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[摘 要]高温高压强化低品位铝土矿溶出的石灰拜耳法生产氧化铝工艺，近年在技术上未有突破。但低品位铝土矿中过量杂质对工艺安全与制程物料的技术指标呈现出较大挑战，调配好占成本比重较大的原料质量，采取措施消除或降低原料质量问题对制程的危害，是降低成本的关键。
[关键词]一水硬铝石 富铝非一水硬铝石 石灰 循环母液 氧化铝AO 氢氧化铝AH
中图分类号：R197.3；TF821 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）18-0096-02
我國大多氧化铝厂采用一水硬铝石作为生产氧化铝的原料，随着近年来产能的扩大，铝土矿A/S不断降低，各大氧化铝企业在生产过程不断探索低A/S的工况条件下石灰拜耳法，并取得了一系列技术上的突破，部分工厂使用得铝土矿A/S已降到5.0以下，低品位铝土矿的使用，使得如何消除或控制铝土矿中杂质成为降低氧化铝生产成本的主攻方向。
一、低品位铝土矿中的杂质及危害
《铝土矿石》GB/T24483-2009铝土矿行业原料质量标准规定了一水硬铝石型铝土矿的最低质量要求（表1）：
低于此质量要求的，我们称之为富铝非一水硬铝石。
在低品位铝土矿中过量的杂质凸显出来，对生产工艺影响较突出的有以下几个方面：
1、含硫铝土矿石
铝土矿行业原料质量标准规定：S≤0.30为低硫，0.300.80为高硫。S为铝土矿石中单质硫含量，生产发现，低硫矿石显著抑制铝土矿预脱硅，脱硅率从正常的25%降低至15%；中硫矿石促进预脱硅；高硫矿石强化预脱硅，脱硅率升高到33%。作用机理尚未清楚，但后果却一致：溶出赤泥AO含量超标1-2%，粗液SiO2浓度及粗液浮游物浓度升高，精液硅量指数从260降低到220。甚至影响AH及AO产品质量。
在高硫铝土矿中有害的硫S达到1-15%，石灰拜耳法不能使用这种矿石。虽然可以通过配矿，使硫含量降低，但因为硫会在循环母液中一直累积，不能经常使用低价的高硫矿石参与配矿，以降低循环母液中硫的初始浓度。
2、高强度矿石
高强度一水硬铝石，含硅矿物主要为伊利石和少量石英，高岭石含量较低。
高强度矿石归纳为以下两种：高品位致密块状矿石，集合体呈粒状、豆状、鲕状，硬度6-7，强度大，极其难磨。低品位砾状松散矿石，通过洗矿去除其中部分高岭土等泥质，集合体呈细粒砂状、豆状，硬度5-6，强度较大，比较难磨。
用普通铝土矿与以上两种矿石在实验室做磨矿细度的对比实验，结果如下（表2）：
矿石可磨度取决于矿石硬度与强度，矿石强度由矿石中Al2O3晶体的结晶完整度、嵌布粒度以及脉石矿物的结构和形态决定。一水硬铝石Al2O3晶体结构介于紧密堆积、强度很大的离子键与共价键之间，晶体大小一般在0.055-0.096mm。理论上，一水硬铝石的石灰拜耳法磨矿细度要求：﹢0.055mm≤25%；考虑磨矿费用，目前为﹢0.063mm≤25%。因此，仍有少量Al2O3与脉石矿物之间互相包裹，难以单体解离。
高强度矿石，除了提高磨耗与电耗，还将降低预脱硅率与溶出率。在100±5℃预脱硅过程中，高岭石总是有10-15%不能溶出，伊利石总是有10-15%被溶出。由于难磨的高强度矿石的含硅矿物主要为伊利石和结晶较为完整的惰性石英，伊利石在180℃以上才开始大量溶出，石英在溶出过程基本不参加反应，因此我们经常发现，在矿浆跑粗，细度+0.063mm≥27%时，脱硅率总是在20%以下。
3、炭质铝土矿石
炭质铝土矿形成于沉积型煤层上下或边缘，含炭质，有机碳含量≤0.8%。拜耳法要求有机碳含量≤0.1%。过量的有机碳进入生产流程后，在赤泥分离与洗涤槽液面漂浮，使粗液浮游物高达0.8-1.2g/l，分散絮凝作用，堵塞精制滤布。由于赤泥洗涤的洗液及压滤滤液必须返回稀释溶出矿浆，若大量的有机碳进入生产流程，短期内难以消除。
