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[摘 要]因石灰在自然界中较易于烧制生产出来，用在工业生产中非常广泛也非常方便，在氧化铝生产中也有很高的利用价值。本文阐述了石灰在氧化铝生产过程中的作用及其机理，对生产和降低成本起到一定的实际的指导作用。
[关键词]碱式拜耳法 石灰乳 预脱硅 化学结合碱 苛化反应 助滤剂
中图分类号：TF801 文献标识码：TF 文章编号：1009―914X（2013）25―0605―01
前言：目前工业生产氧化铝基本全部是碱法。碱法可分为烧结法、拜耳法及其联合法。其共同点和特点就是用碱（NaOH或Na2CO3）溶液来处理铝矿石，使矿石中的氧化铝转变为铝酸钠溶液。铝酸钠溶液分解析出氢氧化铝，经与母液分离、洗涤后焙烧，得到氧化铝产品。本文主要探讨碱式拜耳法中用到的石灰及其作用的基本理论。
碱式拜耳法生产氧化铝的过程工序中用的石灰主要有以下几方面：1）配制原矿浆时添加石灰以增加碱的浓度；2）溶出前对原矿浆进行预脱硅处理；3）溶出过程中除掉钛、铁等有害矿物；4）蒸发工序中添加石灰乳进行苛化反应以降低流程中碳酸钠的含量；5）洗涤铝酸钠溶液过程中添加石灰乳起到助滤的作用。以下将一一作出阐述。
1.增加原矿浆的碱浓度
碱式拜耳法生产工艺决定了再生产中用到大量的液碱即NaOH溶液，然而液碱的生产方式决定了其价格居高不下的实际情况，而且其浓度一般较低，只有40%到50%。在配置原矿浆的时候适当的添加石灰首先能有效的提高碱浓度，因为石灰进入溶液后将和水作用生成熟石灰，即CaO生成Ca（OH）2的过程。水量的减少将使得碱的浓度变高。其次所生成的石灰乳Ca（OH）2也是呈强碱性，这又使得碱的浓度进一步增高了，可谓一举两得。在实际生产的配料环节，石灰的配量是一个非常关键的指标。因为除了考量以上所述两个因素外，还有以下所述的两个因素需要考虑即脱硅和除掉钛、铁等杂质。所以一般是三者的合量即为石灰添加量的参考依据。
2.预脱硅及降低碱耗
铝土矿中的杂质主要是含SiO2类矿物，拜耳法生产氧化铝溶出时这些矿物部分转化为水合铝硅酸钠进入赤泥而造成氧化铝和氧化钠的损失。水合铝硅酸钠的分子式相当于Na2O·A12O3·1.7SiO2·nH2O。铝土矿中每1 kg的Si02会造0.608kg的Na20的损失，这部分碱称为化碱，在氧化铝生产总碱耗中占很大比重，一般达60%以上。目前我国氧化铝工业飞速发展，但同时矿石的质量不断下降，部分氧化铝厂采用的铝土矿铝硅比已经下降到5以下。在矿石铝硅比日益降低的情况下，氧化铝生产的碱耗逐渐升高，导致生产成本升高。如何降低氧化铝生产中碱的成本是氧化铝生产中亟待解决的问题。这也是各国氧化铝厂共同面临的问题。我国在一水硬铝石型铝土矿生产氧化铝过程中都以石灰作为添加剂来强化溶出。往铝酸钠溶液中添加石灰，则铝土矿中的含硅矿物生成钙水化石榴石，分子式为3CaO·A1203·nSi02·（6—n） H2O，其中n称为SiO2饱和系数，它与反应条件和生成途径有关。从钙水化石榴石的分子式可知，n越大其所带走的A12O3越少，且由于其分子式中无Na20，则该物相不会产生碱耗。
