我國高鐵鋁土礦鋁鐵分離研究新進(jìn)展

李 宏 杜艷清 余 瑩 李佩昱 余建文，4

（1.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)弓長嶺有限公司，遼寧 遼陽 111008；2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819；3.難采選鐵礦資源高效開發(fā)利用技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心，遼寧 沈陽 110819；4.東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室，遼寧 沈陽 110819）

隨著我國鋁工業(yè)的快速發(fā)展，鋁土礦資源日趨緊張，我國僅以3%的鋁土礦儲量生產(chǎn)著世界50%以上的氧化鋁和40%以上的電解鋁，靜態(tài)可采年限僅為14年［1-2］。由圖1可知，近年來我國鋁土礦進(jìn)口量逐年攀升，2020年進(jìn)口量高達(dá)1.15億t，較上年增長10.85%，鋁工業(yè)生產(chǎn)成本大幅增加，成為我國鋁工業(yè)可持續(xù)發(fā)展與安全穩(wěn)定運行的重大隱患［3-6］。因此，現(xiàn)階段開發(fā)利用復(fù)雜難處理高鐵鋁土礦資源，對增加氧化鋁自給率、緩解鋁土礦資源短缺局面具有重要戰(zhàn)略意義［7］。

我國高鐵鋁土礦資源豐富，主要分布在廣西、山西、福建、河南等地，資源總量超過15億t。其中，廣西桂西、山西寶德、貴州黔中、河南鞏義等地主要為一水硬鋁石型高鐵鋁土礦，廣西貴港、福建漳浦等地主要為三水鋁石型高鐵鋁土礦［8-9］。由于礦石中鋁、鐵礦物嵌布粒度細(xì)、相互膠結(jié)，且類質(zhì)同象現(xiàn)象廣泛存在，難以實現(xiàn)礦物的單體解離，常規(guī)選礦方法（磁選、浮選等）不能有效分離鋁、鐵，無法獲得合格鋁土礦精礦［10］?！跋蠕X后鐵”工藝采用拜耳法直接溶出高鐵鋁土礦，但赤泥中鐵礦物的回收成為難點［11-12］。“先鐵后鋁”工藝借助火法冶煉，得到金屬鐵后再對鋁酸鈣爐渣提鋁，曾提出包括金屬化還原—電爐熔分—氧化鋁提取、粒鐵法、燒結(jié)—高爐冶煉—氧化鋁提取、生鐵熟料法等一系列方法，但受限于能耗高、流程長、還原劑用量大、爐襯侵蝕嚴(yán)重等問題，難以適用于工業(yè)生產(chǎn)［13］。由于缺乏經(jīng)濟(jì)可行的方法實現(xiàn)鐵鋁礦物的有效分離，國內(nèi)大量高鐵鋁土礦成為呆滯資源，難以得到有效開發(fā)利用［14］。

本文介紹了鐵礦物對鋁土礦拜耳法溶出過程產(chǎn)生的危害，綜述了近年來我國鋁土礦鐵鋁分離技術(shù)研究新進(jìn)展，并對今后主要研究方向進(jìn)行了展望，以期為合理開發(fā)和利用高鐵鋁土礦資源提供有益的指導(dǎo)與借鑒。

1 高鐵鋁土礦中鐵元素存在形式及危害

1.1 鐵元素存在形式

高鐵鋁土礦一般是指TFe含量大于25%的鋁土礦，主要為三水鋁石型鋁土礦和一水硬鋁石型鋁土礦，鐵礦物主要以赤鐵礦、針鐵礦、褐鐵礦等形式存在［15］。礦石結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜，主要有自形、半自形、他形結(jié)構(gòu)及晶粒狀結(jié)構(gòu)、凝膠結(jié)構(gòu)、溶蝕交代結(jié)構(gòu)，以及網(wǎng)狀、鮞狀、孔洞狀構(gòu)造等。礦物結(jié)晶粒度細(xì)，鐵鋁礦物嵌布關(guān)系復(fù)雜，并且針鐵礦內(nèi)Al3+與Fe3+存在類質(zhì)同象置換現(xiàn)象，難以實現(xiàn)礦物的單體解離［16-17］。

