抗压强度的影 响所谓/ 还原剂配比0指的是煤和石油焦的比例 关系本实验选择 1烟煤为还原剂, 1烟煤与石 油焦的配比比例 固定碳质量分数之比 分别为 7B3, 8B2, 9B1 和 10B0 图 3 还原剂比例与团块抗压强度之间的关系 Fig.3 Variation of compressive strength of briquettes with reductant proportion 由图 3 可以看出 在低温烘干时还原剂配比 的变化对团块抗压强度的影响缺乏明显的规律 在石油焦含量减少时, 团块的强度增加, 说明石油 焦的含量对团块的低温性能影响很小从图 3 可 以进一步看出, 焙烧后团块的抗压强度约是原来 的四分之一而且在高温条件下随还原剂的配比 变化抗压强度只是发生了一些波动, 且石油焦含 量增加不能提高团块的抗压强度本项实验的目 的除考察还原剂配比对团块性能的影响之外, 还 要探查石油焦的高温黏结性能但从实验结果上 看, 增加石油焦用量并不能提高团块性能, 因而可 以少用甚至不用石油焦做还原剂, 以此来降低工 业化生产的成本 2. 2 比电阻检测 电热法制取铝硅铁合金时要求团块的比电阻 较大, 这样通过同样电流时单位体积内的发热量 大, 炉膛温度高, 反应速度快图 4、 图 5 分别是不 同还原剂和不同还原剂配比条件下所制团块在 1150 e 焙烧后的比电阻 图 4 不同煤配制团块的比电阻 Fig.4 Specific resistance of briquettesadded with different kinds of coals 图 5 不同还原剂比例所制团块的比电阻 Fig.5 Specific resistance of briquettes with different reductant proportion 由图 4 可以看到, 不同煤种制备的团块之间 的比电阻存在较大差异, 其中 2烟煤的比电阻最 高, 其值为 2111 8cm而由图 5可以看出, 采用不 同还原剂比例配制的团块, 其比电阻值只在一个小 范围内波动, 说明比电阻值受石油焦添加量的影响 较小, 而主要与煤的选用相关另外, 不同还原剂 配比试验用的是 1烟煤作为还原剂, 试验得到的 比电阻值与图 4 中显示的结果十分接近, 再次表 明煤的选用对团块的比电阻有着很大影响 图 6 为不同纸浆干粉含量条件下制备的团块 的比电阻, 试验使用的还原剂的是 1烟煤由图 696东北大学学报 自然科学版 第 33 卷 6可知, 团块的比电阻随着纸浆干粉含量的增加 而迅速减小这种现象产生的原因可能是纸浆干 粉分解并在高温下发生碳化, 形成了导电性物质 由于纸浆干粉降低团块比电阻的趋势十分明显, 在保证团块质量的前提下, 应尽量降低纸浆干粉 的使用量 图 6 不同纸浆干粉质量分数所制团块的比电阻 Fig.6 Specific resistance of briquettes with different contents of dry powder of pulp 影响团块性能的工艺因素较多, 如铝土矿浮 选尾矿的粒度、 制团压力等这些因素的影响规律 已在本项研究的正交试验部分进行了讨论限于 篇幅所限, 本文不涉及这部分内容但由于团块的 内部结构将直接影响还原反应的进程和金属的回 收率, 也是影响团块性能的一项重要因素, 在此给 予一定的说明从反应过程上看, 电弧炉还原熔炼 制取铝硅铁合金属于一种无渣的快速反应为了 尽量满足这种冶炼特点, 在制备团块时希望在其 内部留有一定的空隙 图7 是以 1烟煤为还原剂制备的团块在经 过高温还原熔炼 2 100 e 后, 该试样的微观结构 照片 SEM其中, 图 7b 为图 7a 的局部放大照片 见白圈由图 7 可以看到 试样表面由灰色块状 物和杆状物组成, 试样内部结构蓬松, 且存在一定 数量的孔洞 图 7 2 100 e 还原后的试样 SEM照片 Fig. 7 SEM photographs of briqu ettes reduced at 2 100 e a 表观形貌 SEM; b a的局部放大 综合上述分析可以推断, 采用现有的制团工 艺能够得到内部含有空隙的团块, 这种结构能够 提高熔炼开始阶段的反应速度和气体的逸出能 力, 为还原剂和黏结剂含有的挥发性物质的分解 和排放提供了通道, 同时在还原反应进行过程中 团块内部始终处于一种疏松多孔状态, 使得冶炼 过程一直处在化学反应环节的控制之下 3 结 论 1 由 1, 2烟煤制备的团块在低温时抗压 强度均大于20 MPa, 而在高温时平均只有6MPa; 而由 3无烟煤制备的团块在低温、 高温条件下强 度变化很小由不同煤种制备的团块之间比电阻 存在较大差异, 其中 2烟煤的比电阻最高 2 无论是低温还是高温条件下, 随着纸浆干 粉含量的增加团块的抗压强度增大; 但团块的比 电阻随着纸浆干粉含量的增加而迅速减小 3 还原剂配比的变化对团块在低、 高温下的 抗压强度和比电阻均没有显著的影响 参考文献 [ 1]刘家瑞, 刘祥民应用选矿- 拜耳法工艺处理一水硬铝石 型中低品位铝土矿生产氧化铝的工业实践[ J]轻金属, 2005 4 11- 14 Liu Jia -rui, Liu Xiang -min. 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