砂狀氧化鋁

在過去的30 年裏,由於世界各國廣泛採用大型預焙電解槽和幹法淨化技術,控制環境污染、提高自動化程度,採用了中間下料技術,要求使用流動性好、易溶解、對氟化氫吸附能力強以及細粒少的砂狀氧化鋁。粉狀氧化鋁適合於在連續自焙陽極電解槽中使用,由於其比表面積較低,完全不適合於高效率的幹法淨化技術中使用。現代鋁電解生產技術為改善鋁電解技術經濟指標和提高金屬鋁質量,要求改進氧化鋁的物理性質和化學性質 ^[1]  。

由於世界上目前無統一的氧化鋁質量標準,各大鋁業公司有各自的產品質量特性範圍,我國有粉狀氧化鋁的國家標準,而砂狀氧化鋁參照國外鋁業公司的質量範圍,僅制定了企業標準。粉狀、砂狀和中間狀氧化鋁的質量範圍和區別主要在物理性質方面。

要使鋁錠質量有保證,首先要嚴格控制氧化鋁中的雜質含量。

1 　氧化鈉

氧化鈉是氧化鋁產品中的主要雜質,氧化鋁中氧化鈉含量的升高對電解槽的運行有很大的影響,當電解質中的鈉含量增加時,必須多加入氟化鋁以維持正常的NaF/ AlF3 比值,使氟化鹽的消耗量增加,同時增加了電解槽中電解質的體積。如果氧化鋁中Na2O 含量保持在0. 3 %～0. 4 %的範圍,鈉的平衡可以得到良好的控制。影響氧化鋁中Na2O 的含量主要取決於氫氧化鋁的粒度和洗滌條件。對生產砂狀氧化鋁的工廠,由於粒度粗、物料温度高、粘度低,洗滌效率高,因而氫氧化鋁濾餅附鹼低於0. 06 % ,產品氧化鋁的Na2O 低於0. 4 %。而對於生產粉狀氧化鋁的工廠,由於粒度細、物料温度低(～40 ℃) ,產品中Na2O 約為0. 5 % ,要降低Na2O 含量,還得增加洗水量和洗滌次數,這將導致工廠成本增加。平果鋁廠氧化鋁產品中Na2O 含量約為0. 37 %。

2 　二氧化硅

對電解過程有影響的主要雜質是磷、釩、鈦、鐵、硅及鋅,從析出電位的計算結果看,它們對電流效率的影響次序是:磷> 釩> 鈦> 鐵> 硅,下面主要討論鐵、硅和鋅的問題。

氧化鋁中的SiO2 直接影響鋁錠中的硅含量,降低硅含量要着重放在氧化鋁生產工藝控制過程中。

採用預脱硅工藝,除了減輕溶出過程中設備的結疤外,還降低了鋁酸鈉溶液中的SiO2 ;採用溶出後脱硅,稀釋礦漿在溶出後槽停留足夠的時間,進一步降低鋁酸鈉溶液中的SiO2 ,使硅量指數> 200 ,相應控制了種分產品中的SiO2 含量。

採用流態化焙燒裝置有利於減少產品中的SiO2含量,採用流態化焙燒與用迴轉窯焙燒相比,氧化鋁中的SiO2 約低0. 01 %。

3 　氧化鐵

氧化鋁產品中的鐵也同樣來源於鋁酸鈉溶液中雜質,精液中呈懸浮狀態的赤泥顆粒,是造成鐵污染的最明顯的原因,處理低鐵鋁礦的工廠,可溶鐵也是產生鐵雜質的一個原因。

在焙燒和輸送工序,微量金屬的磨損使鐵粉末進入產品,影響了非冶金用(如陶瓷工業) 氧化鋁的質量,解決的辦法可在氧化鋁輸送皮帶上安裝電磁除鐵器。

4 　氧化鋅

對於處理高鋅鋁土礦的工廠,產品中的氧化鋅超過某一界限後, 將影響到鋁錠的鋅含量, 當超過0. 025 %時,對鋁型材的加工性能有所影響。由於鋅與鋁的性質相似,溶出過程中約有60 %～80 %的鋅被溶出進入溶液。還有部分以懸浮顆粒狀態存在的鋅。平果鋁廠氧化鋁生產通過延長稀釋礦漿停留時間和在控制過濾中加入助濾劑,有效地降低了精液及氧化鋁中ZnO 含量,氧化鋅的脱除率在50 %以上,使產品中此雜質含量低於標準允許值。

硅、鐵、鋅等雜質的含量還取決於精液的浮游物,按常規,至少應低於20mg/1 。近年來,赤泥沉降合成絮凝劑新產品技術發展較快,平果鋁廠在氧化鋁生產實踐中合理地採取高效合成絮凝劑,並輔以天然絮凝劑,使分離沉降槽溢流浮游物低於100mg/ 1,大大地減輕了葉濾機的壓力,並在控制過濾中加入合適的助濾劑,使精液浮游物低於10mg/1 ,正常穩定在5～7mg/1的水平,使產品的化學純度有了保證,1997年產品中的SiO2 、Fe2O3 含量分別為0. 010 %和0.012 % ,遠低於國標要求值。