1.2 鐵元素對氧化鋁生產(chǎn)的危害

工業(yè)上生產(chǎn)氧化鋁主要采用拜耳法和燒結(jié)法。拜耳法流程簡單、能耗低，是生產(chǎn)氧化鋁最主要的方法，適用于處理A/S高于7的鋁土礦，基本原理如式（1）所示［18］。鋁土礦在高溫高壓下與NaOH溶液反應(yīng)，使Al2O3轉(zhuǎn)化為鋁酸鈉溶液，鐵、硅等雜質(zhì)沉淀進(jìn)入赤泥。分離后的鋁酸鈉溶液加入氫氧化鋁晶種，降溫時攪拌分解分離得到Al（OH）3沉淀析出，得到的NaOH母液循環(huán)使用［19］。

燒結(jié)法將鋁土礦與純堿、石灰高溫?zé)Y(jié)成熟料，使 Fe2O3轉(zhuǎn)化為 Na2O·Fe2O3，SiO2轉(zhuǎn)化為不溶的 Ca-SiO4，Al2O3轉(zhuǎn)化為易溶的NaAlO2，再用稀堿溶液溶出熟料，從而將鋁酸鈉溶于溶液，鐵、硅沉入赤泥，可以處理A/S為3～4的低品位鋁土礦［20］。但無論采用拜耳法或燒結(jié)法，含鐵雜質(zhì)均會產(chǎn)生不利影響。鋁土礦中的赤鐵礦、針鐵礦等鐵氧化物在鋁酸鈉溶液的沉降過程中易吸附Na+、A（lOH）4-和水等，導(dǎo)致赤泥沉降困難，降低設(shè)備處理能力，影響氧化鋁產(chǎn)品質(zhì)量。此外，F(xiàn)e2O3在燒結(jié)過程中與Na2CO3反應(yīng)生成鐵酸鈉，溶出時也能進(jìn)入溶液，既消耗較多的Na2CO3，也降低了溶出液中鋁酸鈉的濃度［21-24］。赤泥成分復(fù)雜、堿含量高，其中的鐵礦物很難得到有效回收，大多只能就地堆存，對土地和水源產(chǎn)生直接危害，是極難處理的工業(yè)固體廢棄物［25-26］。

2 鋁土礦鐵鋁分離技術(shù)新進(jìn)展

高鐵鋁土礦中鐵、鋁未達(dá)到各自的工業(yè)品位，但礦石中鐵鋁礦物總質(zhì)量分?jǐn)?shù)往往超過70%，具有廣闊的開發(fā)利用前景［15］。近年來，國內(nèi)高等院校和科研單位對高鐵鋁土礦的合理開發(fā)利用開展了大量基礎(chǔ)性研究，根據(jù)對鐵鋁礦物分離方法的不同，可分為物理選礦法、化學(xué)法、生物法等［27-28］。

2.1 物理選礦法

物理選礦法主要依靠鐵礦物與鋁礦物的物理性質(zhì)差異實現(xiàn)分選，常用方法有磁選、浮選以及磁—浮聯(lián)合分選方法等。其中，磁選利用鐵礦物與鋁礦物的磁性差異進(jìn)行分選，工藝簡單。陳志友等［29］對某一水硬鋁石型高鐵鋁土礦開展了兩段磨礦—強磁選別試驗，獲得了TFe品位為50.15%、回收率為54.53%的鐵精礦，鋁精礦Al2O3含量從49.54%提高到58.73%，TFe品位由18.62%降低至10.64%。工藝礦物學(xué)分析表明，磁選分離的主要目標(biāo)礦物為20～100 μm的粗粒赤鐵礦和褐鐵礦，而部分鐵礦物結(jié)晶粒度小于2 μm，呈浸染狀在礦石膠結(jié)物和鮞粒中，難以通過磨礦磁選實現(xiàn)分離，造成鐵精礦的回收率偏低。

