1. 引言
赤泥就是所谓的铝土矿渣，它是从含铝的铝土矿的碱性高压浸出液固液分离后得到的固态物，由于其赤铁矿含量高，铝土矿渣的颜色偏红，因此被称作赤泥。根据主要矿床的矿物含量组分，一般需要4~7吨铝土矿以获得2吨氧化铝以生产1吨铝 [1]。每吨生铝产生1~2.5吨赤泥 [2]。常见赤泥中主要的相包括有铁化合物，如赤铁矿或针铁矿，可以通过碳热还原容易地回收 [3]。铝土矿的通常颜色是粉红色，但是如果铁含量较低，它可能会变成带白色的颜色，随着铁的增加，它会变成红棕色 [4]。
据估计，全球每年产生的赤泥达7000万吨，其中希腊有70万吨，印度200万吨 [5]，澳大利亚3000万吨 [6]，中国近3000万吨 [7]。大量的赤泥的处置引起了严重的环境问题，包括土壤污染、地下水污染和悬浮在海洋中的细小颗粒。此外，在湖泊或池塘中储存的赤泥占用了大面积的土地，而且储存干燥的赤泥也会导致粉尘污染。赤泥中含有可提取利用的氧化物和多种有用金属元素，成为其再生利用的基础，同时具有矿物含量较高、颗粒分散性好、比表面积大、在溶液中稳定性好等特点，在环境修复领域具有广阔的应用前景。
X射线衍射物相分析结果表明，赤泥中含有赤铁矿和针铁矿、一水硬铝石、水化石榴石、含水硅铝酸钠、氢氧化钙、方解石等物相，其中赤铁矿和水化石榴石含量较高。广西平果铝赤泥的X射线衍射物相分析显示，构成赤泥的主要矿物为硅酸钙、铝酸钙及碳酸钙，此外还伴存少量水合硅铝酸钠、水合氧化铁及铁铝酸四钙等矿物 [8]。
赤泥中含有多种可再生利用的氧化物和有用金属元素，这成为赤泥再生利用的基础。利用赤泥中含有较高的CaO、SiO2，可生产硅酸盐水泥及一些专用水泥；利用它的SiO2、Al2O3、CaO、MgO含量特征及少量的TiO2、MnO、Cr2O3，可以生产特种玻璃；同时，赤泥中含有丰富的铁、钪、钛等有用金属元素 [9]。对赤泥的处理有一个重要的方向，就是实现对赤泥中的有价元素例如铁的回收和开发，而这个过程所面临的一个难题就是如何把赤泥制作成符合高温还原要求的赤泥球团 [10] [11]。
本文在赤泥中添加(外配)不同含量的水玻璃、水、水泥、碳，原料经过混合后，使用对辊压球机压制成冷固结球团，进行了4因素3水平的正交试验。本文利用正交试验去研究球团的性质，期望获得高强度的赤泥球团。通过对抗压强度的极差分析和落下强度的实验分析，为研究赤泥球团的力学性能提供理论指导，为工厂生产提供依据。
2. 实验材料与过程
2.1. 实验设备
X射线衍射(XRD)使用的设备为日本理学Rigaku D/MAX 2500V型X射线衍射仪。压球使用的设备为河南华意机器制造有限公司生产的压球机，型号：290。球团抗压强度测试使用的是深圳三思纵横公司生产的电子万能试验机，型号：UTM5105。
2.2. 实验材料
实验研究的是广西平果铝的拜耳法赤泥经磁选得到的含铁量较低的那部分产物。采用X射线衍射(XRD)对赤泥中的物相进行了分析，结果如图1所示。可见赤泥中含有以下物相：赤铁矿，加藤石，钙霞石。
Figure 1. The XRD pattern of the red mud
图1. 赤泥的XRD图谱
在本实验中，为了提高球团的强度，使用了多种粘结剂，包括：水泥、水玻璃。其中水泥是海螺牌水泥。本实验配制球团使用的碳为焦粉，加入碳的原因并不是为了做粘结剂，而是做球团中铁的还原剂。
2.3. 实验过程
2.3.1. 用压球机制造生球团
压球使用的是河南华意牌的压球机，具体的压球步骤和过程如下：
1) 制定正交试验方案。
2) 计算称量试验样品，本试验用到了赤泥，水，水玻璃，焦粉，水泥。
3) 混料。压球的第一步就是把试验所用到的试验原料先均匀混合，这个步骤一般都在混料桶内进行，大约混合5~10 min。
4) 压球。压球时倒入原料的速度为：5 kg/2s~4s，倒料的速度太慢，则压不出好的球团，倒料的速度太快，则有可能损坏压球机的对辊，减少压球机的寿命。
2.3.2. 用万能试验机测球团强度
使用万能试验机来检测球团的抗压强度。实验步骤如下：
1) 取样。为了减少试验误差，每一次取同一个试验成分的球团5个，分别测试5个球团的强度，再取平均值。
2) 测试。万能试验机加载速度为10 mm/min。
3) 计算球团抗压强度平均值。
为了探明随着时间变化，影响球团强度的因素，分别检测了球团放置24 h，48 h，72 h，120 h，168 h后的抗压强度。
2.3.3. 测量球团的落下强度
我们测量球团的落下强度，是把球团样品从500 mm高的平台上，让球团无初速度掉落到钢板上，直到剩余的球团质量为原始球团质量的1/2以下为止，然后记录球团的落下次数。实验一共选取了5个实验样品，并分别测量它们的落下次数，最后取平均值。
3. 实验结果与分析
3.1. 极差分析法分析球团抗压强度
利用正交试验获得的生球团，分别测试球团静置24 h，48 h，72 h，120 h，168 h后的抗压强度，用来测试球团随着时间变化，其硬度的变化情况，并分清球团抗压强度的主要影响因素。关于水玻璃，水，水泥和碳的4因素3水平的正交试验，其具体参数如表1所示。
