高流動性、低破損率氧化鋁生產(chǎn)技術(shù)研究

李海榮,薛忠秀,曹繼利,潘明亮,鄧金玲

(中鋁山東有限公司,山東 淄博 255051)

1 研究思路

影響氧化鋁流動性和破損率的關(guān)鍵因素:(1)氧化鋁的粒度,其-45 μm粒級顆粒含量越少,流動性能越好,輸送過程的揚(yáng)塵也越少;(2)氧化鋁的晶型晶貌,單晶徑向長大型氧化鋁由于其多棱角而流動性差,且熱工強(qiáng)度差,焙燒過程容易斷裂,導(dǎo)致氧化鋁流動性能的進(jìn)一步降低,多晶鑲嵌形氧化鋁因其類球狀的外觀而具有良好的流動性能,且強(qiáng)度高,焙燒過程不易破碎。

氧化鋁的流動性及強(qiáng)度取決于氫氧化鋁的晶型晶貌和粒度組成,附聚流程是氫氧化鋁兩段法分解工藝的核心環(huán)節(jié),對產(chǎn)品的強(qiáng)度、粒度及晶型晶貌有直接的影響,通過試驗(yàn)對附聚工藝的影響因素進(jìn)行優(yōu)化,進(jìn)而改善產(chǎn)品的結(jié)晶形貌并提升其熱工強(qiáng)度,最終獲得高流動性、低破損率的氧化鋁產(chǎn)品。

2 實(shí)驗(yàn)室研究

附聚的主要影響因素有溫度、固含、晶種粒度、附聚時間等,在以下的實(shí)驗(yàn)中分別針對上述影響因素做針對性實(shí)驗(yàn)研究。

2.1 溫度對附聚效果的影響

在其它附聚條件相同條件下設(shè)置不同附聚溫度,考察溫度對附聚氫氧化鋁晶型晶貌的影響。實(shí)驗(yàn)設(shè)置三個附聚溫度:70 ℃、75 ℃、80 ℃,附聚6 h的氫氧化鋁電鏡圖片見圖1。

圖1 附聚6h的氫氧化鋁

溫度附聚實(shí)驗(yàn)電鏡結(jié)果顯示:隨著溫度的升高,附聚速率加快,結(jié)晶更加致密完整,附聚體所包含的小顆粒數(shù)目增多,外觀不規(guī)則體減少。

2.2 固含對附聚效果的影響

在其他附聚條件相同條件下設(shè)置不同附聚固含,考察固含對附聚氫氧化鋁粒度及晶型晶貌的單因素影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 不同固含對附聚的影響

如圖2不同附聚固含實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:附聚固含的降低有利于提高附聚效率,對氫氧化鋁的形貌優(yōu)化有積極影響。隨著固含的降低,附聚致密度升高,外觀更趨近于球體,不規(guī)則體減少,附聚體所包含的小顆粒數(shù)目也越多。

圖2 不同固含附聚氫氧化鋁實(shí)驗(yàn)

2.3 晶種粒度對附聚效果的影響

為得到不同粒級的活性晶種,從立盤取細(xì)晶種標(biāo)記為1#晶種;在實(shí)驗(yàn)室將細(xì)晶種經(jīng)重選獲得更細(xì)的晶種,標(biāo)記為2#晶種。

分別用上述兩種不同粒度晶種進(jìn)行附聚實(shí)驗(yàn),所得氫氧化鋁形貌見圖3。

從圖3和表2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到:晶種的粒度對氫氧化鋁的結(jié)晶形貌有很大的影響。晶種粒度越細(xì),產(chǎn)生大量多晶鑲嵌的結(jié)晶體,氫氧化鋁的附聚效果越為明顯。

表2 不同種子粒級組成

圖3 不同粒度晶種附聚氫氧化鋁實(shí)驗(yàn)

2.4 時間對附聚效果的影響

在其它附聚條件不變的前提下,對不同附聚時間的氫氧化鋁取樣進(jìn)行分析,對比附聚氫氧化鋁隨著時間的推移的成長變化,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3、表4。

表3 固含150g/L不同附聚時間氫氧化鋁的粒級組成

表4 固含300g/L不同附聚時間氫氧化鋁的粒級組成

從表3不同附聚時間的結(jié)果對比可以看出:150 g/L低固含附聚,前2 h主要是新晶核的生成,2 h以后開始發(fā)生明顯的附聚反應(yīng),附聚反應(yīng)至6 h,氫氧化鋁-45 μm百分比從14.2%降為8.36%,D50從82 μm長到93 μm;從電鏡看,附聚效果良好,均為多晶核抱團(tuán)成型,結(jié)構(gòu)致密,近似于球狀體。

