一种利用熔渣冶金技术生产氧化铝的方法

技术领域

本发明属于含铝矿物资源综合利用、熔渣冶金与氧化铝生产的技术领域，具体涉及一种利用熔渣冶金技术生产氧化铝的方法。

背景技术

中国是氧化铝产量最多的国家，也是铝土矿进口最多的国家。氧化铝工业生产上主要采用拜尔法、拜尔-烧结法等工艺，现有工艺存在如下缺点：

(1)原料适应性差。原料为高品位铝土矿(铝硅比>7)，无法利用低品位铝土矿、高铁铝土矿、粉煤灰、煤矸石、霞石、明矾、粘土、高岭土等铝矿资源；

(2)产生大量赤泥，无法利用。每生产l吨氧化铝就会产生0.7～1.8吨赤泥，全世界每年产生约1.2亿吨。赤泥中含有钠、放射性元素等有害组分，难以利用，已堆积上亿吨；

(3)无法实现铝土矿资源中铁、铬、钒、锰、磷等有价组分的回收；

(4)存在生产工艺复杂、设备投资大、占地面积大、投资大、成本高、污染大等缺点。

针对上述存在问题，国内对氧化铝生产新技术进行了大量研究，研究内容如下：

(1)酸法处理技术，酸耗高、腐蚀严重、设备复杂、环境污染大等；

(2)酸法-碱法技术，酸耗高、成本高、流程长、环境污染大等；

(3)反浮选脱硅技术，占地面积大、污染大、无法消除赤泥与回收铁、钒等组分等；

(4)磁选技术，占地面积大、铁组分收率低、无法消除赤泥与回收铬、钒有价组分等；

(5)悬磁焙烧技术(CN2017105886247.7，CN201710588620.5)，铁组分收率高，仅适于高铁铝土矿，成本高、流程长，无法消除赤泥与回收铬、钒有价组分等；

(6)预还原-磁选技术(CN201911159643.X)，适于高铁铝土矿、磁选效果差、技术难度大、能耗高、炉窑寿命短、设备投资大、流程长、成本高、流程长，无法消除赤泥；

(7)直接还原-熔分技术(CN201510531320.4，CN201510530645.0，CN201810593292.2，CN201910888430.4，CN201910909622.9)，存在仅适于高铁铝土矿、还原温度高、能耗高、CaO熔剂消耗大、成本高、设备复杂、难以连续进行等缺点；

(8)高炉炼铁技术(CN201410048304.5)，回收率高，存在仅适于高铁铝土矿、能耗高、流程长、投资大、CaO熔剂消耗大、成本高、环境污染大等缺点，国家限制工艺。

上述研究无法解决现有工艺存在的等问题，必须开发满足如下要求的新技术：

(1)原料适应性强，不仅可处理高铝硅比的铝土矿，还可以处理低铝硅比的铝土矿、高铁铝土矿、多金属共生矿、高铝粉煤灰、高铝煤矸石及霞石等铝矿资源；

(2)无固体废弃物(赤泥等)排放，尾渣、尾矿或赤泥可直接利用，制备高附加值产品，环境友好，整个工艺过程可循环，具有绿色、清洁、高效的特点；

(3)可同时回收铁、铬、钒、磷、铌、CaO、SiO

(4)工艺技术简单、熔剂消耗小、能耗小、投资小、流程短、成本低、环境友好；

(5)整个工艺过程应实现经济、技术与环境三者的统一。

中国专利(CN201611133558.2，CN201611133559.7，CN201610566347.7，CN201610570916.X)提出了钢铁混合熔渣熔融还原炼铁技术，处理含铁物料，获得铁水与硅酸盐熔渣(硅酸盐熔渣，中低碱度熔渣(CaO/SiO

