氧化鋁質(zhì)量對(duì)電解鋁生產(chǎn)及鋁錠質(zhì)量的影響分析
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氧化鋁質(zhì)量對(duì)電解鋁生產(chǎn)及鋁錠質(zhì)量的影響分析
電解鋁生產(chǎn)對(duì)氧化鋁質(zhì)量的要求：一是氧化鋁的純度，二是氧化鋁的物理性質(zhì)。
隨著鋁工業(yè)的發(fā)展，電解鋁行業(yè)越來越重視生產(chǎn)條件的改善和環(huán)境保護(hù)，同時(shí)隨著大型中間下料預(yù)焙槽和干法煙氣凈化的發(fā)展，鋁電解對(duì)原料氧化鋁的要求也日趨增高，氧化鋁的物理性質(zhì)受到廣泛的重視，而且要求越來越嚴(yán)格。主要要求是：粒度較粗而均勻，強(qiáng)度較高，比表面積大，另外對(duì)安息角、堆積密度、和流動(dòng)性也都有一定要求。提高氧化鋁產(chǎn)品質(zhì)量，生產(chǎn)符合電解鋁生產(chǎn)要求的砂狀氧化鋁成為近年來各大氧化鋁生產(chǎn)廠家的努力方向。
現(xiàn)行氧化鋁、氫氧化鋁、重熔用鋁錠標(biāo)準(zhǔn)
1.1氧化鋁中華人民共和國有色金屬行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（YS/T 274-1998）
氧化鋁按化學(xué)成分分為Al2O3-1、Al2O3-2、Al2O3-3、Al2O3-4四個(gè)等級(jí)，氧化鋁的化學(xué)成分符合表1的規(guī)定：
1.2中鋁冶金級(jí)氧化鋁標(biāo)準(zhǔn)（Ｑ/ChalcoA002—2004，內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)）
氧化鋁按化學(xué)成分和物理性能分為YAO-01、YAO-02二個(gè)牌號(hào)。氧化鋁的化學(xué)成分和物理性能應(yīng)符合表2的規(guī)定
氧化鋁化學(xué)指標(biāo)對(duì)電解鋁生產(chǎn)及鋁錠質(zhì)量的影響分析
氧化鋁的純度是影響原鋁質(zhì)量的主要因素，同時(shí)也影響電解過程的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，如氧化鋁中含有比鋁更正電性元素的氧化物（Fe2O3、SiO2、TiO2、V2O5等），這些元素在電解過程中將首先在陰極上析出，降低鋁的質(zhì)量，同時(shí)磷、釩、鈦、鐵等雜質(zhì)進(jìn)入電解質(zhì)，還會(huì)使電流效率降低；如氧化鋁中含有比鋁更負(fù)電性元素（堿金屬及堿土金屬）的氧化物，則在電解時(shí)這些元素將與氟化鋁反應(yīng)，造成氟化鋁耗量增加，根據(jù)計(jì)算氧化鋁中Na2O含量每增加0.1%，每生產(chǎn)1t鋁多消耗價(jià)格昂貴的氟化鋁3.8kg。因此，電解煉鋁用的氧化鋁必須具有較高的純度，其雜質(zhì)含量應(yīng)盡可能低。
原鋁中金屬雜質(zhì)主要是Fe、Si、Cu。主要是原材料（氧化鋁、氟化鹽、陽極）帶入的，提高原鋁質(zhì)量，首先是要選用高質(zhì)量的原材料，氧化鋁化學(xué)純度對(duì)電解鋁產(chǎn)品有著重要的影響。氧化鋁中的Fe2O3、SiO2在電解煉鋁過程中，全部進(jìn)入鋁錠，對(duì)鋁錠中Fe、元素的雜質(zhì)含量有著重要的影響。
