從赤泥中回收鐵的研究現狀
1 前 言
赤泥是氧化鋁生產過程中鋁土礦經強堿浸出時礦石中的鐵、鈦等雜質和絕大部分的硅不溶解而形成的殘渣。每生產1 t氧化鋁就有1.0～1.8 t赤泥產出，到2006年底全國氧化鋁產量約為1 000萬t，年排出赤泥量接近2 000萬t。目前我國氧化鋁廠一般采用平地筑臺、河谷欄壩、凹地填充等方法堆存赤泥，不僅占用了大量的土地，防護措施也不完善，而且赤泥為堿性物質，雨水沖洗赤泥產生的污水對水質及土壤均有污染，同時也是對資源的一種浪費。赤泥的化學成分與原鋁土礦的成分及氧化鋁的生產工藝有關[1]，特別是隨著進口鋁土礦的增加，采用了拜爾法生產工藝，鐵含量普遍在30%以上。在鐵礦石資源日益減少趨向枯竭及環境污染越來越嚴重的情況下，為便于更好地從赤泥中回收鐵，僅就從赤泥中回收鐵的工藝及研究進展進行綜述。
2 從赤泥中回收鐵的研究現狀
2.1 國外的研究情況
美國礦務局曾研究了將赤泥、煤、石灰石及碳酸鈉混合、磨碎，然后在800～1 000 ℃溫度下進行還原燒結。燒結塊經破碎后用水溶出、過濾。濾渣用高強度磁選機分選，磁選部分在1 480 ℃條件下進行熔煉產生生鐵。利用此工藝經小型試驗、半工業試驗，可制得含Fe 93%～94%、C 4.0%～4.5%的生鐵，按磁性部分鐵含量計算，鐵回收率達到了95%。該工藝的主要問題是耗能大，鐵的磁選效率低[2]。另有文獻介紹了從赤泥中低溫還原-磁選回收鐵的工藝[3]，試驗表明：用煤、碳、鋸木屑、干蔗渣作固相還原介質，還原溫度可降低到350 ℃，還原后磁選也較好地回收了鐵。Mishra,B.Staley,A.等在前人研究的基礎上利用焦炭作還原劑對赤泥進行了還原煉鐵研究[4-5]，結果表明：采用碳熱還原，鐵的金屬化率超過了94%，進一步熔化可煉得生鐵，同時，TiO2 在熔化爐渣中得到有效富集，經酸浸出后可從溶液中回收。
早期德國的格布爾·基里尼公司曾進行了兩段熔煉法處理赤泥生產煉鋼生鐵的半工業化試驗。第一段將赤泥與煤粉（或泥煤）、碎石灰石混合，送入長100 m的回轉窯中在1 000 ℃溫度下進行還原燒結，使80%以上的氧化鐵被還原成金屬鐵；第二段采用特殊結構的用油作加熱介質的豎式熔煉爐進行熔煉，進一步還原使還原效率達到95% 以上。熔融體中的鐵和渣自行分離，殘渣連續流出，在水中粒化。液態鐵從爐中放出，經適當處理后，鑄成生鐵錠。
日本曾將含鐵33%的赤泥與石灰石粉、焦粉燒結成塊，然后在高爐中熔煉。由于赤泥中含鐵量較高，在高爐中直接還原赤泥煉鐵是可行的。此外，日本還提出利用還原燒結處理赤泥，將氧化鐵轉化為磁鐵礦，其余部分用于回收氧化鋁。首先將赤泥烘干至含水率30%后放在干燥器中進行自然蒸發，然后放在流化床中進行燒結。在流化床中利用還原氣體還原赤泥，使氧化鐵變成磁化鐵；磁性物質經磁選分離后，再濃縮制成高純冶金團塊。研究發現，如果對試驗條件嚴格控制，焙燒赤泥的還原反應可一直進行到使赤泥中的赤鐵礦完全轉化為海綿鐵，而后進行磁選分離；獲得海綿鐵制團后，可以直接用于電爐煉鋼，這比使用磁鐵礦更為簡便經濟。
蘇聯巴夫洛達爾廠將燒結赤泥與磁鐵精礦按5:95～15:85的比例配礦，再添加一定量的石灰石混合成球、烘干，加入一定量焦炭在達蒙型高溫爐內的石墨坩堝中進行冶煉，所用赤泥含Fe2O3 22.8%左右，熔融得到的生鐵含Fe 90%～93%。冶金學家B.A.YTKOB認為高爐精礦配入少量的高鐵赤泥雖然增加了物流量和出渣量，也增加了焦炭消耗，降低了熔煉效率，但是由于赤泥的配入使燒結礦粉料減少，燒結生產能力提高。雖然如此，由于鐵精礦中配入赤泥量太少，即使技術經濟合理，赤泥處理量也是非常有限的。前蘇聯還研究了將鋁土礦進行磁化焙燒的試驗。在鋁土礦中配入2%～3%的煤，在650～700 ℃的弱還原氣氛中焙燒，拜爾法溶出后利用磁性機分離出鐵礦物，磁性尾礦再返回用燒結法處理，半工業試驗取得了良好效果。A.A.米沙耶夫等人采用天然氣作還原劑對基洛瓦巴德氧化鋁廠的赤泥進行了間接還原熔煉研究，赤泥含鐵42.04%。結果表明：可利用天然氣代替煤來還原赤泥中的氧化鐵，而后在 800～850 ℃下制得金屬鐵。此外還進行了采用水蒸汽作還原劑的試驗。研究表明：改用水蒸汽作還原劑，可提高氧化鐵的還原率，進而改善了還原物料的磁性過程，提高了金屬鐵的提純率。
