二次铝灰还原铁矿石制备预熔型铝酸钙和金属铁的方法

1.本发明属于固废资源化领域，具体涉及一种二次铝灰还原铁矿石制备预熔型铝酸钙和金属铁的方法。


背景技术：

2.我国铝工业年产生二次铝灰超500万吨，且增长迅速。二次铝灰含氧化铝50-80wt.％、氮化铝8-25wt.％、盐类(钠盐、钾盐和氟盐)精炼剂10-20wt.％及金属铝2-8wt.％，其中的氮化铝易水解生成氨气、盐类易溶解致土壤、水体及大气污染，其中的铝因自燃性存在安全隐患。二次铝灰因反应性和易燃性被列为hw48危险废物，已成为了铝工业可持续发展的“瓶颈”。
3.国外自1990年代开始对二次铝灰进行产业化研究，berzelius umwelt-service ag采用研磨-筛分-水洗-烘干的湿法工艺回收单质铝，脱氮和脱氯烘干后制备除水泥工业原料，并在德国实现了产业化。随后，爱励铝业、美铝、鲁玛克斯、德国钾肥公、雷诺兹铝业等采用类似的湿法工艺生产氧化物，根据氧化铝含量和市场需求，被资源化利用于水泥、陶瓷、矿棉、耐火材料、炼钢脱氧剂、发热剂等。
4.国内二次铝灰处置或利用分为两个阶段。第一个阶段是2021年之前，二次铝灰主要应用于炼钢脱氧剂、净水剂、水泥添加剂等。第二个阶段是2021年开始，二次铝灰被列为危险废物之后，目前绝大部分仍然处于产废企业堆存，亟需国家认可的绿色资源化技术。二次铝灰绿色资源化研究已成为焦点和热点，主要集中在湿法和火法两种工艺。
5.湿法是通过水洗、蒸发等方式水解氮化铝、吸收氨气并去除可溶性盐类，而后通过酸/碱溶液将铝浸出，浸出液经沉淀、焙烧等制备为最终产品。火法是加入其他原料经高温烧结或熔融处理制成建筑材料或耐火材料。
6.中国发明专利(cn111137912a)公开了一种利用工业废料生产净水剂用铝酸钙原料的方法及设备，该方法通过将铝灰原料、煤矸石、石灰石以及镧系稀土混合配置、制砖成型后，送至机制窑中焙烧，焙烧过程依次包括低温段0-600℃、高温段600-1300℃和中温段600-200℃，焙烧后的产物冷却后，得到净水剂用铝酸钙原料。该专利在制砖工序中产生大量的氨气污染，没有利用氮化铝和铝的还原性，且流程长、设备复杂、生产成本高。
7.中国发明专利(cn110194474b)公开了一种利用铝灰生产聚合氯化铝和铝酸钙的工艺方法，该方法对炒灰后的二次铝灰进行脱氨、脱氟、过滤处理，得滤液和滤渣，滤液为聚合氯化铝溶液，滤渣洗涤至中性后，与钙基辅料混合均匀，烘干后，高温反应，反应完后经冷却、破碎和粉磨处理，得铝酸钙。该专利采用水洗除氮、脱氨、脱氟，产生氨气污染和大量的废水，后续环保处置难度大、处置成本高，没有利用氮化铝和铝的还原性。
8.中国发明专利(cn112723400a)公开了一种低镁铝灰同步活化惰化除杂熔制铝酸钙的方法，中国发明专利(cn112607758a)公开了一种高镁铝灰渣与粉煤灰协同处理制备铝酸钙的方法，中国发明专利(cn112680564a)公开了一种高镁铝灰渣熔制铝酸钙炼钢脱硫剂的方法，上述专利均将铝灰渣与含钙原料混合后利用湿法球磨除氮，而后将球磨物料进行
固液分离，然后进行干燥及焙烧处理，得到铝酸钙系产品。上述专利球磨过程耗时长、效率低；湿法球磨过程产生大量氨气和含氨、氟、氯的污水，环保处置难度大、成本高；没有利用氮化铝和铝的还原性。
9.中国发明专利(cn110182837a)公开了一种利用铝灰生产铝酸钙的方法，将铝灰与氧化钙混料后经电弧炉熔炼、破碎和筛分得到铝酸钙产品。该专利没有利用氮化铝和铝的还原性，未对二次铝灰进行除氮处理，所得铝酸钙产品的氮含量高，易粉化、水解产生氨气污染。
10.现有的二次铝灰处置和资源化利用方法未充分利用二次铝灰的还原性，且在处置或利用过程中未避免氮化铝水解产生氨气的污染，工艺流程长、成本高、不易于工业化。因此，亟需开发一种充分利用二次铝灰的还原性和其中氧化铝的方法，实现二次铝灰危险废物低成本绿色高值化利用。


