中南大学

硕士学位论文

拜耳法溶出降低赤泥钠硅比的研究

姓名：刘云峰

申请学位级别：硕士

专业：有色金属冶金

指导教师：李小斌

20060101中南大学硕十论文

摘要

我国一水硬铝石矿的拜耳法溶出是采取添加石灰的溶出制度。铝

土矿中的含硅矿物是碱法生产氧化铝中最有害的物质，在溶出条件下，Ｓｉ０２会与铝酸钠母液发生～系列复杂的化学反应生成钠硅渣（水

合铝硅酸钠）和水化石榴石（水合铝硅酸钙），最终随赤泥外排。其

中，钠硅渣的生成是造成溶出过程中氧化钠损失的主要原因，不仅使

生产成本增加，同时对环境保护也提出了挑战。赤泥碱耗一般用赤泥钠硅比来定量表征，如何降低赤泥钠硅比（碱耗）已经成为拜耳法氧

化铝生产中一个十分迫切的课题。因此，系统研究铝土矿类型、母液

成分、溶出制度对钠硅渣生成的影响规律以及钠硅渣与水合铝硅酸钙相互转化的规律对于生产中降低赤泥钠硅比具有十分重要的意义。

钠硅渣和水化石榴石的组成和结构是随着反应条件的变化而变化，而且在适宜条件下可以相互转化。通过对钠硅渣和水化石榴石在

铝酸钠溶液中的反应行为和稳定性进行热力学计算和分析，明确了其相互转化的规律。结合热力学的理论指导，实验进一步研究了矿石类

型、溶出制度、母液成分对赤泥钠硅比的影响规律以及溶出液中ＳｉＯ：平衡浓度。

热力学研究结果表明：水化石榴石在低温下为稳定物相，而钠硅渣在高温下为稳定物相，随着温度的升高，低饱和系数的水化石榴石

均可能转化为钠硅渣；水化石榴石在苛性碱溶液中的稳定性要好于碳

酸钠：无论是在苛性碱溶液中，还足在碳酸钠溶液中，水化石榴石的二氧化硅饱和系数越大，其稳定性越好。而实验研究表明：矿石的类

型和粒度、母液中碱浓度和有机物浓度对溶出赤泥钠硅比影响很小；

母液中过多的Ｎａｃｌ、Ｎａ２Ｃ０３和Ｎａ：ＳＯ，会显著增加溶出赤泥钠硅比；溶出时间的延长、石灰添加量的增加、循环母液中Ｋ：Ｏ浓度的升高都将

有利于降低赤泥钠硅比。

关键字：溶出赤泥钠硅比铝酸钠钠硅渣

水化石榴石中南丈学硕士论文ＡＢＳＴＲＡＣＴ

ＡＢＳＴＲＡＣＴ

ＤｉｇｅｓｔｉｏｎｏｆＤｉａｓｐｏｒｅｉｎＢａｙｅｒｐｒｏｃｅｓｓａｄｏｐｔｓｓｙｓｔｅｍｏｆａｄｄｉｎｇｌｉｍｅ．Ｓｉｌｉｃｉｃｍｉｎｅｒａｌｓｏｆｂａｕｘｉｔｅａｒｅｔｈｅｍｏｓｔｄｅｌｅｔｅｒｉｏｕｓｍｉｎｅｒａｌｓｉｎｔｈｅ

ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆａｌｕｍｉｎａｉｎｃａｕｓｔｉｃｍｅｔｈｏｄ，ｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆ

ｄｉｇｅｓｔｉｏｎ，Ｓｉ０２ｗｉｌｌｒｅａｃｔｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄｌｙｗｉｔｈｐｒｅｇｎａｎｔｓｏｌｕｔｉｏｎｏｆ

ｓｏｄｉｕｍａｌｕｍｉｎａｔｅ，ｉｔｃａｕｓｅｓｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆｓｏｄｉｕｍａｌｕｍｉｎｏｓｉｌｉｃａｔｅｈｙｄｒａｔｅ

ａｎｄｈｙｄｒｏｇａｍｅｔ，ｗｈｉｃｈｗｏｕｌｄｌｅｔｏｕｔｗｉｔｈｒｅｄｍｕｄ．Ｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆ

