一種低鈉氧化鋁粉在化學品氧化鋁生產中的應用

發布時間:2020-04-20 15:49:48 星期一
摘要:

在國際上,人們通常把用于電解鋁之外的氧化鋁、氫氧化鋁和部分含鋁化合物稱為非冶金級氧化鋁。國內一般稱為多品種氧化 […]

在國際上,人們通常把用于電解鋁之外的氧化鋁、氫氧化鋁和部分含鋁化合物稱為非冶金級氧化鋁。國內一般稱為多品種氧化鋁,近幾年沿用歐美等國習慣改稱化學品氧化鋁?;瘜W品氧化鋁品種繁多,分類方法不易,至今尚無統一的國家標準,中國化學品氧化鋁主要生產商——中國鋁業公司將所生產研發的8大系列、140多個品種的化學品氧化鋁按主要化學成分進行了劃分,并被國家發展和改革委員會頒布的有色金屬行業標準《化學品氧化鋁分類及命名》(YS/T619-2007)所采用。目前,國內化學品氧化鋁主要用于生產耐火材料、阻燃產品、人造石材、催化劑及其載體、陶瓷、鋁鹽、磨料等,但總的市場用量和比例都較低,僅占氧化鋁總產量的9%左右【1】。

化學品氧化鋁按成份分為低鈉氧化鋁和β氧化鋁,前者多被加工成低鈉α-氧化鋁,因其具有機械強度高,抗熱震性好,電氣絕緣性能及絕緣強度高等優點而廣泛應用于高級電絕緣體,汽車飛機上內燃機用的火花塞等領域;

按晶型分類主要分為煅燒α-氧化鋁和電熔氧化鋁及活性氧化鋁,前二者主要質量特征系α相含量高,具有硬度高、耐高溫,耐磨損、耐腐蝕等性能而廣泛應用于耐火材料、磨料磨具等領域?;瘜W品氧化鋁所含雜質中最有害的是氧化鈉,因此在各種產品中對其中的氧化鈉含量都有嚴格的規定。

河南能源義煤公司義翔鋁業

本文重點就義翔鋁業在現有的拜耳法生產氧化鋁設備基礎上,通過調整生產工藝控制,并能穩定供應非冶金級低鈉氧化鋁(Na2O含量穩定0.25%,以下)產品,此產品作為原料應用于化學品生產后, 通過對山東、河南地區非 冶金級氧化鋁下游企業生產的化學品氧化鋁(高溫α氧化鋁、板狀剛玉、白剛玉)生產工藝的考察以及市場調研,對比了下游企業以不同氧化鈉含量的氧化鋁粉為原料所生產的產品物理性能指標(剛玉行標:體積密度≥3.5g/cm 、顯氣孔率≤5.0%、吸水率≤1.5%),發現義翔鋁業產品具有低鈉、低鐵、高白等優點,是生產板狀剛玉、白剛玉、低鈉高溫α氧化鋁等化學品氧化鋁用的優質原料,具有普通冶金級氧化鋁無法比擬的優勢。

一、雜質氧化鈉對化學品氧化鋁性能的危害

1、電熔白剛玉

電熔白剛玉是一種高檔耐火原材料,主晶相為α- Al2O3,色澤潔白。具有體積密度大、氣孔率低、體積穩定性和抗熱震性好等特點。適用于大型鑄鋼件,特別是合金鑄件型、芯面砂、涂料和熔模鑄造的制殼材料,同時可作為淬火鋼、合金鋼等半精磨、精磨磨料。

電熔白剛玉一般以工業氧化鋁粉為原料,在電弧爐中熔融后冷卻再結晶而成的白色熔塊,主要化學成分為Al2O3,含量在99%以上,雜質含量很少。其冶煉過程基本上是工業氧化鋁粉熔化再結晶的過程,不存在還原過程。而工業氧化鋁含Al2O398.5%以上,還有少量的Na2O、SiO2、Fe2O3等雜質。電熔處理雖有一定凈化提純作用,但還不能將其完全排除。其中Na2O與Al2O3在熔融狀態中生成β-Al2O3(Na2O?11 Al2O3),且生成量隨著Na2O含量的增加而增大。由于β-Al2O3的熔點低,密度小,因此熔塊冷卻結晶時,偏析于熔塊的上中部,雖然通過碎選可以剔除,但仍會有少量留在剛玉熔體中,嚴重影響白剛玉熔塊的耐火性能。因此對工業氧化鋁中的Na2O含量必須嚴格控制。加入石英砂或者氟化鋁(AlF3)等添加劑可以降低白鋼玉中氧化鈉含量,但這又無疑增加了電熔白剛玉的生產成本。

