三水鋁石礦機(jī)械活化性能分析范文

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《東北大學(xué)學(xué)報(bào)》2016年第四期

摘要:

分析了機(jī)械活化作用下鋁土礦的溶出特點(diǎn)，考察了溶出溫度、溶出時(shí)間及機(jī)械活化轉(zhuǎn)速等對(duì)鋁土礦直接溶出與機(jī)械活化溶出性能效果的影響，并探討了該過程控制步驟的轉(zhuǎn)化規(guī)律．研究結(jié)果表明:機(jī)械活化作用可有效降低三水鋁石型鋁土礦的溶出溫度及溶出時(shí)間，放寬給礦粒度，在裝球量為30%，鋼彈轉(zhuǎn)速為100r/min，料球質(zhì)量比為1.2∶1，溶出溫度為150℃，溶出時(shí)間為40min的條件下，礦物中氧化鋁的實(shí)際溶出率可達(dá)85%以上;機(jī)械活化作用可大幅度降低擴(kuò)散控制對(duì)三水鋁石礦溶出過程的影響．

關(guān)鍵詞:

機(jī)械活化;三水鋁石礦;溶出性能;動(dòng)力學(xué);控制步驟

我國(guó)是鋁工業(yè)大國(guó)，截止2013年，中國(guó)的氧化鋁總產(chǎn)量已達(dá)到4000萬t左右，居世界首位．我國(guó)鋁土礦資源豐富，但是優(yōu)質(zhì)的鋁土礦儲(chǔ)量并不大，絕大部分(＞95%)為高硅、高鋁、低鐵的一水硬鋁石型鋁土礦，主要分布在河南、廣西、山西、貴州及山東等省［1－2］．隨著我國(guó)鋁土礦資源的日益匱乏，越來越多的氧化鋁生產(chǎn)企業(yè)使用進(jìn)口的三水鋁石礦作為氧化鋁生產(chǎn)過程的原料，該類資源在氧化鋁工業(yè)中的使用比例已超過40%，如何高效利用該類資源已成為氧化鋁生產(chǎn)企業(yè)的研究熱點(diǎn)［3－5］．我國(guó)進(jìn)口的三水鋁石礦資源多來自印度尼西亞或澳大利亞，其中印度尼西亞的三水鋁石礦的品位相對(duì)較低，礦石中氧化鋁與氧化硅質(zhì)量比多在4～6之間，而澳大利亞進(jìn)口鋁石礦的品位相對(duì)較高，但運(yùn)輸?shù)瘸杀疽脖容^高．

在使用中低品位三水鋁石礦生產(chǎn)氧化鋁時(shí)，由于礦物中多存在石英等雜質(zhì)相，會(huì)增加磨礦過程的難度，因此采用該類原料通常不會(huì)將礦物的粒度降到很低的標(biāo)準(zhǔn)，這也會(huì)造成鋁土礦中氧化鋁溶出效率降低．在針對(duì)難處理礦物的活化研究中，機(jī)械活化是一種常用的手段，如文獻(xiàn)［6］在相關(guān)研究中采用機(jī)械活化預(yù)處理的方式處理鋅渣并取得了良好的效果;文獻(xiàn)［7－8］就三水鋁石礦機(jī)械活化預(yù)處理過程參數(shù)與溶出性能的關(guān)系進(jìn)行了探討．現(xiàn)有的研究多針對(duì)機(jī)械活化和溶出過程之間的關(guān)系進(jìn)行研究［9－10］．本文針對(duì)我國(guó)氧化鋁工業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)狀及鋁土礦溶出過程的反應(yīng)特點(diǎn)，圍繞機(jī)械活化－均相溶出過程中球磨轉(zhuǎn)速、溶出溫度及時(shí)間等參數(shù)對(duì)鋁土礦溶出效果的影響及動(dòng)力學(xué)進(jìn)行探討，為該技術(shù)在氧化鋁生產(chǎn)中的應(yīng)用提供理論依據(jù)．

1實(shí)驗(yàn)

