随着我国铝土矿品位的持续降低,利用传统拜耳法处理低品位铝土矿造成的资源浪费问题日益突出,开发高效低耗生产氧化铝的新流程和新工艺,已经成为中国氧化铝工业必须解决的重要问题之一。本文在钙铁榴石一步碱热法处理低品位铝土矿新工艺的基础上,以化学试剂为原料,利用XRF、XRD、SEM-EDS、FT-IR和粒度分析等多种现代测试手段系统研究了高分子比铝酸钠溶液体系铝酸三钙的生成过程,微观组织形态和生成动力学及其在碳酸钠溶液中的溶出行为,建立了铝酸三钙生成及溶出技术的理论基础和工艺调控机制。获得的主要结论如下:采用单因素控制变量法研究了分子比为5的铝酸钠溶液中铝酸三钙的生成行为。在物料配比C/A(CaO与Al2O3的质量比)=1.0~1.6范围内,产物中铝酸三钙的相对含量随C/A的提高呈先下降后不变的趋势,C/A从1.4提高到1.6时,铝酸三钙晶体的(211)、(611)晶面向(420)、(521)晶面转化,铝酸三钙的整体含量不变;反应温度在60~95℃范围内,合成产物的物相组成变化不大,主要产物为铝酸三钙,其次为碳酸钙、氢氧化钙,80℃时铝酸三钙的相对含量最高;反应时间在0.5~4h范围内,铝酸三钙的相对含量先增大后不变,产物中铝酸三钙的相对含量在t=2 h时最大,为92.1%,继续延长反应时间,铝酸三钙的含量变化不大。最终确定高分子铝酸钠溶液铝酸三钙合成的最佳工艺条件为:C/A=1.4(石灰添加量,氧化钙与氧化铝质量的比值),苛碱浓度为265 g·L-1,分子比αK=5,反应温度T=80℃,反应时间t=2 h,固相中铝酸三钙相对含量为92.1%。分别研究了含有碳酸根或硅酸根离子的铝酸钠溶液中铝酸三钙的生成行为。随着溶液中碳碱浓度的升高,产物中碳酸钙的相对含量明显增多;溶液中二氧化硅含量在0~2g·L-1范围内,会对合成产物的含量和质量产生影响。因此在实际生产中需要严格控制铝酸钠溶液中的碳碱浓度和二氧化硅浓度。系统研究了铝酸三钙生成动力学及其机理,并结合粒度、晶体结构、微观形貌等变化阐述了其析出过程中各物相的演变行为。铝酸三钙生成过程主要经历了氢氧化钙生成和铝酸三钙形核长大两个过程。随着反应时间的延长,水合铝酸三钙的结晶度、含量不断增大。铝酸三钙生成动力学计算表明生成过程受未反应收缩核模型控制,反应活化能为6.03 kJ·mol-1,动力学经验方程为1-2a/3-(1-a)2/3=110.6r0.4texp(-6030.7/RT)。最后研究了铝酸三钙在含碳酸钠的铝酸钠溶液中的溶出行为。水合铝酸三钙具有良好的活性,极易被碳酸钠溶液分解,从而使氧化铝进入到溶液,实现氧化铝的高效提取。碳碱浓度的增大有利于提高溶出率,降低溶出产物的平均粒径;分子比对铝酸三钙的溶出率和平均粒径影响不大;随着溶出时间的延长和溶出温度的升高,平均粒径逐渐减小。最终确定铝酸三钙溶出的工艺条件:碳碱浓度为145 g·L-1、苛碱浓度(溶液中氧化钠浓度)14 g·L-1、αK=2.22(αK=CNK/CAo×1.645)、L/S=5,温度为180℃,分解时间t=1 h。此时,铝酸三钙的溶出率能够达到92%,溶出后固体产物为立方结构碳酸钙,粒度分布均匀。