三水铝石质量评价试验条件选择及矿碱消耗测算

毛鹏，李林海

（1.中铝山东工程技术有限公司，山东 淄博 255052；2.中铝山东有限公司，山东 淄博 255052）

关键字：有效铝；活性硅；微波消解； 矿耗；碱耗

前言

针对三水铝石型铝土矿一般采用低温拜耳法工艺生产氧化铝[1]，在其溶出条件下，不是全部氧化铝和二氧化硅都参与反应，其中的铝针铁矿和石英硅一般不溶出。根据不同的矿石，选择合适的试验条件，通过微波消解的方法进行溶出试验，同时，根据有效铝和活性硅的测定结果，建立数学模型可用于预测低温拜耳法氧化铝生产过程中的矿耗、碱耗等经济指标。

1 微波消解测定三水铝石有效铝和活性硅试验条件初选

1.1 测定方法的原理

在一定温度(压力)下，用NaOH溶液溶出三水铝石型铝土矿，测其溶出液中的Al2O3，即为有效氧化铝含量；而活性硅以两种形式存在，即存在于溶出液中的硅和以钠硅渣形式存在于沉淀中的硅，两者之和是活性二氧化硅的总量。

1.2 测定方法中试验条件的初选

参考a：美铝测定条件，即溶出温度143℃、溶出时间30分钟、纯苛性碱浓度Na2O,78g/l，溶液过量。活性氧化硅含量根据进入溶出赤泥中的Na2O量按方钠石的分子式3.2Na2O·2.8Al2O3·5SiO2·XH2O计算。

参考b：样品2.00g/10.0ml，145g/l，检验设备：微波消解仪Mvltiware3000，消解时间30min。[2]

1.3 测定方法中测定过程的确定

称取1.000g样品放入消解罐，加入20.0mL NaOH溶液，摇匀，装入消解仪按照选定的温度和时间进行消解。消解后用水将消解液稀释至250mL容量瓶定容、混匀。过滤后，滤液测定Al2O3和SiO2，此Al2O3即为有效铝，沉淀为一水软铝石、赤铁矿、铝针铁矿、石英硅、钠硅渣等不溶物。将沉淀洗涤至酚酞为无色，用酸抽出钠硅渣中的Na2O并测定，以此计算硅渣中的SiO2量，将计算的SiO2量和滤液中的SiO2量相加即为活性硅的量。

2 微波消解测定方法中试验条件的筛选与验证

将 NaOH加入量、微波消解时间、微波消解温度、沉淀洗涤条件、沉淀洗涤损失等作为可能影响检测结果准确度的因素[3]，对来自三个不同矿区的三水铝石型铝土矿进行反复试验，最终确认合适的测定条件。

2.1 NaOH加入量

在固定微波消解溶出温度143℃、消解时间30min的情况下，改变NaOH（以Na2O表示）的浓度进行试验，分析其对测定结果的影响[4]，如图1所示。

图1 NaOH加入量对分析结果的影响

试验结论：αk在1.44以上溶出率基本满足要求，αk在2.0以上溶出率趋近稳定，试验确定Na2O浓度选择50g/L即可。

2.2 微波消解时间

在其他条件不变的情况下，改变微波消解时间进行试验，分析其对测定结果的影响，如图2所示。

图2 微波消解时间对分析结果的影响

试验结论：微波消解溶出20min试验结果即开始稳定，本次选择微波消解溶出时间30min作为试验条件（与美铝相同）。

2.3 微波消解温度

在其他条件不变的情况下，改变微波消解温度进行试验，分析其对测定结果的影响，如图3所示。

图3 微波消解温度对分析结果的影响

试验结论：微波消解温度在120℃～150℃范围内，对试验结果影响不大，参照现有拜耳法生产工艺和美铝条件，选择消解温度143±2℃。

2.4 沉淀洗涤条件及损失

由于本试验从样品溶出、过滤、洗涤、钠硅渣沉淀中钠的溶出，整个测定流程长，其操作过程容易对结果造成影响，因此我们对沉淀洗涤条件、沉淀洗涤是否会损失SiO2和从钠硅渣沉淀中溶出Na2O的条件进行了一系列试验，并将溶出Na2O后的钠硅渣残渣,用NaOH熔融检测其中的SiO2量来进行验证试验。