宋濤等［30］以云南高鐵沉積型鋁土礦為研究對象，進(jìn)行了磁選脫鐵—尾礦正浮選試驗研究，最終得到 Al2O3含量 55.38%、TFe品位 10.73%、回收率69.17%的鋁精礦，通過磁選—浮選工藝，可以實現(xiàn)對高鐵沉積型鋁土礦脫鐵提鋁降硅的目的。盧琳等［31］以廣西某高鐵鋁土礦為原料進(jìn)行了降鐵脫硅試驗，對比強磁、重選—磁選、浮選、浮選—磁選、脫泥—強磁、脫泥—強磁—浮選工藝后，最終確定脫泥—強磁—浮選流程可獲得最優(yōu)選別指標(biāo)，工藝流程如圖2所示。試驗發(fā)現(xiàn)，磨礦后產(chǎn)生的細(xì)泥對捕收劑有吸附作用，通過預(yù)先脫泥，可減少礦泥對浮選的影響。該工藝最終使得鋁精礦Al2O3含量從57.46%提高到69.94%，回收率達(dá)到71.41%，TFe品位由11.29%降低至3.92%，降鐵脫硅效果較好。

對于結(jié)晶粒度粗、嵌布關(guān)系簡單、鋁鐵易于分離的鋁土礦資源，物理選礦法工藝成熟、流程簡單，具有較好的選別效果。而用于處理鐵鋁結(jié)晶粒度細(xì)、嵌布關(guān)系復(fù)雜的高鐵鋁土礦資源，由于礦物單體解離困難，難以獲得理想的鐵鋁分離指標(biāo)。

2.2 化學(xué)法

物理選礦方法難以實現(xiàn)高鐵鋁土礦中鐵鋁礦物的單體解離，相對而言，化學(xué)法通過化學(xué)反應(yīng)對高鐵鋁土礦中的有用礦物進(jìn)行直接提取或改變鐵鋁礦物的賦存狀態(tài)與嵌布關(guān)系，實現(xiàn)鐵鋁分離，得到滿足要求的鐵精礦和鋁精礦。根據(jù)對鐵鋁礦物處理先后順序的不同，可分為先鐵后鋁、先鋁后鐵等工藝流程。

2.2.1 先鐵后鋁流程

先鐵后鋁流程采用火法冶金的方式直接對高鐵鋁土礦進(jìn)行處理，已經(jīng)進(jìn)行了許多研究。對于鐵含量較高的高鐵鋁土礦，一般進(jìn)行磁化焙燒或金屬化還原，使用氣體或固體碳作為還原劑，將赤鐵礦、針鐵礦、褐鐵礦等弱磁性鐵礦物還原為強磁性的磁鐵礦或金屬鐵，通過弱磁選或熔分實現(xiàn)鐵鋁分離，還原過程中主要發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)如式（2）～式（9）所示［32-34］。

磁化焙燒—磁選是回收弱磁性鐵礦物的有效方法，采用氣體還原劑可以在較低溫度下將弱磁性赤鐵礦還原為強磁性磁鐵礦。夏飛龍等［35］以氫氣為還原劑，在焙燒溫度400℃、焙燒時間75 min條件下對TFe含量為18.70%的一水硬鋁石型鋁土礦進(jìn)行磁化焙燒，磁選后獲得了TFe品位44.59%、回收率69.58%的鐵精礦，鐵精礦中主要物相為磁鐵礦、磁赤鐵礦和葉蠟石，并得到了Al2O3含量為72.60%、回收率為79.83%的鋁精礦。

