文章编号：1004-0609(2007)08-1360-07

高铁三水铝石型铝土矿的烧结特性

朱忠平，黄柱成，姜  涛，李光辉，庄剑鸣

(中南大学 资源加工与生物工程学院，长沙 410083)

摘  要：以Al₂O₃含量为26.35%，总Fe含量为31.22%，铝硅比为3.17的某高铁三水铝石型铝土矿为原料，研究了碱度、焦粉用量、混合料水分等对烧结矿质量指标的影响。结果表明：烧结矿碱度增加时，其转鼓强度和成品率下降，烧结矿自粉化程度加重；焦粉用量增加时，烧结矿转鼓强度和成品率提高；当混合料水分为9.0%、焦粉用量为8.0%、烧结矿碱度为4时，烧结矿转鼓强度为69.1%，成品率为81.2%，垂直烧结速度为30 mm/min，利用系数为1.2 t/(h?m²)；烧结矿碱度为4时，样品存放2天粉化率为5%，烧结矿平均粒度由22.2 mm减小到21.9 mm，延长存放时间，烧结矿自粉化率增大，平均粒度显著减小。该烧结矿的冶金性能能基本满足高炉冶炼的要求。

关键词：高铁三水铝石型铝土矿；烧结特性；超高碱度；综合利用

中图分类号：TF 521; TF 821　　     文献标识码：A

Sintering properties of high iron gibbsite-type bauxite ores

ZHU Zhong-ping, HUANG Zhu-cheng, JIANG Tao, LI Guang-hui, ZHUANG Jian-ming

(School of Minerals Processing and Bioengineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: The influences of basicity, coke dosage and moisture on sintering performance were studied respectively by using a sample with 26.35% Al₂O₃, 31.22% Fe_t, and mass ratio of alumina to silica 3.17. The results show that the tumbling index and finished products efficiency increase with increasing coke dosage, while decrease with increasing basicity. Sinter spontaneous pulverization becomes severer as basicity increases. The tumbling index is 69.1%, finished products efficiency is 81.2%, sintering speed is 30 mm/min and productivity is 1.2 t/(h?m²) under the conditions of moisture of 9.0%, coke dosage of 8.0% and basicity of 4. After being stored for 2 d, the spontaneous pulverization of the sinter reaches 5% and the average particle size decreases from 22.2 mm to 21.9 mm. The sinters spontaneous pulverization increases while the average particle size of sinters decreases with prolonging storage time. The metallurgical performance of sinters can meet the requirement of BF smelting.

Key words: high iron gibbsite-type bauxite; sintering property; super-high basicity; complex utilization

随着我国经济的快速发展，对支持国民经济可持续发展的第一、第二大金属铁、铝的消耗也越来越大，铁矿和铝土矿的资源供应量严重短缺^[1?3]。20世纪80年代，我国在广西等地发现大量高铁三水铝石型铝土矿，资源储量超过1.6亿t。该矿具有有价金属品种多(主要含铁、铝、钒、镓、锰、钛等)、铝铁含量较低(总Fe含量24％~37％，Al₂O₃含量20%~37%)、铝硅比较低(A/S=2.6~5.4)的特点。由于铁矿物与铝矿物嵌布粒度细，相互胶结，矿物的单体解离性能极差，难以选别，再由于其铝铁品位低，未达到一般冶炼品位要求，若以单一铁矿或铝土矿开发，成本较高，技术不可行，因此在我国尚属于呆滞矿产资源^[4?7]。

为了解决高铁三水铝石型铝土矿的综合利用问题，国内外开展了大量的研究，取得了一些进展，特别是在综合利用工艺方面，已基本形成“先选别，后冶炼”、“先铝后铁”和“先铁后铝”这3种典型工艺。

已有的研究已初步证实“先铁后铝”中的“高炉冶炼—炉渣浸出提铝”工艺较适用于我国高铁三水铝石型铝土矿资源及地理位置特点^[6?7]。东北大学对这一工艺进行的研究表明，通过严格控制造渣条件，可在炼铁高炉中实现铁铝的有效分离，并获得炉渣中氧化铝浸出率大于82%的优良结果^[7?8]。

该工艺的关键技术主要在于铝铁矿石的烧结、高炉冶炼过程中的渣铁分离以及炉渣的冷却结晶，在这三者中烧结矿制备又是实现高炉冶炼铁铝分离的基础。本文作者以某高铁三水铝石型铝土矿为原料，研究高铁三水铝石型铝土矿的烧结特性及工艺技术，以期为此类矿石的综合开发利用提供技术支撑。

