工业氧化铝的简介

辽宁科技大学本科生毕业设计(论文)第1页。工业氧化铝的简介摘要：随着科学与技术的发展，工业氧化铝的应用范围越来越广泛。对于不同的用途，要求氧化铝具有不同的物理和化学特性。本文主要论述了工业氧化铝的性质（物理性质，化学性质），化学成分、矿物成分、产出状态，岩石种类，产地、价格、合成原料，工艺，用途等一系列问题。关键词：工业氧化铝；性质；成分；合成；用途1工业氧化铝的简介及性质1.1工业氧化铝的矿物成分、岩石种类、产地市场上最易于得到的精制氧化铝是用拜尔法制取的，所用原料为铝矾土矿，我国河南、山东、贵州等地都有优质的大型矾土矿床。目前，世界已探明铝土资源储量约360亿吨，中国约23亿吨，居世界第五位[1]。铝土矿的90%—95%首先被加工成氧化铝，绝大部分用于生产金属铝[2]。仅有约10%氧化铝用于其他特定目的，例如用作染料和洗涤剂的添加剂。其余5%一10%的铝土矿用作磨料、耐火材料和陶瓷生产或水泥添加剂[3]。我国铝矾土储量极为丰富，产地从黄河以北的山西、河北和山东，穿过中部的河南和广西，直到西南的贵州和云南。目前出产高铝矾土熟料的主要产地在山西、河南和贵州。我国高铝矾土主要矿物为水铝石(水硬铝石)、勃姆石(水软铝石)、高岭石和叶腊石，可按其矿物组成分为3种类型：(l)水铝石—高岭石型[DK]；(2)勃姆石—高岭石型[BK]；(3)水铝石—叶腊石型[DP]。而目前DK型矾土应用最为广泛。DK型矾土熟料按其氧化铝含量分为特等、一等、二等A二等B和三等[4]1.2工业氧化铝的性质辽宁科技大学本科生毕业设计(论文)第2页。工业氧化铝的主要化学成分是Al2O3，通常还有少量SiO2，Fe2O3，TiO2，Na2O，MgO，CaO和H2O。要求工业氧化铝必须有较高的纯度，杂质含量，特别是SiO2应尽可能低。我国原冶金工业部的部颁标准YB814—1975规定了工业氧化铝的技术条件，见下表，对有些微量杂质暂未作规定。[5]按物理性质不同，通常将工业氧化铝分为砂型、中间型和粉型三种。三者的物理性质差别较大，但没有严格区分三种氧化铝的统一标准。砂型氧化铝呈球状，颗粒较粗，约为80—100μm，安息角小，煅烧程度较低，灼减0.8%—1.5%，其中α-Al2O3含量少于35%，多数在20%左右，γ-Al2O3含量较高，具有较大的活性。粉型氧化铝平均粒度小（约50μm）,细粉多（小于44μm的大于40%），安息角大，煅烧温度高（灼减小于0.5%，α-Al2O3大于70%），真密度大，堆密度低。中间型介于二者之间。[5]1.2.1氧化铝的多晶型氧化铝具有多种晶体结构。据文献报道,已有α、β、γ、δ、ε、ζ、θ、η、κ、λ等12种。最常见的有α、β、γ3种晶型,其中α-Al2O3俗称刚玉,它是最稳定的氧化铝晶型,强度和电性能比其它晶型都好,3种晶型的性能见表1。辽宁科技大学本科生毕业设计(论文)第3页。1.3工业氧化铝剖面微观结构的研究1.3.1样品与实验方法1.3.1.1样品1#样品是种分工艺生产的氢氧化铝煅烧的氧化铝产品,磨损指数42%；2#样品是碳分工艺生产的氢氧化铝煅烧的氧化铝产品,磨损指数18%；3#样品是国外进口氧化铝产品,磨损指数12%。1.3.1.2表面结构微观分析样品的制备方法取少量样品,均匀地撒在有碳导电胶的样品台上,用吸耳球吹掉粘结不牢的颗粒。剖面结构微观分析样品的制备方法:把样品单层地放置在抛光的铜片上,通过电镀使氧化铝颗粒包埋在金属铜中,然后把铜片镶嵌在有机玻璃中进行磨抛金属片至出现颗粒剖面。把两种样品放在JFC-1600型离子镀膜仪中喷涂铂。1.3.1.3样品观察在JSM-6360LV型扫描电镜上,对样品的表面结构采用二次电子像进行观察和拍照,对样品的剖面结构采用背散射电子像进行观察和拍照。辽宁科技大学本科生毕业设计(论文)第4页。1.3.2结果与讨论图1~图6是三个样品表面和剖面的SEM照片。