前苏联专家的研究结果表明，水化石榴石在溶出的各个阶段都存在着，而且在高ak溶液中形成的水合铝硅酸钠量比低ak时形成的水合铝硅酸钠量大为减少。而降低化学结合碱的关键点就是使溶出赤泥中的SiO2尽量少地以水合铝硅酸钠形式存在，转而以不造成碱损失的水化石榴石形式存在。而研究又发现，合成的水化石榴石渣在循环母液中高温溶出后固相N/S并没有升高，而是降低了。表明合成水化石榴石渣经溶出后并没有转化为水合铝硅酸钠。这就意味着水化石榴石一旦在溶出前形成则在溶出过程中基本不会减少。由此，如果能在溶出前能使铝土矿中SiO2大量地以水化石榴石形式而不是以水合铝硅酸钠形式结晶析出，则经过高温溶出后赤泥的N/S可大大地降低，即是降低拜耳法生产氧化铝化学结合碱。
因此添加石灰就能在脱硅的同时降低了化学结合碱的消耗，这就是我们添加石灰的最大目的和效果。
3.除掉钛、铁等有害矿物
铝土矿中的钛是以TiO2的化合态形式存在于金红石、锐钛石和板钛石中，有时也出现胶体氧化钛和钛铁矿，以金红石为常见。铁杂质主要包括赤铁矿和针铁矿，还有少量黄铁矿、褐铁矿、磁铁矿以及其他盐类杂质。其化学成分主要是铁氧化合物或者铁硫化合物等。
在溶出一水硬铝石铝土矿时，如果没有加入石灰或其他添加剂，含钛的矿物可以使氧化铝几乎不能溶出。在有石灰添加的前提下，当预热温度低于140℃时，铝土矿中含钛矿物的反应速度较低，在温度低于180℃时，其反应速度缓慢增加。当高于180℃，随着温度的不断升高，反应速度急剧增加。在添加石灰的条件下，氧化钛在铝酸钠溶液中反应式为：
TiO2 + Ca（OH）2 → CaTiO3 + H2O
研究表明，TiO2对合成一水硬铝石的溶出起到极大阻碍的作用，溶出率极低，而且并不因为时间的延长而有所增加。要想消除氧化钛对氧化铝的溶出率的影响，我们认为最好的办法就是添加石灰。
而铁矿物杂质中针铁矿会与一水硬铝石进行同晶置换，针铁矿中的Fe会被AL取代，形成铝针铁矿。在溶出温度为230至240℃时铝针铁矿很难溶出，有研究表明针铁矿的存在会使氧化铝的溶出率降低2%至3%，最终造成了碱和氧化铝的附碱损失加大。提高温度和添加石灰可以促使针铁矿变为赤铁矿，并改善料将的沉降性能。
4.降低碳酸钠的含量
生产流程中的溶液，实际处理时一般指的是分解母液长期的与空气或其他碳酸盐接触，难免会使溶液的碳酸盐一般是指碳酸钠的含量或浓度增加了，最后会形成Na2CO3晶体析出。要想使其降低和回收其中的苛性碱可以通过苛化反应来实现。即将母液先进行过滤获得碳酸钠晶体滤饼，再与石灰乳混合反应生成碳酸钙后沉淀，最后通过液固分离器除掉碳酸钙，反应式为：
Na2CO3 + Ca（OH）2 → CaCO3↓ + NaOH
所添加的石灰乳浓度即CaO含量一般为： 100-200g/l，添加量按照〔CaO〕/〔Na2O〕=1.20来进行添加。
5.助滤铝酸钠溶液
溶出后所得的铝酸钠溶液需要将赤泥通过沉降分离掉，之后再通过叶滤机除掉其中的浮游物即得到铝酸钠精液。为了增加过滤的效果，在沉降叶滤机中添加石灰乳作为助滤剂。其原理是石灰乳中的有效钙CaOf与铝酸钠溶液反应生成水化石榴石，这是一种疏松、多空的固体物质，吸附在滤饼上可增大滤饼的疏松度，减少过滤阻力，另外也使得滤饼易于从滤布上脱落下来，易于卸饼，因此在生产上往粗液中连续添加石灰乳可以大大提高叶滤机的生产能力同时也能达到进一步脱硅的目的和良好效果。在生产中一定要确保石灰乳的连续添加，同时要注意观察石灰乳的质量。一般石灰乳固含为：150～180 g/l 加入量为：0.004m3/ m3粗液。
结束语
现在氧化铝生产过程中普遍使用了石灰，尤其是液碱的价格不断上涨的时候添加石灰降低成本的效果更明显。然而石灰的有效成分和活性又是极大亟待提高和解决的问题，同时添加的石灰的经济核算也是比较难以进行的。这就需要研究者不断的进行探讨。
参考文献