近年來，懸浮磁化焙燒技術(shù)被廣泛應(yīng)用于復(fù)雜難選鐵礦石的處理，并獲得良好的效果，含鐵礦物在流化運動狀態(tài)下發(fā)生還原反應(yīng)，傳質(zhì)傳熱效率高，能迅速實現(xiàn)弱磁性鐵礦物的磁化還原，具有反應(yīng)速率快、能耗低、焙燒物料性質(zhì)均一等優(yōu)點［36-37］。袁帥等［38］對廣西高鐵鋁土礦開展了預(yù)氧化—懸浮磁化焙燒—磁選除鐵試驗研究，鋁土礦原料在750℃氧化焙燒30 min后，在還原溫度600℃、H2濃度25%、還原時間4 min條件下進(jìn)行懸浮磁化焙燒，經(jīng)弱磁選別，鋁精礦的回收率為80.64%，鐵的去除率為85.32%。氧化過程中由于一水硬鋁石、三水鋁石、褐鐵礦和針鐵礦發(fā)生脫水反應(yīng)，在預(yù)氧化物料中形成了大量孔洞，促進(jìn)了懸浮焙燒過程中鐵礦物的還原，鋁精礦中的鐵礦物主要為難以單體解離的微細(xì)粒磁鐵礦，以及少量磁-赤鐵礦和硅酸鐵。

碳熱還原是處理高鐵鋁土礦的常用方法，高溫條件下，固體碳?xì)饣⑴c鐵礦物發(fā)生還原反應(yīng)［39］。碳還原鐵氧化物的平衡相圖如圖3所示，在873～1 173 K溫度范圍內(nèi)，溫度對碳的氣化影響最為劇烈，當(dāng)溫度高于1 273 K時，氣相中CO的濃度接近100%，因此，為促進(jìn)鐵礦物的還原，反應(yīng)溫度通常高于1 000℃［40］。同時，在高溫還原過程中，微細(xì)粒金屬鐵顆粒很容易聚集長大，從而有利于鐵鋁分離［41］。

吳艷等［42］對貴港三水鋁石型高鐵鋁土礦進(jìn)行了鐵鋁分離研究，將高鐵鋁土礦與碳粉及熔劑混勻造球后，在還原溫度1 200℃、還原時間120 min、熔劑用量20%條件下進(jìn)行還原焙燒，焙燒產(chǎn)物的鐵還原率達(dá)到80%。通過磁選分離，得到了TFe品位47.69%的磁性物質(zhì)和Al2O3含量40.57%的富鋁渣，并采用硫酸銨焙燒工藝提取富鋁渣中的氧化鋁，在焙燒溫度450℃、恒溫時間60 min、混料比為6時，鋁浸出率可達(dá)80%以上，提鋁后的渣主要為二氧化硅和硫酸鈣。李麗匣等［43］對四川某高鐵鋁土礦進(jìn)行了還原焙燒—弱磁選提鐵—鋁溶出工藝研究，在焙燒溫度1 350℃、配碳系數(shù)2.0、焙燒時間20 min條件下，獲得了TFe品位89.83%、回收率84.08%的金屬鐵粉，富鋁渣Al2O3浸出率為69.35%，較好地實現(xiàn)了鐵鋁分離。

煤基直接還原熔分工藝采用非焦煤還原高鐵鋁土礦，可以快速實現(xiàn)礦物的還原與熔化分離。研究表明，采用煤基直接還原熔分工藝能夠有效地分離渣鐵，當(dāng)溫度高于1 350℃時，碳的氣化反應(yīng)、還原反應(yīng)、滲碳反應(yīng)都快速進(jìn)行，滲碳量的增加降低了金屬鐵的熔點，有利于鐵顆粒聚集長大，從而獲得質(zhì)量良好的金屬粒鐵。此外，CaO能有效降低熔分渣的熔點和粘度，促進(jìn)渣鐵分離［44-45］。張穎異等［46］對貴港高鐵鋁土礦開展了煤基直接還原熔分和氧化鋁溶出試驗研究，研究發(fā)現(xiàn)w（CaO）/w（Al2O3）和w（C）/w（O）對還原得到的粒鐵尺寸與回收率影響最大，在當(dāng)w（CaO）/w（Al2O3）為 1.7、w（C）/w（O）為 1.4、還原熔分溫度為1 450℃、還原熔分時間為20 min時，得到的粒鐵尺寸和鐵回收率分別為11.5 mm和93%。同時，w（CaO）/w（Al2O3）還是決定熔分渣組成的決定性因素，并且對熔分渣中氧化鋁的溶出率有重要影響。獲得良好的鋁酸鈣爐渣是提高氧化鋁浸出率的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，當(dāng)w（CaO）/w（Al2O3）為1.7時，渣系組成以七鋁十二鈣（Ca12Al14O33）和硅酸二鈣（Ca2SiO4）為主，Al2O3溶出率最高，達(dá)到87.50%。