1  实验

1.1  原料的物理化学性能

1) 高铁三水铝石型铝土矿

烧结实验所用高铁三水铝石型铝土矿的主要化学成分如表1所列。

由表1可知，高铁三水铝石型铝土矿中铁和铝含量低，铝硅比较低(A/S=3.17)，烧损大。虽然矿石中铁的品位远高于普通铝土矿，但还没有达到合格铁矿的边界品位；铝的品位也没有达到目前氧化铝经济生产工艺要求。

采用显微镜观察和X射线衍射分析(XRD)进行的工艺矿物学分析结果表明：铝的赋存矿物主要为三水铝石，其次为针赤铁矿中以类质同像存在，再次为高岭石和一水硬铝石，分别占矿石中总Al₂O₃的45.02%、23.68%、23.14%和8.16%；铁矿物主要为针赤铁矿，占矿石中总铁的98.60%；硅矿物主要为铝硅酸盐，占矿石中总硅的96.51%，少量以游离二氧化硅存在。

因此，从单一的铝土矿或铁矿的角度来研究该高铁三水铝石型铝土矿均不能达到工业生产要求，必须实现铁铝综合利用才有工业利用价值；由于矿石中钒和镓的含量达到伴生组分的工业要求，钒、镓的综合利用也需一并考虑。

2) 焦粉

实验燃料为焦粉，焦粉粒度较粗，其中粒径小于3 mm粒级占65%，焦粉工业分析及其灰分的主要化学成分分析列于表2。

3) 石灰石

石灰石中粒径小于3 mm粒级占70%，其主要化学成分分析见表3。

表1  高铁三水铝石的主要化学成分分析

Table 1  Main chemical composition of high iron gibbsite(mass fraction, %)

表2  焦粉工业分析及灰分主要化学成分分析

Table 2  Industrial analyses and main chemical composition of coke powder(mass fraction, %)

表3  石灰石的主要化学成分

Table 3  Main chemical composition of limestone(mass fraction, %)

1.2  实验方法

将高铁三水铝石型铝土矿、焦粉、石灰石、返矿按一定比例组成混合料，配以适量水分，经一次混合后，在d 600 mm×1200 mm圆筒混合机中二次混合制粒3 min，然后在d 200 mm×640 mm烧结杯中进行烧结实验。实验条件如下：点火温度1 050~1 150 ℃、点火时间1.5 min、点火负压5 kPa、烧结负压10 kPa。烧结矿冷却后，经单齿辊破碎机破碎后，在2 m高落下装置中落下3次，然后进行ISO筛分指数和1/2ISO转鼓强度测定。烧结矿的冶金性能测定参照《铁矿石的还原性测定方法》(GB/T13241—91标准方法)和《铁矿石低温粉化实验静态还原后使用冷转鼓方法》(GB/T13242—91标准方法)。

2  结果与讨论

2.1  碱度对烧结性能的影响

图1所示为焦粉用量8.0%、混合料水分9.0%条件下，碱度对烧结矿质量指标的影响。

随着烧结矿的碱度提高，烧结矿各项指标均有所下降，其中转鼓强度和成品率的下降幅度较大(图1)，而对垂直烧结速度的影响较小(图2)。与一般铁矿烧结相比，高铁三水铝石型铝土矿的垂直烧结速度快(大于28 mm/min)，利用系数较低(1.0~1.3 t/(h?m²))。在碱度小于3时，成品率降低幅度较小。当碱度增加时，烧结矿中游离CaO及2CaO?SiO₂(C₂S)的数量增加，游离CaO的存在将破坏烧结矿的强度，冷却到600 ℃左右时C₂S由β-C₂S向γ-C₂S晶型转变，发生体积膨胀，使C₂S晶体粉碎，从而导致烧结矿粉化，因而烧结矿转鼓强度下降，成品率降低^[9?11]。

图1  碱度对烧结矿转鼓强度与成品率的影响

Fig.1  Influence of basicity on sinter tumbling index and finished products efficiency of sintering ores

