【畢業(yè)學位論文】一水硬鋁石生產(chǎn)高強度砂狀氧化鋁理論研究與工藝實踐-有色金屬冶金博士論文

博士學位論文 一水硬鋁石生產(chǎn)高強度砂狀氧化鋁 理論研究與工藝實踐 作 者 姓 名：李旺興 學 科 專 業(yè)：有色金屬冶金 學院 (系、所 )：冶金科學與工程學院 指 導 教 師：劉業(yè)翔院士 中 南 大 學 2005 年 5 月 分類號 密級 機 密 博士學位論文 一水硬鋁石生產(chǎn)高強度砂狀氧化鋁 理論研究與工藝實踐 者 姓 名：李旺興 學 科 專 業(yè)：有色金屬冶金 學院 (系、所 )：冶金科學與工程學院 指 導 教 師：劉業(yè)翔院士 論文答辯日期 答辯委員會主席 中 南 大 學 2005 年 5 月 博士學位論文 摘要 要 砂狀氧化鋁具有獨特的顯微結構、粒度分布及強度，在節(jié)能與環(huán)境保護要求日益嚴格的鋁電解工業(yè)得到了廣泛的應用。我國可用于氧化鋁生產(chǎn)的鋁土礦資源都是一水硬鋁石型鋁土礦，溶出條件較國外三水鋁石或一水軟鋁石型鋁土礦苛刻，溶出后得到的鋁酸鈉溶液堿濃度高、過飽和度低，在鋁酸鈉溶液結構、鋁酸鈉溶液分解及結晶行為等方面與國外不同，難于直接采用國際上成熟的拜耳法分解工藝生產(chǎn)砂狀氧化鋁。 針對我國由一水硬鋁石型鋁土礦生產(chǎn)氧化鋁的工業(yè)現(xiàn)狀，本論文以獲得高強度砂狀氧化鋁為目標，通過對氫氧化鋁晶體疊合方式及受力情況進行分析，首次建立了晶體的受力模型與疊合方式 強度的關系；通過建立氫氧化鋁晶粒的有限元計算模型并進行靜力分析，首次獲得了氫氧化鋁顯微結構與強度關系的共性原則；根據(jù)鋁酸鈉溶液附聚過程晶粒的粒度分布隨時間的變化規(guī)律，獲得了附聚特征及其與氫氧化鋁（氧化鋁）強度的關系；首創(chuàng)具有自主知識產(chǎn)權的精液分流技術，將上述理論及實驗研究結果，應用于氧化鋁工業(yè)生產(chǎn)，由一水硬鋁石型鋁土礦生產(chǎn)出了高強度砂狀氧化鋁產(chǎn)品。主要結論與創(chuàng)新點如下： 1首次建立了晶體的受力模型與疊合方式 強度的關系。通過對疊合面進行應力狀態(tài)分析，研究了氫氧化鋁晶 體疊合面應力狀態(tài)分布，發(fā)現(xiàn)氫氧化鋁晶體界面破壞主要由于正應力導致，且 界面上靠近受力點一側正應力較大，因此隨著載荷的增大，將首先發(fā)生破壞， 該位置是決定氫氧化鋁晶體強度的關鍵部位；氫氧化鋁晶粒強度與疊合面承受的應力狀態(tài)密切相關 ;各種不同氫氧化鋁晶體間的疊合方式中，晶體底面與底面疊合時，氫氧化鋁晶粒強度較高，并隨兩個晶體間疊合面積的增大而提高。 2首次獲得了氫氧化鋁顯微結構與強度關系的共性原則。通過對實際氫氧化鋁晶粒的概括和簡化，建立了有限元模型并 進行靜力學分析，研究發(fā)現(xiàn)在晶粒缺口處有細粒子填充時，填充位置處于特定 填充空間的晶粒整體強度最好；缺口越小，強度越好；在相同的缺口和填充粒 子粒徑的情況下，強度隨填充粒子的增多而加強，且填充位置越靠近最佳位置越能改善晶粒強度； 無論是大晶體還是小晶體的疊合，當氫氧化鋁晶體間疊合角度在 60o 80氧化鋁晶粒所受應力最大，強度最差，砂狀氧化鋁工藝生產(chǎn)應避免該疊合形式； 疊合的氫氧化鋁晶體尺寸較小時，氫氧化鋁晶粒所受 應力較小，強度較好；疊合的氫氧化鋁晶體尺寸較大 (20m 40m)時，疊合晶體尺寸越大，氫氧化鋁晶粒所受應力越大，強度越差；大晶體間鑲嵌有細小晶 體的疊合時，氫氧化鋁晶粒的強度較好，說明在晶體晶粒中需要有小的晶體作為填充。 博士學位論文 摘要 次采用模糊模式識別的方法，根據(jù)鋁酸鈉溶液附聚過程晶粒的粒度分布隨時間的變化規(guī)律，結合氫氧化鋁晶粒的顯 微結構分析，確定了宏觀附聚過程的特征。 