爐渣中的2CaO·SiO2在冷卻過程中會隨溫度的變化而發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變，當(dāng)β-2CaO·SiO2晶型向γ-2CaO·SiO2晶型轉(zhuǎn)變時，由于密度差異引起體積膨脹，使晶體內(nèi)部出現(xiàn)應(yīng)力，從而產(chǎn)生爐渣的自粉化現(xiàn)象［47］。王錚［48］在含碳球團(tuán)還原和鋁酸鈣爐渣自粉化現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，提出了基于金屬化還原—自粉化的高鐵三水鋁土礦鐵鋁分離提取工藝。研究表明，還原溫度、配碳比對鐵回收率影響較大，而還原溫度、還原時間、鈣鋁比、冷卻速度、冷卻溫度對鋁酸鈣爐渣的自粉性影響較大。在熱壓球團(tuán)配碳比為0.9、w（CaO）/w（Al2O3）為1.71、還原溫度為1 425 ℃、還原時間為25 min條件下，得到了TFe品位91.24%的粒鐵和Al2O3含量28.78%的自粉渣。在冷卻速率5℃/min、冷卻溫度1 225℃時，鋁酸鈣爐渣自粉率為97.53%，渣中的主要物相為七鋁十二鈣和γ-2CaO·SiO2。磁選后鐵、鋁回收率分別為97.42%和94.62%，得到的粒鐵可用于鋼鐵生產(chǎn)，自粉渣在最優(yōu)工藝條件下的浸出率達(dá)到86.20%，可用于濕法浸出提鋁。

眾多研究實踐表明，堿金屬用于碳熱還原鐵氧化物時，可以直接進(jìn)入鐵礦物晶格使其發(fā)生畸變，同時促進(jìn)碳的氣化，有利于鐵氧化物的還原［49-51］。孫娜［52］對 Al2O3、Fe2O3和 SiO2含 量 分 別 為 26.35%、31.22%、8.32%的廣西貴港高鐵三水鋁石型鋁土礦通過鈉化還原焙燒—磨選—浸出工藝處理，將細(xì)磨的高鐵鋁土礦與添加劑Na2CO3混勻、造球、還原焙燒后，經(jīng)磨礦—磁選，獲得了TFe品位93.73%、回收率93%的金屬鐵粉。非磁性富鋁渣經(jīng)常溫常壓酸浸，Al2O3浸出率達(dá)到84%。王化軍等［53］提出了一種以Na2CO3為添加劑、煤為還原劑的還原分離方法，將鋁土礦中的鐵氧化物還原為鐵粉磁選分離，鋁礦物轉(zhuǎn)化為鋁酸鈉溶液回收。試驗發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)?shù)腘a2CO3用量可以促進(jìn)鐵氧化物還原并使Al2O3最大程度地轉(zhuǎn)化為鋁酸鈉。在最優(yōu)條件下，得到的金屬鐵粉TFe品位為95.88%，鐵回收率89.92%，氧化鋁的溶出率為75.92%。婁匡宇等［54］采用煤基直接還原焙燒—磁選法處理廣西某高鐵鋁土礦。試驗發(fā)現(xiàn)添加Na2CO3和CaF2可顯著提高鋁土礦中鐵氧化物的還原效率。在適宜的工藝條件下，可得到Al2O3品位68.8%、回收率93.4%的鋁精礦，TFe品位可降至4.0%，鐵去除率達(dá)89.8%，同時還獲得了鐵品位為63.2%的鐵精礦，實現(xiàn)了高鐵鋁土礦的綜合利用。