華澤鋁電目前對(duì)進(jìn)廠氧化鋁原料的Fe、Si及灼減進(jìn)行分析，電解鋁產(chǎn)品的Fe、Si、Cu、Ga、Mg、Zn六項(xiàng)元素進(jìn)行分析。
氧化鋁物理性能指標(biāo)對(duì)電解鋁生產(chǎn)及鋁錠質(zhì)量的影響分析
在中鋁冶金級(jí)氧化鋁標(biāo)準(zhǔn)（Ｑ/ChalcoA002—2004，內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)）中，除化學(xué)指標(biāo)外, 氧化鋁主要包括六個(gè)物理性能指標(biāo), 即粒度、磨損指數(shù)、α-Al2O3、安息角、松裝密度和比表面, 并制定了詳細(xì)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)方法(以下為敘述方便,簡(jiǎn)稱為《標(biāo)準(zhǔn)》)。
粒度，粒度分布是描述氧化鋁物理性能的重要指標(biāo)之一。目前國際上對(duì)氧化鋁的粒度考核一般用+150μm(或+125μm)百分含量、-45μm (或-44μm)百分含量和-20μm百分含量同時(shí)考核, 因+150μm粒度含量過多, 會(huì)影響氧化鋁的溶解速度, 易產(chǎn)生沉淀; -45μm粒度含量過多, 會(huì)影響氧化鋁的流動(dòng)性，同時(shí)影響砂狀氧化鋁的比表面積和對(duì)氟化氫的吸收；-20μm細(xì)粒子含量增加，將增加氧化鋁輸送過程的飛揚(yáng)損失，造成環(huán)境污染。
粒度指標(biāo)，既產(chǎn)品氧化鋁的粒度分布對(duì)流動(dòng)性能（安息角）及吸附性能（比表面積）及松裝密度等指標(biāo)都產(chǎn)生關(guān)鍵的影響。
磨損指數(shù), 是考核氧化鋁強(qiáng)度的重要指標(biāo), 亦是鑒別“真”“假”砂狀的重要標(biāo)志, 若氧化鋁強(qiáng)度太低, 經(jīng)不起現(xiàn)代化大生產(chǎn)中用濃相或超濃相輸送的考驗(yàn), 則到電解槽就不是砂狀氧化鋁了, 其流動(dòng)性好、溶解速度快的優(yōu)越性就得不到體現(xiàn), 同時(shí)比表面積大幅下降,對(duì)氟化氫的吸附能力也會(huì)大大下降。充分考慮我國氧化鋁生產(chǎn)現(xiàn)狀及鋁土礦資源對(duì)氧化鋁生產(chǎn)技術(shù)條件的限制, 《標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定了中鋁冶金級(jí)氧化鋁磨損指數(shù)標(biāo)準(zhǔn): YA0-1≤20%, YA0-2≤25%。
粒度和強(qiáng)度指標(biāo)可綜合考慮，是最受電解鋁關(guān)注的因素。氧化鋁的細(xì)粒子含量對(duì)電解鋁許多輔助過程包括槽操作、煙塵控制、氟化物散發(fā)、溫室氣體等都有較大的影響。
α-Al2O3, 是氧化鋁物理性能必須要考核的指標(biāo)之一, 從理論上講α-Al2O3百分含量過多的話將影響砂狀氧化鋁的比表面積、溶解速度造成電解槽底沉渣及電解槽結(jié)殼脆弱, 但α-Al2O3百分含量過少將會(huì)導(dǎo)致電解槽的結(jié)殼硬度過高, 出現(xiàn)打孔和更換陽極的困難。我國用沸騰焙燒爐焙燒的氧化鋁α-Al2O3含量很低, 但用于電解鋁未見結(jié)殼過硬的現(xiàn)象, 因此在《標(biāo)準(zhǔn)》中只規(guī)定了上限值,即α-Al2O3≤10%。