發(fā)現(xiàn)在有足夠小粒徑粒子的情況下， 較高的附聚溫度和較高的 時附聚的氫氧化鋁 是由很多細小晶粒緊密粘結和包裹在一起，也有小晶粒鑲嵌于大晶粒之間，晶 面間疊合角度較小，可以獲得高強度砂狀氧化鋁；發(fā)生附聚過程的粒徑范圍比 較寬，大粒徑的粒子可以粘附小粒徑的粒子，特別是在附聚過程的后期表現(xiàn)尤 為明顯；以附聚長大為主得到的砂狀氫氧化鋁強度比以徑向長大為主得到的砂 狀氫氧化鋁強度要高，因此合適附聚條件的控制是獲得高強度砂狀氧化鋁的關鍵。 4針對一水硬鋁石礦溶出液的特性，開發(fā)出了具有自主知識產(chǎn)權的精液分流種分技術，實驗室成功生產(chǎn)出砂狀氧化鋁。 產(chǎn)品氧化鋁粒度粗，粒徑分布合理，強度高。種分系統(tǒng)出料氫氧化鋁粒度 45 m 可以在穩(wěn)定在 10 16%之間，經(jīng)小窯焙燒得到的產(chǎn)品氧化鋁粒度 45 m 和 20 m 分別為 8 11%和 2%以下，磨損指數(shù)可以達到 20%左右。 5首次將精液分流技術應用于砂狀氧化鋁工業(yè)生產(chǎn)。結果證明，采用一段附聚、二段長大，精液分流和分解漿液二次降 溫，細晶種加入附聚段首槽，粗晶種加入長大段首槽的二段法種分砂狀氧化鋁 生產(chǎn)技術，顯著降低了氧化鋁磨損指數(shù)，能夠優(yōu)化產(chǎn)品粒度及其分布、提高產(chǎn) 品強度。分解率平均為 分解產(chǎn)出率平均為 82.9 kg/統(tǒng)出料粒度 45 m 可以穩(wěn)定在 13 15%，經(jīng)小窯焙燒得到的產(chǎn)品氧化鋁粒度 45 m 和 20 m 分別為 8 12%和 2%以下，其磨損指數(shù)可以達到 關鍵詞 : 砂狀氧化鋁；強度；顯微結構；附聚；精液分流技術博士學位論文 of is in of is as a of of is it is to to on of at of By l(of l(up to l( in l( (of by of in of on of in of as By on l(it of is is on is to l(l(is to of l(Of of of l(to is is as l( (of By of l( up to l(in It is l( be if in of at 士學位論文 H)3 is to of l( is 080 , is as of l( 20m40m) l( l( (be of l( (of by of in of l(at if l( l(or to of l(be be to in of it is of to of on of by of in 45m H)3 in 0 16%. in of 45m 20m 11% 2% of 0%. of of 2.9 kg/45m H)3 in 3 15%. in of 45m 20m 12% 2% of of 博士學位論文 目錄 錄 摘 要 . I .一章 文獻綜述 .及冶煉 . 鋁 . 鋁冶煉的發(fā)展過程 . 鋁工業(yè)的發(fā)展 .鋁礦物及鋁土礦 . 含鋁礦物 . 鋁土礦 .化鋁及其分類 .化鋁的需求分析及生產(chǎn) . 氧化鋁需求分析 . 氧化鋁的生產(chǎn) . 堿法生產(chǎn)氧化鋁的基本原理及特殊性 .界及中國的氧化鋁生產(chǎn)技術現(xiàn)狀 . 世界氧化鋁生產(chǎn)技術現(xiàn)狀 . 中國的氧化鋁生產(chǎn)技術現(xiàn)狀 .狀氧化鋁生產(chǎn)技術 . 國外的砂狀氧化鋁生產(chǎn)技術 . 中國砂狀氧化鋁生產(chǎn)的技術進步 . 中國砂狀氧化鋁生產(chǎn)技術的發(fā)展方向 .化鋁晶體結構和性能的研究 .論文的研究內容 .二章 氫氧化鋁晶體疊合與砂狀氧化鋁強度關系 .言 .氧化鋁晶體疊合的應力狀態(tài)與強度關系 . 物理模型 . 應力分析方法 . 計算結果與討論 .