技术实现要素：

11.本发明的目的是克服现有技术不足，提供一种二次铝灰还原铁矿石制备预熔型铝酸钙和金属铁的方法，将二次铝灰、生石灰及铁矿石粉混合，利用二次铝灰中的氮化铝和金属铝高温还原铁矿石中的铁氧化物，渣金分离后得到预熔型铝酸钙和金属铁。本发明充分利用二次铝灰中的氮化铝和金属铝的还原性，将铁矿石中的铁氧化物还原成金属铁，将氮化铝氧化为氧化铝和氮气、金属铝氧化为氧化铝，避免了氮化铝因水解产生氨气的污染、铝因自燃存在的安全隐患。
12.本发明提供一种二次铝灰还原铁矿石制备预熔型铝酸钙和金属铁的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
13.(1)配料：将二次铝灰、生石灰及铁矿石粉配比、混合得到均匀的混合料；
14.(2)熔融：将所述的混合料升温熔化，二次铝灰中的氮化铝和铝将铁矿石粉还原得到金属铁，生石灰与氧化铝反应得到铝酸钙；
15.(3)渣金分离：熔融的金属铁和铝酸钙分离冷却后得到金属铁和预熔型铝酸钙。
16.进一步地，步骤(1)所述的配比为的二次铝灰25-50份、生石灰28-52份、铁矿石粉10-40份；配比后的物料经混合后，混合料的不均匀性≤5％。
17.进一步地，步骤(2)所述的熔融将混合料加热至1400-1600℃后保温1.0-3.0h，二次铝灰中的氮化铝和铝将铁矿石粉还原得到金属铁，生石灰与氧化铝反应得到铝酸钙。
18.进一步地，步骤(3)所述的渣金分离采用浇铸-冷却法，金属铁密度大在铸模下部凝固，铝酸钙密度小在铸模上部凝固，实现金属铁和预熔型铝酸钙分离。
19.进一步地，步骤(3)所述的渣金分离采用渣金分流铸造凝固，分别得到金属铁和预熔型铝酸钙。
20.本发明的原理有：
21.(1)氮化铝还原铁矿石的原理
22.①
在热力学原理方面
23.氮化铝具有还原性，可以还原铁氧化物(主要为fe3o4和fe2o3)，其氧化还原反应式如(1)和(2)所示，它们的反应吉布斯自由能变(δg)由式(3)计算得出，其中δg为吉布斯自由能变，t是反应温度，δs是反应熵变，δh是反应焓变。式(1)和式(2)的δg与反应温度的
关系如图2所示。由图2可知，式(1)和式(2)在常温到高温阶段的δg均为负值，且随着温度升高，δg负值越大。根据物理化学原理，δg为负值表明反应是可以进行的，δg负值越大，反应就越容易发生。因此，氮化铝还原铁氧化物热力学上是可行的。
24.8aln+3fe3o4＝4al2o3+9fe+4n2(g)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
25.2aln+fe2o3＝al2o3+2fe+n2(g)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
26.δg＝δh-tδs
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
27.②
在动力学原理方面
28.反应式(1)和式(2)对应的化学反应常数k1和k2可分别由式(4)和式(5)表示，其中k1为反应式(1)的化学反应常数，k2为反应式(2)的化学反应常数，c(i)为物质i的活度。
[0029][0030][0031]
反应式(1)和式(2)在实际生产中均为等温等压反应，此时范特霍夫等温公式写作式(6)，其中δg该反应的吉布斯自由能变，δg0是该反应的标准吉布斯自由能变，r是气体常数，t是反应温度，k是反应常数。
[0032]
δg＝δg0+rt ln k
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0033]