锰铁冶炼与镁冶炼熔渣分别产生于锰铁冶炼铁合金工艺与金属镁冶炼工艺。锰铁冶炼熔渣、镁冶炼渣、熔融钢渣及高炉熔渣都属于高氧化钙熔渣体系，含有大量熔融态CaO、Al

发明内容

针对现有技术中生产氧化铝的问题，本发明提供了一种利用熔渣冶金技术生产氧化铝的方法，具体方法包括：将铝矿、碱性熔剂、还原剂，或铝矿与还原剂，加入到高氧化钙冶金熔渣中，渣浴熔融还原，渣-金分离后，主产品为铝酸钙熔渣，副产品为铁水或含钒铁水或含钒铬铁水。铝酸钙熔渣冷却自粉化后，通过浸出-煅烧工艺，获得氧化铝，浸出渣作为水泥生产的原料。

本发明利用高氧化钙冶金熔渣(熔融钢渣、高炉熔渣、锰铁冶炼熔渣与镁冶炼渣)高物理热与化学活性，渣浴熔融还原处理铝矿，获得铝酸钙熔渣(铝酸盐熔渣，超高碱度熔渣(CaO/SiO

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的一种利用熔渣冶金技术生产氧化铝的方法，包括以下步骤；

步骤1：

将高氧化钙冶金熔渣，加入熔融反应器中，形成反应熔渣；所述的高氧化钙冶金熔渣中CaO的质量百分含量≥30％，由冶金炉直接获得，熔渣温度≥1100℃；

将铝矿和还原剂，加入反应熔渣中，保持熔融状态，得到熔融状态的熔渣；其中，所述铝矿中氧化铝的质量百分含量≥10％；

其中，通过调节各个原料的加入量，调控熔融状态的熔渣化学组成，使得熔融状态的熔渣同时满足以下两个条件：

(a)熔融状态的熔渣中，按摩尔比，CaO：Al

(b)熔融状态的熔渣中，按质量比，CaO：SiO

向熔融状态的熔渣中喷吹氧化性气体、或氧化性气体和氮气混合气，进行渣浴熔融还原；

步骤2：

渣浴熔融还原后，渣铁分离，得到下层铁水，上层铝酸钙熔渣；

步骤3：

下层铁水直接作为炼钢原料，炼钢后，得到的熔融钢渣，直接返回步骤1进入熔融反应器中；

步骤4：

上层铝酸钙熔渣冷却后，得到自粉化铝酸钙炉渣；自粉化铝酸钙炉渣加入Na

向铝酸钠溶液中，通入CO

所述的步骤1中，进一步的，在反应熔渣中，当调节各个原料的加入量，熔融状态的熔渣不能同时满足以下两个条件：(a)熔融状态的熔渣中，按摩尔比，CaO：Al

作为优选，碱性熔剂为石灰石、石灰中的一种或两种。

所述的步骤1中，作为优选，所述的高氧化钙冶金熔渣为熔融钢渣、高炉熔渣、锰铁冶炼熔渣、镁冶炼渣中的一种或几种。

所述的步骤1中，作为优选，熔融反应器为电炉、矿热炉、电弧炉、矮高炉、感应炉、熔融还原炉、保温渣包、保温地坑中的一种，熔融还原温度为1400～1650℃。

所述的步骤1中，作为优选，铝矿为铝土矿、高铁铝土矿(全Fe的质量百分含量>20％)、预还原含铁铝土矿球团、粉煤灰、煤气化炉渣、煤矸石、霞石、明矾、粘土、高岭石、铝矾土、长石、页岩、赤泥中的一种或几种。

所述的铝矿，当含有结晶水时，需要提前进行干燥脱水处理，干燥温度<600℃。

所述的铝矿为粉末状或球状，直接加入或喷吹入反应熔渣中，喷吹铝矿的气体优选为氮气和/或氧化性气体；所述的氧化性气体为空气、富氧空气、氧气、CO

所述的步骤1中，作为优选，还原剂为无烟煤、烟煤、褐煤、粉煤、天然气、煤层气、煤气中的一种或几种，还原剂中的固态还原剂直接加入或喷吹加入，喷吹固态还原剂的气体优选为氮气和/或氧化性气体；所述的氧化性气体为空气、富氧空气、氧气、CO