氧化鋁晶體疊合的有限元分析 .士學位論文 目錄 算方法 . 計算細則 .氫氧化鋁（氧化鋁）顯微結構與強度關系驗證 .章小結 .三章 鋁酸鈉溶液種分過程附聚與氧化鋁強度關系 .言 .驗 . 實驗條件的選擇 . 實驗試劑與設備 . 實驗操作 .驗結果的討論 . 實驗結果 . 實驗數(shù)據(jù)的模糊模式識別分析 . 宏觀附聚過程的特征及種分條件與砂狀氧化鋁強度關系 . 種分體系相鄰兩時間的粒度分布數(shù)據(jù)分析 . 種分體系中一定粒徑的分布隨時間變化的實驗數(shù)據(jù)分析 . 種分附聚過程中不同時刻樣品的顯微結構分析 . 微觀附聚過程動力學研究 . 附聚效率的表達和計算 . 附聚長大和徑向長大的氫氧化鋁的強度對比 .章小結 .四章 一水硬鋁石生產(chǎn)高強度砂狀氧化鋁工藝實踐 精液分流技術 .言 .驗原理及方法 . 試驗原料 . 試驗方法 .解原液濃度對產(chǎn)品粒度和強度的影響研究 . 分解原液濃度對附聚效率的影響 . 分解原液濃度對循環(huán)試驗出料粒度和產(chǎn)品粒度的影響 . 分解原液濃度對產(chǎn)品強度和晶體顯微結構的影響 . 濃度對分解率及溶液產(chǎn)出率的影響 .高濃度溶液種分循環(huán)試驗研究 . 精液分流技術 .士學位論文 目錄 精液不分流循環(huán)試驗結果與討論 . 精液分流循環(huán)試驗結果與討論 . 產(chǎn)品顯微結構 .液分流技術的工業(yè)試驗研究 . 試驗條件 . 試驗過程 . 主要試驗結果及討論 .章小結 .五章 結 論 .考文獻 . 謝 .讀學位期間主要的研究成果 .士學位論文 第一章 文獻綜述 1第一章 文獻綜述 及冶煉 鋁為 A 族元素，屬于輕金屬，化學性質活潑，能與大多數(shù)的非金屬反應形成化合物，同時鋁又是典型的兩性金屬元素，與酸、堿都能反應形成化合物。自然界鋁的貯量十分豐富，在地殼中的含量為 折成 ，僅次于氧和硅，是含量最豐富的金屬元素1,2。 鋁是僅次于鋼鐵的第二大金屬，鋁的導電性、延展性良好，應用范圍十分廣泛，涉及交通（占 32%） 、包裝（占 20%） 、建筑（占 18%） 、機械設備（占 8%） 、電力（占 8%） 、耐用消費品（占 7%）等行業(yè)，是國民經(jīng)濟發(fā)展的重要基礎原材料。 自 2001 年起，我國原鋁產(chǎn)量超過美國，達到 337 萬噸，成為世界第一大生產(chǎn)國。 2004 年我國原鋁消費量為 597 萬噸， 成為世界第二大鋁消費國， 預計 2005年原鋁消費量將達到 650 萬噸。鋁的產(chǎn)業(yè)關聯(lián)度較高，現(xiàn)有 124 個產(chǎn)業(yè)中，有113 個產(chǎn)業(yè)部門使用鋁產(chǎn)品。鋁的社會貢獻率高，總資產(chǎn)貢獻率在 10%以上，高于全國工業(yè) 9%的平均水平。 冶煉的發(fā)展過程 鋁的冶煉發(fā)展過程大致可以分為三個階段：化學法煉鋁，小型自焙槽熔鹽電解，大型預焙槽熔鹽電解。 在化學法煉鋁階段，主要是采用比鋁更高活性的金屬單質還原鋁的化合物，如采用鉀還原無水氯化鋁，采用鈉還原 這個階段，鋁冶煉的成本很高，同時產(chǎn)量很低，曾經(jīng)出現(xiàn)過鋁比金貴的情況。 在小型自焙槽熔鹽電解階段，主要采用冰晶石氧化鋁熔鹽體系，冶煉的成本大幅降低，同時產(chǎn)量也大幅增加，這個階段開創(chuàng)了鋁冶煉史上的新紀元，但是這個階段有很多問題沒有解決，如高環(huán)境污染，高能耗，低勞動效率等。 在大型預焙槽熔鹽電解階段，也采用冰晶石氧化鋁熔鹽體系，所不同的是由小型的自焙陽極轉變?yōu)榇笮偷念A焙陽極，電流大大提高，目前最大的預焙槽電流強度已經(jīng)達到 500時技術裝備水平提高，環(huán)境污染顯著降低，能耗明顯下降，勞動生產(chǎn)率大幅增加。 