淺析氫氧化鋁在高溫焙燒過程中結(jié)構(gòu)與性能的變化

劉晶晶，陳澤成

(龍口東海氧化鋁有限公司，山東 龍口 265713)

氫氧化鋁在焙燒爐中的脫水和相變是非常復(fù)雜的物理化學(xué)變化過程，這一過程中有很多的影響因素，這些影響因素不僅包含原始?xì)溲趸X的制取方法、粒度、雜質(zhì)等而且其雜質(zhì)的種類、含量和焙燒的條件都會(huì)影響氫氧化鋁的結(jié)構(gòu)與性能。這些因素最終決定氧化鋁的產(chǎn)量、質(zhì)量和能耗的關(guān)鍵，氧化鋁技術(shù)人員一直在研究和總結(jié)相關(guān)的理論基礎(chǔ)，以便于對未來的設(shè)備選型和進(jìn)一步完善工藝條件奠定相關(guān)基礎(chǔ)。

1 氫氧化鋁焙燒工藝

氫氧化鋁的漿液經(jīng)過平盤過濾機(jī)后實(shí)現(xiàn)漿液的液固分離，合格的氫氧化鋁濾餅，經(jīng)過相關(guān)輸送機(jī)進(jìn)入到懸浮焙燒爐內(nèi)，焙燒爐中的重油或天然氣燃燒產(chǎn)生高溫，氫氧化鋁經(jīng)過焙燒爐的干燥段、預(yù)熱焙燒段和冷卻段使之烘干、脫水和晶型轉(zhuǎn)變成為氧化鋁。這其中焙燒的溫度又成為了影響氧化鋁質(zhì)量的主要因素，隨著焙燒爐內(nèi)的溫度升高，氫氧化鋁在高溫狀態(tài)下發(fā)生脫水和一系列相變，氧化鋁的化學(xué)性質(zhì)、物理性能以及形狀、粒度和表面狀態(tài)等均會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化。

2 氫氧化鋁焙燒過程中的相變

研究氫氧化鋁在焙燒過程中的物相和結(jié)構(gòu)變化，適宜的焙燒條件有利于最終產(chǎn)品質(zhì)量的調(diào)控和能耗的降低，氫氧化鋁相變過程非常復(fù)雜但總體變化過程包括以下幾個(gè)方面。

附著水的脫除，一般情況下氫氧化鋁中的附著水含量是8%～12%，這些附著水需要在100℃～110℃的焙燒溫度下才開始脫除。

結(jié)晶水的脫除，溫度在130℃～190℃之間時(shí)氫氧化鋁開始脫除結(jié)晶水，其中三水鋁石依次脫除其中的0.5、1.5和1個(gè)水分子，其過程分為第一階焙燒溫度在180℃～220℃之間，脫去其中的0.5個(gè)水分子，第二階段焙燒溫度在220℃～420℃之間，脫去2個(gè)水分子，第三階段溫度在420℃～500℃之間，脫去0.4個(gè)水分子，當(dāng)焙燒溫度從600℃加熱到1050℃之后剩余的0.05～0.1個(gè)水分子被脫除。

氫氧化鋁晶型的轉(zhuǎn)變，脫水過程中氫氧化鋁也在進(jìn)行晶型轉(zhuǎn)變，溫度達(dá)到1200℃時(shí)氫氧化鋁全部轉(zhuǎn)變?yōu)閍-AL2O3。轉(zhuǎn)變過程中出現(xiàn)若干性質(zhì)不同的過渡性氧化鋁，過渡氧化鋁由于氧化鋁的類型、加熱的條件不同也不相同。

3 氫氧化鋁在焙燒過程中結(jié)構(gòu)發(fā)生的變化

氫氧化鋁比表面積的變化，氫氧化鋁的比表面積在焙燒溫度達(dá)到240℃時(shí)開始急劇增加，當(dāng)焙燒溫度達(dá)到400℃時(shí)達(dá)到極大值，焙燒溫度在240℃是氫氧化鋁第二階段脫水的開始，這時(shí)氫氧化鋁迅速脫除水分結(jié)晶集體合崩碎并生成α-AL2O3結(jié)晶不完善的γ-AL2O3由于分散度較大因此具有很大的比表面積，完成脫水后γ-AL2O3結(jié)晶變得更為完善也更為致密同時(shí)比表面積也開始減少，當(dāng)焙燒溫度達(dá)到900℃時(shí)α- AL2O3開始形成并且隨著溫度的升高而不斷增加，當(dāng)焙燒溫度達(dá)到1200℃時(shí)比表面積降到最低點(diǎn)。采用不同的生產(chǎn)工藝制取氧化鋁其晶型基本類似但是比表面積和結(jié)構(gòu)卻又很大的不同，而且成品氧化鋁的比表面積與原始物料也有很大的關(guān)系。