安息角, 也是描述砂狀氧化鋁物理性能的一個(gè)重要指標(biāo), 它用來檢測(cè)砂狀氧化鋁的流動(dòng)性能。《標(biāo)準(zhǔn)》中確定為≤34°。
松裝密度，既堆積密度，與細(xì)粒子含量和氧化鋁顆粒晶型有密切關(guān)系。細(xì)粒子含量較高時(shí)，松裝密度降低。《標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定了松裝密度的下限值≥0.90 g/cm3。
比表面積, 冶金級(jí)氧化鋁的氟化氫吸附能力與比表面積成正比, 因此在焙燒氧化鋁時(shí)必須掌握好氧化鋁結(jié)晶晶型的焙燒條件, 使比表面積大的δ和γ氧化鋁為多數(shù), 是提高氧化鋁的氟化氫吸附能力的重要途徑。從我國現(xiàn)狀看, 用沸騰焙燒爐生產(chǎn)的氧化鋁均能達(dá)到吸附氟化氫的要求, 《標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定了比表面積的下限值:≥60m2/g。
山西分公司氧化鋁質(zhì)量分析
2006年山西分公司氧化鋁質(zhì)量指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表5：
從統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，140萬噸和80萬噸兩個(gè)系統(tǒng)氧化鋁化學(xué)成分指標(biāo)完全達(dá)到中鋁內(nèi)控指標(biāo)。140萬噸系統(tǒng)氧化鋁質(zhì)量指標(biāo)中-20μm細(xì)粒子和比表面積未達(dá)到中鋁內(nèi)控指標(biāo)，80萬噸系統(tǒng)氧化鋁完全達(dá)到中鋁內(nèi)控指標(biāo)。
從對(duì)華澤鋁電回訪情況看，山西分公司氧化鋁物化性能指標(biāo)較好，完全滿足生產(chǎn)高品質(zhì)鋁錠的要求：
SiO2含量較低，又不存在長(zhǎng)途運(yùn)輸帶來的二次污染（灰塵中SiO2的帶入），因此成品鋁錠中Si元素含量0.05%，處于國內(nèi)同行業(yè)最好水平；Fe2O3含量較低，成品鋁錠中Fe元素含量0.11%，也處于國內(nèi)同行業(yè)較好水平。細(xì)粒子含量低，飛揚(yáng)損失小，經(jīng)環(huán)保部門測(cè)定，煙塵排放達(dá)標(biāo)；氧化鋁可熔性能好，未發(fā)現(xiàn)沉槽現(xiàn)象。
在同等粒度條件下，華澤鋁電對(duì)氧化鋁的強(qiáng)度指標(biāo)（磨損指數(shù)）表示非常關(guān)注，其高低決定了進(jìn)入電解槽的氧化鋁細(xì)粒子含量。
5.3 Alumina fines’journey from cradle to grave
（2005年澳大利亞氧化鋁質(zhì)量年會(huì)論文，摘錄）
在1999年QAL組成特別調(diào)查組研究產(chǎn)品質(zhì)量及用戶對(duì)未來的期望。調(diào)查提供了電解廠主要關(guān)心的信息（見圖1）。有趣的是位置最高的因素是P2O5，它一般可通過在溶出過程加大石灰添加量來控制。同樣第三個(gè)最重要的因素是產(chǎn)品中的鐵含量，令人驚訝的是鋁中80%以上的鐵都來自于電解過程（例如陽極塊），進(jìn)一步的調(diào)查表明，大多數(shù)電解廠通過要求氧化鋁低鐵含量，以降低電解過程鐵的進(jìn)入，可以起到降低產(chǎn)品鋁中鐵的作用。
圖1電解廠關(guān)注氧化鋁性能信息次序圖
（Alumina fines’journey from cradle to grave,2005年澳大利亞氧化鋁質(zhì)量年會(huì)論文）