烏拉爾鋁廠和前蘇聯科學院烏拉爾分院合作研究了用高爐或電爐熔煉赤泥的大型試驗。試驗所用的是烏拉爾鋁廠存堆多年的赤泥，含鐵達31.0%。經過制粒、脫硫、脫去附著水和結合水后，再加入5%～6%的焦炭作還原劑在電爐中熔煉制得煉鋼生鐵。
阿拉巴耶夫冶金聯合企業和斯維爾德洛夫冶金研究所采用串聯的2臺回轉窯對從烏拉爾氧化鋁廠赤泥中回收鐵進行了半工業試驗。第1臺回轉窯的作用是烘干和還原，還原劑主要是焦煤和無煙煤；第2臺回轉窯用于熔煉赤泥生產生鐵和自碎渣。試驗的主要特點是不需要制粒直接與石灰石和焦炭進行熔煉。
匈牙利采用改良的串聯法將阿爾馬什菲濟特氧化鋁廠的拜爾法赤泥(Fe2O3 40.76%)，配加無煙煤作還原劑在捷克的耶依保維查廠60 mm長的回轉窯中還原焙燒，再磁選分離，得到的鐵精礦含Fe 77%，鐵回收率達81.5%～83.0%，這種鐵精礦可以直接用于電爐煉鋼。匈牙利鋁托拉斯工程和發展中心[6]及土耳其的E.Ercagt[7]等進行過電弧熔煉赤泥和爐渣濕法冶煉試驗研究，其工藝過程包括赤泥焙燒預處理、電弧熔煉制得煉鋼生鐵及其爐渣，其中匈牙利產出的生鐵成分為(%)：Si 0.3～0.6，Ti 0.2～0.7，Mn 0.3～0.5，V 0.3～0.4，C 4.2～5.0，P＜0.3，S＜0.01，是一種介于鑄造生鐵和制鋼生鐵之間的特種生鐵，可用于生產合金鋼和冷硬鑄件。
另外，印度報道了用酸處理赤泥回收鋁、鐵和鈦工藝[8-9]。前南斯拉夫對赤泥綜合回收也進行了系統研究，所提出的回收工藝流程包括赤泥造塊、還原熔煉、爐渣浸出和萃取分離。
2.2 我國的研究現狀
我國是世界上生產氧化鋁的大國，2007年底氧化鋁產量將達到1 000萬t，大量的赤泥需要利用和回收以防止資源浪費和環境污染。我國鋁工業較世界上先進國家發展比較落后，但在赤泥處理和利用方面也做了大量的工作。
中南大學研究了廣西貴港高鐵三水型鋁土礦拜爾法溶出所得的殘渣，提出了一條合理利用高鐵赤泥的新途徑。即由高鐵赤泥直接生產制備海綿鐵，其方法是配入 A型催化劑赤泥煤基直接還原制備海綿鐵，實驗取得了初步成果，海綿鐵品位91.79%，金屬化率91.15%，這種產品可代替廢鋼作電爐煉鋼原料。由于所用赤泥原料含Fe近40%，其綜合經濟效益較好。
東北大學研究的處理貴港鋁土礦的“先鐵后鋁”方案，以鋁土礦(含Fe2O3 40%左右)為原料，配加石灰石先燒結成高堿度燒結礦再進行高爐冶煉，產出生鐵和鋁酸鈣爐渣，實現鐵鋁分離。據說在冶煉過程中生鐵與渣分離性能良好，鐵回收率較高。
山東鋁廠研究了采用非冶金方法回收赤泥中的鐵，提出平果鋁土礦兩段溶出工藝。先將礦石粗磨，在245 ℃一段溶出，將赤泥分級，粗赤泥中富集了較多的鐵和一水硬鋁石，將粗赤泥再稍磨，于160 ℃二段溶出，可以得到含Fe2O3近64%的赤泥，鐵的收率達50%～60%。該方案的優點是回收赤泥中的鐵礦物時，還能給拜爾法溶出流程帶來一些效果，但是兩段熔出使流程加長，回收的鐵礦物品位不高，只能摻在鐵精礦中用作煉鐵燒結礦原料，同時棄赤泥中含Fe2O3仍然很高(26%)，不利于進一步燒結處理，這些缺點在工業生產中應用時仍是非常重要的因素。
1995年，吳瓊珍等進行了“平果鋁土礦拜爾法赤泥綜合利用研究”。將赤泥以還原焙燒后磁選，鐵的回收率達到86.96%，海綿鐵含鐵84.17%，金屬化率91.49%。尾礦處理可以提取鈧、氧化鋁和堿，最后剩余的殘渣還可用于生產硫鋁酸鹽水泥，實現了零排放的目標。
