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《东北大学》 2009年
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铝土矿浮选尾矿电热法生产一次铝硅合金的研究

王耀武  
【摘要】:2008年我国工业铝产量达到1300万吨以上,约占世界总产量的1/3,但我国用于生产氧化铝的铝土矿自给率已低于50%,铝土矿的缺乏已经成为制约我国铝行业发展的首要问题,低品位铝土矿的选矿拜耳法生产氧化铝将成为我国未来铝工业发展的主要方向之一,但在铝土矿浮选过程中产生约25%的尾矿,这部分尾矿如果不加以利用不仅造成资源的浪费,而且污染环境。目前,25%以上的原铝被用于生产铝硅合金,以低品位铝土矿为原料电热法生产一次铝硅合金,一次铝硅合金精炼加铝稀释后直接配制应用合金,不仅可以节约纯铝而且可以降低能耗,缩短流程。 本论文首先对以铝土矿浮选尾矿为原料,烟煤为还原剂在电弧炉内直接熔炼生产一次铝硅合金和工业电热法生产铸造用共晶铝硅合金的生产工艺进行研究,得出以铝土矿浮选尾矿为原料生产的一次铝硅合金由于含铁量较高应用现阶段的生产工艺不适合用于铸造用铝硅合金的生产。 对铝土矿浮选尾矿盐酸溶液除铁生产低铁尾矿,然后以低铁尾矿为原料电热法生产一次铝硅合金的工艺进行了研究。浮选尾矿的盐酸浸出除铁过程中,影响氧化铁浸出率的最主要因素为浸出温度,其次是浸出溶液的盐酸浓度,然后是浸出时间,影响最小的是浸出液固比。尾矿中氧化铁浸出率随浸出温度越高、浸出时间增长、浸出液盐酸浓度增大和浸出液固比的增大而越高,但同时氧化铝的浸出率也越高。较佳的浸出条件为:浸出温度80℃,浸出液固比5:1,浸出溶液盐酸浓度22%,浸出时间120分钟,在该条件下氧化铁的浸出率可以达到95%以上,氧化铝的浸出率在4.3%以下,浸出后尾矿中的氧化铁含量可以从10.52%降低到0.6%以下。浸出后的浆料加入絮凝剂进行固液分离,以聚丙烯酰胺为絮凝剂加入浸出料浆中可实现固液的快速分离,沉降后获得的上清液固含在0.2g/L以下。 对尾矿盐酸浸出除铁的动力学分析得出,尾矿在盐酸溶液浸出的过程中可分为两个阶段:当氧化铁的浸出率小于55%时,浸出过程速率由界面化学反应控制,其表观活化能为86715J/mol;当氧化铁的浸出率大于60%时,浸出速率由流体反应物HCl在多孔固体中的非稳态扩散控制,其表观活化能为119647J/mol。 由于尾矿浸出过程中氯化氢的利用率较低(只有14%),采用浸出液反复蒸馏浸出的方法可提高氯化氢的利用率。浸出液经蒸馏—浸出—蒸馏—浸出后可进行最多五次的反复浸出。每次蒸馏较佳的体积百分比为10%,经五次蒸馏浸出后,浸出液中的氯化铁浓度可达到18.50%,原浸出液中氯化氢的利用率超过50%,每1L浸出液可处理尾矿约0.8公斤。浸出后获得的浸出液可通过先蒸馏浓缩然后高温焙烧的方法处理,处理后获得氯化氢和含部分氧化铝的氧化铁的粉末,氯化氢可通过水吸收进行回收再利用,氧化铁可作为炼铁原料。每吨尾矿的除铁成本在300元以下。 以除铁后的尾矿为原料,以神府烟煤为还原剂,亚硫酸纸浆废液为粘结剂,经配料计算和团块性能测试得出较佳的配料及制团条件为:每100公斤尾矿配入烟煤52.34公斤,干粉粘结剂9公斤,水9公斤,较佳的制团压力为20-25MPa,物料粒度为0.087-0.124mm。配好的团块在电弧炉内熔炼获得的一次铝硅合金含铝量达到了55%以上,含铁量低于1.7%,合金其它主要杂质为钙、钛、钾和钠,熔炼后尾矿中的铝元素的回收率达到了90%以上,硅元素的回收率达到85%以上。获得的一次铝硅合金可用于生产钛含量较高的铸造用铝硅合金或新型的铝硅钛多元合金。 在真空碳管炉内对一次铝硅合金的还原机理进行了研究,通过对除铁尾矿在真空碳管炉内不同温度下获得产物进行物相分析,得到除铁尾矿在真空碳管炉内的还原过程为:首先是在较低温度下(1600℃以下),尾矿中的氧化硅与碳反应生成SiC,少量的氧化硅被还原成为硅并与由铁的氧化物还原成的单质铁结合成为硅铁化合物(主要是Fe2Si、Fe5Si3和Fe3Si),当温度继续上升到1700-1800℃时,尾矿中的氧化铝开始与碳反应生成铝氧碳化物(主要是Al4O4C,还有少量的A12OC),当温度继续升高到1800-1900℃时,在较低温度生成的铝氧碳化物被碳化硅分解,生成铝和硅,最终成为一次铝硅合金。 实验结果证明铝土矿浮选尾矿经盐酸浸出除铁后生产的一次铝硅合金可作为生产铸造用铝硅合金的原料,该方法生产一次铝硅合金不仅节约了资源而且保护了环境,具有一定的实际意义。
【学位授予单位】:东北大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TF821

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