用富含碳酸钠的碱溶液处理铝酸钙炉渣提取氧化铝是生产氧化铝的另一种重要方法。通过此种工艺进行Al2O3生产的原料一般都是品位较低的铁铝共生矿或粉煤灰废渣,都具有低铝、高硅等特点,而且具有较好的综合利用价值。这类资源的开发利用可以在一定程度上缓解我国目前铝土矿资源严重短缺的现状。目前,国内外关于铝酸钙炉渣生产氧化铝的研究多为工艺性试验,相关基础理论的研究尚欠深入,如铝酸钙炉渣形成过程中钙铝硅化合物相变规律研究不够系统；物料配比和温度制度控制不够合理,并导致氧化铝浸出率低。此外,铝酸钙炉渣中存在杂质时,会对其自粉性能和氧化铝浸出性能产生较大影响,但是目前,对杂质作用机理的研究尚少。为此,本文针对上述问题,对铝酸钙炉渣形成过程中钙铝硅化合物相变规律和浸出性能与机理进行了系统研究。主要试验结果如下：(1)采用Gibbs自由能最小化原理对炉渣的多组分系统建立了数学模型并进行热力学计算,理论计算和经试验验证,生成12CaO·7Al2O3和γ-2CaO·SiO2的最佳配料比C/A和A/S分别在1.6～1.9和1.0～3.0范围内。C/A<1.5时,有2CaO·Al2O3·SiO2生成,降低了炉渣的浸出率和自粉性能；提高配钙比可以消除难浸物质2CaO·Al2O3·SiO2的生成,C/A=1.6～1.9时,炉渣的浸出率和自粉率分别在80%和95%以上；继续提高C/A,将生成浸出性能相对较差的CaO·Al2O3和3CaO·Al2O3,不利于Al203浸出。A/S对物相组成影响较小,仅在A/S=0.8时出现了少量2CaO·Al2O3·SiO2；A/S=1.0～3.0时,炉渣的浸出和自粉性能良好；A/S>3.0后,γ-2CaO·SiO2含量减少,炉渣的自粉率和浸出率下降。(2)通过XRD、SEM等手段研究了不同熔炼温度、保温时间和降温制度等条件下,铝酸钙炉渣中含钙、铝、硅矿物的物相形成规律、表面形貌、晶体结构特性,同时考查了这些条件对铝酸钙炉渣自粉性能和Al203浸出性能的影响。当熔炼温度低于1450℃时,铝酸钙炉渣处于固相反应区,反应速度缓慢,并含有一部分的难浸物质2CaO·Al2O3·SiO2,降低了炉渣的自粉率和浸出性能；当温度为1450℃时,铝酸钙炉渣中出现液相,各反应进行完全,炉渣主要物相为12CaO·7Al2O3和γ-2CaO·SiO2,自粉和浸出性能良好;当温度达到1500℃时,继续提高反应温度对铝酸钙炉渣各指标没有影响。保温时间对铝酸钙炉渣物相组成没有明显影响,但保温时间过长,会使12CaO·7Al2O3晶体晶粒变大,结晶成完整晶体,缺陷减少,增加了12CaO·7Al2O3晶体的稳定性,从而略微降低了溶液中CO32-和H2O分子等穿透12CaO·7Al2O3晶格,发生化学反应的能力,在一定程度上降低了炉渣的浸出性能。降温速度低于20℃·min-1时,铝酸钙炉渣具有较好的物相组成、自粉性能和氧化铝浸出性能；继续提高降温速度则会生成难浸出物质2CaO·Al2O3·SiO2和3CaO·Al2O3,且随降温速度的继续提高,炉渣的自粉性能和氧化铝浸出性能呈现较大幅度的下降趋势。(3)系统研究了主要杂质MgO对铝酸钙炉渣中Al2O3赋存状态、表面形貌、晶体结构、自粉性能和浸出性能的影响。