4、铝土矿煅烧熟料
通过模拟实验，煅烧温度在450-600℃的熟料，Al2O3晶体结晶不完整，且矿物集合体之间孔隙率大，易溶出；煅烧温度在900-1200℃的熟料，Al2O3晶体结晶相当完整，矿物集合体之间紧密堆积，难溶出。煅烧温度大于1250℃的过烧熟料，几乎不溶出。
二、制程物料与生产废料的回收与控制
1、石灰拜耳法结疤
从溶出预热段与加热段管道结疤取样分析发现（表3），在BWT低温预热段，SiO2=1.56%，CaO=80.6%，证明了伊利石不在低温时大量溶出，结疤成分主要为水合铝酸钙。在SWT高温加热段，SiO2=6.62%，CaO=33.0%，证明了伊利石在高温时开始大量溶出，结疤成分主要为水合铝硅酸钙。
从洗液管道内壁、沉降分离槽的槽壁及槽低取样分析如下：
显然，溶出预热段与加热段管道结疤不可返回流程。洗液管道内壁、沉降分离槽槽壁及槽底结疤可返回流程。
2、 粗液精制滤饼及深度脱硅硅渣
取样分析，其中含水率为33%，Al2O3=36%，SiO2=2.35，A/S=15.3，其余大量为CaO、少量为Na2O及微量Fe2O3。因CaO主要以Ca（OH）2存在，黏性较大，不宜返回流程。
3、苛化渣
返回赤泥洗涤槽的除了压滤滤液、AH强滤液、粗液精制滤饼，还有苛化渣。取样分析，苛化渣含水率为30%，Al2O3=15%，其余为CaCO3及少量Na2O，因CaCO3返回赤泥洗涤沉降槽后，发生反苛化作用，不宜返回流程。
4、氧化铝产品和氢氧化铝产品废料、种分槽AH结疤及蒸发原液槽AH沉淀
经模拟实验，返回原矿浆制流程后，因其结晶程度比较完整，分别只有26%、37%、54%、67%的活性Al2O3溶出。蒸发原液槽AH可以返回种分末槽。 三、辅助原料的杂质影响
1、石灰：有效钙CaOf≤70%的石灰，有害杂质：未分解石灰CaCO3≥20%，石灰粉及炉渣SiO2≥3.0%，炉渣S≥0.3%。石灰中的SiO2以不溶于水的硅酸钙2CaO.SiO2存在；烧结法文献和我们通过实验认为，石灰中的SiO2不是惰性硅。在低温95-100℃的预脱硅过程中，矿石中的Al2O3不会溶出，而石灰中的SiO2不是惰性硅，这可能是二次矿浆A/S降低的因素之一。
有效钙CaOf≤70%的石灰，不得不按干矿量的10-12%添加参与磨矿。不论用热水化灰还是用洗液化灰，石灰乳后加将造成矿浆冲淡。由于石灰乳在225±5g/l的循环母液中平衡溶解度较低，用循环母液化灰，石灰消化较慢，因此，粒度较大的石灰在磨机里既不能被碎解，也不能被母液消化的原因。但若能实现石灰乳后加，石灰中有25%的杂质可以不进流程。
2、控制进厂烧碱的质量以及循环母液中SiO2和硫的初始浓度
NaOH=32%的液体烧碱，其中杂质成分Na2CO3、NaCl及循环母液中的Na2SO4能降低铝酸钠溶液中SiO2的平衡溶解度，阻碍矿石中的SiO2溶解到铝酸钠溶液中，减缓或抑制了预脱硅进程。但却能促进铝酸钠溶液中的SiO2尽快形成稳定的钠硅渣或钙硅渣。因此提高精液硅量指数，降低了循环母液中SiO2的初始浓度，有助于预脱硅。
结论
1、石灰拜耳法的矿浆细度、预脱硅率、管道结疤、溶出率、沉降槽稳定性、硅量指数等主要工艺指标，都与进厂原料质量有密切关系。
2、进厂原料质量问题引起的生产工艺指标波动，直接影响制程返回的物料质量及生产废料的产生。
3、控制高强度、高硅、高硫、高钙、高铁、高碳的铝土矿进厂。特别是控制高硅和高硫矿石的使用，降低循环母液的硅和硫的初始浓度，才能促进生产的良性循环。
参考文献
[1] 《中国铝业》/中国有色金属工业协会主编.—北京：冶金工业出版社，2008.8.
[2] 张晓敏.《预脱硅效果及矿石中的SiO2在矿浆加热的行为研究》.铝镁通讯.2008年No.3.
[3] 齐丽娟 顾松青 尹中林 《国内外铝土矿质量和性能的评价体系比较》.轻金属.2011年第3期.