图2  碱度对垂直烧结速度和利用系数的影响

Fig.2  Influence of basicity on vertical sintering speed and productivity

由于烧结的最终目的是要得到满足高炉需要的烧结矿，使铁铝在高炉冶炼过程中分离后，再由炉渣浸出提取氧化铝。如果不考虑炉渣中MgO和TiO₂等少量组分，则炉渣可简化为CaO-Al₂O₃-SiO₂三元系(图3)^[12]。如图3所示，在所有的含铝矿物中，只有12CaO?7Al₂O₃(C₁₂A₇)能完全溶于碳酸钠溶液中，而3CaO?Al₂O₃(C₃A)和CaO?Al₂O₃(CA)的溶解速度较慢，2CaO?Al₂O₃?SiO₂(C₂AS)等矿物则完全不溶 ^[13?15]。

图3  CaO-Al₂O₃-SiO₂的相图

Fig.3  Ternary phase of CaO-Al₂O₃-SiO₂ system(Ano: anorthite; Cor: corundum; Cri: cristobalite; Geh: gehlenite; Hat: Hatrurite;  Mul: mullite; Pse-Wol: pseudo-wollastanite; Ran: rankinite; Tri: tridymite)

高炉冶炼高铁三水铝石型铝土矿烧结矿时，高炉炉渣主要成分为C₂S 、C₃A、CA和C₂AS，也即炉渣的组成在四边形C₂S-C₃A-CA-C₂AS内。但为了得到最有利于Al₂O₃浸出的矿物组成，炉渣的化学组成应位于三角形C₂S-C₃A-CA内，且避开C₂AS的初晶区，而最佳炉渣成分为只含有C₂S和C₁₂A₇，也即按C₂S-C₁₂A₇线操作(图3)。在C₂S-C₁₂A₇线上，平衡时只存在两种物相，即C₂S和C₁₂A₇。由于1个C₂S分子中含有2个CaO分子和1个SiO₂分子，1个C₁₂A₇分子中含有12CaO个分子和7个Al₂O₃分子，因此，平衡时混合物相中CaO的质量分数为：

铝硅比(A/S)主要由原料条件确定，R主要由熔剂确定。在现代高炉生产中，为降低焦耗，一般在烧结过程中添加溶剂，而在高炉中不再添加或只加入少量熔剂，因此，本实验烧结矿的碱度应为4.85。考虑烧结燃料和熔剂以及高炉焦粉对碱度和A/S的影响，因此下面的实验取烧结矿碱度4.0和5.0。由图1可知，烧结矿转鼓强度可达到65%，能满足高炉冶炼的要求。

2.2  焦粉用量对烧结性能的影响

图4和5所示为当碱度为4.0、混合料水分为9.0%时，焦粉用量对烧结矿质量的影响关系图。

图4  焦粉用量对烧结矿转鼓强度和成品率的影响

Fig.4  Influence of coke dosage on sinter tumbling index and finished products efficiency

图5  焦粉用量对垂直烧结速度和利用系数的影响

Fig.5  Influence of coke dosage on vertical sintering speed and productivity

增加焦粉用量可提高烧结矿的转鼓强度和成品率 (见图4)，但对垂直烧结速度和利用系数影响较小(见图5)。焦粉用量为7.7%以上时，烧结矿的成品率达到80%，转鼓强度超过65%。由于高铁三水铝石型铝土矿矿石中的三水铝石及针赤铁矿吸附大量水分，在烧结过程中受热脱除结晶水和游离水时吸收大量热量，同时由于超高碱度烧结所添加的大量石灰石分解吸收热量，因此，实验烧结过程中焦粉用量偏高。在实验焦粉用量范围内，垂直烧结速度较高，达到28~30 mm/min，利用系数较低，为1.0~1.3 t/(h?m²)。焦粉用量增加到7.7%以上后，转鼓强度增加不明显。

2.3  混合料水分对烧结性能的影响

    图6和7所示为在碱度4.0、焦粉用量8.0%条件下，混合料水分对烧结矿质量的影响。

图6  混合料水分对转鼓强度和成品率的影响

Fig.6  Influence of moisture on sintering tumbling index and finished products efficiency

图7  混合料水分对垂直烧结速度和利用系数的影响

Fig.7  Influence of moisture on vertical sintering speed and productivity

由图6和7可知，烧结混合料的适宜水分含量在8.0%~9.0%之间，此时烧结矿各项指标较好，烧结矿转鼓强度大于68%，成品率大于77%，垂直烧结速度大于28 mm/min，利用系数大于1.0 t/(h?m²)。混合料水分小于8.0%时，烧结矿各项指标均很差，在7.5%时，利用系数为0.8 t/(h?m²)，转鼓强度不到60%，成品率小于55%。