ｓｏｄｉｕｍａｌｕｍｉｎｏｓｉｌｉｃａｔｅｈｙｄｒａｔｅｉＳｔｈｅｍａｉｎｒｅａｓｏｎｔｈａｔｃａｕｓｅｓｔｈｅ１０Ｓ￥ｏｆｓｏｄｉｕｍｏｘｉｄｅｉｎｄｉｇｅｓｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ，ｉｔｗｉｌｌｎｏｔｏｎｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｃｏｓｔ，ｂｕｔ

ａｌｓｏｃｈａｌｌｅｎｇｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ．ＴｈｅｔｈｅｌＯＳ￥ｏｆｓｏｄｉｕｍｏｘｉｄｅ

ｉｓｇｅｎｅｒａｌｌｙｍｅａｓｕｒｅｄｂｙｍａｓｓｒａｔｉｏｏｆＮａ２０／Ｓｉ０２，ｈｏｗｔｏｄｅｃｒｅａｓｅｔｈｅ

ｍａｓｓｒａｔｉｏｏｆＮａ２０／Ｓｉ０２（１０ｓｓｏｆｓｏｄｉｕｍｏｘｉｄｅ）ｉｎｒｅｄｍｕｄｈａｖｅｂｅｃａｍｅ

ｏｎｅｏｆｔｈｅｓｔｒｉｎｇｅｎｔｔａｓｋｉｎａｌｕｍｉｎａｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆＢａｙｅｒｐｒｏｃｅｓｓ．Ｓｏ．ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｉｃｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｙｐｅｏｆｂａｕｘｉｔｅ，ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｏｆｐｒｅｇｎａｎｔｓｏｌｕｔｉｏｎａｎｄｄｉｇｅｓｔｉｏｎｃｏｎｄｉｆｉｏｎｏｎｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆｓｏｄｉｕｍａｌｕｍｉｎｏｓｉｌｉｃａｔｅ

ｈｙｄｒａｔｅ．ａｎｄｔｈｅｌＯＷｏｆｍｕｔｕａｌｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｓｏｄｉｕｍ

ａｌｕｍｉｎｏｓｉｌｉｃａｔｅｈｙｄｒａｔｅａｎｄｈｙｄｒｏｇａｍｅｔｗｉｌｌｈａｖｅａｇｒｅａｔｉｍｐｏｒｔａｎｃｅＯｎｄｅｃｒｅａｓｉｎｇｍａｓｓｒａｔｉｏｏｆＮａ２０／Ｓｉ０２ｉｎｒｅｄｍｕｄ．

Ｔｈｅｃｏｎｓｔｉｔｕｔｅａｎｄｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｓｏｄｉｕｍａｌｕｍｉｎｏｓｉｌｉｃａｔｅｈｙｄｒａｔｅａｎｄ

ｈｙｄｒｏｇａｍｅｔｗｉｌｌｖａｒｙｗｉｔｈｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ａｎｄｔｌｌｅｙｃａｎｃｏｎｖｅｒｔｉｎｔｏｅａｃｈ

ｏｔｈｅｒｕｎｄｅｒｆｅａｓｉｂｌｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．Ｂｙｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｎｄ

ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｒｅａｃｔｉｏｎｂｅｈａｖｉｏｒａｎｄｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ｗｅｋｎｏｗｍｏｒｅａｂｏｕｔｔｈｅｌＯＷｏｆ

ｍｕｔｕａｌｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎ、ｓｏｄｉｕｍａｌｕｍｉｎｏｓｉｌｉｃａｔｅ··ｈｙｄｒａｔｅａｎｄ

ｈｙｄｒｏｇａｒｎｅｔ．Ｂｙｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｔｈｅｏｒｅｔｉｃｇｕｉｄａｎｃｅ，ｉｔ

ｆｕｒｔｈｅｒｓｔｕｄｉｅｓｔｈｅｌｏｗｏｆｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｙｐｅｏｆｂａｕｘｉｔｅ，ｄｉｇｅｓｔｉｏｎ

ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｏｆｐｒｅｇｎａｎｔｓｏｌｕｔｉｏｎｏｎｍａｓｓｒａｔｉｏｏｆＮａ２０／Ｓｉ０２ｍ

ｒｅｄｍｕｄａｎｄｂａｌａｎｃｅａｂｌｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆＳｉ０２ｉｎｓｏｌｕｔｉｏｎｂｙｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｓｔｕｄｙｓｈｏｗｓ：ｈｙｄｒｏｇａｒｎｅｔｉＳｓｔａｂｌｅ

ｉｎｌｏｗｅｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｂｕｔｓｏｄｉｕｍａｌｕｍｉｎｏｓｉｌｉｃａｔｅｈｙｄｒａｔｅｉｎｈｉｇｈｅｒ

ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｗｉｔｈｔｈｅｒｉｓｉｎｇｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｈｙｄｒｏｇａｒｎｅｔｗｉｔｈｌｏｗｅｒ

ｎ！堕奎兰堡主丝苎竺！旦塑

ｓａｔｕｒａｔｉｏｎｃｏｅｍｃｉｅｎｔｏｆＳｉ０２ｗｉｌＩｃｏｎｖｅｘｉｎｔｏｓｏｄｉｕｍａｌｕｍｉｎｏｓｉｌｉｅａｔｅ

ｈｙｄｒａｔｅ；Ｈｙｄｒｏｇａｍｅｔｉｎｃａｕｓｔｉｃｓｏｌｕｔｉｏｎｅｘｉｓｔｓｍｏｒｅｓｔａｂｌｅｌｙｔｈａｎｉｎ

ｓｏｄａｓｏｌｕｔｉｏｎ；ＨｙｄｒｏｇａｒｎｅｔｗｉｔｈｈｉｇｈｅｒｓａｔｕｒａｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆＳｉ０２ｗｉｌｌ

ｂｅｍｏｒｅｓｔａｂｌｅ．ｗｈｅｔｈｅｒｉｎｃａｕｓｔｉｃｓｏｌｕｔｉｏｎｏｒｉｎｓｏｄａｓｏｌｕｔｉｏｎ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｒｅｓｅａｒｃｈｓｈｏｗｓ：ｇｒａｎｕｌａｒｉｔｙａｎｄｔｙｐｅｏｆｂａｕｘｉｔｅ，ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆＣａＢｓｔｉｅ

ｓｏｌｕｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆｏｒｇａｎｉｃｓｕｂｓｔａｎｃｅｈａｖｅｓｍａｌｌｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｍａｓｓｒａｔｉｏｏｆＮａ２０／Ｓｉ０２ｉｎｒｅｄｍｕｄ；Ｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆ

ＮａＣｌ．Ｎａ２Ｃ０３ａｎｄＮａ２Ｓ０４ｉｎｐｒｅｇｎａｎｔｓｏｌｕｔｉｏｎｗｉｌｌｇｒｅａｔｌｙｉｎｃｒｅａｓｅ

ｍａｓｓｒａｔｉｏｏｆＮａ２０／Ｓｉ０２ｉｎｒｅｄｍｕｄ；Ｐｒｏｌｏｎｇｉｎｇｄｉｇｅｓｔｉｏｎｔｉｍｅ，ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ

ｑｕａｎｔｉｔｉｅｓｏｆｌｉｍｅ，ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇＫ２０ｉｎｐｒｅｇｎａｎｔｓｏｌｕｔｉｏｎｗｉｌｌｂｅｐｒｏｐｉｔｉｏｕｓｔｏｌｏｗｅｒｍａｓｓｒａｔｉｏｏｆＮａ２０／Ｓｉ０２ｉｎｒｅｄｍｕｄ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｉｇｅｓｔｉｏｎｍａｓｓｒａｔｉｏｏｆＮａ２０／Ｓｉ０２ｓｏｄｉｕｍａｌｕｍｉｎａｔｅ

ｓｏｄｉｕｍａｌｕｍｉｎｏｓｉｌｉｃａｔｅｈｙｄｒａｔｅｈｙｄｒｏｇａｒｎｅｔ

１１１中南大学硕士论文第一章文献综述

第一章文献综述

１．１我国氧化铝工业的发展及现状

随着国民经济的快速发展，铝及其合金在工业生产和日常生活中扮演越来越

重要的作用。氧化铝工业是国民经济的基础原材料工业，对我国工业经济的发展起着重要作用ｆｌ“。我国铝土矿资源丰富，截止到１９９３年底我国已探明

的铝土矿储量达２３亿吨，分布很广，其中山西、贵州、广西、河南４省的铝土矿储量占总储量的８８．０８％。我国铝士矿矿石类型主要以一水硬铝石为

主，占全国总储量的９９％，三水铝石型铝土矿仅约占ｌ％．因此，一水硬铝

石型铝土矿是我国目前氧化铝生产的主要的铝士矿资源【５－７１。目前世界上生产氧化铝的国家有３０余个，氧化铝厂６５座，预计２００５年国际氧化铝产能略为５６６６．８万州“¨ｌ。随着我国国民经济持续快速增长以及中国