以火法冶金為主的先鐵后鋁工藝流程如圖4所示，相比于磁化焙燒，煤基直接還原工藝具有更好的鋁鐵分離效果，將鐵礦物還原為金屬鐵并聚集長大，改變鐵鋁礦物的賦存狀態(tài)與嵌布關(guān)系，通過磁選或熔分的方式，實現(xiàn)鋁、鐵礦物的綜合回收利用。受生產(chǎn)成本及環(huán)境保護(hù)等因素影響，火法還原工藝目前仍處于實驗室研究階段。在開展深入理論研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高還原效率、強化鐵鋁分離效果并降低工藝成本，是當(dāng)前的研究熱點。

2.2.2 先鋁后鐵流程

先鋁后鐵流程是當(dāng)前高鐵鋁土礦的主要處理方法，通過拜耳法、燒結(jié)法等堿法浸出，先得到合格氧化鋁產(chǎn)品，將鐵礦物富集于赤泥產(chǎn)物中，堆存或用于后續(xù)選別。

張盈等［55］以廣西某三水鋁石型高鐵鋁土礦為原料進(jìn)行兩步堿介質(zhì)濕法浸出，該原料中Al2O3和TFe品位分別為39.93%和28.91%，經(jīng)一段拜耳法浸出，Al2O3的浸出率為72%，一段浸出渣經(jīng)NaOH及鋁酸鈉溶液二段浸出，獲得了TFe品位為61%的富鐵渣，實現(xiàn)了高鐵三水鋁石型鋁土礦中鋁、鐵的有效分離。張永康等［56］對某一水硬鋁石型高鐵鋁土礦開展拜耳法溶出試驗，在最佳溶出條件下，Al2O3相對溶出率高達(dá)95.15%。拜耳法溶出后，在赤泥中發(fā)現(xiàn)了磁鐵礦的存在，但原礦中的含鐵礦物只有針鐵礦和赤鐵礦，溶出過程也沒有添加還原劑，初步推測是部分針鐵礦在溶出條件下轉(zhuǎn)化為磁鐵礦。李小斌等［57］進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在拜耳法高溫溶出過程中，添加金屬鐵作為還原劑，可以將赤鐵礦還原為磁鐵礦并回收。在此基礎(chǔ)上，賀永飛等［58］研究了拜耳法溶出過程中鐵礦物的相變行為，通過熱力學(xué)計算探究鐵礦物在堿液中的轉(zhuǎn)化機理，并得到了鐵化合物在堿液中的熱力學(xué)平衡圖，如圖5所示。由圖5可知，在一定溫度下，F(xiàn)e2O3溶于堿性溶液中生成Fe3+或FeO2-，在溫 度大于373K的堿性水溶液中，F(xiàn)eO2-部分會轉(zhuǎn)化為Fe（OH）4-。此時向堿溶液中加入淀粉，降解釋放醛基形成強還原體系，將Fe3+還原成Fe2+，F(xiàn)e3+進(jìn)一步與Fe2+反應(yīng)生成Fe3O4。在最佳浸出條件下，鋁溶出率為98.57%，鐵還原率為98.41%，浸出渣磁選鐵精礦TFe品位為73.50%。

先鋁后鐵工藝能否可行的關(guān)鍵在于從高鐵赤泥中有效回收鐵礦物，近年來，許多科研人員對如何從高鐵赤泥中回收鐵開展了廣泛研究，提出了磁、重工藝為主的物理法和磁化焙燒、直接還原—磁選等選冶聯(lián)合方法。

赤泥粒度細(xì)，成分復(fù)雜，平均粒徑小于100 μm，鐵礦物主要為弱磁性赤鐵礦，磁選回收微細(xì)粒級弱磁性顆粒，需要較強的磁場強度和較高的磁場梯度［59］。高梯度磁選機用于赤泥分選，可獲得較好的選別指標(biāo)。徐淑安［60］以云南文山鋁業(yè)生產(chǎn)的TFe品位21.39%的拜耳法赤泥為原料，結(jié)合選擇性疏水聚團(tuán)技術(shù)，通過高梯度強磁選機進(jìn)行選別，經(jīng)1粗1精磁選，獲得了TFe品位45.13%、回收率39.77%的鐵精礦。王建月［61］對廣西平果鋁業(yè)的赤泥進(jìn)行預(yù)富集處理，通過對比正反浮選、單一強磁選、選擇性疏水絮凝—磁選等工藝，發(fā)現(xiàn)單一強磁選效果最為明顯，可將TFe品位由21.52%提高到30.74%，回收率為62.90%。

