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本研究为国家自然科学基金委国家杰出青年科学基金“矿物工程与物质分离科学”项目(批准号：50725416)资助课题。高铝铁矿是一类典型的难处理矿石,采用常规选矿工艺难以有效实现铝铁分离。为实现高铝铁矿资源的综合利用,本文以印尼某铁矿石为对象,系统研究了其物理化学特性及工艺矿物学特征；在探索试验基础上,针对该资源铁铝嵌布紧密的特点,研究了钠化还原焙烧过程中铁、铝、硅氧化物的热力学行为及条件；采用纯物质为原料进一步研究了钠化还原过程中铁、铝、硅氧化物的反应历程,建立了铁、铝、硅组分分离行为基础；通过深入研究焙烧球团的微观结构、还原气氛下钠盐的熔融特性及在钠盐存在条件下铁氧化物还原动力学,揭示了钠化还原焙烧过程中铁、铝、硅矿物分离的微观机制,阐明了不同钠盐对铝铁分离的作用机理,在此基础上开发了基于还原法的铝铁分离新工艺,形成高铝铁矿石铝铁分离技术原型。1、原料物化性能研究试验所用原料铁品位为48.92%,Al2O3和Si02含量分别为8.16%、4.24%。铁矿物以赤铁矿和针铁矿为主；脉石矿物主要是三水铝石、石英及硅酸盐类粘土矿物。原矿中占总铝含量40.44%的铝以类质同像形式存在于铁矿物中,硅酸盐矿物与铁矿物交生镶嵌,形成矿石内部铁、铝、硅矿物复杂的嵌布关系,采用常规选矿方法难以有效脱除铁矿中的Al2O3和Si02。2、热力学研究(1)固体碳还原铁氧化物,当T>968K,CO%>59.1％时,铁氧化物可被还原为金属铁。还原过程中FeO、SiO2、Al2O3三者之间将发生固相反应,生成铁橄榄石、FeO·Al203及Al2O3·Si02。固体碳还原FeO·Al203的开始温度为1190K,添加硫酸钠后开始还原温度为1010K,添加碳酸钠后开始还原温度为1080K。(2)氧化气氛下Al2O3、8iO2很难与硫酸钠自发反应,还原气氛下Al2O3、Si02均优先与钠盐反应生成铝硅酸钠,Al2O3和Si02与Na2CO3开始反应的最低温度为275K,与Na2SO4开始反应的最低温度为500K。同时,添加硫酸钠还原时,FeS及Na2S能自发生成,Na2SO4被还原为S的最低温度为690K。(3)根据各反应△G大小可知,当1000K<T<1500K时,碳酸钠存在的还原体系各物质生成的优先顺序为：Na2O·Al203·6 Si02>Na2O·Al2O3·4Si02>Na2O·2Si02>Na2O·SiO2>NaAlO2>2Na2O·Si02；硫酸钠存在的还原体系各物质生成的优先顺序为：Na20·Al203·6SiO2>Na20·Al2O3·4SiO2>Na20·2SiO2>Na2O·Si02>2Na2O·Si02>NaAlO2。3、纯物质体系还原焙烧过程中各组分物相变化研究(1)在Fe2O3-Al2O3-SiO2-Na2SO4体系,600℃-700℃时,铁的物相为Fe3C、Fe1-xS和NaFeS2；800℃-1000℃时,铁的物相为Fe和NaFeS2；1150℃时铁的物相为FeO、Fe、NaFeS2和NaFe3Si2O6；1250℃时铁的物相为FeO、Fe、NaFeS2和(Fe0.88Al0.12)(Al1.88Fe0.12)O4。SiO2、Al2O3在700℃与硫酸钠反应生成铝硅酸钠。(2)在Fe2O3-Al2O3-SiO2-Na2CO3体系,400℃-700℃时,铁的物相为Fe3C、FeO和Fe3O4；800℃-1100℃时,铁的物相为Fe。SiO2与Al2O3在550℃时反应生成Al2O3·SiO2,同时铝硅酸钠开始大量生成。(3)在Fe2O3-SiO2-Na2SO4体系,600℃时,铁的物相有Fe3C、FeO、FeS、NaFeS2；740℃时铁的物相有FeO、Fe和FeS；800℃时铁的物相为FeO、Fe、FeS和NaFeO2.35Si0.175；900℃-1000℃时铁的物相是FeO和Fe；1100℃铁的物相为FeO、Fe、FeO·SiO2和Fe2SiO4。SiO2在800℃时与铁、钠反应生成NaFeO2.35Si0.175,900℃时与硫酸钠反应生成Na2Si2O5,1100℃时与FeO反应生成硅酸铁。(4)在Fe2O3-Al2O3-Na2SO4体系,600℃-700℃时,铁的物相以Fe3C、Fe3O4和NaFeS2为主,800℃-1100℃时,铁的物相以Fe和NaFeS2为主。Al2O3与硫酸钠在740℃时开始反应生成铝酸钠。4、还原焙烧过程中铁、铝、硅矿物分离的微观机制研究(1)物相研究表明,高铝铁矿石不添加钠盐还原焙烧,铁氧化物部分被还原成无磁性的γ-Fe,难以通过磁选回收；添加钠盐后,铁氧化物的还原得到改善,脉石矿物Al2O3、SiO2与钠盐发生反应生成铝硅酸钠。(2)还原球团显微结构研究表明,不添加钠盐还原,大部分铁矿物与铝、硅矿物结合紧密；碳酸钠能促进铁氧化物的还原,但是铁晶粒数目多、粒度小,与脉石矿物铝硅酸钠结合较紧密；添加硫酸钠还原,铁晶粒与脉石矿物界限分明；硼砂能促进铁晶粒沿边界析出连接长大,使得铁晶粒间相互连接成一个整体。(3)还原气氛钠盐熔融性质研究表明,硫酸钠存在的还原体系将新生成S、Na2S、FeS等物质,在局部形成液相,为铁离子的扩散提供通道。而碳酸钠存在的还原体系,铁离子的迁移只能通过固相扩散进行,迁移阻力较大,因此铁晶粒与脉石矿物的界限不及添加硫酸钠时分明。(4)硫酸钠和碳酸钠均能显著提高铁矿石的还原速率,在还原初期,添加碳酸钠还原速率较硫酸钠要慢。因此,碳酸钠存在的还原体系,在还原初期,一方面,铁氧化物的还原速度较硫酸钠慢,另一方面,碳酸钠与铝、硅矿物反应温度低,速度快,铝硅酸钠的快速生成成为铁离子迁移的壁垒,铁离子扩散的势垒增大,不利于铁晶粒长大及其与脉石矿物的分离。5、高铝铁矿石钠化还原铝铁分离新工艺研究(1)钠化还原-磨矿磁选工艺能有效实现铝铁分离,在硫酸钠用量12%,硼砂用量2.5%,焙烧温度1050℃,焙烧时间60min,磨矿细度-0.074mm粒级占98%,磨矿浓度50%,磁场强度675mT的条件下,可获得铁品位91.00%,Al2O3含量1.36%的金属铁粉,铁的回收率为91.58%,铝的脱除率为90.47%。(2)在钠化还原焙烧过程中,铁氧化物被还原成金属铁,大部分铝、硅矿物与硫酸钠反应生成不溶于水的铝硅酸钠,经磁选后进入非磁性物中,从而实现了铝铁的高效分离。(3)钠化还原法所得金属铁粉经过进一步处理后可用于电炉炼钢,非磁性物可综合回收铝、硅、钠、铬等有价元素,从而实现资源的综合利用。