陳袁魁，潘有利，周　嘯，杜廣生，廖萬里

(1.武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，武漢　430070；2.中建材(合肥)機電工程技術有限公司，合肥　230000)

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輸送方式對氧化鋁顆粒磨損及性能的研究

陳袁魁1，潘有利1，周嘯2，杜廣生2，廖萬里1

(1.武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，武漢430070；2.中建材(合肥)機電工程技術有限公司，合肥230000)

分別采用分形法和激光粒度檢測法定量探討了氣力提升泵和斗式提升機冶金級氧化鋁原料顆粒磨損等規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)兩種方法所得結果均表明氣力提升泵輸送方式對顆粒的磨損程度均為斗式提升機輸送方式的兩倍以上。從試樣的微觀形貌觀測還發(fā)現(xiàn)采用氣力提升泵輸送后試樣表面裂紋明顯增多，細顆粒含量增加，這對鋁電解生產(chǎn)過程的穩(wěn)定和電解效率提高均有不利影響，故采用斗式提升機輸送工藝更為合理。

分形； 氧化鋁； 磨損； 輸送方式

1　引　言

電解鋁生產(chǎn)過程中的原料氧化鋁輸送可選擇氣力輸送和機械輸送等方式[1]。但以往在垂直輸送時多采用氣力提升泵來完成，電耗較高，因而近期一些企業(yè)為了節(jié)電轉而通過技改采用鋼絲膠帶斗式提升機進行輸送。然而在實際生產(chǎn)中又發(fā)現(xiàn)采用提升機后，不僅輸送時能夠節(jié)電，而且對后續(xù)鋁電解的電流效率還有進一步的提高。為什么會出現(xiàn)這種結果，其內(nèi)在影響機理如何，深入探討這一問題對于電解鋁生產(chǎn)的節(jié)能、環(huán)保及工藝過程的優(yōu)化顯然具有十分現(xiàn)實的意義。

關于不同輸送裝備及工藝對于砂狀氧化鋁原料理化特性及其與鋁電解反應過程適應性的影響并未見相應的報道。目前只是對氧化鋁顆粒尺寸的影響進行了一些探討，相關研究認為對于氧化鋁原料需要控制一個合理的粒度分布范圍，若其粒度過細，則會因其安息角過大而導致氣力輸送管道易于堵塞，不僅造成輸送不暢，嚴重時甚至會引起加料困難，最終危害電解的正常進行；反之若粒度粗大，則不僅會降低其在電解質(zhì)中的溶解速度，大顆粒還易沉積于電解槽底，顯著降低電流效率[2,3]。此外氧化鋁原料的粒度分布特點還和其強度有密切關系，總體上強度高則體系中細小顆粒比例就少，而強度低則會存在較多的細小顆粒，從而改變其粒度分布特征。

生產(chǎn)中通常采用磨損指數(shù)來表征氧化鋁的強度，其檢測方法為中國有色金屬行業(yè)標準YS/T438.2-2001，該方法雖然簡便，但卻較粗放，測定結果因多種因素影響精確度不高。因而也有研究者提出利用激光粒度法來檢測氧化鋁的磨損指數(shù)，但后者對于檢測對象需假設為球形顆粒，對于非規(guī)則形狀的氧化鋁顆粒而言仍會受到一定的局限[4]。

本文重點針對氣力提升泵和斗式提升機兩種輸送方式下對氧化鋁顆粒形貌和磨損狀況的影響，試圖采用分形維數(shù)法來定量探索兩種輸送方式對氧化鋁顆粒的形貌和磨損的影響規(guī)律。并通過與激光粒度法的對比研究來探討分形維數(shù)法的適應性，對測得的相關試驗數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)分析，從而定量表征輸送方式對氧化鋁顆粒磨損性能的影響，進而對其影響電解效率的作用機理進行解釋，為鋁電解生產(chǎn)過程的輸送工藝優(yōu)化提供一定的參考依據(jù)。

2　試　驗

2.1試驗材料

所采用的試驗材料取自兩個氧化鋁生產(chǎn)企業(yè)(記作A和B)，其氧化鋁入庫均由氣力提升泵系統(tǒng)改造為鋼絲膠帶斗式提升機輸送，輸送高度均為40 m。所用的相關試樣分別為不同輸送設備輸送前后按相同方法所取的氧化鋁原料試樣，氣力輸送前后的試樣編號為A1、B5和A2、B6，而機械輸送前后的試樣則標號為A3、B7和A4、B8。