2、板狀剛玉

板狀氧化鋁是美國鋁業公司(ALCOA)研制開發的。燒結板狀剛玉,是一種高純氧化鋁為原料,在不添加任何外加劑的情況下,經豎窯 1850℃~1950℃的高溫速燒而成,其主晶相為α-Al2O3。具有高的耐火度、優異的抗熱震性、抗蠕變性和抗剝落性。廣泛應用于鋼鐵、鑄造、石化、陶瓷、玻璃等行業的高性能耐火材料中【2】。

目前國內生產燒結板狀剛玉一般都是以拜耳法制備的工業氧化鋁粉,其 Na2O 的含量在 0.3%以上,導致目前板狀剛玉產品中Na2O 的含量也在 0.3%-0.4%之間。Na2O 含量的增加,在高溫下會和α-Al2O3 發生反應生產 Na2O?11Al2O3,導致α-Al2O3轉變為β-Al2O3。而β-Al2O3 熔點低于α-Al2O3,同時機械性能、抗蠕變性、抗剝落性都要差于α-Al2O3。因此,Na2O含量的增高,會降低燒結板狀剛玉的高溫使用性能,如顯氣孔率增加、體積密度減小。

3、低鈉高溫α氧化鋁

低鈉高溫α氧化鋁是以工業氫氧化鋁為主要原料,經焙燒脫水、晶型轉化而成。高溫氧化鋁具有化學惰性強、熔點高(2040℃)的性能而較適宜用于耐火注料、耐火材料等領域;具有高溫、高強度、優異電絕緣性等性能而適宜用作電子基片、汽車火花塞、刀具等陶瓷制品的原料;而具有好的熱穩定性、耐磨性、高硬度等特點而主要于研磨、耐磨的工程機械件及高鋁陶瓷的原料。

以往生產低鈉高溫氧化鋁的方法一般有以下幾種:①輕燒氫氧化鋁水洗去除堿;②氫氧化鋁或氧化鋁添加礦化劑焙燒除堿;③用無機酸或鹽去除堿。用這些方法生產低鈉高溫α氧化鋁,不僅會對環境造成污染,還將大幅度提高產品的生產成本。

因此,降低原料氧化鋁粉中雜質含量,尤其是Na2O的含量,也是提高化學品氧化鋁生產質量和降低其生產成本的一個重要技術手段。

二、不同氧化鈉含量的氧化鋁粉對剛玉生產產品性能的影響

通過采集山東、河南地區部分剛玉生產企業的原料及產品,按照國標分別對其化學成分、白度及物理性能檢測結果,如下表1、2 所示。

1、國內外不同氧化鋁粉化學指標對比

2、國內外不同氧化鋁粉對剛玉物理性能指標的影響

三、結論

1)義翔鋁業低鈉氧化鋁粉在白度遠優于其它粉的前提下易燒出淺黃色制品,有研究者稱系產品中殘留MgO所致(有待進一步研究),進口氧化鋁粉燒出的制品顏色和指標均合格但具有價格昂貴、貨源不穩定等缺點。

2)以上不同氧化鋁粉生產的板狀剛玉性能完全可以到達行業要求的標準值,而以進口氧化鋁粉和義翔鋁業低鈉氧化鋁粉按一定比例摻配的混合粉,即能生產出顏色美觀的制品,且其產品在物理性能上均要略優于國內其它氧化鋁粉生產出的制品,從檢測結果得到的數據來看,筆者認為義翔鋁業低鈉粉具有對進口粉的可替代性,僅是在外觀成色上稍有不足,用戶觀念的轉變尚需要一定時間。

3)義翔鋁業根據企業產品結構調整大戰略發展思路,經充分調研低鈉市場需求后。在現有拜耳法生產裝備基礎上,通過調整生產工藝等手段,已衡穩生產出了具備低鈉、低鐵、高白等優點的非冶金級低鈉氧化鋁粉,產品銷售并應用于下游剛玉企業后,獲得了良好的市場評價,頗受下游客戶的青睞。該產品為企業贏得了市場的同時,也創造了不菲的經濟效益,不失為新的市場形勢和產業格局下企業生存發展的新思路。