[1]李旺兴，氧化铝生产理论与工艺 ，中南大学出版社 ；
[2]陈文汨、彭秋燕等 改变拜耳法预脱硅工艺降低赤泥化学结合碱的研究，轻金属2010年第六期；
[关键词]碱式拜耳法 石灰乳 预脱硅 化学结合碱 苛化反应 助滤剂
中图分类号：TF801 文献标识码：TF 文章编号：1009―914X（2013）25―0605―01
前言：目前工业生产氧化铝基本全部是碱法。碱法可分为烧结法、拜耳法及其联合法。其共同点和特点就是用碱（NaOH或Na2CO3）溶液来处理铝矿石，使矿石中的氧化铝转变为铝酸钠溶液。铝酸钠溶液分解析出氢氧化铝，经与母液分离、洗涤后焙烧，得到氧化铝产品。本文主要探讨碱式拜耳法中用到的石灰及其作用的基本理论。
碱式拜耳法生产氧化铝的过程工序中用的石灰主要有以下几方面：1）配制原矿浆时添加石灰以增加碱的浓度；2）溶出前对原矿浆进行预脱硅处理；3）溶出过程中除掉钛、铁等有害矿物；4）蒸发工序中添加石灰乳进行苛化反应以降低流程中碳酸钠的含量；5）洗涤铝酸钠溶液过程中添加石灰乳起到助滤的作用。以下将一一作出阐述。
1.增加原矿浆的碱浓度
碱式拜耳法生产工艺决定了再生产中用到大量的液碱即NaOH溶液，然而液碱的生产方式决定了其价格居高不下的实际情况，而且其浓度一般较低，只有40%到50%。在配置原矿浆的时候适当的添加石灰首先能有效的提高碱浓度，因为石灰进入溶液后将和水作用生成熟石灰，即CaO生成Ca（OH）2的过程。水量的减少将使得碱的浓度变高。其次所生成的石灰乳Ca（OH）2也是呈强碱性，这又使得碱的浓度进一步增高了，可谓一举两得。在实际生产的配料环节，石灰的配量是一个非常关键的指标。因为除了考量以上所述两个因素外，还有以下所述的两个因素需要考虑即脱硅和除掉钛、铁等杂质。所以一般是三者的合量即为石灰添加量的参考依据。
2.预脱硅及降低碱耗
铝土矿中的杂质主要是含SiO2类矿物，拜耳法生产氧化铝溶出时这些矿物部分转化为水合铝硅酸钠进入赤泥而造成氧化铝和氧化钠的损失。水合铝硅酸钠的分子式相当于Na2O·A12O3·1.7SiO2·nH2O。铝土矿中每1 kg的Si02会造0.608kg的Na20的损失，这部分碱称为化碱，在氧化铝生产总碱耗中占很大比重，一般达60%以上。目前我国氧化铝工业飞速发展，但同时矿石的质量不断下降，部分氧化铝厂采用的铝土矿铝硅比已经下降到5以下。在矿石铝硅比日益降低的情况下，氧化铝生产的碱耗逐渐升高，导致生产成本升高。如何降低氧化铝生产中碱的成本是氧化铝生产中亟待解决的问题。这也是各国氧化铝厂共同面临的问题。我国在一水硬铝石型铝土矿生产氧化铝过程中都以石灰作为添加剂来强化溶出。往铝酸钠溶液中添加石灰，则铝土矿中的含硅矿物生成钙水化石榴石，分子式为3CaO·A1203·nSi02·（6—n） H2O，其中n称为SiO2饱和系数，它与反应条件和生成途径有关。从钙水化石榴石的分子式可知，n越大其所带走的A12O3越少，且由于其分子式中无Na20，则该物相不会产生碱耗。
前苏联专家的研究结果表明，水化石榴石在溶出的各个阶段都存在着，而且在高ak溶液中形成的水合铝硅酸钠量比低ak时形成的水合铝硅酸钠量大为减少。而降低化学结合碱的关键点就是使溶出赤泥中的SiO2尽量少地以水合铝硅酸钠形式存在，转而以不造成碱损失的水化石榴石形式存在。而研究又发现，合成的水化石榴石渣在循环母液中高温溶出后固相N/S并没有升高，而是降低了。表明合成水化石榴石渣经溶出后并没有转化为水合铝硅酸钠。这就意味着水化石榴石一旦在溶出前形成则在溶出过程中基本不会减少。由此，如果能在溶出前能使铝土矿中SiO2大量地以水化石榴石形式而不是以水合铝硅酸钠形式结晶析出，则经过高温溶出后赤泥的N/S可大大地降低，即是降低拜耳法生产氧化铝化学结合碱。