MgO对铝酸钙炉渣的作用一是形成了难浸出的四元化合物20CaO·13Al2O3·3MgO·3SiO2,二是部分MgO会固溶入12CaO·7Al2O3晶体中,这些因素导致炉铝酸钙渣浸出率明显下降。MgO在C12A7晶体中的饱和固溶量为1%,离子半径相对较大的Mg2+取代了晶胞中离子半径相对较小的Al3+,引起了晶胞的扩胀,晶面距d值的变大；当MgO含量小于2%时,Al203在炉渣中主要的赋存状态为12CaO·7Al2O3和板条状立体堆积的20CaO·13Al2O3·3MgO·3SiO2;当MgO含量大于2%时,Al203在炉渣中主要的赋存状态完全转变为20CaO·13Al2O3·3MgO·3SiO2,20CaO·13Al2O3·3MgO·3SiO2可以和碳酸钠溶液反应,但其氧化铝的浸出性能远低12CaO·7Al2O3。MgO的存在对铝酸钙炉渣的自粉性能影响不大,即使MgO含量达到4%时,炉渣的自粉率仍在92%以上在MgO含量小于5%时,提高C/A可以降低MgO对铝酸钙炉渣带来的影响,但并不能完全消除。多余的CaO起到分解20CaO·13Al2O3·3MgO·3SiO2和稳定钙铝化合物的作用,炉渣最佳C/A随着MgO含量的提高而提高。在最佳C/A时,MgO以方镁石的形式独立结晶,不再形成难浸出四元化合物。当含MgO铝酸钙炉渣中含有Na20时,也可以降低MgO对铝酸钙炉渣带来的影响。当Na20含量达到4%时,炉渣中的20CaO·13Al2O3·3MgO·3SiO2已经消失。(4)研究了TiO2、Na2O、FeO等杂质对铝酸钙炉渣物相组成、自粉性能和Al203浸出性能的影响,并对其作用机理进行研究。Ti02会结合炉渣中的CaO形成CaO·TiO2,从而影响炉渣的氧化铝浸出性能。补加形成CaO·TiO2所需要的CaO后,可消除Ti02对铝酸钙炉渣的影响,而且还会起到助熔矿化作用并促进钙铝化合物的形成,促进了铝酸钙炉渣的氧化铝浸出。Na20固溶入12CaO·7Al2O3晶体中引起其晶格畸变,使得分子结构中不对称部分连接键的键能减弱,碳酸钠和水分子更容易进入提高了反应速度和反应进行的程度,因此Na20的存在可以提高铝酸钙炉渣的氧化铝浸出性能,但当Na20含量达到2.5%以上时,β-2CaO·SiO2的大量形成会降低铝酸钙炉渣的自粉性能。仅从铝酸钙炉渣性能考虑,渣中最大容许碱量为2.0-2.5%,原料最大容许碱量为1.2-1.5%。当FeO含量大于0.5%后会形成四元化合物6CaO·4Al2O3·FeO·SiO2并明显降低炉渣的氧化铝浸出性能。所以在熔炼炉渣时,应尽量彻底地还原渣中的FeO。(5)在前面试验的基础上,对实际体系炉渣进行优化,并通过试验进行验证,同时通过SEM和EDS等方法对自粉和浸出后炉渣的形貌和组成进行了分析。在配炭量为5.0%,石灰配入量为5.0%,配水量为9.0%的情况下,得到了合格的高碱度烧结矿。该高碱度烧结矿具有较好的还原性能,金属化率在90%以上,能够满足高炉冶炼的要求。熔炼结果表明实际体系炉渣的最佳C/A=2.2,此时炉渣氧化铝浸出率达到84.29%。炉渣自粉过程是一个从内部产生且无规律的自分裂过程,大颗粒多为12CaO·7Al2O3,小颗粒多为γ-2CaO·SiO2。浸出渣有一定的团聚现象。