用专业质量统计软件（MINITAB）对检测数据进行验证：水洗沉淀测定的活性硅、盐酸洗沉淀测定的活性硅、水洗沉淀后以盐酸溶解沉淀测定的活性硅之间的双样本T检验表明，对钠硅渣沉淀采用不同的洗涤方法，以及不同的溶出、检测方式，测定活性硅的结果基本一致。单样本T检验证明，这三种方式计算的总硅与化学成分分析的总硅量相等。

试验结论：确定选用最为简单的操作步骤：钠硅渣用水洗涤2～3遍后，直接用稀热盐酸溶解，然后测定其中酸溶解的硅含量，活性硅即为溶出液和赤泥酸溶解中硅的总量。

3 三水铝石在低温拜耳法生产过程中的矿耗、碱耗测算

通过上述验证试验确定试验条件后，通过微波消解（化学）法与油浴溶出试验对比，验证矿耗、碱耗等经济指标测算结果的准确性，然后通过微波消解（化学）法预测矿耗、碱耗，并与实际生产的矿耗、碱耗进行对比，检验微波消解（化学）法对三水铝石质量的评价效果。

3.1 微波消解（化学）法与模拟溶出试验测算结果

在相同的条件下，通过微波消解（化学）法、油浴溶出试验分别计算赤泥成分，进而测算矿耗、碱耗等指标。试验情况见表4、表5、表6。

表1 水洗涤沉淀的影响

表2 盐酸洗涤沉淀的影响

表3 盐酸溶解沉淀的影响

表4 矿石成分表

表5 微波消解（化学）法测算结果

表6 油浴溶出试验测算结果

表7 微波消解（化学）法测定结果及消耗预测

表8 实际生产测定数据表

表9 温度对含一水软铝石（约7%）铝土矿的溶出率影响

从微波消解（化学）法与油浴溶出试验测算结果看，两种方法测算的矿耗、碱耗、赤泥产出率、氧化铝回收率[5]基本相符。相较而言，微波消解（化学）法测算的氧化铝回收率更高一些，矿耗相对较低，但碱耗略高，说明微波消解氧化铝溶出相对更彻底。

3.2 微波消解（化学）法测算矿、碱消耗与实际生产矿、碱消耗对比

通过微波消解（化学）法模拟实际生产条件预测矿、碱消耗，与实际生产跟踪测定数据分别见表7、表8.

通过微波消解（化学）法试验测算结果和实际生产测定数据对比表明，两者矿耗、碱耗基本接近，但赤泥产出率和氧化铝回收率相差较大。相较而言，微波消解（化学）法测算的氧化铝回收率要高约1～2%，特别是含一水软铝石较高的矿石，回收率相差近10%。为此，采用微波消解法，对含一水软铝石较高的矿石进行补充试验，研究温度对溶出率的影响，数据见表9。

试验表明，对于含一定量一水软铝石的矿石样品，微波消解温度对其溶出率有较大影响。当微波消解温度在120℃时，一水软铝石有溶解，当消解温度在143℃以上时，一水软铝石全部溶解。

4 结论

微波消解法可用于三水铝石型铝土矿的质量评价。采用微波消解（化学）法测定三水铝石型铝土矿的有效铝和活性硅含量时，一水软铝石含量会对结果产生影响。

微波消解（化学）法在测定不同的三水铝石型铝土矿时，需要对测定条件进行验证。与油浴溶出试验结果相比，其数据离散度相对较大，因此，今后要通过分析对比，找到即可保证一定精密度又与油浴溶出试验、生产实际相近的微波消解条件，同时，提高操作人员的熟练程度，加强样品监督抽查，保证操作误差在规定范围之内。