加入世界贸易组织，国内外市场得到进一步开放，我国铝工业也获得迅速发展。

目前，我国原铝产量已跃居世界首位ｉｓ．ｏ！。作为原铝生产的主要原材料氧化铝在

我国消费量增长迅速，２００５年已经达到了１２００万吨左右，而我国氧化铝产能目酶仅在７００万吨左右，为了满足国内需求，每年需要从国外大量进口氧化铝［Ｉｆ－１２］。

国外氧化铝生产多是采用以溶出三水铝石和一水软铝石的拜耳法工艺，

流程简单，能耗低，相对生产成本低ｆＩｌｌ。面我国铝士矿是以一水硬铝石型为

主，比国外的三水铝石含硅高，铝硅比低，铝的溶出性能差１７，１们。因此，除

了广西平果铝厂是采用拜耳法外，其它几个大型氧化铝厂基本上采用烧结法和联

合法生产氧化铝，形成了我国９０％以上的氧化铝生产能力【９】。流程复杂，能耗、

碱耗和生产成本高的烧结法和混联法成为制约我国氧化铝工业发展的一个

瓶颈［１３１。但经过多年的发展，我国氧化铝工业在技术创新上还是取得了很大

的进步。使得我国创造的混联法的生产技术、装备永平不断提高，能耗大幅

度下降，氧化铝总回收率、碱耗、产品质量等方面也创造了世界同类生产方

法的先进水平，增强了我国氧化铝工业在国际上的竞争力睁Ｉｏ】。

同时，针对我国铝土矿资源特点，近些年来一些重大的科技成果成功应

用于我国氧化铝工业。中南大学李小斌教授等开发出的强化烧结法在中州铝中南大学硕卜论文第一章文献综述

厂成功应用给烧结法氧化铝生产带来了革命性的变化，能耗的大幅降低和产

能的提高极大降低了生产成本。另外，管道化溶出、石灰拜耳法、选矿拜耳法、双流法等技术的应用也都为我国氧化铝工业的发展做出了巨大贡献【１４Ｉ。

１．２我国铝土矿资源的特点

我国具有工业经济价值的铝土矿基本上全部为高岭石一一水硬铝石型

铝土矿，其储量占全国铝土矿资源的８５％，与国外三水铝石及一水软铝石矿

相比，这类是拜耳法生产氧化铝溶出性能最差的一种。我囡这类型铝土矿的

具体特点如下【卜１０】：溶出困难由于一水硬铝石铝土矿结构致密，结晶完善，与含硅矿物、氧化

铁矿物等脉石矿物紧密嵌镶，嵌布粒度微细。以此用拜耳法溶出这种铝土矿时需

高温高压及高碱浓度，溶出条件十分苛刻，对设备的要求也很高。高硅我国一水硬铝石型铝土矿中ｓｉ０２含量约为６～１３％，且Ａ／Ｓ比

多分布在４～１０之间。Ｓｉ０２在碱法生产体系下，是一种十分有害的杂质，能进入溶液，并且易和铝酸钠溶液反应生成钠硅渣和水化石榴石，造成碱耗和

Ａ１２０３的损失，还易造成管道结疤等问题。这就决定了我国的氧化铝生产应以拜耳一烧结联合法为主，兼顾处理商品位、低品位矿石及拜耳法赤泥，比较

适合我国国情，相对具有回收率高、碱耗低等优点。

高铝我国一水硬铝石铝土矿中Ａ１２０３含量一般在６５～７５％，比国外三

水铝石Ａ１２０３含量高些，这意味着生产１ｔ氧化铝消耗的矿石量少，从而开采、运输、冶炼费用少，产出赤泥少，有利于氧化铝的生产．

低铁山西、贵州、河南的铝土矿含Ｆｅ２０３＜５％，这对氧化铝的生产是

有利的。广西平果矿含铁Ｆｅ２０３达２０～３０％，矿石硬度大，不利于氧化铝的

生产。、

有机物含量低这是我国一水硬铝石型铝土矿的一个突出优点，对氧化

铝生产十分有利。

矿物组成异常复杂除主要矿物一水硬铝石和高岭土外，往往还伴生有

伊利石、叶腊石、绿泥石等含硅矿物以及赤铁矿、针铁矿等含铁矿物和含钛矿物。由于各矿物在硬度、密度、品格常数、形状因子等参数方面存在明显

差异，导致其溶出性能也存在比较大的差异．

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