从图1、2颗粒的表面和剖面微观结构看出；种分工艺生产的氢氧化铝煅烧的氧化铝产品,粒度分布较均匀,单晶体表面裂隙呈层状,裂隙发育,裂隙宽窄、长短不同,较宽裂隙中充填有细小粒子,但颗粒的剖面照片上看不到裂隙中的细小颗粒,说明裂隙中的细小粒子是在煅烧过程中物理吸附在裂隙中。辽宁科技大学本科生毕业设计(论文)第5页。剖面上单晶体的裂隙呈不连续、似层状分布。由于氢氧化铝晶体结构属层状,当温度升高时,覆盖在晶体表面的羟基与相邻的氢生成水分子后沿层间溢出,氧化铝单晶体的裂隙呈层状。当单晶体较大(大于80μm)时,氢氧化铝脱水温度较高,水的排出受到阻碍或出现急剧脱水使晶粒崩裂(图2)或产生较宽裂隙,在磨损过程中,颗粒很容易从层间破裂,其磨损指数很大。由图3看出,碳分工艺生产的氢氧化铝煅烧的氧化铝产品,颗粒是由大小不同较细小的柱状单晶体附聚而成,附聚颗粒结构致密,各单晶呈放射状生长,为典型的放射状结构。颗粒表面裂隙较少。从图4剖面看,颗粒裂隙沿晶粒结合处呈典型的放射状,单晶体上,裂隙呈似层状。图5是国外进口氧化铝产品,颗粒呈似球状,组成颗粒的单晶体20μm左右,它们互相嵌布,结构致密,呈典型的镶嵌状结构。颗粒表面的裂隙没有1#、2#样品明显。由图6看到,颗粒在晶粒结合处裂隙少且小,这可能是由于组成颗粒的单晶粒细小,附聚粒多,氢氧化铝煅烧时脱水温度较低,水蒸汽是缓慢从晶粒结合处及单晶粒层间裂隙处脱出,脱水通道多。[6]1.3.3结论氧化铝是氢氧化铝在一定温度下煅烧的产品,氢氧化铝煅烧为氧化铝的过程是氢氧化铝结构水脱出的过程,氧化铝颗粒的结构、外形保留了氢氧化铝颗粒的结构和外形,不同类型氢氧化铝在煅烧过程中由于颗粒结晶状态的不同,在脱水时形成的路径不同。种分氧化铝颗粒大多为单晶体,由于在脱水时大量水仅从层间溢出,少量从轴向溢出,在层间形成大量裂隙,产品在磨损时,颗粒很容易从层间破裂而产生大量细小颗粒,因而磨损指数很大。碳分氧化铝颗粒由呈拄状单晶体附聚而成,脱水时水从晶粒间及单晶内的层间溢出,脱水通道及方向明显多于种分样品。表面裂隙发育不明显,磨损时产生的细颗粒较少,磨损指数较小。国外氧化铝由大量细小晶粒组成的附聚颗粒,单晶粒较小,附聚颗粒数量多,煅烧为氧化铝时脱水温度较低,脱水通道在不同方向很多且通道小而窄,煅烧产生的水容易溢出。氧化铝表面裂隙很少,磨损时产生细颗粒少,因而氧化铝的磨损指数很小。实际生产中应控制氢氧化铝的生产工艺,生产出由大量细小晶粒附聚成的氢氧化铝,氧化铝产品质量就能有很大提高。[7]2工业氧化铝的制备2.1拜耳法生产工业氧化铝辽宁科技大学本科生毕业设计(论文)第6页。工业氧化铝的制备多采用拜耳法(即碱石灰法)。将铝钒土[约含Al2O360%~85%,矿物组成以一水硬铝石(xAl2O3·H2O)为主]与纯碱、石灰石混合并细磨,在高温下烧结,使铝钒土中的一水硬铝石等与纯碱反应生成水溶性铝酸钠,而原矿中所含的SiO2等杂质矿物则与石灰石分解产物结合成稳定的难溶矿物。将铝酸钠用水浸取,经分离除去难溶性的残渣,通入CO2气体使铝酸钠分解并析出氢氧化铝,氢氧化铝经煅烧处理后即得到工业氧化铝γ-Al2O3。γ-Al2O3是氧化铝的低温形态,结构疏松,易于吸水,且能被酸碱溶解,性能不稳定,不适于直接用来生产氧化铝陶瓷,可采用适当的添加剂对γ-Al2O3进行高温煅烧,使γ-Al2O3不可逆地转变为α-Al2O3。这一工艺过程伴随14.3%的体积收缩。使用煅烧过的α-Al2O3粉生产氧化铝陶瓷,有利于产品尺寸控制和避免产品的开裂。[8]2.2煤灰、低品位铝矿直接生产工业氧化铝2.2.1品位铝矿选用及预处理粉煤灰主要化学成分为Al2O3、SiO2、Fe2O3以及CaO、MgO、TiO2等,根据原煤矿藏生成年代不同,Al2O3在30%~40%之间。粉煤灰因已经过高温,有效成分具有活性可直接溶于酸或碱。低品位铝矿一般不能直接溶于酸或碱,要先加入辅料、调整剂和经过预除杂处理,在高温条件下进行固相烧结反应,使其得到充分活化,使其中的Al2O3转型为易溶成份,方可用于生产[8]2.2.2酸或碱常温常压反应溶出直接生产工业氧化铝技术特点酸法生产氧化铝的一般流程如下:a.