1.1原料實(shí)驗(yàn)采用國(guó)內(nèi)某氧化鋁生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)口的三水鋁石礦為主要原料，該礦物的物相組成和成分分析如表1及圖1所示，其中礦石物相使用荷蘭帕納克公司PW3040/60型X射線衍射儀(銅靶)分析，2θ=5°～90°，掃描速率為7°/s．由表1及圖1可知，鋁土礦礦相中主要成分為三水鋁石(Al2O3•3H2O)，另外還有一定量的石英(SiO2)、赤鐵礦(Fe2O3)、銳鈦礦(TiO2)．溶出實(shí)驗(yàn)采用的循環(huán)母液為國(guó)內(nèi)某鋁廠的種分母液和氫氧化鈉(分析純)及氫氧化鋁(分析純)配制而成，其中苛性堿質(zhì)量濃度(以氧化鈉濃度計(jì))為160g/L，母液中氧化鈉與氧化鋁的物質(zhì)量的比為2.996．

1.2機(jī)械活化溶出性能實(shí)驗(yàn)1)實(shí)驗(yàn)裝置:采用自制的機(jī)械活化溶出裝置進(jìn)行溶出性能實(shí)驗(yàn)，設(shè)備如圖2所示，該裝置外部為厚保溫箱體結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)置6個(gè)溶出鋼彈，采用空氣加熱．根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)定的溶出條件，將配制好的礦漿和鋼球(直接溶出過程不加鋼球)裝入反應(yīng)鋼彈中，加蓋密封，其中鋼彈直徑為0.1m，鋼球的加入量按質(zhì)量比大球(直徑20mm)∶中球(直徑8～12mm)∶小球(直徑3～7mm)=2∶3∶5．接通均相反應(yīng)釜電源開始加熱，到達(dá)預(yù)設(shè)溫度后，設(shè)定轉(zhuǎn)速開始機(jī)械活化溶出，按自身實(shí)驗(yàn)要求控制保溫時(shí)間，完成實(shí)驗(yàn)規(guī)定時(shí)間的浸出過程．浸出結(jié)束后，將鋼彈放到冷卻水中進(jìn)行冷卻后，打開釜蓋取出溶出液進(jìn)行固液分離．根據(jù)浸出液中氧化鋁質(zhì)量濃度及體積確定氧化鋁溶出率，其計(jì)算公式。

2結(jié)果與討論

2.1球磨轉(zhuǎn)速的確定在機(jī)械活化溶出過程中，探索機(jī)械活化轉(zhuǎn)速與溶出效果的關(guān)系是確定適宜的溶出參數(shù)的先決條件．在溶出溫度為150℃，溶出時(shí)間為30min，初始礦物粒度為－1mm，母液中氧化鈉與氧化鋁的物質(zhì)量的比為2.996，裝球量30%的條件下，機(jī)械活化轉(zhuǎn)速對(duì)礦物中氧化鋁溶出效果的影響如圖3所示．機(jī)械活化溶出過程中，轉(zhuǎn)速對(duì)礦石溶出效果有很大影響，當(dāng)轉(zhuǎn)速由小到大時(shí)，其溶出率先升高后降低，在轉(zhuǎn)速為100r/min時(shí)達(dá)到最高．轉(zhuǎn)速對(duì)溶出過程影響呈現(xiàn)波動(dòng)狀態(tài)的原因在于不同的轉(zhuǎn)速下鋼球的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有較大區(qū)別．1)球磨機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，球和物料沿筒體上升至一定角度后滾下，稱為瀉落．摩擦作用是該狀態(tài)下的主要破碎作用力，如圖4a所示．2)球磨機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，球在離心力的作用下，隨著筒體上升的高度較大，然后在重力作用下下落，稱為拋落．這時(shí)物料不僅存在摩擦作用，而且存在球落下時(shí)的沖擊作用，這也是比較理想的破碎狀態(tài)，如圖4b所示．3)球磨機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)一步提高，當(dāng)離心力超過球的重力時(shí)，靠筒壁與筒體一起回轉(zhuǎn)，此時(shí)球?qū)ξ锪系姆鬯樽饔脤⑼Ｖ梗@時(shí)轉(zhuǎn)速稱為臨界轉(zhuǎn)速，如圖4c所示．