2.4  烧结矿的自粉化性能

由于烧结碱度高，烧结矿中还含有较多的游离CaO。CaO在吸收空气中水分后生成Ca(OH)₂，体积发生膨胀，从而导致烧结矿粉化。为了了解超高碱度条件下高铁三水铝石型铝土矿烧结矿的自粉化性能，取焦粉用量8.0%、混合料水分9.0%、碱度从2.0到6.0的烧结矿各20 kg进行自粉化实验。将烧结矿敞开置于室内，每隔一定时间在标准筛分指数测定装置上进行筛分，取粒径大于5 mm的烧结矿占总质量的比值作为成品率来考查自粉化效果，结果如图8所示。烧结矿自粉化时，伴随着粒度变小，图9所示为烧结矿平均粒度与存放时间的曲线。

图8  烧结矿成品率与存放时间的关系

Fig.8  Relationship between storage time and sinter finished products efficiency

图9  烧结矿平均粒度与存放时间的关系

Fig.9  Relationship between storage time and sinter average particle size

由以上实验结果可以得出如下结论：1) 烧结矿碱度越高，成品率越低，平均粒度越小，烧结矿自然粉化越严重；2) 当烧结矿碱度一定时，随着时间的延长，烧结矿自然粉化加重；3) 当碱度为4时，48 h(2 d)后自然粉化率约为5%，随后迅速增加，288 h(11 d)后达到12%，平均粒度由22 mm下降到15 mm。因此高铁三水铝石烧结矿储存时间不宜过长，48 h内不会产生严重的自粉化现象。

2.5  烧结矿的冶金性能

研究了焦粉用量为8.0%，混合料水分含量为9.0%，碱度为5.0条件下烧结矿的冶金性能。烧结矿的主要化学成分列于表4，冶金性能检测结果列于表5。

由表5可以看出，高铁三水铝石型铝土矿烧结矿的软化开始温度较高，且软熔区间窄(94 ℃)。软熔温度高可以保持较多的气?固相间的稳定操作，软熔区间窄可以保持较窄的软熔带，有利于煤气运动。而滴下温度较低，与熔融开始温度接近，且熔滴区间窄(＜40 ℃)。从高炉操作要求来看，较高的熔滴温度和更窄的熔滴区间更有利于实际操作。在普通烧结矿冶炼过程中，较低的滴下温度有可能影响高炉料柱的透气性。但是，由表4可知，高铁三水铝石型铝土矿烧结矿高炉冶炼的渣铁比相当高(ω(SiO₂+CaO+Al₂O₃)/ ω(Fe_t)=2.7)，考虑到高炉焦粉灰份的影响，渣铁比将远高于此值，因此较低的熔滴温度将有可能有利于造渣。烧结矿的冶金性能结果表明，高铁三水铝石型铝土矿烧结矿可以满足一般中小型高炉对冶炼炉料冶金性能的要求。

表4  烧结矿主要化学成分分析

Table 4  Main chemical composition of sintering product(mass fraction, %)

表5  烧结矿的冶金性能

Table 5  Metallurgical properties of high iron gibbsite-type bauxite sinter

3  结论

1) 高铁三水铝石型铝土矿铝硅比低，烧损大，堆密度小。与一般铁矿烧结相比，烧结焦粉用量大，混合料水分高，转鼓强度较好，垂直烧结速度快，但成品率和利用系数偏低。

2) 由于烧结矿碱度高，烧结矿中存在游离CaO和C₂S，CaO在空气中吸收水分生成Ca(OH)₂，发生体积膨胀，且C₂S在冷却过程中由β-C₂S与γ-C₂S转变引发体积膨胀，因此，高铁三水铝石型铝土矿烧结矿易发生自粉化，不宜存放过久。

3) 超高碱度烧结矿的熔化、滴落温度低，软熔区间窄，能基本满足高炉冶炼要求。

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基金项目：教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目(NCET?04?0748)

收稿日期：2006-12-24；修订日期：2007-04-11

通讯作者：朱忠平，博士研究生，讲师；电话：0731-8879622; E-mail: zhuzp@mecil.csu.edu.cn

(编辑 龙怀中)