焙燒過程中的密度變化，氫氧化鋁在焙燒過程中的密度也在不斷變化，當(dāng)焙燒溫度達(dá)到125℃以上時(shí)其密度也開始不斷上漲，密度的上漲與比表面積的減少有關(guān)系，當(dāng)當(dāng)焙燒溫度達(dá)到1200℃時(shí)脫水結(jié)束γ- AL2O3變得更致密比表面積降到最低點(diǎn)同時(shí)密度也將要達(dá)到最高點(diǎn)。

灼堿率的變化，隨著脫水的不斷進(jìn)行灼堿也在不斷進(jìn)行，脫水的過程也正是灼堿的過程，灼堿與溫度關(guān)系密切100℃開始灼堿，在350℃時(shí)灼堿速度明顯迅速增快，當(dāng)溫度達(dá)到400℃時(shí)這一速度有明顯下降，這一現(xiàn)象說明氫氧化鋁脫水主要是在100℃～300℃之間完成的，到達(dá)400℃時(shí)脫水已基本完成。

產(chǎn)品粒度的改變，氧化鋁的粒度是一項(xiàng)重要指標(biāo)，由于干法煙氣凈化和大型中間自動(dòng)點(diǎn)式下料預(yù)焙槽的推廣應(yīng)用以及懸浮預(yù)熱及流態(tài)化焙燒技術(shù)的應(yīng)用對氧化鋁的的粒度要求更為嚴(yán)格，粒度均勻有利于后續(xù)作業(yè)進(jìn)行，隨著脫水和相變過程的進(jìn)行物料會(huì)發(fā)生兩個(gè)階段性的粉化現(xiàn)象。第一個(gè)階段發(fā)生在溫度為180℃～440℃時(shí)，

因?yàn)槊撍畯?qiáng)烈導(dǎo)致結(jié)晶集合體破裂，生成X- AL2O3和γ- AL2O3此時(shí)其晶格存在大量的缺陷，強(qiáng)度較低。而溫度達(dá)到440℃～580℃左右是不再產(chǎn)生新相γAL2O3晶體結(jié)構(gòu)趨于完善，細(xì)粒子減少、強(qiáng)度提高。第二階段發(fā)生在溫度為1200℃～1300℃時(shí)，此時(shí)α-AL2O3再結(jié)晶，集合體強(qiáng)度大幅度的降低、崩解，小于40μm的粒子大量產(chǎn)生。

不同階段時(shí)焙燒溫度提高的速度對產(chǎn)品粒度有不同的影響。在低于400℃或者600℃以上時(shí)，加熱速度快細(xì)粒子產(chǎn)生的就更多，這是因?yàn)榧訜岬乃俣葲Q定了結(jié)晶的質(zhì)量，速度快則結(jié)晶不良強(qiáng)度不足。而在400℃和600℃之間提高加熱速度其粉化程度降低，因?yàn)橄嘧兯俣扰c溫升速度成反比，根據(jù)分析表明每分鐘升高8℃時(shí)容易產(chǎn)生γ- AL2O3與X- AL2O3的混合物，而當(dāng)溫度提升到每分鐘80℃時(shí)則只能產(chǎn)生γ- AL2O3，而且γ-AL2O3的結(jié)晶高于X- AL2O3因此溫度升高的速度慢產(chǎn)生的粉化率就高，且氧化鋁的強(qiáng)度也低。另外經(jīng)過充分的干燥和預(yù)脫水的氫氧化鋁在焙燒時(shí)就能夠避免高溫劇烈脫水而引起的粉化，控制溫度在1000℃～1100℃時(shí)也有利于減少細(xì)粒子的含量。

其他性質(zhì)的變化，氧化鋁的其他性質(zhì)，安息角、流動(dòng)性夜受焙燒溫度的影響。焙燒溫度在1000℃～1100℃時(shí)產(chǎn)生的氧化鋁安息角要更小一些其流動(dòng)性也更好，而且α-AL2O3的含量少比表面積大，在冰晶石熔體中的溶解速度較快，如果溫度高于了1200℃時(shí)則氧化鋁性能相反安息角大流動(dòng)性也差。

4 結(jié)語

氫氧化鋁的焙燒是拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的最后一道工序，通過高溫的焙燒脫去氫氧化鋁含有的附著水和結(jié)晶水，實(shí)現(xiàn)晶型轉(zhuǎn)變，制取符合生產(chǎn)工藝要求的氧化鋁，根據(jù)氫氧化鋁在不同焙燒溫度下產(chǎn)生的不同變化選擇合適的焙燒工藝、焙燒溫度不僅能夠進(jìn)充分降低生產(chǎn)能耗還可以進(jìn)一步提高產(chǎn)品性能。