当反应平衡时δg＝0，此时δg0＝-rt ln k，由此可由δg0求出对应反应温度下的化学反应常数k。反应式(1)和式(2)在1400-1600℃的化学反应常数如表1所示，其中k1代表反应式(1)的化学反应常数，k2代表反应式(2)的化学反应常数。
[0034]
表1 1400-1600℃氮化铝还原铁氧化物的化学反应常数值
[0035][0036]
一般认为k》105时反应较完全，由表1可知，1400-1600℃时反应(1)和(2)的k均远大于105，因此，氮化铝还原铁氧化物动力学上是可行的。
[0037]
综上，氮化铝还原铁氧化物在热力学和动力学均可行。
[0038]
(2)制备铝酸钙原理
[0039]
二次铝灰中含大量氧化铝和氮化铝，且其中的氮化铝与铁矿石粉反应生成了氧化铝(反应如式(1)、式(2))，通过配入生石灰经熔融生成高附加值的炼钢用预熔型铝酸钙，其化学反应方程式如式(7)。反应式(7)在1400-1600℃的吉布斯自由能变δg均为负值，且化学反应常数k远远大于105，讨论过程与“氮化铝还原铁矿石的原理”相同。因此，利用氧化铝及生石灰制备铝酸钙在热力学及动力学上均可行。
[0040][0041]
(3)渣金分离的原理
[0042]
二次铝灰中的氮化铝和金属铝高温还原铁矿石中的铁氧化物生成金属铁、氧化铝和生石灰反应生成预熔型铝酸钙，金属铁密度约为7.86g/cm3，铝酸钙密度约为3.00g/cm3。
在熔融状态下，金属铁下沉在熔体底部，铝酸钙在熔体上部，由此可通过浇铸-冷却法或渣金分流铸造凝固法来实现渣金分离。
[0043]
(4)降低能耗的原理
[0044]
二次铝灰热值高，约为3000kcal/kg，约电煤的一半。二次铝灰热值包括两部分：一是氮化铝与铁矿石中的铁氧化物所发生的氧化还原产生的热值；二是金属铝与铁氧化物发生铝热反应产生的热值。本发明充分利用了上述热值，极大地降低了能耗。
[0045]
本发明技术关键点在于
[0046]
1、充分利用二次铝灰中的氮化铝和金属铝高温还原铁矿石中的铁氧化物生产金属铁，同时利用二次铝灰中含有的氧化铝及二次铝灰中的氮化铝与铁矿石粉反应生成的氧化铝一起通过配入生石灰经熔融生成高附加值的炼钢用预熔型铝酸钙。
[0047]
2、充分利用氮化铝与铁矿石中的铁氧化物所发生的氧化还原产生的热值和金属铝与铁氧化物发生铝热反应产生的热值同时生产铝酸钙与金属铁，极大的降低了能耗。
[0048]
3、利用氮化铝和铝的还原性生产金属铁，还原金属铁所产生的氧化铝和二次铝灰中原有的氧化铝一起配入生石灰经熔融得到铝酸钙，省去了对二次铝灰进行除氮处理环节，无需水洗除氮工艺，避免了氮化铝因水解产生氨气和含盐废水等污染。
[0049]
4、利用铝酸钙与金属铁密度差异大的特点，在熔融状态下实现了金属铁和铝酸钙分离，熔体采用渣金分流铸造凝固或浇铸-冷却法，分别得到金属铁固体和预熔型铝酸钙固体，无需专用分离设备，简化了两种产品的生产流程。
[0050]
本发明的有益技术效果：
[0051]
(1)利用二次铝灰中的氮化铝和铝将铁矿石中的铁氧化物还原成金属铁，同时氮化铝氧化为氧化铝和氮气、金属铝氧化为氧化铝，产物无污染；
[0052]
(2)二次铝灰中的氧化铝、氮化铝和铝与铁氧化物反应生成的氧化铝，作为预熔型铝酸钙的原料，实现了高值化利用；
[0053]
(3)利用氮化铝的还原性与铁氧化物反应，无需水洗除氮工艺，避免了氮化铝因水解产生氨气和含盐废水等污染；
[0054]
(4)氮化铝及铝与铁氧化物的氧化还原反应为放热反应，实现了二次铝灰热值的充分利用于铝酸钙合成，节能效果显著；
[0055]
(5)利用铝酸钙与金属铁密度差异大的特点，在熔融状态下实现了金属铁和铝酸钙分离，无需专用分离设备；
[0056]
