一种低钠氧化铝粉在化学品氧化铝生产中的应用

发布时间:2020-04-20 15:49:48 星期一
摘要:

在国际上,人们通常把用于电解铝之外的氧化铝、氢氧化铝和部分含铝化合物称为非冶金级氧化铝。国内一般称为多品种氧化 […]

在国际上,人们通常把用于电解铝之外的氧化铝、氢氧化铝和部分含铝化合物称为非冶金级氧化铝。国内一般称为多品种氧化铝,近几年沿用欧美等国习惯改称化学品氧化铝。化学品氧化铝品种繁多,分类方法不易,至今尚无统一的国家标准,中国化学品氧化铝主要生产商——中国铝业公司将所生产研发的8大系列、140多个品种的化学品氧化铝按主要化学成分进行了划分,并被国家发展和改革委员会颁布的有色金属行业标准《化学品氧化铝分类及命名》(YS/T619-2007)所采用。目前,国内化学品氧化铝主要用于生产耐火材料、阻燃产品、人造石材、催化剂及其载体、陶瓷、铝盐、磨料等,但总的市场用量和比例都较低,仅占氧化铝总产量的9%左右【1】。

化学品氧化铝按成份分为低钠氧化铝和β氧化铝,前者多被加工成低钠α-氧化铝,因其具有机械强度高,抗热震性好,电气绝缘性能及绝缘强度高等优点而广泛应用于高级电绝缘体,汽车飞机上内燃机用的火花塞等领域;

按晶型分类主要分为煅烧α-氧化铝和电熔氧化铝及活性氧化铝,前二者主要质量特征系α相含量高,具有硬度高、耐高温,耐磨损、耐腐蚀等性能而广泛应用于耐火材料、磨料磨具等领域。化学品氧化铝所含杂质中最有害的是氧化钠,因此在各种产品中对其中的氧化钠含量都有严格的规定。

河南能源义煤公司义翔铝业

本文重点就义翔铝业在现有的拜耳法生产氧化铝设备基础上,通过调整生产工艺控制,并能稳定供应非冶金级低钠氧化铝(Na2O含量稳定0.25%,以下)产品,此产品作为原料应用于化学品生产后, 通过对山东、河南地区非 冶金级氧化铝下游企业生产的化学品氧化铝(高温α氧化铝、板状刚玉、白刚玉)生产工艺的考察以及市场调研,对比了下游企业以不同氧化钠含量的氧化铝粉为原料所生产的产品物理性能指标(刚玉行标:体积密度≥3.5g/cm 、显气孔率≤5.0%、吸水率≤1.5%),发现义翔铝业产品具有低钠、低铁、高白等优点,是生产板状刚玉、白刚玉、低钠高温α氧化铝等化学品氧化铝用的优质原料,具有普通冶金级氧化铝无法比拟的优势。

一、杂质氧化钠对化学品氧化铝性能的危害

1、电熔白刚玉

电熔白刚玉是一种高档耐火原材料,主晶相为α- Al2O3,色泽洁白。具有体积密度大、气孔率低、体积稳定性和抗热震性好等特点。适用于大型铸钢件,特别是合金铸件型、芯面砂、涂料和熔模铸造的制壳材料,同时可作为淬火钢、合金钢等半精磨、精磨磨料。

电熔白刚玉一般以工业氧化铝粉为原料,在电弧炉中熔融后冷却再结晶而成的白色熔块,主要化学成分为Al2O3,含量在99%以上,杂质含量很少。其冶炼过程基本上是工业氧化铝粉熔化再结晶的过程,不存在还原过程。而工业氧化铝含Al2O398.5%以上,还有少量的Na2O、SiO2、Fe2O3等杂质。电熔处理虽有一定净化提纯作用,但还不能将其完全排除。其中Na2O与Al2O3在熔融状态中生成β-Al2O3(Na2O?11 Al2O3),且生成量随着Na2O含量的增加而增大。由于β-Al2O3的熔点低,密度小,因此熔块冷却结晶时,偏析于熔块的上中部,虽然通过碎选可以剔除,但仍会有少量留在刚玉熔体中,严重影响白刚玉熔块的耐火性能。因此对工业氧化铝中的Na2O含量必须严格控制。加入石英砂或者氟化铝(AlF3)等添加剂可以降低白钢玉中氧化钠含量,但这又无疑增加了电熔白刚玉的生产成本。

