高流動性、低破損率氧化鋁生產技術研究

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,且熱工強度差,焙燒過程容易斷裂,導致氧化鋁流動性能的進一步降低,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,且強度高,焙燒過程不易破碎。

氧化鋁的流動性及強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節,對產品的強度、粒度及晶型晶貌有直接的影響,通過試驗對附聚工藝的影響因素進行優化,進而改善產品的結晶形貌并提升其熱工強度,最終獲得高流動性、低破損率的氧化鋁產品。

2 實驗室研究

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

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。實驗設置三個附聚溫度: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

溫度附聚實驗電鏡結果顯示:隨著溫度的升高,附聚速率加快,結晶更加致密完整,附聚體所包含的小顆粒數目增多,外觀不規則體減少。

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,實驗結果見表1。

表1 不同固含對附聚的影響

如圖2不同附聚固含實驗結果顯示: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,不規則體減少,附聚體所包含的小顆粒數目也越多。

圖2 不同固含附聚氫氧化鋁實驗

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,從立盤取細晶種標記為1#晶種;在實驗室將細晶種經重選獲得更細的晶種,標記為2#晶種。

分別用上述兩種不同粒度晶種進行附聚實驗,所得氫氧化鋁形貌見圖3。

從圖3和表2的實驗結果可以看到:晶種的粒度對氫氧化鋁的結晶形貌有很大的影響。晶種粒度越細,產生大量多晶鑲嵌的結晶體,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驗

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行分析,對比附聚氫氧化鋁隨著時間的推移的成長變化,實驗結果見表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以后開始發生明顯的附聚反應,附聚反應至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,均為多晶核抱團成型,結構致密,近似于球狀體。

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

3 工業化試驗

3.1 生產工藝優化

在實驗室試驗結果的基礎上,結合生產實際情況,自2021年1月份開始,對附聚工藝及晶種分解整體生產流程進行優化,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,并根據晶種情況進行二級旋流等措施,持續強化附聚流程,形成一套較為穩定的工藝運行參數。

表5 工業實驗分解條件優化對比

3.2 工藝優化前后氧化鋁晶體形貌對比

(1)優化前

圖4 優化前氧化鋁

(2)優化后

圖5 優化后氧化鋁

在分解流程優化前,東、西線氧化鋁附聚效果差,外觀不規則體較多,焙燒過程破損率高;特別是西線氧化鋁存在片狀結構體,說明氫氧化鋁在晶種分解過程存在單晶徑向長大現象,且強度不高,焙燒過程容易破碎。

分解流程持續優化后,電鏡結果顯示,東、西兩線氧化鋁附聚效果明顯改善,晶粒結構更完整,以多晶鑲嵌形類球狀結構為主,破損率較低。

工業實驗結果說明:隨著附聚分解工藝的優化,東、西氧化鋁的晶型晶貌有了很大的改善,強度也有了不同程度的提升。

3.3 工藝優化前后氧化鋁粒度對比

如圖6所示:工藝優化后,兩線氧化鋁-45 μm含量呈現出明顯的降低趨勢,尤其是5月份以來,穩定保持在15%以下,達到一級品的產品要求。

圖6 優化前后氧化鋁粒度對比

3.4 優化前后焙燒過程破損率對比

如圖7所示:工藝優化后,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化前的>10%逐漸降低至6%以下,在優化工藝的穩定控制下,破損率波動振幅亦縮窄。

圖7 優化前后氧化鋁破損率對比

3.5 優化前后氧化鋁流動性對比

如圖8所示:工藝優化后,兩線氧化鋁流動時間呈震蕩式降低趨勢,進入6月份,兩線氧化鋁流動時間穩定控制在100以內,達到實驗預期目標。

圖8 優化前后氧化鋁流動性對比

4 實驗結論

(1)東、西兩線氧化鋁結晶形態的完善、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育長大的晶體相比較,前者在結晶形態的致密度、強度、外觀特征方面都優于后者。

(3)制備多晶鑲嵌型氧化鋁晶體,附聚溫度應不低于75 ℃。

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

(5)低固含狀態下有利于附聚反應的發生,附聚速率快、產品呈多晶鑲嵌形類球狀的外觀形貌。

(6)附聚時間不宜太長,以減少對分解產率的負面影響。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。