氧化鋁產(chǎn)品的化學(xué)雜質(zhì)通常在紅區(qū)控制（分解之前），甚至依靠鋁土礦資源的優(yōu)異性，而物理性能很大程度上由分解條件決定。在分解過程產(chǎn)出率與質(zhì)量相互影響。
IQA（澳大利亞國內(nèi)質(zhì)量目標(biāo)）總是對(duì)粒度指標(biāo)要求的較嚴(yán)，而化學(xué)參數(shù)較易達(dá)標(biāo)，由于在技術(shù)規(guī)范中粒度非常嚴(yán)格而且沒有多大的空間。關(guān)于化學(xué)雜質(zhì)的規(guī)范過分保守，例如要求Na2O小于0.5％，而典型的供貨接近于0.35％。然而，物理性能參數(shù)，特別是粒度過于嚴(yán)格，電解廠成功地要求或獲得承諾-45um小于12％，甚至10％（并且-20um小于1.5％或1％）。有時(shí)在IQA 和技術(shù)規(guī)范中都要求-45um小于10％。這個(gè)例子著重說明了氧化鋁廠達(dá)到技術(shù)規(guī)范的困難。
據(jù)報(bào)道，在冶金級(jí)氧化鋁中，即使只有極少量的三水鋁石存在，也提供了有害的HF的產(chǎn)生途徑。氧化鋁所有的灼減量都會(huì)引起HF的產(chǎn)生嗎？焙燒過程怎樣地調(diào)整可以減少電解過程HF的產(chǎn)生？對(duì)氧化鋁廠精確的控制灼減量是個(gè)很好的建議。
隨著回轉(zhuǎn)窯的被替代，澳大利亞的氧化鋁廠對(duì)新焙燒爐的高破損作出反應(yīng)，以產(chǎn)出率的代價(jià)來提高分解循環(huán)的粒度。僅僅提高粒度而不作別的努力一般同樣會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品的不堅(jiān)固（氫氧化鋁和氧化鋁更易于破損）。因此，氧化鋁廠僅注重粒度指標(biāo)將會(huì)生產(chǎn)出強(qiáng)度差的產(chǎn)品，在電解鋁廠更容易破碎。
工業(yè)實(shí)踐中已被接受的是產(chǎn)品氧化鋁中混有集塵和電收塵系統(tǒng)的粉塵。電解鋁質(zhì)疑這種做法，為什么要他們支付很可能在從氧化鋁廠到電解鋁廠的輸送過程中被損失到大氣中的物料的費(fèi)用呢？如果氧化鋁粉塵對(duì)鋁生產(chǎn)起的作用很小，為什么氧化鋁廠要徒勞地努力去捕集粉塵并將其混入氧化鋁產(chǎn)品呢？
氧化鋁廠的電收塵物料在焙燒過程重復(fù)循環(huán)限制了焙燒產(chǎn)能的增加，將粉塵物料從焙燒系統(tǒng)排除將可以處理更多的氫氧化鋁，但問題是如何利用粉塵？
通常大家都希望細(xì)粒子的平均含量達(dá)到最低（小于10%，甚至8%），但從用戶的觀點(diǎn)看，細(xì)粒子含量的穩(wěn)定性是同樣重要的。細(xì)粒子含量的波動(dòng)可能引起過多的飛揚(yáng)損失以及輸送過程的溢出。對(duì)于直接從氧化鋁廠通過皮帶輸送氧化鋁，高細(xì)粒子量的影響是必須通過降低輸送速度來減少氧化鋁的損失。因此，氧化鋁細(xì)粒子不僅與健康和環(huán)境相關(guān)，同時(shí)與氧化鋁的損失和操作維護(hù)費(fèi)用相關(guān)。
通常，進(jìn)入電解槽的氧化鋁粒度與其熔煉性能沒有明顯的關(guān)聯(lián)。然而，近來在某電解廠采集的數(shù)據(jù)清楚地描述了氧化鋁細(xì)粒子含量對(duì)微粒同氟化物損失的影響。
氧化鋁中細(xì)粒子量對(duì)微粒與氟化物排放量的影響