所述的步骤1中，作为优选，所述的氧化性气体为空气、富氧空气、氧气、CO

所述的步骤1中，渣浴熔融还原过程为：将原料中铁的氧化物还原成铁的过程，铁氧化物还原为金属铁的还原率≥90％。

所述的步骤2中，进一步的，原料中的铬、钒、铌均进入铁水；磷组分进入铝酸钙熔渣和烟灰，所述的烟灰为熔渣熔融还原产生的烟气。

所述的步骤2中，铁水为普通铁水、含钒铁水、含铌铁水、含钒铬铁水中的一种。

所述的步骤3中，当下层铁水为含钒铁水、含铌铁水、含钒铬铁水时，先经过提钒铬铌炼钢后，得到半钢和渣，渣为钒渣、铌渣、钒铬渣中的一种，半钢炼钢后，得到的熔融钢渣，直接返回步骤1进入熔融反应器中。

所述的步骤4中，进一步的，浸出残渣作为水泥生产的原料。

所述的步骤4中，作为优选，上层铝酸钙熔渣冷却方式为自然空冷或随炉冷却。

所述的步骤4中，Na

本发明的一种利用熔渣冶金技术生产氧化铝的方法的基本原理为：

(1)渣浴熔融还原技术，利用高氧化钙冶金熔渣物理热、成熟的熔渣体系(低熔化性温度与低粘度等)及高化学活性(高含量的熔融态CaO等)，反应速度快，消除铁、铬、钒、SiO

(2)渣浴熔融还原技术，具有降低生产能耗、减小熔剂CaO消耗、消除赤泥的产生、满足不同铝矿的原料要求、生产成本低及环境友好等特点，使火法冶炼生产氧化铝技术具有生命力及推广价值；

(3)利用二氧化碳或二氧化碳混合气，通过CO

(4)超高碱度还原技术(R＝CaO/SiO

(5)铝酸钙成渣技术，实现含铝物相与脉石物相的分离及铝组分的回收；

(6)在铝土矿进行氧化铝溶出时，其含有的SiO

本发明的一种利用熔渣冶金技术生产氧化铝的方法，相比于现有技术，其有益效果为：

(1)原料适应性强，不仅可处理高、中、低铝硅比的铝土矿，还可以处理高铁铝土矿、粉煤灰、煤矸石、霞石、粘土、高岭土、赤泥等铝矿资源；

(2)利用高氧化钙冶金熔渣物理热与高化学活性，形成“(熔融渣+铝矿)→渣浴熔融还原熔炼→(含钒铁水+铝酸钙熔渣)→含钒铁水炼钢→(熔融钢渣+钢水)→(熔融渣+铝矿)”的闭路循环工艺，铝酸钙熔渣与钒渣作为提取氧化铝与五氧化二钒的原料，与传统氧化铝生产相比，能耗、成本、CO

(3)利用二氧化碳或二氧化碳混合气，通过CO

(4)高氧化钙冶金熔渣带入了大量熔融态熔剂CaO，整个过程无需或少量加入熔剂CaO，成本大幅度下降，同时熔融态熔剂CaO提供了高化学活性与热量，加快反应速度；

(5)无固体废弃物(赤泥等)排放，浸出渣可直接作为水泥，环境友好，整个工艺过程可循环，具有绿色、清洁、高效、成本低的特点；

(6)同时回收含铝矿物与高氧化钙冶金熔渣中铁、铬、钒、磷、铌、CaO、Al

(7)利用高氧化钙冶金熔渣物理热资源，整个过程无需加热或少量加热，能耗小；

(8)短流程渣浴熔融还原工艺，反应速度快；

(9)是新的氧化铝生产方法，也是一种炼铁方法；

(10)工艺技术简单、原料适应性强、冶金熔剂消耗小、收率高、设备简单、投资小、能耗低、连续生产、流程短、成本低、环境友好；

(11)实现熔渣物理热高效利用、矿物重生、含铝资源高效利用与循环的统一。

附图说明

图1为本发明的一种利用熔渣冶金技术生产氧化铝的方法的工艺流程示意图。

具体实施方式

下面根据本发明的具体实施例，来对本发明进行进一步说明，当然，此实施例仅是本发明的一部分实施例，不代表本发明的全部实施例。

实施例1

一种利用熔渣冶金技术生产氧化铝的方法，其流程示意图见图1，具体包括以下步骤：

步骤1：将锰铁冶炼熔渣作为反应熔渣，和干燥脱水的高品位铝土矿(A/S>6)、粉煤与石灰石加入到矿热炉内，并保持熔融状态，通过调整各个原料的加入量，使得熔融状态的熔渣同时满足以下两个参数：(a)熔渣中CaO/Al