2.2試驗研究方法

(1)分形維數(shù)檢測法：首先通過采用JSM-5610LV型掃描電鏡對不同輸送方式氧化鋁試樣顆粒進行觀測，并分析不同試樣的形貌特征，獲得第一手直觀的研究信息。繼而得到相應試樣的SEM灰度照片。不同樣品的表面形貌對二次電子和背散射電子的反射強度會產(chǎn)生明顯差異，從而導致相應的圖像呈現(xiàn)明暗變化即灰度差異。故所獲得的不同試樣表面SEM圖像的強度分布就直接反映其真實形貌的特點。根據(jù)這一規(guī)律，通過觀察試樣SEM圖一方面可以直接觀測到試樣輸送前后的形貌變化；同時還可由試樣SEM圖來定量計算其分形維數(shù)，根據(jù)輸送前后試樣的分形維數(shù)值可算出相應的分形維數(shù)變化率，進而定量表征試樣的磨損量[5]。

根據(jù)對氧化鋁試樣及其SEM圖實際特點的分析，適合于采用盒維數(shù)法測定其分形維數(shù)，其一般方法為：對于一幅大小為M×M的圖像，將圖像映射到三維空間(xyz) ，其中(x，y)表示圖像各像素點的平面位置，z表示各像素點的灰度值。再將圖像平面劃分成以e×e為單位面積的網(wǎng)格，相應的尺度因子r=e/M。則在每一個網(wǎng)格的z方向上都可認為能疊加一系列的e×e×e'的長方體小盒子，其中e為盒子邊長，e'為盒子的高度，且e'=e×G/M，G則為所計算圖像的灰度級數(shù)。ue和ub分別是區(qū)域e×e內(nèi)相應圖像的最大和最小灰度，首先計算出其在z方向上ue和ub之間的網(wǎng)格個數(shù)，記為N，則N的數(shù)值隨e的取值不同而改變。網(wǎng)格尺寸e即是測量圖像灰度級數(shù)的尺度，因此可以利用e與N的關系計算圖像灰度數(shù)據(jù)的分形維數(shù)[6]。如式(1)所示：

logN=-Dloge+C

(1)

式中：D為圖像的盒子維數(shù)；C=DlogM為常數(shù)。由不同e值經(jīng)計算可得到不同的N值。對e、N作雙對數(shù)圖，采用最小二乘法擬合的直線斜率即為-D，研究中設定為D0輸送前的氧化鋁顆粒的分形維數(shù)，D1代表輸送后的氧化鋁顆粒分形維數(shù)。則分形維數(shù)變化率B可根據(jù)式(2)計算：

(2)

分形維數(shù)主要是反映對象顆粒表面的形貌特征，一般而言，若顆粒表面的粗糙程度越高，相應的分形維數(shù)也越大。因而本研究根據(jù)氧化鋁顆粒分別在氣力提升泵和斗式提升機輸送過程中的實際作用特點，認為在提升機輸送時所受的外力相對很小，顆粒之間基本上沒有明顯相互作用，而在氣力提升泵輸送過程中，主要通過一定風壓的氣力強制輸送物料，因此在氣力的作用下顆粒之間會發(fā)生較為劇烈的相互碰撞與摩擦。由于冶金級氧化鋁顆粒結構較為疏松，受力后很容易發(fā)生破裂，不僅會產(chǎn)生一定量的碎屑，而且顆粒表面也會發(fā)生相應的破損，進而導致其粗糙程度也可能增高，故與提升機輸送相比，氧化鋁顆粒的磨損量將會增大。因此依據(jù)上述分形維數(shù)的原理可以通過計算氧化鋁顆粒在輸送前后的分形維數(shù)變化率來定量表征氧化鋁顆粒的磨損情況。

(2)激光粒度檢測法：為了更為全面的探討分形維數(shù)檢測法的適應性，研究中還以激光粒度檢測法進行了相應的對比研究。采用激光粒度儀(Mastersizer2000)分別測定了不同試樣在相應輸送工藝下，輸送前后顆粒組成中<45 μm顆粒的含量(分別記為W0和W1)，按式(3)計算其磨損指數(shù)I，將所得到的試樣磨損指數(shù)與前述分形維數(shù)檢測法測定的相關結果進行定量對比分析，探討分形維數(shù)檢測法的適應性和精確性。

(3)

3　結果與討論

3.1試樣的顯微形貌分析

分別對A和B兩個企業(yè)氣力提升泵與斗式提升機輸送的相關試樣進行SEM檢測，觀察相應的氧化鋁顆粒的形貌特征?？梢园l(fā)現(xiàn)采用斗式提升機輸送的氧化鋁顆粒在輸送前后形貌上沒有明顯的改變，但是用氣力提升泵輸送的氧化鋁顆粒輸送前后其形貌結構則會產(chǎn)生明顯的變化。選擇A企業(yè)相關試樣的SEM照片(見圖1～4)進行具體分析。