[4] 中美铝业质量管理部/铝土矿石标本中心.2011-2013年.
[5] 《矿物及岩石辞典》/翁润生主编.—北京：化学工业出版社，2007.7.
[6] 《氧化鋁制取工》/郭万里主编. —太原：山西人民出版社，2006.6.
[7] 《拜耳法生产氧化铝》/毕诗文等编著.—北京：冶金工业出版社，2007.11.
[关键词]一水硬铝石 富铝非一水硬铝石 石灰 循环母液 氧化铝AO 氢氧化铝AH
中图分类号：R197.3；TF821 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）18-0096-02
我國大多氧化铝厂采用一水硬铝石作为生产氧化铝的原料，随着近年来产能的扩大，铝土矿A/S不断降低，各大氧化铝企业在生产过程不断探索低A/S的工况条件下石灰拜耳法，并取得了一系列技术上的突破，部分工厂使用得铝土矿A/S已降到5.0以下，低品位铝土矿的使用，使得如何消除或控制铝土矿中杂质成为降低氧化铝生产成本的主攻方向。
一、低品位铝土矿中的杂质及危害
《铝土矿石》GB/T24483-2009铝土矿行业原料质量标准规定了一水硬铝石型铝土矿的最低质量要求（表1）：
低于此质量要求的，我们称之为富铝非一水硬铝石。
在低品位铝土矿中过量的杂质凸显出来，对生产工艺影响较突出的有以下几个方面：
1、含硫铝土矿石
铝土矿行业原料质量标准规定：S≤0.30为低硫，0.30
在高硫铝土矿中有害的硫S达到1-15%，石灰拜耳法不能使用这种矿石。虽然可以通过配矿，使硫含量降低，但因为硫会在循环母液中一直累积，不能经常使用低价的高硫矿石参与配矿，以降低循环母液中硫的初始浓度。
2、高强度矿石
高强度一水硬铝石，含硅矿物主要为伊利石和少量石英，高岭石含量较低。
高强度矿石归纳为以下两种：高品位致密块状矿石，集合体呈粒状、豆状、鲕状，硬度6-7，强度大，极其难磨。低品位砾状松散矿石，通过洗矿去除其中部分高岭土等泥质，集合体呈细粒砂状、豆状，硬度5-6，强度较大，比较难磨。
用普通铝土矿与以上两种矿石在实验室做磨矿细度的对比实验，结果如下（表2）：
矿石可磨度取决于矿石硬度与强度，矿石强度由矿石中Al2O3晶体的结晶完整度、嵌布粒度以及脉石矿物的结构和形态决定。一水硬铝石Al2O3晶体结构介于紧密堆积、强度很大的离子键与共价键之间，晶体大小一般在0.055-0.096mm。理论上，一水硬铝石的石灰拜耳法磨矿细度要求：﹢0.055mm≤25%；考虑磨矿费用，目前为﹢0.063mm≤25%。因此，仍有少量Al2O3与脉石矿物之间互相包裹，难以单体解离。
高强度矿石，除了提高磨耗与电耗，还将降低预脱硅率与溶出率。在100±5℃预脱硅过程中，高岭石总是有10-15%不能溶出，伊利石总是有10-15%被溶出。由于难磨的高强度矿石的含硅矿物主要为伊利石和结晶较为完整的惰性石英，伊利石在180℃以上才开始大量溶出，石英在溶出过程基本不参加反应，因此我们经常发现，在矿浆跑粗，细度+0.063mm≥27%时，脱硅率总是在20%以下。
3、炭质铝土矿石
炭质铝土矿形成于沉积型煤层上下或边缘，含炭质，有机碳含量≤0.8%。拜耳法要求有机碳含量≤0.1%。过量的有机碳进入生产流程后，在赤泥分离与洗涤槽液面漂浮，使粗液浮游物高达0.8-1.2g/l，分散絮凝作用，堵塞精制滤布。由于赤泥洗涤的洗液及压滤滤液必须返回稀释溶出矿浆，若大量的有机碳进入生产流程，短期内难以消除。
4、铝土矿煅烧熟料
通过模拟实验，煅烧温度在450-600℃的熟料，Al2O3晶体结晶不完整，且矿物集合体之间孔隙率大，易溶出；煅烧温度在900-1200℃的熟料，Al2O3晶体结晶相当完整，矿物集合体之间紧密堆积，难溶出。煅烧温度大于1250℃的过烧熟料，几乎不溶出。
二、制程物料与生产废料的回收与控制
1、石灰拜耳法结疤
