工业固体废物的再利用是科学家和工业家的主要挑战,这些材料的回收产生经济和环境效益,铝土矿渣,俗称赤泥（RM）,是氧化铝生产中拜耳法产生的主要废弃物,铝土矿是制造工艺的原料,是有毒物质（重金属和类金属）和放射性物质（铀、钍）的天然化合物。这种不溶性物质的混合物是在氧化铝生产中对铝土矿进行物理和化学处理而产生的,RM由含水的淤泥质粉土和pH值在10-12.5范围内的高碱性固体废物组成。赤泥的化学和矿物组成取决于铝土矿的性质、溶出体系和浸出后该浆料的浸出。在过去的几十年中,世界氧化铝工业经历了显著的增长,许多生产国现在都面临着管理铝土矿渣的严重问题,包装和运输发展中对铝金属的需求迅速增加,赤泥的数量一直在惊人地增加。每年,全世界约产生1.4亿吨赤泥,到2015年底,赤泥储量超过2.7×109吨。由于全世界每年都产生大量的赤泥,据估计,全世界每年生产7000万吨赤泥,其中希腊70万吨,印度200万吨,澳大利亚3000万吨,中国近3000万吨。赤泥处理费用昂贵,约占氧化铝价格的,例如,中国的氧化铝价格大约是每吨439美元,所以赤泥的处理成本大约是每吨氧化铝生产9美元。可供储存的空间的稀缺,以及对环境的威胁,特别是如果排放不当。本文根据铝土矿的种类确定赤泥的物理化学性质。以型煤为原料,对赤泥进行金属化还原-铁分离工艺。利用型煤技术的优势,通过还原分离实验,研究了还原时间、碳比、还原温度、碱度等工艺参数对还原分离的影响。主要内容:研究背景;研究内容与目的;单因素试验研究;响应面优化方法;铁回收与助熔剂制备的研究与结论。几内亚是西非的一个小国,拥有400亿吨冶金铝土矿,是世界上最大的已探明铝土矿储量的生产国。几内亚铝土矿的这些有趣特征是靠近海洋;位于平均海平面以上100至300米的低洼高原;天然低活性二氧化硅含量（<2%）;来自几内亚的红土铝土矿本质上被少于2%的勃姆石所包围,这非常适合低温氧化铝精炼厂。自 1942年以来,公司在金伯高原上发现了铝土矿指数,1956年开始勘探工作,1957年经可行性研究决定建厂。1960年4月30日,非洲第一家工厂落成。最初,这家工厂被称为弗里亚公司。初始投资的高成本（大约14亿美元）借助了国际资金的使用。1821年,法国伯蒂尔发现了铝土矿,他是巴黎矿业学院的矿业教授的工程师。目前的拼写是根据H.Sainte-Claire Deville（1861）借鉴了普罗旺斯包克斯村的名称。最初,专业术语“铝土矿”指的是一组铝质和铁质岩石,类似于Les Baux发现的那些岩石。铝土矿是一种富含铝的沉积岩,是铝的主要矿石。铝土矿中的铝主要由氢氧化铝矿物（主要是三水铝石、勃姆石和一水硬铝石）和铁氧化物（大多数铝土矿具有红色）:Al2O3+SiO2+TiO2+Fe2O3+,和粘土矿物大量结合。铝土矿是含铝岩石（通常是火成岩）的风化产物,铝土矿也可以用作非冶金产品,如磨料、化学品和耐火材料。铝土矿通常是一种软材料,其硬度只有莫氏硬度的1-3。铝土矿的颜色范围由白色到灰色到红棕色,具有豆状结构,泥土光泽,比重较低,在2.0-2.5之间。这些性质可以用来识别铝土矿,但是,它们与铝土矿的价值或用途无关。这是因为铝土矿总是被加工成具有与铝土矿明显不同的物理性质的另一种材料。铝土矿没有特定的成分。它是由水合氧化铝、氢氧化铝、粘土矿物和不溶性材料如石英、赤铁矿、磁铁矿、菱铁矿和针铁矿组成的混合物。混合物中可能含有其他元素矿物的痕迹:N、K、P、Cr、V、Ga、Zn、Pb、Cu、Ni、Mn、C 等。目前,95%以上的氧化铝是由铝土矿通过拜耳法生产的。此工艺基于铝相对于矿石其他成分的溶解度:通过将其置于碱性条件下,铝溶解以得到铝酸盐离子Al（OH）4,而其他成分保持不溶解,但在溶解之前,矿物被粉碎、研磨并筛分以增加其比表面反应性、颗粒大小（最大0.3 mm）。必须控制干燥,目的是为了只除去游离水,而不是除去铝土矿中的结合水水或化合水。拜耳法的主要操作包括:消化;滗析;过滤;沉淀和煅烧。本文对这些操给出一些说明。赤泥是在萃取过程中从氧化铝和苏打中分离出来的不溶性废物,根据所加工的原料,每吨氧化铝生产1-2.5吨红泥,产物在滗析过程中释放,必须洗涤以回收其所含的苏打。全世界每年释放出约7000万赤泥。