從表4不同附聚時間的結(jié)果對比可以看出:300 g/L高固含附聚,各時間段尤其是前4個小時,各粒級含量沒有發(fā)生顯著變化,說明系統(tǒng)內(nèi)新晶核的生成占主導(dǎo)地位,附聚反應(yīng)的發(fā)生較為緩慢。

3 工業(yè)化試驗(yàn)

3.1 生產(chǎn)工藝優(yōu)化

在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上,結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況,自2021年1月份開始,對附聚工藝及晶種分解整體生產(chǎn)流程進(jìn)行優(yōu)化,如表5所示，采取了提高附聚溫度、降低附聚固含、延長附聚時間,并根據(jù)晶種情況進(jìn)行二級旋流等措施,持續(xù)強(qiáng)化附聚流程,形成一套較為穩(wěn)定的工藝運(yùn)行參數(shù)。

表5 工業(yè)實(shí)驗(yàn)分解條件優(yōu)化對比

3.2 工藝優(yōu)化前后氧化鋁晶體形貌對比

(1)優(yōu)化前

圖4 優(yōu)化前氧化鋁

(2)優(yōu)化后

圖5 優(yōu)化后氧化鋁

在分解流程優(yōu)化前,東、西線氧化鋁附聚效果差,外觀不規(guī)則體較多,焙燒過程破損率高;特別是西線氧化鋁存在片狀結(jié)構(gòu)體,說明氫氧化鋁在晶種分解過程存在單晶徑向長大現(xiàn)象,且強(qiáng)度不高,焙燒過程容易破碎。

分解流程持續(xù)優(yōu)化后,電鏡結(jié)果顯示,東、西兩線氧化鋁附聚效果明顯改善,晶粒結(jié)構(gòu)更完整,以多晶鑲嵌形類球狀結(jié)構(gòu)為主,破損率較低。

工業(yè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明:隨著附聚分解工藝的優(yōu)化,東、西氧化鋁的晶型晶貌有了很大的改善,強(qiáng)度也有了不同程度的提升。

3.3 工藝優(yōu)化前后氧化鋁粒度對比

如圖6所示:工藝優(yōu)化后,兩線氧化鋁-45 μm含量呈現(xiàn)出明顯的降低趨勢,尤其是5月份以來,穩(wěn)定保持在15%以下,達(dá)到一級品的產(chǎn)品要求。

圖6 優(yōu)化前后氧化鋁粒度對比

3.4 優(yōu)化前后焙燒過程破損率對比

如圖7所示:工藝優(yōu)化后,東、西線氧化鋁破損率呈明顯降低趨勢,焙燒過程氧化鋁破損率由優(yōu)化前的>10%逐漸降低至6%以下,在優(yōu)化工藝的穩(wěn)定控制下,破損率波動振幅亦縮窄。

圖7 優(yōu)化前后氧化鋁破損率對比

3.5 優(yōu)化前后氧化鋁流動性對比

如圖8所示:工藝優(yōu)化后,兩線氧化鋁流動時間呈震蕩式降低趨勢,進(jìn)入6月份,兩線氧化鋁流動時間穩(wěn)定控制在100以內(nèi),達(dá)到實(shí)驗(yàn)預(yù)期目標(biāo)。

圖8 優(yōu)化前后氧化鋁流動性對比

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

(1)東、西兩線氧化鋁結(jié)晶形態(tài)的完善、破損率的降低及流動時間的大幅縮短,說明附聚分解流程的優(yōu)化措施行之有效。

(2)附聚而成的多晶鑲嵌型氧化鋁晶體與單晶單核發(fā)育長大的晶體相比較,前者在結(jié)晶形態(tài)的致密度、強(qiáng)度、外觀特征方面都優(yōu)于后者。

(3)制備多晶鑲嵌型氧化鋁晶體,附聚溫度應(yīng)不低于75 ℃。

(4)附聚流程晶種粒度對產(chǎn)品的晶型晶貌有直觀影響,降低晶種粒度,可以減少產(chǎn)品中外觀不規(guī)則體的含量。

(5)低固含狀態(tài)下有利于附聚反應(yīng)的發(fā)生,附聚速率快、產(chǎn)品呈多晶鑲嵌形類球狀的外觀形貌。

(6)附聚時間不宜太長,以減少對分解產(chǎn)率的負(fù)面影響。附聚固含150 g/L,小粒徑顆粒(≤20 μm)5小時即可完成附聚;附聚固含300 g/L時,小粒徑顆粒(≤20 μm)全部完成附聚大約需要6小時。