2、板状刚玉

板状氧化铝是美国铝业公司(ALCOA)研制开发的。烧结板状刚玉,是一种高纯氧化铝为原料,在不添加任何外加剂的情况下,经竖窑 1850℃~1950℃的高温速烧而成,其主晶相为α-Al2O3。具有高的耐火度、优异的抗热震性、抗蠕变性和抗剥落性。广泛应用于钢铁、铸造、石化、陶瓷、玻璃等行业的高性能耐火材料中【2】。

目前国内生产烧结板状刚玉一般都是以拜耳法制备的工业氧化铝粉,其 Na2O 的含量在 0.3%以上,导致目前板状刚玉产品中Na2O 的含量也在 0.3%-0.4%之间。Na2O 含量的增加,在高温下会和α-Al2O3 发生反应生产 Na2O?11Al2O3,导致α-Al2O3转变为β-Al2O3。而β-Al2O3 熔点低于α-Al2O3,同时机械性能、抗蠕变性、抗剥落性都要差于α-Al2O3。因此,Na2O含量的增高,会降低烧结板状刚玉的高温使用性能,如显气孔率增加、体积密度减小。

3、低钠高温α氧化铝

低钠高温α氧化铝是以工业氢氧化铝为主要原料,经焙烧脱水、晶型转化而成。高温氧化铝具有化学惰性强、熔点高(2040℃)的性能而较适宜用于耐火注料、耐火材料等领域;具有高温、高强度、优异电绝缘性等性能而适宜用作电子基片、汽车火花塞、刀具等陶瓷制品的原料;而具有好的热稳定性、耐磨性、高硬度等特点而主要于研磨、耐磨的工程机械件及高铝陶瓷的原料。

以往生产低钠高温氧化铝的方法一般有以下几种:①轻烧氢氧化铝水洗去除碱;②氢氧化铝或氧化铝添加矿化剂焙烧除碱;③用无机酸或盐去除碱。用这些方法生产低钠高温α氧化铝,不仅会对环境造成污染,还将大幅度提高产品的生产成本。

因此,降低原料氧化铝粉中杂质含量,尤其是Na2O的含量,也是提高化学品氧化铝生产质量和降低其生产成本的一个重要技术手段。

二、不同氧化钠含量的氧化铝粉对刚玉生产产品性能的影响

通过采集山东、河南地区部分刚玉生产企业的原料及产品,按照国标分别对其化学成分、白度及物理性能检测结果,如下表1、2 所示。

1、国内外不同氧化铝粉化学指标对比

2、国内外不同氧化铝粉对刚玉物理性能指标的影响

三、结论

1)义翔铝业低钠氧化铝粉在白度远优于其它粉的前提下易烧出浅黄色制品,有研究者称系产品中残留MgO所致(有待进一步研究),进口氧化铝粉烧出的制品颜色和指标均合格但具有价格昂贵、货源不稳定等缺点。

2)以上不同氧化铝粉生产的板状刚玉性能完全可以到达行业要求的标准值,而以进口氧化铝粉和义翔铝业低钠氧化铝粉按一定比例掺配的混合粉,即能生产出颜色美观的制品,且其产品在物理性能上均要略优于国内其它氧化铝粉生产出的制品,从检测结果得到的数据来看,笔者认为义翔铝业低钠粉具有对进口粉的可替代性,仅是在外观成色上稍有不足,用户观念的转变尚需要一定时间。

3)义翔铝业根据企业产品结构调整大战略发展思路,经充分调研低钠市场需求后。在现有拜耳法生产装备基础上,通过调整生产工艺等手段,已衡稳生产出了具备低钠、低铁、高白等优点的非冶金级低钠氧化铝粉,产品销售并应用于下游刚玉企业后,获得了良好的市场评价,颇受下游客户的青睐。该产品为企业赢得了市场的同时,也创造了不菲的经济效益,不失为新的市场形势和产业格局下企业生存发展的新思路。