摘要
辽宁地区是国家主要的硼矿基地。硼矿主要有硼镁石矿和硼铁矿。目前，硼含量较高的高品位硼镁石矿由于长期的开采，已近枯竭。而硼铁矿由于三氧化二硼品位偏低，含铁成分高，不利于现有生产线的单一提硼的生产等多种原因，没有得到充分的利用。因此，综合处理低品位的硼铁矿的新工艺和新技术，对硼铁矿进行综合利用具有重要的实际意义和应用价值。 本文首先设计了硼铁矿硫酸铵焙烧-水浸的工艺流程。硫酸铵焙烧硼铁矿提取铁、铝、镁生成可溶于水的硫酸盐，与不溶于水的二氧化硅分离。调整溶液的pH值，最终制得羟基氧化铁、氢氧化铝、铝酸三钙、氢氧化镁、硼酸铵等产品。 其次又设计了硫酸铵和烧碱分别焙烧硼精矿的工艺流程。氢氧化钠焙烧硼精矿提取溶于水的硅酸钠和偏硼酸钠，与不溶于水的氧化铁和氧化镁分离。采用碳分法处理碱硅液得到产品二氧化硅和硼砂产品。硫酸铵浸出脱硅渣，分离提取镁、铁，制备碳酸镁和氧化铁产品。 本文的创新性是通过硫酸铵和烧碱两种焙烧工艺将硼铁矿、硼精矿的有价组元分离提取出来。硫酸铵、烧碱等化工原料循环利用，实现了矿产资源综合利用。 研究得到了以下结论。 (1)硫酸铵焙烧硼铁矿过程中，通过单因素实验和正交实验，得出硫酸铵焙烧硼铁矿提取铁、铝、镁的优化工艺条件为:焙烧温度450 ℃，焙烧时间120min,铵矿比3∶1,矿粉粒度小于80 μm。按优化工艺条件进行实验得到铁、铝、镁的提取率都可达到98％以上。硫酸铵焙烧硼铁矿符合有固体产物层的收缩未反应核模型，受内扩散控制。铁、铝、镁的表观活化能分别为18.582 kJ·mol-1,17.73 kJ·mol-1,19.11 kJ·mol-1。铁、铝、镁焙烧的动力学方程分别为: 1-2/3α-(1-α)2/3=0.05225exp(-18582/RT)t 1-2/3α-(1-α)2/3=0.03781exp(-17735/R7)t 1-2/3α-(1-α)2/3=0.04670exp(-19114/RT)t (2)硼铁矿焙烧硫酸铵熟料水溶出过程中，在单因素实验和正交实验，得到优化的工艺条件为:溶出温度60 ℃，溶出时间60 min,液固比为3∶1，搅拌强度为400 r·min-1。按优化的工艺条件进行实验得到铁、铝、镁的溶出率都可达到98％以上。硼铁矿硫酸铵焙烧熟料水溶出过程受外扩散控制，铁、铝、镁的表观活化能分别为7.25kJ·mol-1，5.33 kJ·mol-1,8.20kJ·mol-1。铁、铝、镁溶出的动力学方程分别为: 1-(1-α)2/3=0.2103 exp(-7253/RT)t 1-(1-α)2/3=0.1017 exp(-5326/RT)t 1-(1-α)2/3=0.3425 exp(-8202/RT)t (3)以上述制得硫酸镁溶液为原料，采用碳碱法制备微米级碳酸镁粉体。通过单因素实验得出工艺条件是:硫酸镁的初始浓度为1.0mol·L-1,反应温度为55 ℃，反应时间为50 min,pH值为10.5,得到微米级碳酸镁粉体。 (4)通过单因素实验和正交实验研究硫酸铵焙烧硼精矿，得到硫酸铵焙烧硼精矿提取铁、铝、镁和硼的优化工艺条件为:焙烧温度450 ℃,焙烧时间120min,铵矿比3∶1,矿粉粒度小于80 μm。硫酸铵焙烧硼精矿符合有固体产物层的收缩未反应核模型，受内扩散控制。铁、铝、镁和硼的表观活化能分别为17.10 kJ·mol-1、17.85 kJ·mol-1、19.79 kJ·mol-1和29.71 kJ·mol-1。其相应的动力学方程表达式为: 1-2/3α-(1-α)2/3=0.0338exp(-17 100/RT)t 1-2/3α-(1-α)2/3=0.0392exp(-17850/R T)t 1-2/3α-(1-α)2/3=0.0339exp(-19790/RT)t 1-2/3α-(1-α)2/3=0.3265exp(-29710/RT)t (5)碱焙烧硼精矿过程中，通过单因素和正交试验结果得到其最佳工艺条件为:焙烧温度550 ℃、焙烧时间60min、碱矿比3∶1。碱焙烧硼精矿符合有固体产物层的收缩未反应核模型，受内扩散速率控制。其表观活化能为13.47kJ·mol-1,动力学方程为: 1-2/3α-(1-α)2/3=1.428×10-2exp(-13470/RT)t (6)烧碱焙烧硼精矿的熟料水溶出得到含硼的硅酸钠溶液，采用碳分法制备二氧化硅，分步结晶得到硼砂。优化碳分工艺条件为:反应温度90 ℃、pH值9.5～10、搅拌强度 250 r·min-1～300 r·min-1、二氧化碳的流量为 1 L·min-1。 (7)对碳分后得到的碳酸钠溶液进行苛化。实验研究了苛化温度、碳酸钠浓度、苛化时间及Na2CO3与CaO的摩尔比对苛化率的影响。结果表明，苛化温度90 ℃,时间 10min，n(Na2CO3)∶n(CaO)=1∶5,Na2CO3浓度为 120 g·L-1。其苛化率可达到 90％以上。 (8)实验研究了硫酸铵溶液浸出提硅后的滤渣。优化工艺条件为:浸出温度100 ℃、浸出时间90min、配料比2.4∶1、液固比16∶1，镁的浸出率为74.02％;利用优化的工艺条件，采用5级逆流浸出，镁的浸出率提高到85％以上。
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