滗析的总体目的是获得尽可能清楚的浪涌和尽可能密集的下溢,然而,实际中,分离远非完美;通常,下溢仍包含约60%的液体。无论采用何种生产工艺,赤泥的化学组成在很大程度上取决于矿石（铝土矿）的来源及其工业过程,化学分析表明,赤泥中几乎不含硅、铝、铁、钙、钛、钠等主要元素,以及一系列次要元素,即:K、Cr、V、Ba、Cu、Mn、Pb、Na等。锌、磷、氟、硫、砷等。全世界赤泥的化学组成变化很大。颜色呈现砖红色是由于它们含有高含量的氧化铁（在处理前是铝土矿）。赤泥最基本的特征:pH一般为11-14,这是因为它们的苛性钠含量,其毒性主要与材料的苛性相关,在较小的程度上,但从长远来看,可能更重要,特别是在酸化的背景下,其重金属含量（铅、汞、铬）或某些放射性核素容易与它结合。这些产物的含量,以及它们的生物利用度很大程度上取决于铝土矿的来源和工业过程。赤泥主要包括贮存与处理:（1）存储:这些污泥经过或不经过预处理（通常用酸处理,使它们不那么碱性）,然后通常使用两种方法储存:进入工程或自然蓄水池和海水排放。（2）处理:它包括:酸中和;C02处理;海水中和;生物浸出和烧结。解决赤泥储存问题的关键是开发一种全服务技术,这项技术利用赤泥或将其转化为二次资源。由于赤泥中大量的碱、重金属和天然放射性元素,其使用总量受到限制。自 1950年以来,科学家们进行了广泛的研究,探索去除和利用赤泥的方法,这可分为三种类型。首先,回收赤泥中有用的金属成分。二是以赤泥为原料,特别是用于水泥生产的再利用。三是赤泥在环境保护中的应用,如吸附净化水、从赤泥中提取有价成分、将赤泥应用于建筑材料领域和环境保护以及用于炼钢脱硫脱磷分析。赤泥是一种含有许多有用矿物质的资源.主要矿物组成为SiO2、CaO、Fe2O3、Al2O3、Na2O、TiO2、K2O,占75%以上。此外,赤泥还含有少量的锌、磷、镍、镓、锗、钪等。地质学家估计,铝土矿中其他金属的潜在价值远大于生产氧化铝的价值。本论文采用热压法对赤泥进行了金属化还原分离回收铁的单因素试验研究。主要考察了还原时间、还原温度和碳比对热型煤赤泥还原分离工艺铁品位和铁回收率的影响,并初步阐明其作用机理。研究了还原时间、碳比、还原温度对热压赤泥形貌的影响。通过试验,确定了热型煤赤泥还原分离工艺的合理工艺参数,为铝工业开发赤泥综合利用工艺提供参考。在实验室条件下,以烟煤为配煤,热压温度200℃,热压压力50MPa,制备铝赤泥热型煤作为后续金属化还原的实验原料。这种型煤的红泥来自几内亚一家企业。利用化学成分,经检验分析,干燥脱水,将铝工业赤泥原料制成细粉。在实验室将烟煤作为热压煤使用。在实验室条件下,烟煤的固定碳含量为61.52%。在本研究中,碳氧比,简称FC/O,定义为混合煤中固定碳含量与赤泥中氧含量。在整个实验中,采用碳比作为实验的计算原则。如果实验FC/O为下一个示例中的1.00,则计算方法如下:对于赤泥中的每100g氧含量:no=34.16/55.85×1.5=0.917 mol当碳比为1时,所需烟煤粉的数量为:m=（1.00×12×no）/61.52%=（1.00×12×0.917）/61.52%=17.89 g热压的主要设备有:干燥箱、样机、马弗炉、热压模具和压力装置。金属化还原分离实验的流程图包括:加载、金属化还原、研磨、分离、过滤和实验室分析。在实验结果和分析中,将铝赤泥热压块的还原产物定义为分离后的还原产物和含铁粉末。将选定产品的铁品位TFe、铁的回收率和还原产物MFe的铁金属化率作为还原分离效果的评价指标,通过以下公式确定计算公式:M=（MFe）/（TFe） （1）在公式中:M-铁金属化率%TFe-还原产物中总铁含量%MFe还原产物中金属铁含量%ηFe=（m1）×(TFem1)/（m0）×(TFem0) （2）在公式中:ηFe-铁回收率%m1-分离产物的数量（g）;m0-还原产物的数量（g）;TFem1-分离产物中总铁含量%;TFem0-还原产物中总铁含量.%。研究了不同参数对还原分离指数的影响,单因素实验研究的最佳条件为:FC/O不大于1,还原温度不小于1350℃,还原时间为100 min,一级磁场强度为50 mT,二级磁场强度。250 mT。