向熔融状态的熔渣中喷吹二氧化碳，进行渣浴熔融还原；

其中，干燥脱水的高品位铝土矿和粉煤均采用二氧化碳喷吹加入矿热炉内；

步骤2：渣浴熔融还原后，渣铁分离，得到下层含钒铁水和上层铝酸钙熔渣；

步骤3：下层含钒铁水作为提钒炼钢的原料，获得钒渣和半钢，半钢炼钢后得到熔融钢渣，熔融钢渣直接返回加入到步骤1中的矿热炉中，作为反应熔渣；

步骤4：上层铝酸钙熔渣随炉冷却到室温后，获得自粉化铝酸钙炉渣，自粉化铝酸钙炉渣浸出(浸出条件为Na

本实施例中，锰铁冶炼熔渣与高品位铝土矿中CaO、Al

实施例2

一种利用熔渣冶金技术生产氧化铝的方法，包括以下步骤：

步骤1：以镁冶炼渣作为反应熔渣，加入到电炉内，用空气向反应熔渣中喷入干燥脱水后的高铁铝土矿(全Fe>20％)、石灰石、石灰与无烟煤，电炉加热保持熔融状态，通过调整各个原料的加入量，使得熔融状态的熔渣同时满足以下两个参数：(a)熔渣中CaO/Al

向熔融状态的熔渣中喷吹富氧空气，进行渣浴熔融还原；

步骤2：渣浴熔融还原后，渣铁分离，原料中的铬、钒进入下层，得到下层含钒铬铁水和上层铝酸钙熔渣；磷组分进入铝酸钙熔渣和烟灰，烟灰为熔渣熔融还原产生的烟气。

步骤3：下层含钒铬铁水作为提钒炼钢的原料，得到钒铬渣和半钢，半钢炼钢后，得到熔融钢渣，熔融钢渣直接返回加入到步骤1中的电炉中，作为反应熔渣；

步骤4：上层铝酸钙熔渣空冷却到室温后，获得自粉化铝酸钙炉渣，自粉化铝酸钙炉渣浸出(浸出条件为：Na

本实施例中，镁冶炼渣与高铁铝土矿中CaO、Al

实施例3

一种利用熔渣冶金技术生产氧化铝的方法，包括以下步骤：

步骤1：以转炉熔融钢渣和高炉熔渣作为反应熔渣，和烟煤加入到熔融还原炉内，用富氧空气向反应熔渣中喷入干燥脱水后的低品位铝土矿(A/S≤6)、高品位铝土矿(A/S>6)与石灰，加入保持熔融状态，通过调整各个原料的加入量，使得熔融状态的熔渣同时满足以下两个参数：(a)熔渣中CaO/Al

向熔融状态的熔渣中喷吹热二氧化碳和氮气混合气体(混合体积为1:1)，进行渣浴熔融还原；

步骤2：渣浴熔融还原后，渣铁分离，原料中的铌进入下层，得到下层含铌铁水和上层铝酸钙熔渣，磷组分分别进入铝酸钙熔渣与烟灰；

步骤3：下层含铌铁水作为提铌炼钢的原料，获得铌渣和半钢，半钢炼钢后得到熔融钢渣，熔融钢渣直接返回加入到步骤1中的熔融还原炉中，作为反应熔渣；

步骤4：上层铝酸钙熔渣空冷到室温后，获得自粉化铝酸钙炉渣，自粉化铝酸钙炉渣(浸出条件为Na

本实施例中，转炉熔融钢渣和高炉熔渣、低品位铝土矿、高品位铝土矿中CaO、Al

实施例4

一种利用熔渣冶金技术生产氧化铝的方法，包括以下步骤：

步骤1：将转炉熔融钢渣作为反应熔渣，和干燥脱水后的低品位铝土矿(A/S≤6)、高品位铝土矿(A/S>6)、石灰与褐煤加入到保温渣包内，保持熔融状态，通过调整各个原料的加入量，使得熔融状态的熔渣同时满足以下两个参数：(a)熔渣中CaO/Al