3.1.1. 球团静置24 h后抗压强度
表1是球团静置24 h后的抗压强度数据以及利用极差分析法分析所得到的数据。试验数据表明：1) 各个因素对球团24 h抗压强度的影响的大小顺序为：水玻璃 > 水泥 > 水 > 碳；2) 24 h球团最佳抗压强度的最优配方组合为：6%的水玻璃 + 15%的水 + 6%的水泥 + 12%的碳。
Table 1. The orthogonal experimental design and result of pellets with 24 h
表1. 24 h球团正交试验设计及结果
3.1.2. 球团静置48 h后抗压强度
表2是球团48 h的抗压强度数据以及利用极差分析法分析所得到的数据。试验数据表明：1) 各个因素对球团48 h抗压强度的影响的大小顺序为：水玻璃 > 水 > 碳 > 水泥。2) 48 h球团最佳抗压强度的最优配方组合为：6%水玻璃 + 12%水 + 9%水泥 + 6%碳。
Table 2. The orthogonal experimental result of pellets with 48 h
表2. 48 h球团正交试验结果
3.1.3. 球团静置72 h后抗压强度
表3是压球第三天72 h的试验数据及极差分析法分析所获得的数据，结果表明：1) 各个因素对球团72 h抗压强度的影响的大小顺序为：水玻璃 > 水泥 > 水 > 碳。2) 72 h球团最佳抗压强度的最优配方组合为：6%的水玻璃 + 12%的水 + 9%的水泥 + 6%的碳。
Table 3. The orthogonal experimental result of pellets with 72 h
表3. 72 h球团正交试验结果
3.1.4. 球团静置120 h后抗压强度
表4是压球第5天120 h的试验数据，结果表明：1) 各个因素对球团120 h抗压强度的影响的大小顺序为：水玻璃 > 碳 > 水泥 > 水。2) 120 h球团最佳抗压强度的最优配方组合为：6%水玻璃 + 12%水 + 9%水泥 + 6%碳。
Table 4. The orthogonal experimental result of pellets with 120 h
表4. 120 h球团正交试验结果
3.1.5. 球团静置168 h后抗压强度
表5是压球第7天168 h的试验数据，结果表明：1) 各个因素对球团168 h抗压强度的影响的大小顺序为：水玻璃 > 碳 > 水泥 > 水。2) 168 h球团最佳抗压强度的最优配方组合为：6%水玻璃 + 12%水 + 9%水泥 + 6%碳。
Table 5. The orthogonal experimental result of pellets with 168 h
表5. 168 h球团正交试验结果
3.2. 落下强度分析
表6是实验测量得到的赤泥球团静置168 h后的落下强度数据和使用极差分析法得到的数据结果。结果表明：
1) 各个因素对球团168 h落下强度的影响的大小顺序为：水 > 水玻璃 > 水泥 > 碳。
2) 每个因素各水平对目标函数影响的好坏顺序分别是(根据它们的水平平均值)：
水玻璃——3水平最好，2水平次之，1水平最差；
水——3水平最好，2水平次之，1水平最差；
水泥——1水平最好，2水平次之，3水平最差；
碳——1水平最好，2水平次之，3水平最差。
3) 168 h球团最佳落下强度的最优配方组合为：6%的水玻璃 + 15%的水 + 3%的水泥 + 6%的碳。
Table 6. Analysis of drop times data measured at 168 h of orthogonal pellets
表6. 正交球团168 h所测得的落下次数数据分析
4. 结论
1) 通过水玻璃、水分、水泥、还原剂焦粉的4因素3水平的正交试验，得到影响球团抗压强度的大小顺序为：水玻璃 > 水泥 > 水 > 碳(24 h)；水玻璃 > 水 > 碳 > 水泥(48 h)；水玻璃 > 水泥 > 水 > 碳(72 h)；水玻璃 > 碳 > 水泥 > 水(120 h)；水玻璃 > 碳 > 水泥 > 水(168 h)。综合来看，水玻璃对球团抗压强度影响较大，水对球团抗压强度影响较小。
2) 放置7天的球团，抗压强度最优试验参数组合为：质量分数为6%的水玻璃 + 质量分数为12%的水 + 质量分数为9%的水泥 + 质量分数为6%的碳。
3) 通过水玻璃、水分、水泥、还原剂焦粉的4因素3水平的正交试验，得到影响球团落下强度的大小顺序为：水 > 水玻璃 > 水泥 > 碳(168 h)。水和水玻璃对球团落下强度影响较大，水泥和碳对球团落下强度影响较小。
4) 落下强度最优试验参数组合为：质量分数为6%的水玻璃 + 质量分数为15%的水 + 质量分数为3%的水泥 + 质量分数为6%的碳。
基金项目
本论文得到了广西科技重大专项(桂科AA17202001)的支持。