广西高铁三水铝土矿是我国最大的红土型三水铝土矿,具有高铁、高硅、低铝硅比的特点,铁、铝含量均未达到各自工业利用品位要求,且结构复杂,是我国难处理复合矿产资源之一。针对高铁三水铝土矿综合利用的研究,国内外已进行多年,可归纳为铁铝分选法、先铝后铁法、先铁后铝法、还原焙烧法。由于高铁三水铝土矿中铁、铝、硅嵌布胶合、密切共生,分离极为困难。截止目前,高铁三水铝土矿仍未得到工业规模的开发利用。高铁三水铝土矿作为我国重要的铁、铝复合资源,其综合利用研究具有重要的战略意义。在总结和回顾前人研究的基础上,本研究提出了高铁三水铝土矿金属化还原-分选-磁性物用于钢铁生产-非磁性物制取一次铝硅合金综合利用新工艺。针对新工艺的关键环节,以广西贵港高铁三水铝土矿为研究对象,进行了高铁三水铝土矿散料体金属化还原-分选工艺、高铁铝土矿热压块金属化还原-分选工艺研究,探索了非磁性物制取一次铝硅合金工艺,研究了新工艺所涉及的碳热还原热力学、非等温热分解动力学以及有价组元迁移规律等相关机理。高铁三水铝土矿散料体金属化还原-分选工艺研究表明,散料体金属化还原-分选工艺可实现高铁三水铝土矿中铁铝的分离。适宜的工艺参数为配碳比2.00、矿粉粒度小于2.00 mm,还原温度1400℃、还原时间180 min,分选磁场强度40 kA/m。在此条件下,铁、铝回收率分别为89.24%、86.09%;得到的铁粉TFe品位78.23%、金属化率97.56%,非磁性产物Al₂O₃品位53.32%。碳热还原过程含铁物相转变历程为FeOOH μ Fe2O3 μ FeO·Al₂O₃→ Fe;含铝物相转变历程为 Al（OH）₃/AlOOH/n（Al₂O₃）.SiO₂·nH₂O→Al₂O₃→ FeO·Al₂O₃ →Al₂O₃/Al₆Si₂O₁₃。还原过程的限制性反应为 FeAl₂O₄ + CO = Fe + Al₂O₃ + CO₂。为进一步改进该工艺、提高铁铝回收率以及更好地选择工业应用反应装置,可采取含碳压块和添加催化剂等方法进行优化。高铁铝土矿热压块制备及其优化研究表明,一定范围内提高配煤量、细化矿粉粒度、煤粉粒度均可提高高铁铝土矿热压块的抗压强度。各工艺参数对高铁铝土矿热压块抗压强度的影响大小依次为配煤量、矿粉粒度、煤粉粒度。采用响应曲面法建立的高铁铝土矿热压块抗压强度预测模型为:Y=-2094.611 +254.562 xi + 0.522 x2 + 6.316 x3-0.612 xi x2-0.150 x1 x3-0.007 x2 x3-2.930 x12+ 0.029 x22-0.018 x32,模型相关系数为0.9589,该模型可用于高铁铝土矿热压块制备工艺的优化。研究表明高铁铝土矿热压块金属化还原-分选新工艺促进了高铁三水铝土矿铁铝组元的有效分离。与散料体金属化还原-分选工艺相比,铁铝回收率相当时,还原温度、还原时间大幅度降低。适宜的工艺参数为热压块配碳比1.00,还原温度1350 ℃、还原时间70 min。在此条件下,铁、铝回收率分别为87.01%、86.21%;得到的铁粉中TFe品位78.46%、金属化率91.29%,非磁性产物Al₂O₃品位 55.03%。催化还原-局部形核替代优化研究表明,采用Li2C03催化还原和金属铁粉局部形核替代的方法,可显著促进铁颗粒还原、形核、聚集、长大,提高铁铝回收率。当热压块外配2.00%Li2CO3、4.00%金属铁粉、配碳比1.00,还原温度1350°C、还原时间70 min时,铁、铝回收率分别达94.12%、90.16%,得到的金属铁粉中TFe品位90.37%,非磁性物中Al₂O₃含量达56.28%,实现了铁铝的高效分离。金属铁粉可用于炼钢生产,富铝硅渣可作为铝工业的优质原料。Fe_xO_y-Al₂O₃-SiO₂体系碳热还原热力学研究表明,300.0～1800.0 K,高铁三水铝土矿碳热还原过程中生成的含铁固相反应产物的还原性依次为:Al₂Fe₂O₆、FeSiCO（斜铁辉石）、Fe₂SiO₄（铁橄榄石）、Fe₃Al₂Si₃O₁₂、FeAl₂O₄、Fe₂Al₄Si₅O₁₈;控制反应温度可使反应体系中形成还原性较佳的固相反应产物,提高CO分压可增强含铁固相反应产物还原的热力学趋势,使体系中Fe尽可能与Al₂O₃、SiO₂分离;高铁三水铝土矿碳热还原的临界条件为:反应温度1501.2 K,CO分压92.1%,还原过程限制性反应为FeAl₂O₄ + CO = FeAlO₃ +CO₂。非等温热分解动力学研究表明,Jander方程的三维扩散模型是高铁三水铝土矿热分解反应的最概然机理函数,其积分、微分方程分别为G（α）=[1-（1α）1/3]₂、f（α）=（3/2）（1-α）_2/3[1-（1-α）/1/3]-1,函数机理代码为 D3。由 FWO 法、KAS法以及Popescu法得到的高铁三水铝土矿热分解活化能、指前因子分别为59.46～75.36 kJ.mol-1、1.51×lO5 s-1。非磁性物制取一次铝硅合金热力学研究表明,碳热共同还原Al₂O₃和SiO₂制取一次铝硅合金需要在较高的温度下进行,其合适的反应温度为2100～220(℃,合适的配碳比为1.00;非磁性物制取一次铝硅合金反应机理为:SiO₂ + 3 C = SiC + 2 CO、2 Al₂O₃ + 9C =Al₄C₃ + 6CO、3SiO₂ + 2 A1₄C₃ = 8A1 +3 Si + 6 CO和3 SiC + Al₂O₃ = 2A1 + 3 Si + 3 CO;探索实验所制取的一次铝硅合金包括A1-Si-Fe、SiC及少量氧化物。相关工艺及机理研究有待进一步深入。本研究提出的新工艺丰富了高铁三水铝土矿综合利用技术和理论,为高铁三水铝土矿综合利用工艺的设计开发与产业化应用提供重要的理论依据,推动了高铁三水铝土矿综合利用技术的发展。