中南大學梅賢功等人1996年報道了“高鐵拜爾法赤泥煤基直接還原工藝的研究”，提出了配入A型催化劑的赤泥煤基直接還原焙燒-磁選分離-冷固成型的工藝。所用原料為廣西某鋁土礦拜爾法赤泥，主要成分為(%)：Fe 38.9，Al2O3 15.32，SiO2 9.6，Na2O 1.85。實驗結果分析：鐵精礦品位為91.79%，鐵回收率94.12%，金屬化率91.15%。
李佩鴻研究了將拜爾法赤泥直接還原焙燒后磁選回收鐵[10]。用煤作還原劑，配煤比為17%，干燥溫度（100±5）℃，焙燒溫度1 000 ℃，焙燒時間120 min，一段磨礦細度－0.043 mm 87.36%，粗選磁場強度135 286 A/m，二段磨礦細度－0.038 5 mm100%，精選磁場強度636 64 A/m。試驗表明，用直接還原－磁選的方法處理平果拜爾法赤泥制取海綿鐵，產品含TFe 84.17%，Al2O3 2.53%，SiO2 1.44%，Na2O 0.50%，CaO 1.34%, 金屬化率91.49%，鐵的回收率達86.96%，在技術上是可行的，產品海綿鐵可以代替廢鋼作為電爐煉鋼的原料。
贛州有色冶金研究所和平果鋁業公司按照國家“九五”重點科技攻關“赤泥綜合利用技術研究”專題在平果鋁業公司生產技術處的組織領導下，進行了半工業試驗研究[11]。選用2臺SLON型脈動高梯度磁選機作為選別設備，采用一粗一細全磁選流程工藝。一粗一精開路流程試驗指標，赤泥中TFe 18.88%，獲鐵精礦中TFe 54.16%，鐵回收率30.3%；一粗一精閉路（精選尾礦返回）流程試驗指標，赤泥中TFe 17%～19%，獲得鐵精礦中TFe 54%～58%，鐵回收率16%～36%；閉路流程72 h連續運轉試驗平均指標：赤泥中TFe 18.99%，鐵精礦中TFe 54.65%，回收率35.28%。
湘潭工學院羅道成等采用了同梅賢功提出的類似的工藝研究了從氧化鋁廠赤泥回收鐵。配入A型催化劑，控制赤泥與還原煤及添加劑質量比為83：14：3，采用煤基直接還原焙燒-渣鐵磁選分離-冷固成型性工藝流程，生產出優質的直接還原鐵團礦，所得產品的金屬化率為92.1%，含鐵品位為92.7%，該產品可作電爐煉鋼的原料，這種新工藝為氧化鋁廠赤泥的綜合利用開辟了新途徑[12]。
李衛東研究了從拜爾法赤泥中選鐵的新技術。試驗分別采用正反浮選、重選以及利用脈動高梯度磁選機進行磁選的方法從赤泥中回收鐵。研究表明：采用單一浮選、重選方法難以得到工業品級的鐵精礦；利用脈動高梯度磁選機采用粗選工藝流程，一次選別可使赤泥中的鐵含量由37.63%提高到48.70%，且回收率高達99.73%；采用粗選-精選開路流程，磨礦細度-0.425 mm 100%，獲得精礦品位55.56%的鐵精礦，精礦產率為77.79%，鐵回收率90.38%；在此基礎上又進行了模擬現場樣機試驗，試驗分別采用一粗一精和一粗一掃兩種流程。試驗結果表明：一粗一精及一粗一掃兩種流程都能獲得高品位的精礦，且回收率高。一粗一精流程精礦品位高，一粗一掃流程回收率高。由于一粗一精流程中礦品位和金屬收率比一粗一掃流程高，可認為閉路后在保證精礦品位的前提下一粗一精流程也能獲得較高的回收率，故建議生產采用一粗一精流程。
3 結 語
自氧化鋁工業發展起來以后，赤泥的處理與綜合利用一直是世界各國急需解決的難題之一，回收赤泥中的鐵更是赤泥綜合利用的重要一項；回收赤泥通常采用通過還原焙燒使Fe2O3轉變為Fe3O4，然后磁選提取Fe3O4，或將赤泥直接通過電爐熔煉產出生鐵，或將赤泥先還原成海綿鐵，然后用電爐煉成鋼；赤泥的化學成分與原鋁土礦的成分和氧化鋁生產工藝有密切關系，針對不同的赤泥，要采用不同的提取工藝，才能取得較好的回收效果。總之，眾多資料表明，從高鐵赤泥中回收鐵工藝技術難度不大，最主要的問題是如何通過優化工藝減少資源浪費以及能源消耗，降低回收成本，真正實現經濟的可持續發展。
參考文獻（略）
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