物理法提取赤泥中的鐵，能耗低且流程簡單，但鐵品位和回收率均不高。部分學(xué)者采用火法冶金的方法，使用碳或氣體還原劑將赤泥中的鐵礦物還原為強磁性磁鐵礦或金屬鐵，再進(jìn)行選別。張淑敏等［62］對山東某TFe含量為44.32%的赤泥開展了氣基還原焙燒—弱磁選工藝試驗研究，最佳磁化焙燒條件為焙燒溫度560℃、焙燒時間10 min、氣體流量500 mL/min、CO濃度20%，可以將大部分弱磁性的赤（褐）鐵礦轉(zhuǎn)變?yōu)閺姶判缘拇盆F礦，焙燒產(chǎn)物磨細(xì)至-0.038 mm占80%進(jìn)行弱磁選，獲得了鐵品位為57.27%、回收率為90.82%的鐵精礦。于站良［63］等采用金屬化還原焙燒—磁選法處理TFe含量為25.55%的赤泥，基于響應(yīng)曲面法對還原條件進(jìn)行優(yōu)化，得到最佳工藝參數(shù)為：焙燒溫度1 225℃，焙燒時間115 min，活性炭用量18%，磨礦細(xì)度400目占90%，經(jīng)弱磁選別，鐵精礦TFe品位和回收率分別為86.56%和86.90%。

火法冶煉是實現(xiàn)拜耳法赤泥中鐵礦物資源化利用的有效方法，盡管能耗較高，但能獲得高回收率和高品位的鐵精礦。為降低工藝成本，可以對赤泥進(jìn)行強磁預(yù)富集，減少焙燒物料處理量以降低能耗，堿法浸出先鋁后鐵流程如圖6所示。

然而，相比于高鐵鋁土礦原礦，經(jīng)堿法浸出后的高鐵赤泥更難處理，不僅礦物成分及嵌布關(guān)系更加復(fù)雜，而且堿含量高，選別及冶煉難度大。據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，我國赤泥堆存量已超過6億t，且每年以超過1億t的數(shù)量增長，而赤泥的資源化利用仍處于實驗室研究階段，已成為新的研究難點［64-66］。

2.3 生物法

生物法主要利用異養(yǎng)菌等微生物吸附在礦物表面，通過新陳代謝產(chǎn)生檸檬酸或草酸等有機酸，對高鐵鋁土礦進(jìn)行溶解、浸出，脫除鋁土礦中的鐵、鈣、硅礦物，或產(chǎn)生多糖、蛋白等代謝產(chǎn)物使鐵礦物和鋁礦物表面特性改變，從而易于分選［28］。鋁土礦生物除鐵技術(shù)方面，早些年國內(nèi)外學(xué)者在該領(lǐng)域內(nèi)有一些機理研究。

Natarajan K A［67］研究了微生物對礦物表面性質(zhì)的影響。研究結(jié)果表明，多黏性芽孢桿菌在礦物表面發(fā)生的化學(xué)作用改變了礦物表面特性。在微生物處理過后，石英和高嶺土表面因蛋白質(zhì)的吸附使得疏水性得到增強，而赤鐵礦、剛玉等礦物因多糖的吸附導(dǎo)致親水性得到增強。通過微生物改變礦物表面性質(zhì)，該礦石更容易通過浮選方法進(jìn)行鋁鐵分離。Anand P等［68］研究了生物浸出對高鐵鋁土礦除鐵除鈣的影響。在鋁土礦中培養(yǎng)多黏性芽孢桿菌進(jìn)行預(yù)處理，可以將鋁土礦中全部的鈣和45%左右的鐵除去，在微生物最為活躍的時期，鈣和鐵的去除率最高。對處理過的鋁土礦進(jìn)行掃描電鏡分析時發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌黏附于礦石表面。而不添加微生物，僅將微生物的代謝產(chǎn)物與鋁土礦混合時，鈣的去除率明顯下降。周吉奎等［69］利用從礦山篩選得到的真菌對含鐵鋁土礦石進(jìn)行除鐵試驗。研究表明，該菌株發(fā)酵液中草酸濃度較高，在提供H+酸解礦物的同時，還將Fe3+還原為Fe2+和鐵離子絡(luò)合，加速礦物溶解。礦石中鐵的溶解度取決于發(fā)酵液中可溶性代謝產(chǎn)物及酸濃度，通過添加硫酸降低發(fā)酵液的pH，浸出礦石的Fe2O3含量由4.96%降低至0.39%，礦石中其他成分及理化性質(zhì)基本不發(fā)生改變。