圖1　氣力提升泵輸送(a)前(A1)(b)后(A2)的氧化鋁SEM圖Fig.1　SEM images of alumina (a)before and (b)after pneumatic conveying

圖2　斗式提升機輸送前(a)(A3)(b)后(A4)的氧化鋁SEM圖 Fig.2　SEM images of alumina (a)before and (b)after mechanical

圖1是氣力提升泵輸送前后的氧化鋁試樣的SEM圖，總體來看，圖中氧化鋁顆粒都呈六角柱狀,表面形貌不規(guī)則。但仔細觀察后可知，輸送前的氧化鋁顆粒(圖1a)表面清晰，棱角分明，裂紋較少。反觀圖1b，則不難發(fā)現(xiàn)經(jīng)過氣力提升泵輸送后，氧化鋁顆粒的棱角已明顯磨圓，表面的裂紋增加，特別是還能觀察到顆粒表面粘附了較多的細粉。再看斗式提升機輸送前后的氧化鋁試樣的SEM圖(圖2)。與前兩者相比較，則可發(fā)現(xiàn)斗式提升機輸送前后的氧化鋁顆粒在形貌特征上沒有較為明顯的差異，由此可以表明斗式提升機輸送過程中對氧化鋁顆粒沒有明顯的作用。通過上述試樣微觀形貌研究可以發(fā)現(xiàn)，與斗式提升機輸送的試樣相比，采用氣力提升泵輸送的氧化鋁顆粒因受到劇烈的氣力作用及相關碰撞，其試樣磨損程度明顯增大，不僅顆粒本身產(chǎn)生較多的裂紋，而且體系中細粉比例明顯增加。

3.2氧化鋁顆粒磨損情況的分形表征

對上述分別采用氣力提升泵輸送和斗式提升機輸送的相應氧化鋁試樣進行分形維數(shù)及其變化率的計算，計算樣本為氧化鋁試樣放大倍數(shù)200倍的SEM圖，有關結果列于表1。

表1　分形維數(shù)法測定的氧化鋁試樣分形維數(shù)及變化率

如前所述，分形維數(shù)的大小反映了顆粒表面粗糙程度的高低，那么同一種氧化鋁試樣顆粒經(jīng)過不同的輸送方式前后，其分形維數(shù)的變化率越大則表明輸送方式對其表面形貌的影響越大，進而可以推斷其對試樣顆粒的磨損程度也越強。對比表1中兩組試樣的相應計算結果不難看出，不論是斗式提升機輸送還是氣力提升泵輸送的試樣，其輸送前后分形維數(shù)均呈增大的趨勢，但是從分形維數(shù)變化率的情況來看，則兩組試樣中采用氣力提升泵輸送后相應的分形維數(shù)變化率都明顯要高于采用斗式提升機輸送的情況。如A組中斗式提升機輸送試樣變化率只有0.33%，氣力提升泵輸送試樣的變化率則達到0.78%，B組中斗式提升機輸送試樣變化率為0.416%，相應的氣力輸送試樣變化率達到0.82%，氣力提升泵輸送試樣變化率總體上約為斗式提升機輸送試樣相應值的兩倍左右。由此可以判斷氣力輸送方式對氧化鋁顆粒具有更為顯著的磨損影響，這與前述SEM照片的直觀分析結果是一致的。

3.3采用激光法測定不同輸送方式氧化鋁顆粒的磨損情況

鋁電解生產(chǎn)對氧化鋁原料的顆粒尺寸及粒度分布均有較高的要求，正常的平均粒度為75 μm左右，此外還要求具備較低的磨損指數(shù)。而實踐表明當輸送裝備改變后會對氧化鋁顆粒的粒徑分布與磨損量都產(chǎn)生相應的影響，特別是采用氣力提升泵時，影響更為突出。表2為兩個企業(yè)分別采用不同輸送方式條件下，相應試樣輸送前后的激光粒度法檢測結果。

表2　不同試樣激光粒度法測定的相關結果

分析表2中的數(shù)據(jù)可以明顯看出，首先不論是斗式提升機輸送還是氣力提升泵輸送的試樣，其輸送后小于45 μm顆粒的含量均呈增大趨勢，相應的表面積平均粒徑則均呈減小的趨勢，但氣力提升泵輸送試樣的變化程度卻要顯著高于斗式提升機輸送試樣，從不同試樣平均粒徑變化率和磨損量的情況來看，則氣力提升泵輸送試樣相應的平均粒徑變化率和磨損量也都明顯要大于斗式提升機輸送試樣的情況。具體來講A組和B組中氣力提升泵輸送試樣的前后平均粒徑分別減少了6.946 μm和13.191 μm，相應的平均粒徑變化率分別為10.6%和17.98%；而斗式提升機輸送試樣前后平均粒徑僅分別下降3.314 μm和1.748 μm，平均粒徑變化率為4.2%和3.5%；另外A組試樣氣力提升泵輸送的磨損量為3.7%，斗式提升機輸送的磨損量僅1.3%，B組試樣氣力提升泵輸送的磨損量為7.08%，斗式提升機輸送的磨損量僅2.7%。這些證據(jù)都可以表明氣力提升泵輸送方式對氧化鋁顆粒具有更加顯著的磨損作用，其變化規(guī)律與程度與前述分形維數(shù)檢測法的研究分析結果同樣是十分吻合的。