(6)所需的生石灰和铁矿石粉均为大宗工业原料，无原料供应风险；
[0057]
(7)本发明工艺流程短、固定资产投资少、成本低，实现了二次铝灰危险废物低成本绿色高值化利用。
附图说明
[0058]
图1是二次铝灰还原铁矿石制备预熔型铝酸钙和金属的工艺流程图。
[0059]
图2是1mol aln还原fe3o4和fe2o3反应的吉布斯自由能变随温度变化曲线，其中，δg为吉布斯自由能变，单位为kj，t为温度，单位为℃。
具体实施方式
[0060]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0061]
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
[0062]
以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细描述：
[0063]
实例1
[0064]
将31份二次铝灰、45份生石灰及13份铁矿石粉混合，得到不均匀性≤5.0％的混合料。该混合料升温至1440℃保温2.6h，氮化铝和铝将铁矿石粉中的铁氧化物还原得到熔融的金属铁，生石灰与氧化铝反应得到熔融的铝酸钙。熔体采用浇铸-冷却法得到下层为金属铁和上层为预熔型铝酸钙的固体，实现渣金分离。
[0065]
实例2
[0066]
将27份二次铝灰、50份生石灰及22份铁矿石粉混合，得到不均匀性≤5.0％的混合料。该混合料升温至1590℃保温1.1h，氮化铝和铝将铁矿石粉中的铁氧化物还原得到熔融的金属铁，生石灰与氧化铝反应得到熔融的铝酸钙。熔体采用渣金分流铸造凝固，分别得到金属铁固体和预熔型铝酸钙固体。
[0067]
实例3
[0068]
将25份二次铝灰、52份生石灰及18份铁矿石粉混合，得到不均匀性≤5.0％的混合料。该混合料升温至1600℃保温1.0h，氮化铝和铝将铁矿石粉中的铁氧化物还原得到熔融的金属铁，生石灰与氧化铝反应得到熔融的铝酸钙。熔体采用浇铸-冷却法得到下层为金属铁和上层为预熔型铝酸钙的固体，实现渣金分离。
[0069]
实例4
[0070]
将50份二次铝灰、42份生石灰及40份铁矿石粉混合，得到不均匀性≤5.0％的混合料。该混合料升温至1475℃保温2.2h，氮化铝和铝将铁矿石粉中的铁氧化物还原得到熔融的金属铁，生石灰与氧化铝反应得到熔融的铝酸钙。熔体采用渣金分流铸造凝固，分别得到金属铁固体和预熔型铝酸钙固体。
[0071]
实例5
[0072]
将32份二次铝灰、45份生石灰及15份铁矿石粉混合，得到不均匀性≤5.0％的混合料。该混合料升温至1565℃保温1.3h，氮化铝和铝将铁矿石粉中的铁氧化物还原得到熔融的金属铁，生石灰与氧化铝反应得到熔融的铝酸钙。熔体采用浇铸-冷却法得到下层为金属铁和上层为预熔型铝酸钙的固体，实现渣金分离。
[0073]
实例6
[0074]
将48份二次铝灰、29份生石灰及38份铁矿石粉混合，得到不均匀性≤5.0％的混合料。该混合料升温至1485℃保温2.1h，氮化铝和铝将铁矿石粉中的铁氧化物还原得到熔融的金属铁，生石灰与氧化铝反应得到熔融的铝酸钙。熔体采用渣金分流铸造凝固，分别得到金属铁固体和预熔型铝酸钙固体。
[0075]
实例7
[0076]
将41份二次铝灰、36份生石灰及31份铁矿石粉混合，得到不均匀性≤5.0％的混合料。该混合料升温至1520℃保温1.8h，氮化铝和铝将铁矿石粉中的铁氧化物还原得到熔融的金属铁，生石灰与氧化铝反应得到熔融的铝酸钙。熔体采用浇铸-冷却法得到下层为金属铁和上层为预熔型铝酸钙的固体，实现渣金分离。
[0077]
实例8
[0078]