現(xiàn)有的研究結(jié)果表明，生物法能在一定程度上選擇性地脫除礦石中的鐵、硅等礦物，具有成本低、能耗小、污染少等優(yōu)點，但菌種難以培養(yǎng)、反應(yīng)時間長、礦漿濃度低、處理量偏低，并且脫除效果有限。因此，目前來看不具有大規(guī)模應(yīng)用的前景［70-71］。

3 高鐵鋁土礦綜合利用工藝展望

國內(nèi)科研單位和企業(yè)針對高鐵鋁土礦的鋁鐵分離工藝開展了大量基礎(chǔ)研究，但受限于技術(shù)可行及工藝成本問題，目前為止還沒有較好的方法能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。筆者認(rèn)為，為提高鐵鋁分離效果，高鐵鋁土礦的綜合利用須結(jié)合化學(xué)法處理。然而先鋁后鐵工藝會生成難處理的高鐵赤泥，赤泥礦相組成復(fù)雜且堿性強，至今難以利用。相較而言，先鐵后鋁工藝具有更好的應(yīng)用前景。在近年來的研究基礎(chǔ)之上，提出一種合適的高鐵鋁土礦綜合利用工藝流程，流程圖如圖7所示。先對高鐵鋁土礦進(jìn)行低溫懸浮磁化焙燒預(yù)處理，使鐵礦物迅速轉(zhuǎn)化為易于磁選的磁鐵礦，并提高磁場強度將鐵礦物盡可能富集于磁選精礦中，得到高鋁鐵精礦以及高溫脫水活化后的高活性鋁精礦，浮選脫硅處理后的鋁精礦經(jīng)拜耳法溶出得到合格氧化鋁。高鋁鐵精礦通過碳熱還原的方式，使鐵礦物還原為金屬鐵并聚集長大，經(jīng)磁選實現(xiàn)鐵鋁礦物的進(jìn)一步分離，得到金屬鐵粉和富鋁渣，最終實現(xiàn)鐵鋁礦物的綜合利用。

4 結(jié)語

（1）我國作為氧化鋁生產(chǎn)大國，開發(fā)利用我國現(xiàn)有的高鐵鋁土礦資源，對緩解鋁土礦資源供需矛盾、保證氧化鋁產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展以及降低鐵礦石對外依存度等方面具有重要的實際價值和戰(zhàn)略意義。

（2）高鐵鋁土礦資源開發(fā)利用的難點在于鋁鐵分離，受限于礦物單體解離困難，物理選礦效果有限。生物法能耗低、污染小，但反應(yīng)速度慢、流程長等局限性限制了技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。以堿法浸出為基礎(chǔ)的先鋁后鐵工藝難以實現(xiàn)對鐵礦物的回收，而以火法冶金為基礎(chǔ)的先鐵后鋁工藝具有更好的分離效果，難點在于工藝流程的能耗與成本控制。

（3）高鐵鋁土礦的鐵鋁分離工藝仍處于實驗室研究階段，受經(jīng)濟(jì)成本制約，需要解決現(xiàn)存的各種問題。筆者在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，提出“高鐵鋁土礦懸浮焙燒—磁選—高鋁鐵精礦碳熱還原”工藝流程，以期為高鐵鋁土礦的高效開發(fā)利用提供一種技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的工藝路線。