原料的预处理,多数情况下进行热法预处理;b.氧化铝转化为可溶性的无机酸铝盐;c.铝盐提纯;d.铝盐的分解和氢氧化铝的焙烧;e.酸的再生回用。碱金属和碱土金属的氧化物与酸作用生成工业价值不大的盐类,因此,酸法主要适用于处理低铁无碱的硅酸盐类矿物,如粉煤灰、低品位铝矿、粘土、高岭土、煤矸石等。碱法工艺流程:粉煤灰、低品位铝矿→碱化→波加速反应→调pH→真空过滤→植入晶核→波晶化→强力焙烧→检验→工业氧化铝[9]。其中,波处理是一项近年来发展起来的新技术,目的在于从低品位矿石和尾矿中提高Al2O3的回收率。波加热加速反应与传统加热反应不同,它不需由表及里的热传导,而是通过波在物料辽宁科技大学本科生毕业设计(论文)第7页。内部的能量耗散来直接加热物料,根据物料性质(电导率、磁导率、介电常数)的不同,波可以及时而有效地在整个物料内部产生热量,具有以下用传统加热反应方式无法比拟的优点:a.选择性加热物料,升温速度快,加热效率高;b.波能够同时促进吸热和放热反应,对化学反应具有催化作用;c.波加热加速反应代替传统加热时,其他高温化学反应可以在十分低的温度下进行,即波加热加速反应具有降低化学反应温度,创造出更为有利的热力学条件的作用;d.波很容易使极性液体(例如水、乙醇、各种酸碱溶液等)加热,因而波加热可促进矿物在溶剂中的溶解,提高湿法冶金过程的溶出速率和降低过程的能耗;e.波本身不产生任何气体,所需净化的只有还原或氧化反应产生的气体,而且利于保护;f.易于自动控制。以波加热加速碱法溶出反应为例:Al2O3·H2O+2NaOH=2NaAlO2+2H2O此反应属多相反应,溶出过程包括以下步骤:含Al2O3矿物表面被溶剂-含大量游离NaOH的循环母液湿润;OH-通过扩散层向矿物表面扩散;含Al2O3矿物与OH-相互作用生成铝酸根;铝酸根离子通过矿物表面上生成的扩散层向整个溶液扩散。试验表明,在反应温度较低时,上述反应速率由界面化学反应控制,而当反应温度较高时,则由扩散传质和界面化学反应共同控制。波作用下溶出反应速率之所以显著提高,是因为波辐射铝碱溶液体系时使各矿粒产生热应力裂纹,暴露出新的矿粒表面,增加了反应界面,从而有利于固液反应的进行。同时,波加热原料时介电颗粒的表面将产生热量,并在颗粒周围形成较大的热对流液流,它能搅拌溶液和驱散颗粒外层的高铁赤泥层破坏钛酸钠保护膜,加快OH-离子向反应界面和铝酸根离子向溶液的扩散速率。此外,由于溶液的介电颗粒处于运动状态,阻止了罐内壁的结疤。原料中不吸波的SiO2在颗粒产生裂纹时解离,沉降于罐底部。按此工艺生产的氧化铝Al2O3含量可达95%。[10]2.3工业氧化铝原料处理新工艺工业氧化铝原料是白色松散的结晶粉末，颗粒大多是由许多粒径小于0.1µm的γ—Al2O3晶体所组成的多孔球形聚积体，平均颗粒大小约为40~70µm，每个小球含有多达1000³个小晶体，内部气孔占小球体积的20％一30%，种多孔的疏松结构不利于Al2O3晶体的彼此接触，因而不利于烧结。在传统的氧化铝陶瓷生产中，人们大多按下述方法处理原料[11]：首先将工业氧化铝原料在1450~1550℃温度下，保温2小时进行锻烧，使γ—Al2O3转化为α—Al2O3为了强化这个过程，一般还加入适量的矿化剂[12]，辽宁科技大学本科生毕业设计(论文)第8页。如H3BO3、NH4F、AIF3等，然后再将锻烧过的原料经钢球磨48~100小时，出料后用盐酸进行酸洗除铁等工艺过程，这种传统的原料处理方法，工艺环节多，周期长，费用大。本研究旨在改进这种工业氧化铭原料的处理工艺，缩短原料的处理周期，降低成本，本工作采取先球磨，后缎烧的工艺步骤，使工业氧化铝原料的锻烧温度降低至1100℃，球磨时间缩短到几小时，粉料的颗粒大小均小于1µm，效果显著。2.3.1价格及环境和社会效益分析煤灰、低品位铝矿酸法直接生产工业氧化铝可以使用工业