将38份二次铝灰、39份生石灰及27份铁矿石粉混合，得到不均匀性≤5.0％的混合料。该混合料升温至1535℃保温1.6h，氮化铝和铝将铁矿石粉中的铁氧化物还原得到熔融的金属铁，生石灰与氧化铝反应得到熔融的铝酸钙。熔体采用渣金分流铸造凝固，分别得到金属铁固体和预熔型铝酸钙固体。
[0079]
实例9
[0080]
将27份二次铝灰、49份生石灰及21份铁矿石粉混合，得到不均匀性≤5.0％的混合料。该混合料升温至1460℃保温2.4h，氮化铝和铝将铁矿石粉中的铁氧化物还原得到熔融的金属铁，生石灰与氧化铝反应得到熔融的铝酸钙。熔体采用浇铸-冷却法得到下层为金属铁和上层为预熔型铝酸钙的固体，实现渣金分离。
[0081]
实例10
[0082]
将30份二次铝灰、47份生石灰及11份铁矿石粉混合，得到不均匀性≤5.0％的混合料。该混合料升温至1575℃保温1.2h，氮化铝和铝将铁矿石粉中的铁氧化物还原得到熔融的金属铁，生石灰与氧化铝反应得到熔融的铝酸钙。熔体采用渣金分流铸造凝固，分别得到金属铁固体和预熔型铝酸钙固体。
[0083]
实例11
[0084]
将25份二次铝灰、51份生石灰及17份铁矿石粉混合，得到不均匀性≤5.0％的混合料。该混合料升温至1470℃保温2.3h，氮化铝和铝将铁矿石粉中的铁氧化物还原得到熔融的金属铁，生石灰与氧化铝反应得到熔融的铝酸钙。熔体采用浇铸-冷却法得到下层为金属铁和上层为预熔型铝酸钙的固体，实现渣金分离。
[0085]
实例12
[0086]
将31份二次铝灰、46份生石灰及12份铁矿石粉混合，得到不均匀性≤5.0％的混合料。该混合料升温至1570℃保温1.3h，氮化铝和铝将铁矿石粉中的铁氧化物还原得到熔融的金属铁，生石灰与氧化铝反应得到熔融的铝酸钙。熔体采用渣金分流铸造凝固，分别得到金属铁固体和预熔型铝酸钙固体。
[0087]
实例13
[0088]
将28份二次铝灰、48份生石灰及24份铁矿石粉混合，得到不均匀性≤5.0％的混合料。该混合料升温至1455℃保温2.4h，氮化铝和铝将铁矿石粉中的铁氧化物还原得到熔融的金属铁，生石灰与氧化铝反应得到熔融的铝酸钙。熔体采用浇铸-冷却法得到下层为金属铁和上层为预熔型铝酸钙的固体，实现渣金分离。
[0089]
实例14
[0090]
将43份二次铝灰、34份生石灰及33份铁矿石粉混合，得到不均匀性≤5.0％的混合料。该混合料升温至1510℃保温1.9h，氮化铝和铝将铁矿石粉中的铁氧化物还原得到熔融的金属铁，生石灰与氧化铝反应得到熔融的铝酸钙。熔体采用渣金分流铸造凝固，分别得到
金属铁固体和预熔型铝酸钙固体。
[0091]
实例15
[0092]
将30份二次铝灰、46份生石灰及10份铁矿石粉混合，得到不均匀性≤5.0％的混合料。该混合料升温至1445℃保温2.5h，氮化铝和铝将铁矿石粉中的铁氧化物还原得到熔融的金属铁，生石灰与氧化铝反应得到熔融的铝酸钙。熔体采用浇铸-冷却法得到下层为金属铁和上层为预熔型铝酸钙的固体，实现渣金分离。
[0093]
实例16
[0094]
将49份二次铝灰、28份生石灰及39份铁矿石粉混合，得到不均匀性≤5.0％的混合料。该混合料升温至1480℃保温2.2h，氮化铝和铝将铁矿石粉中的铁氧化物还原得到熔融的金属铁，生石灰与氧化铝反应得到熔融的铝酸钙。熔体采用渣金分流铸造凝固，分别得到金属铁固体和预熔型铝酸钙固体。
[0095]
实例17
[0096]
将38份二次铝灰、38份生石灰及26份铁矿石粉混合，得到不均匀性≤5.0％的混合料。该混合料升温至1405℃保温2.9h，氮化铝和铝将铁矿石粉中的铁氧化物还原得到熔融的金属铁，生石灰与氧化铝反应得到熔融的铝酸钙。熔体采用浇铸-冷却法得到下层为金属铁和上层为预熔型铝酸钙的固体，实现渣金分离。
[0097]
实例18
[0098]