向熔融状态的熔渣中喷吹热空气，进行渣浴熔融还原。

步骤2：渣浴熔融还原后，渣铁分离，得到下层含钒铁水和上层铝酸钙熔渣相；

步骤3：下层含钒铁水作为提钒炼钢的原料，获得钒渣，和半钢，半钢炼钢后得到熔融钢渣，熔融钢渣直接返回加入到步骤1中的保温渣包中，作为反应熔渣；

步骤4：上层铝酸钙熔渣空冷到室温后，获得自粉化铝酸钙炉渣，自粉化铝酸钙炉渣(浸出条件为Na

本实施例中，转炉熔融钢渣与铝土矿中CaO、Al

实施例5

一种利用熔渣冶金技术生产氧化铝的方法，包括以下步骤：

步骤1：将电炉熔融钢渣作为反应熔渣，和干燥脱水后的高铁铝土矿(全Fe>20％)、粉煤灰、石灰与褐煤加入到电弧炉内，加入预还原含铁铝土矿球团，保持熔融状态，通过调整各个原料的加入量，使得熔融状态的熔渣同时满足以下两个参数：(a)熔渣中CaO/Al

向熔融状态的熔渣中喷吹热空气，进行渣浴熔融还原；

步骤2：渣浴熔融还原后，渣铁分离，原料中的钒进入下层铁水，得到下层含钒铁水和上层铝酸钙熔渣；

步骤3：下层含钒铁水作为提钒炼钢的原料，获得钒渣和半钢，半钢炼钢后，得到熔融钢渣，熔融钢渣直接返回加入到步骤1中的电弧炉中，作为反应熔渣；

步骤4：上层铝酸钙熔渣空冷到室温后，获得自粉化铝酸钙炉渣，自粉化铝酸钙炉渣(浸出条件为：Na

本实施例中，电炉熔融钢渣、高铁铝土矿、粉煤灰中CaO、Al

实施例6

一种利用熔渣冶金技术生产氧化铝的方法，包括以下步骤：

步骤1：将电炉熔融钢渣作为反应熔渣，加入到矮高炉内，用氮气向反应熔渣中喷入干燥脱水后的高铁铝土矿(全Fe>20％)、煤矸石、石灰保持熔融状态，通过调整各个原料的加入量，使得熔融状态的熔渣同时满足以下两个参数：(a)熔渣中CaO/Al

向熔融状态的熔渣中喷吹热空气与天然气，进行渣浴熔融还原；

步骤2：渣浴熔融还原后，渣铁分离，得到下层含钒铁水和上层铝酸钙熔渣；

步骤3：含钒铁水作为提钒炼钢的原料，获得钒渣和半钢，半钢炼钢后，得到熔融钢渣，熔融钢渣直接返回加入到步骤1中的矮高炉中，作为反应熔渣；

步骤4：铝酸钙熔渣空冷到室温后，获得自粉化铝酸钙炉渣，自粉化铝酸钙炉渣(浸出条件为：Na

本实施例中，电炉熔融钢渣、高铁铝土矿(全Fe>20％)、煤矸石中CaO、Al

实施例7

一种利用熔渣冶金技术生产氧化铝的方法，包括以下步骤：

步骤1：将电炉熔融钢渣作为反应熔渣，和干燥脱水后的高铁铝土矿(全Fe>20％))、煤矸石、石灰加入到熔融还原炉内，保持熔融状态，通过调整各个原料的加入量，使得熔融状态的熔渣同时满足以下两个参数：(a)熔渣中CaO/Al