綜合以上研究分析的結果，對于實際生產(chǎn)中相同工況下的氧化鋁原料，輸送過程也會對氧化鋁顆粒的粒徑及其分布產(chǎn)生影響，但采用不同輸送方式時，其影響程度卻存在顯著的差異，其中氣力提升泵輸送對氧化鋁顆粒的磨損、粒徑與分布影響較大，其影響程度遠遠高于采用斗式提升機的機械輸送工藝。從本文研究的具體結果來看，A、B兩組試樣的情況都呈現(xiàn)出基本相同的規(guī)律，即不論采用激光法測定和采用分形維數(shù)法測定，相應的定量化結果都表明氣力提升泵輸送對氧化鋁顆粒的磨損情況要比斗式提升機輸送工藝的相應程度高出兩倍以上。另外本文通過采用分形維數(shù)法進行相關研究，不僅能夠直觀的觀察到氧化鋁試樣表面形貌的變化情況，同時通過分形維數(shù)變化率的計算能夠十分清晰的進行相關磨損情況定量化表征，并且所得計算結果和激光粒度檢測法相應結果的規(guī)律性均十分吻合。

另一方面，對于鋁電解生產(chǎn)過程氧化鋁原料物理性能的有關工藝要求來看，合理穩(wěn)定的原料粒徑與分布對于電解生產(chǎn)效率影響顯著，若過細顆粒多，不僅易造成堵管、下料困難，而且會增大電解質(zhì)溶液的粘度，降低電解效率。因此生產(chǎn)過程中若存在明顯增加磨損的環(huán)節(jié)，無疑將使上述負面影響更為突出，由此不難理解采用斗式提升機的輸送工藝與氣力提升泵輸送相比不僅本身具有節(jié)電效果，而且其對后續(xù)的鋁電解生產(chǎn)過程也有進一步的改進優(yōu)化作用。

4　結　論

利用分形維數(shù)檢測法既能直觀的了解不同輸送過程氧化鋁顆粒的微觀形貌特征，還能精確定量表征輸送前后氧化鋁原料顆粒的磨損情況，其變化程度與激光粒度檢測法所得相關結果具有良好的一致性，其次研究還發(fā)現(xiàn)輸送過程會對氧化鋁顆粒的粒徑及其分布產(chǎn)生影響，采用不同輸送方式時，其影響程度存在顯著的差異，其中氣力提升泵輸送對氧化鋁顆粒的磨損、粒徑與分布影響較大，其影響程度遠遠高于采用斗式提升機的機械輸送工藝，從具體的實驗數(shù)據(jù)來看，氣力提升泵輸送工藝對氧化鋁原料的磨損影響程度比斗式提升機輸送工藝高出兩倍以上，產(chǎn)生較多的細顆粒，會進一步影響鋁電解生產(chǎn)效率。故鋁電解生產(chǎn)企業(yè)在垂直輸送工段采用斗式提升機輸送工藝更為合理。

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Alumina Wear Situation and Performance of Transportation Methods

CHENYuan-kui1,PANYou-li1,ZHOUXiao2,DUGuang-sheng2,LIAOWan-li1

(1.State Key Laboratory of Silicate Materials for Architectures,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China;2.CNBM (Hefei) Electrical and Mechanical Technology Co.Ltd,Hefei 230000,China)

Respectively using fractal method and laser particle method to quantitatively investigate the pneumatic conveying (pneumatic lift pump) and mechanical transport (bucket elevator) wear law of metallurgical grade alumina. The study found that two research methods shows the same results that the pneumatic conveying way wear particles are more than twice of mechanical transport. From the microstructure observation sample also found the same results, after pneumatic conveying surface crack specimens increased significantly, increasing the content of fine particles, which is stable and electrolytic aluminum electrolytic production process to improve efficiency are adversely affected. So the use of bucket elevator conveyor process is more reasonable.

fractal;alumina;wear;transportation method

陳袁魁(1956-)，男，碩士.主要從事無機材料性能的研究.

TQ150

A

1001-1625(2016)06-1929-05