将47份二次铝灰、30份生石灰及37份铁矿石粉混合，得到不均匀性≤5.0％的混合料。该混合料升温至1490℃保温2.1h，氮化铝和铝将铁矿石粉中的铁氧化物还原得到熔融的金属铁，生石灰与氧化铝反应得到熔融的铝酸钙。熔体采用渣金分流铸造凝固，分别得到金属铁固体和预熔型铝酸钙固体。
[0099]
实例19
[0100]
将35份二次铝灰、41份生石灰及21份铁矿石粉混合，得到不均匀性≤5.0％的混合料。该混合料升温至1420℃保温2.8h，氮化铝和铝将铁矿石粉中的铁氧化物还原得到熔融的金属铁，生石灰与氧化铝反应得到熔融的铝酸钙。熔体采用浇铸-冷却法得到下层为金属铁和上层为预熔型铝酸钙的固体，实现渣金分离。
[0101]
实例20
[0102]
将36份二次铝灰、41份生石灰及23份铁矿石粉混合，得到不均匀性≤5.0％的混合料。该混合料升温至1545℃保温1.5h，氮化铝和铝将铁矿石粉中的铁氧化物还原得到熔融的金属铁，生石灰与氧化铝反应得到熔融的铝酸钙。熔体采用渣金分流铸造凝固，分别得到金属铁固体和预熔型铝酸钙固体。
[0103]
实例21
[0104]
将26份二次铝灰、51份生石灰及20份铁矿石粉混合，得到不均匀性≤5.0％的混合料。该混合料升温至1595℃保温1.0h，氮化铝和铝将铁矿石粉中的铁氧化物还原得到熔融的金属铁，生石灰与氧化铝反应得到熔融的铝酸钙。熔体采用浇铸-冷却法得到下层为金属铁和上层为预熔型铝酸钙的固体，实现渣金分离。
[0105]
实例22
[0106]
将40份二次铝灰、37份生石灰及30份铁矿石粉混合，得到不均匀性≤5.0％的混合料。该混合料升温至1525℃保温1.7h，氮化铝和铝将铁矿石粉中的铁氧化物还原得到熔融
的金属铁，生石灰与氧化铝反应得到熔融的铝酸钙。熔体采用渣金分流铸造凝固，分别得到金属铁固体和预熔型铝酸钙固体。
[0107]
实例23
[0108]
将29份二次铝灰、48份生石灰及26份铁矿石粉混合，得到不均匀性≤5.0％的混合料。该混合料升温至1580℃保温1.2h，氮化铝和铝将铁矿石粉中的铁氧化物还原得到熔融的金属铁，生石灰与氧化铝反应得到熔融的铝酸钙。熔体采用浇铸-冷却法得到下层为金属铁和上层为预熔型铝酸钙的固体，实现渣金分离。
[0109]
实例24
[0110]
将39份二次铝灰、38份生石灰及29份铁矿石粉混合，得到不均匀性≤5.0％的混合料。该混合料升温至1530℃保温1.7h，氮化铝和铝将铁矿石粉中的铁氧化物还原得到熔融的金属铁，生石灰与氧化铝反应得到熔融的铝酸钙。熔体采用渣金分流铸造凝固，分别得到金属铁固体和预熔型铝酸钙固体。
[0111]
实例25
[0112]
将29份二次铝灰、47份生石灰及25份铁矿石粉混合，得到不均匀性≤5.0％的混合料。该混合料升温至1450℃保温2.5h，氮化铝和铝将铁矿石粉中的铁氧化物还原得到熔融的金属铁，生石灰与氧化铝反应得到熔融的铝酸钙。熔体采用浇铸-冷却法得到下层为金属铁和上层为预熔型铝酸钙的固体，实现渣金分离。
[0113]
实例26
[0114]
将33份二次铝灰、43份生石灰及17份铁矿石粉混合，得到不均匀性≤5.0％的混合料。该混合料升温至1430℃保温2.7h，氮化铝和铝将铁矿石粉中的铁氧化物还原得到熔融的金属铁，生石灰与氧化铝反应得到熔融的铝酸钙。熔体采用渣金分流铸造凝固，分别得到金属铁固体和预熔型铝酸钙固体。
[0115]
实例27
[0116]
将35份二次铝灰、42份生石灰及20份铁矿石粉混合，得到不均匀性≤5.0％的混合料。该混合料升温至1550℃保温1.5h，氮化铝和铝将铁矿石粉中的铁氧化物还原得到熔融的金属铁，生石灰与氧化铝反应得到熔融的铝酸钙。熔体采用浇铸-冷却法得到下层为金属铁和上层为预熔型铝酸钙的固体，实现渣金分离。
[0117]
实例28
[0118]