2.2溶出溫度和時(shí)間對(duì)溶出過程的影響在確定了適宜的機(jī)械活化轉(zhuǎn)速后，進(jìn)一步考察溶出溫度及時(shí)間對(duì)三水鋁石礦機(jī)械活化溶出效果的影響．在溶出時(shí)間為30min，初始礦物粒度為－1mm，母液中氧化鈉與氧化鋁的物質(zhì)量的比為2.996，溶出溫度對(duì)溶出效果的影響如圖5所示．在相同溫度和相同溶出時(shí)間對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，球磨溶出的溶出率比不加球的溶出率高5%～7%．對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明:當(dāng)溶出時(shí)間為30min時(shí)，球磨溶出在145℃達(dá)到78%以上的溶出率，而不加球的情況下需要在160℃才能達(dá)到該溶出率．機(jī)械活化作用可以有效降低三水鋁石礦的溶出溫度.在150℃，裝球量為30%，初始礦物粒度為－1mm，母液中氧化鈉與氧化鋁的物質(zhì)量的比為2.996的條件下，溶出時(shí)間對(duì)溶出過程的影響如圖6所示．由圖6可知，在同一溫度下，球磨溶出在40min時(shí)，礦物中氧化鋁溶出率可達(dá)89.67%，而達(dá)到該溶出率不加鋼球時(shí)所需時(shí)間為60min，所以整個(gè)溶出速率快速得到提升．另一方面，工業(yè)上以該類礦石為原料的生產(chǎn)過程多采用－0.5mm的給礦粒度［2］，因此機(jī)械活化作用可以在一定程度上放寬給礦粒度．由于溶液中除氫氧化鈉外，還存在一定濃度的氧化鋁，因此對(duì)溶出過程的反應(yīng)狀態(tài)進(jìn)行以下假定:1)該礦物表面疏松多孔，且有球磨的磨細(xì)和強(qiáng)烈攪拌作用，故擴(kuò)散不是該反應(yīng)的控制步驟，化學(xué)反應(yīng)為該溶出過程的控制步驟．2)溶出過程中起作用的只是游離的那部分OH－，而與氧化鋁結(jié)合成AlO2－的那部分氫氧根離子不起溶出氧化鋁的作用．3)礦物雖非球形，但礦物各維度上的尺寸基本一致，因此可參考球形礦物溶出過程的相關(guān)計(jì)算模型．針對(duì)圖6中的結(jié)果進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖7所示，其中斜率代表機(jī)械活化溶出及無球溶出過程的反應(yīng)速率．動(dòng)力學(xué)擬合結(jié)果表明:機(jī)械活化溶出實(shí)驗(yàn)結(jié)果與該模型擬合較好，擬合度達(dá)到0.9823，而非機(jī)械活化溶出過程擬合結(jié)果僅在0.93左右．上述結(jié)果說明非機(jī)械活化作用下除了化學(xué)反應(yīng)控制外，擴(kuò)散作用也會(huì)對(duì)該過程造成較大影響，而在機(jī)械活化作用下擴(kuò)散控制對(duì)反應(yīng)過程的影響被弱化，這也是該方式促進(jìn)鋁土礦溶出過程的主要機(jī)理．

3結(jié)論

1)在三水鋁石型鋁土礦溶出過程中添加機(jī)械活化作用可有效提高礦石中氧化鋁的溶出效果，并放寬給礦粒度;在相同的溶出時(shí)間下，機(jī)械活化作用下礦物中氧化鋁的溶出率可較直接溶出提高5%～7%．2)在150℃，裝球量為30%，礦石粒度為－1mm，母液中氧化鈉與氧化鋁的物質(zhì)量的比為2.996，機(jī)械活化轉(zhuǎn)速為100r/min，溶出時(shí)間為40min的條件下，三水鋁石型鋁土礦中氧化鋁的溶出率為89.67%．3)非機(jī)械活化作用下除了化學(xué)反應(yīng)控制外，還存在一定的擴(kuò)散控制，而在機(jī)械活化作用下擴(kuò)散控制對(duì)反應(yīng)過程的影響被弱化．

作者：呂國(guó)志 張廷安 柯賢耀 張偉光 單位：東北大學(xué) 多金屬共生礦生態(tài)化冶金教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室