博士學位論文 第一章 文獻綜述 工業(yè)的發(fā)展鋁工業(yè)開始于 19 世紀，發(fā)展十分迅速 ,鋁工業(yè)目前是世界上僅次于鋼鐵的金屬冶煉工業(yè)，發(fā)展速度很快，圖 1 1910 至 2004 年世界原鋁產(chǎn)量增長圖，從圖 1以看出， 世界原鋁產(chǎn)量基本上是以 10 年為周期翻一番的速度增長。 1910年，世界原鋁產(chǎn)量只有幾百噸，在當時的金屬冶煉中，總產(chǎn)量與鐵、銅等金屬相比是很低的，但是到了 2004 年，原鋁總產(chǎn)量已經(jīng)達到了 2985 萬噸， 比去年同期增加 4 圖 1界原鋁產(chǎn)量 中國鋁工業(yè)的發(fā)展也非常迅速， 圖 1以看出，十年間中國的原鋁產(chǎn)量增長了近 6 倍， 2004 年鋁產(chǎn)量 667 萬噸，比去年同期增加 圖 1國原鋁產(chǎn)量 05001000150020002500300035001960 1970 1980 1990 1995 2000 2001 2002 2003 2004時間產(chǎn)量/萬噸01002003004005006007008001993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004時間產(chǎn)量/萬噸博士學位論文 第一章 文獻綜述 鋁礦物及鋁土礦 鋁礦物 目前， 鋁的冶煉過程以氧化鋁為主要原料， 但是自然界存在的單晶氧化鋁 （剛玉）很少，為珍貴的寶石3。由于自然形成單晶剛玉的過程中，不可避免的會存在一些雜質，如氧化鐵、氧化鈦、氧化鉻等，單晶剛玉往往表現(xiàn)出不同的顏色，如紅色、藍色等，根據(jù)色澤的不同，單晶剛玉又稱為藍寶石、紅寶石等。這些珍貴的寶石如果用來煉鋁的話，產(chǎn)量是遠遠不夠的，而且經(jīng)濟上也不合算。因此要從自然界中的含鋁礦物中首先提煉出氧化鋁， 然后再通過電解的方法冶煉出金屬鋁。 鋁在地殼中全部以化合物的形式存在，大約有 250 多種，鋁的主要礦物及礦物中的主要成分如表 1所示。目前主要用來生產(chǎn)氧化鋁的礦物有三水鋁石、一水軟鋁石、一水硬鋁石等。 表 1要的含鋁礦物 含量 /% 名稱與化學式 玉 一水軟鋁石 5 一水硬鋁石 2O 三水鋁石 藍晶石 紅柱石 37. 硅線石 霞石 ()2O石 ()2O云母 云母 榴石 嶺石 明礬石 ()24H)3 士學位論文 第一章 文獻綜述 土礦 鋁土礦是氧化鋁生產(chǎn)中最主要的原料，其礦物物相組成和化學成分復雜，其中的氧化鋁主要以三水鋁石、 一水軟鋁石、 一水硬鋁石等氧化鋁水合物形式存在。按其所含氧化鋁水合物的類型不同， 鋁土礦可以分為三水鋁石型、 一水軟鋁石型、一水硬鋁石型、混合型等 ,按礦床成因分類，可以分為紅土型，喀斯特型（巖溶型） ，齊赫文型。 世界鋁土礦資源分布極度不均勻。赤道附近的國家，如幾內亞、澳大利亞、巴西等國家擁有占世界總貯量 90%的鋁土礦，而且礦體大，品位高，開采容易，加工性能好。而中國的鋁土礦則大多為高鋁（ 0%） 、高硅（ 2%） 、低鐵（ 出時間 000 1界主要鋁土礦生產(chǎn)國的儲量品位及其礦物類型 平均品位 國別 儲量 106t 基礎儲量 106t 主要礦物類型 幾內亞 74 86 4555 一水軟鋁石 /三水鋁石澳大利亞 44 87 3252 45 三水鋁石 牙買加 20 25 50 23 三水鋁石 巴西 18 29 4550 三水鋁石 印度 4 4560 15 三水鋁石 中國 3 5672 613 一水硬鋁石 圭亞那 560 三水硬鋁石 希臘 5658 一水軟 /硬鋁石 蘇里南 55 24 三水鋁石 委內瑞拉 1 23 三水鋁石 俄羅斯 一水軟 /硬鋁石 其他國家 5 一水軟 /硬鋁石 合計 220 330 博士學位論文 第一章 文獻綜述 10表 1世界主要鋁土礦產(chǎn)出國的儲量品位及其礦物