从溶出预热段与加热段管道结疤取样分析发现（表3），在BWT低温预热段，SiO2=1.56%，CaO=80.6%，证明了伊利石不在低温时大量溶出，结疤成分主要为水合铝酸钙。在SWT高温加热段，SiO2=6.62%，CaO=33.0%，证明了伊利石在高温时开始大量溶出，结疤成分主要为水合铝硅酸钙。
从洗液管道内壁、沉降分离槽的槽壁及槽低取样分析如下：
显然，溶出预热段与加热段管道结疤不可返回流程。洗液管道内壁、沉降分离槽槽壁及槽底结疤可返回流程。
2、 粗液精制滤饼及深度脱硅硅渣
取样分析，其中含水率为33%，Al2O3=36%，SiO2=2.35，A/S=15.3，其余大量为CaO、少量为Na2O及微量Fe2O3。因CaO主要以Ca（OH）2存在，黏性较大，不宜返回流程。
3、苛化渣
返回赤泥洗涤槽的除了压滤滤液、AH强滤液、粗液精制滤饼，还有苛化渣。取样分析，苛化渣含水率为30%，Al2O3=15%，其余为CaCO3及少量Na2O，因CaCO3返回赤泥洗涤沉降槽后，发生反苛化作用，不宜返回流程。
4、氧化铝产品和氢氧化铝产品废料、种分槽AH结疤及蒸发原液槽AH沉淀
经模拟实验，返回原矿浆制流程后，因其结晶程度比较完整，分别只有26%、37%、54%、67%的活性Al2O3溶出。蒸发原液槽AH可以返回种分末槽。 三、辅助原料的杂质影响
1、石灰：有效钙CaOf≤70%的石灰，有害杂质：未分解石灰CaCO3≥20%，石灰粉及炉渣SiO2≥3.0%，炉渣S≥0.3%。石灰中的SiO2以不溶于水的硅酸钙2CaO.SiO2存在；烧结法文献和我们通过实验认为，石灰中的SiO2不是惰性硅。在低温95-100℃的预脱硅过程中，矿石中的Al2O3不会溶出，而石灰中的SiO2不是惰性硅，这可能是二次矿浆A/S降低的因素之一。
有效钙CaOf≤70%的石灰，不得不按干矿量的10-12%添加参与磨矿。不论用热水化灰还是用洗液化灰，石灰乳后加将造成矿浆冲淡。由于石灰乳在225±5g/l的循环母液中平衡溶解度较低，用循环母液化灰，石灰消化较慢，因此，粒度较大的石灰在磨机里既不能被碎解，也不能被母液消化的原因。但若能实现石灰乳后加，石灰中有25%的杂质可以不进流程。
2、控制进厂烧碱的质量以及循环母液中SiO2和硫的初始浓度
NaOH=32%的液体烧碱，其中杂质成分Na2CO3、NaCl及循环母液中的Na2SO4能降低铝酸钠溶液中SiO2的平衡溶解度，阻碍矿石中的SiO2溶解到铝酸钠溶液中，减缓或抑制了预脱硅进程。但却能促进铝酸钠溶液中的SiO2尽快形成稳定的钠硅渣或钙硅渣。因此提高精液硅量指数，降低了循环母液中SiO2的初始浓度，有助于预脱硅。
结论
1、石灰拜耳法的矿浆细度、预脱硅率、管道结疤、溶出率、沉降槽稳定性、硅量指数等主要工艺指标，都与进厂原料质量有密切关系。
2、进厂原料质量问题引起的生产工艺指标波动，直接影响制程返回的物料质量及生产废料的产生。
3、控制高强度、高硅、高硫、高钙、高铁、高碳的铝土矿进厂。特别是控制高硅和高硫矿石的使用，降低循环母液的硅和硫的初始浓度，才能促进生产的良性循环。
参考文献
[1] 《中国铝业》/中国有色金属工业协会主编.—北京：冶金工业出版社，2008.8.
[2] 张晓敏.《预脱硅效果及矿石中的SiO2在矿浆加热的行为研究》.铝镁通讯.2008年No.3.
[3] 齐丽娟 顾松青 尹中林 《国内外铝土矿质量和性能的评价体系比较》.轻金属.2011年第3期.
[4] 中美铝业质量管理部/铝土矿石标本中心.2011-2013年.
[5] 《矿物及岩石辞典》/翁润生主编.—北京：化学工业出版社，2007.7.
[6] 《氧化鋁制取工》/郭万里主编. —太原：山西人民出版社，2006.6.
[7] 《拜耳法生产氧化铝》/毕诗文等编著.—北京：冶金工业出版社，2007.11.