将26份二次铝灰、50份生石灰及19份铁矿石粉混合，得到不均匀性≤5.0％的混合料。该混合料升温至1465℃保温2.3h，氮化铝和铝将铁矿石粉中的铁氧化物还原得到熔融的金属铁，生石灰与氧化铝反应得到熔融的铝酸钙。熔体采用渣金分流铸造凝固，分别得到金属铁固体和预熔型铝酸钙固体。
[0119]
实例29
[0120]
将37份二次铝灰、40份生石灰及25份铁矿石粉混合，得到不均匀性≤5.0％的混合料。该混合料升温至1540℃保温1.6h，氮化铝和铝将铁矿石粉中的铁氧化物还原得到熔融的金属铁，生石灰与氧化铝反应得到熔融的铝酸钙。熔体采用浇铸-冷却法得到下层为金属铁和上层为预熔型铝酸钙的固体，实现渣金分离。
[0121]
实例30
[0122]
将34份二次铝灰、42份生石灰及19份铁矿石粉混合，得到不均匀性≤5.0％的混合
料。该混合料升温至1425℃保温2.7h，氮化铝和铝将铁矿石粉中的铁氧化物还原得到熔融的金属铁，生石灰与氧化铝反应得到熔融的铝酸钙。熔体采用渣金分流铸造凝固，分别得到金属铁固体和预熔型铝酸钙固体。
[0123]
实例31
[0124]
将36份二次铝灰、40份生石灰及22份铁矿石粉混合，得到不均匀性≤5.0％的混合料。该混合料升温至1415℃保温2.8h，氮化铝和铝将铁矿石粉中的铁氧化物还原得到熔融的金属铁，生石灰与氧化铝反应得到熔融的铝酸钙。熔体采用浇铸-冷却法得到下层为金属铁和上层为预熔型铝酸钙的固体，实现渣金分离。
[0125]
实例32
[0126]
将28份二次铝灰、49份生石灰及23份铁矿石粉混合，得到不均匀性≤5.0％的混合料。该混合料升温至1585℃保温1.1h，氮化铝和铝将铁矿石粉中的铁氧化物还原得到熔融的金属铁，生石灰与氧化铝反应得到熔融的铝酸钙。熔体采用渣金分流铸造凝固，分别得到金属铁固体和预熔型铝酸钙固体。
[0127]
实例33
[0128]
将46份二次铝灰、31份生石灰及36份铁矿石粉混合，得到不均匀性≤5.0％的混合料。该混合料升温至1495℃保温2.0h，氮化铝和铝将铁矿石粉中的铁氧化物还原得到熔融的金属铁，生石灰与氧化铝反应得到熔融的铝酸钙。熔体采用浇铸-冷却法得到下层为金属铁和上层为预熔型铝酸钙的固体，实现渣金分离。
[0129]
实例34
[0130]
将44份二次铝灰、33份生石灰及34份铁矿石粉混合，得到不均匀性≤5.0％的混合料。该混合料升温至1505℃保温1.9h，氮化铝和铝将铁矿石粉中的铁氧化物还原得到熔融的金属铁，生石灰与氧化铝反应得到熔融的铝酸钙。熔体采用渣金分流铸造凝固，分别得到金属铁固体和预熔型铝酸钙固体。
[0131]
实例35
[0132]
将34份二次铝灰、43份生石灰及18份铁矿石粉混合，得到不均匀性≤5.0％的混合料。该混合料升温至1555℃保温1.4h，氮化铝和铝将铁矿石粉中的铁氧化物还原得到熔融的金属铁，生石灰与氧化铝反应得到熔融的铝酸钙。熔体采用浇铸-冷却法得到下层为金属铁和上层为预熔型铝酸钙的固体，实现渣金分离。
[0133]
实例36
[0134]
将37份二次铝灰、39份生石灰及24份铁矿石粉混合，得到不均匀性≤5.0％的混合料。该混合料升温至1410℃保温2.9h，氮化铝和铝将铁矿石粉中的铁氧化物还原得到熔融的金属铁，生石灰与氧化铝反应得到熔融的铝酸钙。熔体采用渣金分流铸造凝固，分别得到金属铁固体和预熔型铝酸钙固体。
[0135]
实例37
[0136]
将42份二次铝灰、35份生石灰及32份铁矿石粉混合，得到不均匀性≤5.0％的混合料。该混合料升温至1515℃保温1.8h，氮化铝和铝将铁矿石粉中的铁氧化物还原得到熔融的金属铁，生石灰与氧化铝反应得到熔融的铝酸钙。熔体采用浇铸-冷却法得到下层为金属铁和上层为预熔型铝酸钙的固体，实现渣金分离。
[0137]
实例38
[0138]