向熔融状态的熔渣中喷吹热空气与煤层气，进行渣浴熔融还原；

步骤2：渣浴熔融还原后，渣铁分离，得到下层含钒铁水和上层铝酸钙熔渣相；

步骤3：含钒铁水作为提钒炼钢的原料，获得钒渣和半钢，半钢炼钢后得到熔融钢渣，熔融钢渣直接返回加入到步骤1中的熔融还原炉中，作为反应熔渣；

步骤4：铝酸钙熔渣空冷到室温后，获得自粉化铝酸钙炉渣，自粉化铝酸钙炉渣(浸出条件为：Na

本实施例中，电炉熔融钢渣、高铁铝土矿、煤矸石中CaO、Al

实施例8

一种利用熔渣冶金技术生产氧化铝的方法，包括以下步骤：

步骤1：将转炉熔融钢渣作为反应熔渣，和干燥脱水后的粘土、高岭土、铝矾土、长石、石灰加入到保温渣包内，保持熔融状态，通过调整各个原料的加入量，使得熔融状态的熔渣同时满足以下两个参数：(a)熔渣中CaO/Al

向熔融状态的熔渣中喷吹热空气与煤气，进行渣浴熔融还原；

步骤2：渣浴熔融还原后，渣铁分离，得到下层铁水和上层铝酸钙熔渣相；

步骤3：铁水作为炼钢的原料，获得熔融钢渣，熔融钢渣直接返回加入到步骤1中的保温渣包中，作为反应熔渣；

步骤4：铝酸钙熔渣空冷到室温后，获得自粉化铝酸钙炉渣，自粉化铝酸钙炉渣(浸出条件为Na

本实施例中，转炉熔融钢渣、粘土、高岭土、铝矾土、长石中CaO、Al

实施例9

一种利用熔渣冶金技术生产氧化铝的方法，包括以下步骤：

步骤1：将转炉熔融钢渣作为反应熔渣加入到温度为1600℃的保温地坑内，用二氧化碳气向反应熔渣中喷入干燥脱水后的高品位铝土矿(A/S>6)、霞石与明矾，加入石灰，保持熔融状态，通过调整各个原料的加入量，使得熔融状态的熔渣同时满足以下两个参数：(a)熔渣中CaO/Al

向熔融状态的熔渣中喷吹热空气与粉煤，进行渣浴熔融还原；

步骤2：渣浴熔融还原后，渣铁分离，得到下层含钒铁水和上层铝酸钙熔渣相；

步骤3：含钒铁水作为提钒炼钢的原料，获得钒渣和半钢，将半钢炼钢后，得到熔融钢渣，熔融钢渣直接返回加入到步骤1中的保温地坑中，作为反应熔渣；

步骤4：铝酸钙熔渣空冷到室温后，获得自粉化铝酸钙炉渣，自粉化铝酸钙炉渣浸出(浸出条件为：Na

本实施例中，转炉熔融钢渣、高品位铝土矿、霞石与明矾中CaO、Al

实施例10

一种利用熔渣冶金技术生产氧化铝的方法，包括以下步骤：

步骤1：将转炉熔融钢渣作为反应熔渣加入到感应炉内，用二氧化碳和氮气混合气向反应熔渣中喷入干燥脱水后的高品位铝土矿(A/S>6)，保持熔融状态，通过调整各个原料的加入量，使得熔融状态的熔渣同时满足以下两个参数：(a)熔渣中CaO/Al

向熔融状态的熔渣中喷吹纯氧与粉煤，进行渣浴熔融还原；

步骤2：渣浴熔融还原后，渣铁分离，得到下层含钒铬铁水和上层铝酸钙熔渣相；

步骤3：含钒铬铁水作为提钒铬炼钢的原料，获得钒铬渣和半钢，半钢炼钢后，得到熔融钢渣，熔融钢渣直接返回加入到步骤1中的感应炉中，作为反应熔渣；

步骤4：铝酸钙熔渣空冷到室温后，获得自粉化铝酸钙炉渣，自粉化铝酸钙炉渣(浸出条件为：Na

本实施例中，转炉熔融钢渣与高品位铝土矿中CaO、Al