在实验室条件下,对铝工业赤泥热压块的金属化还原分离工艺进行了单因素试验研究,得到了以下结论:在一定范围内提高还原温度、延长还原时间、降低碳碳比可提高铁的回收率和铁品位。在单因素试验中,在最佳条件下,铁的回收率为84.41%,所选产品的铁品位为80.58%。单因素实验表明,在金属化还原过程中,影响实验结果的主要因素是FC/O、还原温度和还原时间。本文采用响应面法（RSM）对金属化还原-分离过程进行了优化。提出了响应面法优化赤泥中铁品位和铁回收率的影响因素。将响应面回归模型应用于实验研究中,通过分析实验指标与影响因素之间的定量作用,得到各因素水平的最优组合。采用中心组合设计（CCD）方法研究了输入参数对响应的影响。本文根据CCD方法设计了三因素五水平实验,研究了工艺参数对分离产物中ηFe和TFe的影响。过程变量包括FC/O、还原温度和还原时间,分别用x1、x2和x3表示。这三个变量被认为是独立的。此外,选择分离产物中的ηFe和TFe作为因变量,分别用Y1和Y2表示。对三种最常用的模型,即线性模型、双因素相互作用模型（2FI）和二次模型,通过回归拟合进行测试和评价,以获得响应与输入参数之间的最佳相关性。利用相关系数R2可以评价模型的可靠性。在实验范围内,较高的R2表示实际结果与预测结果之间更好的相关性。对于ηFe和TFe,二次多项式模型更为合理。根据模型计算,给出了自变量与因变量之间的函数关系。对于ηFe模型方程:Y1=-2680.32735-85.65957x1+3.97094x2-0.3056x3+ 0.076375x1x2+0.026562x1x3+2.1×10-4x2x3-22.5057x12-1.42622 × 10-3x22+1.2927 ×10-3x32对于TFe模型方程:Y2=-21.04435+180.92734x1-0.065585x2-0.38597x3-0.13981x1x2-9.92188 × 10-3x1x3+1.89375 × 10-4x2x3-1.47537x12+1.06395 × 10-4x22+1.06891 × 10-3x32建立了还原分离指数及其影响因素的数学预测模型,得到了最佳工艺参数。在这种情况下,得到的总结如下:（1）采用响应面法建立了基于直接还原-磁选工艺的赤泥铁回收工艺参数优化评价模型。模型预测值与实验值吻合较好。（2）还原温度、FC/O和还原时间对磁产品铁的回收率和铁品位含量有显著影响。在这三个参数中,还原温度起着最重要的作用。（3）根据评价模型得出的还原温度1400℃、FC/O 0.80和还原时间99.65 min的最佳工艺参数,磁力生产中铁的回收率可达99.10%,铁品位含量可达82.52%。（4）应用响应面法优化赤泥直接还原磁选回收铁的工艺参数。赤泥除铁渣在炼钢中的应用有望利用大量的赤泥对这种废渣进行大规模的吸收处理。该工艺不仅在一定程度上解决了铝工业废渣的处理问题,而且有利于脱磷、脱硫、脱硅,降低炼钢过程中炼钢渣的熔点和粘度,用作炼钢助熔剂,降低生产成本。在炼钢生产中,具有很大的环境保护和显著的经济效益。通过试样试验,研究了还原温度、还原时间、FC/O和碱度等参数对赤泥中铁回收率的影响。将赤泥与碳和添加剂按一定比例混合,然后将型煤样品放入坩埚中,在马弗炉中进行高温还原。当达到预测温度时,取出焙烧样品,立即用氩气淬火至室温。产品经不同时间研磨后用不同磁场强度的磁选机进行分离。研究了还原温度、还原时间、FC/O、碱度、研磨时间、磁场强度对还原分离的影响。通过分析不同参数对还原分离指数的影响,得出如下结论:FC/O 0.8、碱度0.8、还原温度1325℃、还原时间30min、研磨时间1min、磁场强度50mT为最佳条件,铁的回收率为93.83%。分离产物品位为89.66%,金属化铁品位为86.88%,金属化率为96.89%。SEM和XRD分析结果表明,产品性能在整个过程中有明显变化。所得铁中含有较多的铁相,渣是由Al、Ca、Na Si、Ti等富相组成的不同相,熔点1171℃。该渣的化学组成符合炼钢要求,在渣中加入适量的CaO、Al2O3、SiO2、TiO2,可以获得理想的脱硫脱磷能力。炉渣的这些性质可以提高转炉铁水成分的稳定性,有助于实现炉渣还原,降低金属消耗和潜在的安全隐患,提高炼钢对铁水异常情况的适应性。