将45份二次铝灰、32份生石灰及35份铁矿石粉混合，得到不均匀性≤5.0％的混合料。该混合料升温至1500℃保温2.0h，氮化铝和铝将铁矿石粉中的铁氧化物还原得到熔融的金属铁，生石灰与氧化铝反应得到熔融的铝酸钙。熔体采用渣金分流铸造凝固，分别得到金属铁固体和预熔型铝酸钙固体。
[0139]
实例39
[0140]
将33份二次铝灰、44份生石灰及16份铁矿石粉混合，得到不均匀性≤5.0％的混合料。该混合料升温至1560℃保温1.4h，氮化铝和铝将铁矿石粉中的铁氧化物还原得到熔融的金属铁，生石灰与氧化铝反应得到熔融的铝酸钙。熔体采用浇铸-冷却法得到下层为金属铁和上层为预熔型铝酸钙的固体，实现渣金分离。
[0141]
实例40
[0142]
将39份二次铝灰、37份生石灰及28份铁矿石粉混合，得到不均匀性≤5.0％的混合料。该混合料升温至1400℃保温3.0h，氮化铝和铝将铁矿石粉中的铁氧化物还原得到熔融的金属铁，生石灰与氧化铝反应得到熔融的铝酸钙。熔体采用渣金分流铸造凝固，分别得到金属铁固体和预熔型铝酸钙固体。
[0143]
实例41
[0144]
将32份二次铝灰、44份生石灰及14份铁矿石粉混合，得到不均匀性≤5.0％的混合料。该混合料升温至1435℃保温2.6h，氮化铝和铝将铁矿石粉中的铁氧化物还原得到熔融的金属铁，生石灰与氧化铝反应得到熔融的铝酸钙。熔体采用浇铸-冷却法得到下层为金属铁和上层为预熔型铝酸钙的固体，实现渣金分离。

技术特征：
1.一种二次铝灰还原铁矿石制备预熔型铝酸钙和金属铁的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)配料：将二次铝灰、生石灰及铁矿石粉配比、混合得到均匀的混合料；(2)熔融：将所述的混合料升温熔化，二次铝灰中的氮化铝和铝将铁矿石粉还原得到金属铁，生石灰与氧化铝反应得到铝酸钙；(3)渣金分离：熔融的金属铁和铝酸钙分离冷却后得到金属铁和预熔型铝酸钙。2.根据权利要求1所述的一种二次铝灰还原铁矿石制备预熔型铝酸钙和金属铁的方法，其特征在于，步骤(1)所述的配比为的二次铝灰25-50份、生石灰28-52份、铁矿石粉10-40份；配比后的物料经混合后，混合料的不均匀性≤5.0％。3.根据权利要求1所述的一种二次铝灰还原铁矿石制备预熔型铝酸钙和金属铁的方法，其特征在于，步骤(2)所述的熔融将混合料加热至1400-1600℃后保温1.0-3.0h，二次铝灰中的氮化铝和铝将铁矿石粉还原得到金属铁，生石灰与氧化铝反应得到铝酸钙。4.根据权利要求1所述的一种二次铝灰还原铁矿石制备预熔型铝酸钙和金属铁的方法，其特征在于，步骤(3)所述的渣金分离采用浇铸-冷却法，金属铁密度大在铸模下部凝固，铝酸钙密度小在铸模上部凝固，实现金属铁和预熔型铝酸钙分离。5.根据权利要求1所述的一种二次铝灰还原铁矿石制备预熔型铝酸钙和金属铁的方法，其特征在于，步骤(3)所述的渣金分离采用渣金分流铸造凝固，分别得到金属铁和预熔型铝酸钙。

技术总结
本发明公开了一种二次铝灰还原铁矿石制备预熔型铝酸钙和金属铁的方法，属于固废资源化领域。该方法将二次铝灰、生石灰及铁矿石粉混合，利用二次铝灰中的氮化铝和金属铝高温还原铁矿石中的铁氧化物，渣金分离后得到预熔型铝酸钙和金属铁。本发明充分利用二次铝灰中的氮化铝和金属铝的还原性，将铁矿石中的铁氧化物还原成金属铁，将氮化铝氧化为氧化铝和氮气、金属铝氧化为氧化铝，避免了氮化铝因水解产生氨气的污染、铝因自燃存在的安全隐患。本发明充分利用了二次铝灰具有还原性和氧化铝含量高的特点，实现了二次铝灰高值化利用，具有无污染、流程短、成本低、易于工业化的优点。易于工业化的优点。易于工业化的优点。


技术研发人员：张深根 王建文 沈汉林 刘波
受保护的技术使用者：北京科技大学
技术研发日：2021.11.24
技术公布日：2022/3/7