氧化鋁的物理性質,主要用來衡量它的流動性、起塵性和吸氟能力。

1 　粒度分佈

一般對氧化鋁的粒度要求是小於44μm 的含量要小於12 % ,大於150μm 的含量要小於2 % ,選擇150μm 作為劃分標準,是用來作為氧化鋁加入電解槽時其沉澱傾向的量度,而44μm 這個標準主要是用來衡量起塵性。有的公司規定小於12 % ,有的公司規定小於10 % ,但對於電解的管理操作者則認為只要不大於20 %都可以適用。有的研究者則認為以20μm以下的部分作為起塵性的量度,規定該粒級的最大含量為1 %。

國內目前的粒度分析方法與國外還有一定的差異,國外鋁廠採用濕篩法,篩孔為圓的,國內則採用振動(幹) 篩和方孔篩分析法,此法對氧化鋁粒度分析的準確度略差,筆者認為應採用國外氧化鋁廠通常所採用的分析方法較為科學。

近年來氧化鋁的貿易中,希望氧化鋁細粒子越來越少,氧化鋁廠通過調整分解工藝條件,可以進一步降低- 44μm 的粒子含量,但這樣一來會降低氧化鋁廠的分解產出率。工業生產實踐表明,細顆粒量每降低1 % ,分解產出率降低1～1. 5kg/ m3 。粒度與產出率是一對矛盾,氧化鋁廠應在保證粒度質量標準的前提下,兼顧二者,儘可能地提高分解產能。

2 　灼減量和比表面積

氧化鋁的灼燒質量損失主要是水分。因為氧化鋁的灼減量表示氧化鋁進入電解槽之後所要釋放的總水量,所以灼減量這一指標對電解鋁廠的運行十分重要。由於氧化鋁中吸附水和電解質中的氟化物反應生成氟化氫氣體,也和電解槽排放的氟化物有關。

具有高灼減量的氧化鋁除了熔解時間短外,可形成硬度較大的結殼,並具有一定強度,使其能保持在電解質上方,可減少熱損失。但當較高灼減量的氧化鋁進入電解質熔體時,由於其優良的熔解性能可引起揮發物起泡,部分顆粒處於遊離狀態。

對灼減量的控制並不難,它主要取決於焙燒温度。但要考慮到比表面積和α- Al2O3 含量問題,因為三者相關,具有高比表面積的氧化鋁具有較高的灼減量和較低的α- Al2O3 含量。比表面積是氧化鋁對電解過程吸氟能力的量度,如果灼減低,則氧化鋁活性差,實際生產中要考慮併兼顧二者。提高焙燒温度即可降低灼減量,但會導致產能下降、能耗升高。目前,平果鋁廠所使用的焙燒裝置適應性較強,可以較好地調整參數以滿足電解鋁廠的要求,控制比表面積為85m2/ g ,灼減量為0. 7 %～0. 95 % ,α- Al2O3 含量低於10 %。

3 　氧化鋁和氫氧化鋁強度

氧化鋁的顆粒強度受焙燒條件及氫氧化鋁強度的影響,焙燒爐型對顆粒破碎程度有影響,使用迴轉窯時,顆粒破碎程度小,不到2 % ,而採用流態化焙燒裝置時,顆粒破碎為3 %～5 %。提高氧化鋁顆粒強度的主要手段是提高氫氧化鋁顆粒強度,並直接與分解工藝條件有關,過飽和度高的拜耳法精液可產出強度高的氫氧化鋁。

氧化鋁在流態化焙燒的過程中,經受了較激烈的碰撞,造成了易碎粒子的破碎,而在運輸和電解過程的破碎卻大大減少了。所以,用流態化裝置焙燒的氧化鋁具有良好的抗機械磨損性能 ^[2]  。

隨着鋁電解技術的發展,氧化鋁的質量也呈改善的趨勢。氧化鋁廠通過增加投入,可以使氧化鋁的質量進一步提高。但筆者認為,一個企業要生產什麼樣質量水平的產品,要進行經濟論證,不是質量越高越好,只要滿足用户的要求即可,不一定要增加過多的投入來生產出質量過剩係數大的產品,否則,會增加氧化鋁的製造成本,反過來又會影響到企業的經濟效益。

根據現代鋁電解技術對氧化鋁質量的要求,分析了質量特性對鋁電解運行的影響,研究了影響質量的因素,提出了改進質量的意見。氧化鋁的質量改進是一項長期的工作,今後還有許多的工作要做 ^[3]  。