因此添加石灰就能在脱硅的同时降低了化学结合碱的消耗，这就是我们添加石灰的最大目的和效果。
3.除掉钛、铁等有害矿物
铝土矿中的钛是以TiO2的化合态形式存在于金红石、锐钛石和板钛石中，有时也出现胶体氧化钛和钛铁矿，以金红石为常见。铁杂质主要包括赤铁矿和针铁矿，还有少量黄铁矿、褐铁矿、磁铁矿以及其他盐类杂质。其化学成分主要是铁氧化合物或者铁硫化合物等。
在溶出一水硬铝石铝土矿时，如果没有加入石灰或其他添加剂，含钛的矿物可以使氧化铝几乎不能溶出。在有石灰添加的前提下，当预热温度低于140℃时，铝土矿中含钛矿物的反应速度较低，在温度低于180℃时，其反应速度缓慢增加。当高于180℃，随着温度的不断升高，反应速度急剧增加。在添加石灰的条件下，氧化钛在铝酸钠溶液中反应式为：
TiO2 + Ca（OH）2 → CaTiO3 + H2O
研究表明，TiO2对合成一水硬铝石的溶出起到极大阻碍的作用，溶出率极低，而且并不因为时间的延长而有所增加。要想消除氧化钛对氧化铝的溶出率的影响，我们认为最好的办法就是添加石灰。
而铁矿物杂质中针铁矿会与一水硬铝石进行同晶置换，针铁矿中的Fe会被AL取代，形成铝针铁矿。在溶出温度为230至240℃时铝针铁矿很难溶出，有研究表明针铁矿的存在会使氧化铝的溶出率降低2%至3%，最终造成了碱和氧化铝的附碱损失加大。提高温度和添加石灰可以促使针铁矿变为赤铁矿，并改善料将的沉降性能。
4.降低碳酸钠的含量
生产流程中的溶液，实际处理时一般指的是分解母液长期的与空气或其他碳酸盐接触，难免会使溶液的碳酸盐一般是指碳酸钠的含量或浓度增加了，最后会形成Na2CO3晶体析出。要想使其降低和回收其中的苛性碱可以通过苛化反应来实现。即将母液先进行过滤获得碳酸钠晶体滤饼，再与石灰乳混合反应生成碳酸钙后沉淀，最后通过液固分离器除掉碳酸钙，反应式为：
Na2CO3 + Ca（OH）2 → CaCO3↓ + NaOH
所添加的石灰乳浓度即CaO含量一般为： 100-200g/l，添加量按照〔CaO〕/〔Na2O〕=1.20来进行添加。
5.助滤铝酸钠溶液
溶出后所得的铝酸钠溶液需要将赤泥通过沉降分离掉，之后再通过叶滤机除掉其中的浮游物即得到铝酸钠精液。为了增加过滤的效果，在沉降叶滤机中添加石灰乳作为助滤剂。其原理是石灰乳中的有效钙CaOf与铝酸钠溶液反应生成水化石榴石，这是一种疏松、多空的固体物质，吸附在滤饼上可增大滤饼的疏松度，减少过滤阻力，另外也使得滤饼易于从滤布上脱落下来，易于卸饼，因此在生产上往粗液中连续添加石灰乳可以大大提高叶滤机的生产能力同时也能达到进一步脱硅的目的和良好效果。在生产中一定要确保石灰乳的连续添加，同时要注意观察石灰乳的质量。一般石灰乳固含为：150～180 g/l 加入量为：0.004m3/ m3粗液。
结束语
现在氧化铝生产过程中普遍使用了石灰，尤其是液碱的价格不断上涨的时候添加石灰降低成本的效果更明显。然而石灰的有效成分和活性又是极大亟待提高和解决的问题，同时添加的石灰的经济核算也是比较难以进行的。这就需要研究者不断的进行探讨。
参考文献
[1]李旺兴，氧化铝生产理论与工艺 ，中南大学出版社 ；
[2]陈文汨、彭秋燕等 改变拜耳法预脱硅工艺降低赤泥化学结合碱的研究，轻金属2010年第六期；