圖 亞，高桂梅，楊 磊，王永旺，陳 東，張?jiān)品?/p>

（神華準(zhǔn)能資源綜合開(kāi)發(fā)有限公司研發(fā)中心，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017100）

我國(guó)是鋁土礦資源短缺的國(guó)家，礦石品質(zhì)較差，一半以上依賴(lài)進(jìn)口，尋找鋁土礦替代資源刻不容緩[1-3]。準(zhǔn)格爾煤田煤炭屬“高鋁、富鎵”煤，煤炭地質(zhì)儲(chǔ)量267.6億t，蘊(yùn)含氧化鋁35億t、鎵85.7萬(wàn)t。煤炭經(jīng)發(fā)電廠鍋爐燃燒后，粉煤灰中氧化鋁含量達(dá)到50%左右，鎵含量達(dá)到82.5g/t，鋁鎵的二次富集極具開(kāi)發(fā)價(jià)值，是鋁土礦替代資源。

目前，粉煤灰提取氧化鋁的方法主要有堿法、酸法和酸堿聯(lián)合法。與堿法相比，酸法具有工藝流程短，工藝技術(shù)條件寬泛，易于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化；原料循環(huán)使用，損耗量少，生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)。

自20世紀(jì)80年代開(kāi)始，美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展了粉煤灰酸法提取金屬元素的研究工作，但粉煤灰酸法提取氧化鋁僅停留在實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)研究階段，工藝技術(shù)不成熟及設(shè)備耐受性差是限制粉煤灰酸法提取氧化鋁走向工業(yè)化的主要障礙。課題組經(jīng)過(guò)多年研究，成功研發(fā)了粉煤灰酸法提取氧化鋁工藝技術(shù)，并建成了粉煤灰酸法提取氧化鋁中試系統(tǒng)。該中試系統(tǒng)主要包括配料、溶出、分離洗滌凈化、蒸發(fā)結(jié)晶、焙燒、酸回收六個(gè)主體工序。其中溶出工序是中試裝置的核心工序，對(duì)粉煤灰中氧化鋁溶出率起著決定性的作用。

溶出工藝：溶出工序負(fù)責(zé)接受配料工序來(lái)料，來(lái)料直接進(jìn)入溶出系統(tǒng)。通過(guò)蒸汽加熱保持溶出系統(tǒng)處于恒定溫度，粉煤灰中氧化鋁和鹽酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)制得氯化鋁溶液，溶液經(jīng)保溫停留后高溫料漿進(jìn)入二級(jí)閃蒸器，經(jīng)閃蒸降溫、降壓的料漿進(jìn)入稀釋槽和一次洗液混合降溫，合格料漿通過(guò)稀釋泵輸送至分離工序沉降槽。

粉煤灰酸法生產(chǎn)氧化鋁現(xiàn)用溶出設(shè)備規(guī)模小，而且在運(yùn)行中出現(xiàn)了法蘭連接處氟塑料內(nèi)襯收縮、筒體變形、封頭脫落等現(xiàn)象，溫度無(wú)法達(dá)到理論設(shè)計(jì)值。因此，針對(duì)粉煤灰和鹽酸原礦漿特性，亟需開(kāi)展溶出工藝設(shè)備選材研究。

本文結(jié)合酸法生產(chǎn)氧化鋁溶出條件及料漿特性，參照材料手冊(cè)和市場(chǎng)調(diào)研結(jié)果，對(duì)可能用于溶出設(shè)備的材質(zhì)進(jìn)行了初步篩選。對(duì)樹(shù)脂涂層、石墨、耐酸磚等材質(zhì)的耐磨蝕、耐腐蝕性能進(jìn)行了研究。

耐酸磚全稱(chēng)為耐酸瓷磚，主要成分是二氧化硅，它在高溫焙燒下形成大量的多鋁紅柱石，這是一種耐酸性能很高的物質(zhì)。以石英、長(zhǎng)石、粘土為主要原料，經(jīng)高溫氧化分解制成耐腐蝕材料的耐酸瓷磚，具有耐酸堿度高，吸水率低，在常溫下不易氧化，不易被介質(zhì)污染等性能，除氫氟酸及熱磷酸外，對(duì)溫氯鹽水、鹽酸、硫酸、硝酸等酸類(lèi)及在常溫下的任何濃度的堿類(lèi)，均有優(yōu)良的抗腐作用。

但是對(duì)某些材料來(lái)說(shuō)，在相同條件下硫酸和鹽酸，鹽酸比硫酸腐蝕性強(qiáng)，鹽酸中氯離子會(huì)加速材料的腐蝕。因此，需要對(duì)耐酸磚及膠黏劑復(fù)合體耐磨蝕磨損性能進(jìn)行研究。

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)耐酸磚及膠黏劑復(fù)合體耐磨蝕磨損性能進(jìn)行研究，研究?jī)?nèi)容包括耐腐蝕磨損速率（ASTM G31-2011），試驗(yàn)前后表面形貌及能譜、壓縮及拉伸強(qiáng)度（GB/T7314-2005，GB/T228-2002）和硬度的變化。

1 試驗(yàn)部分

1.1 檢測(cè)設(shè)備

高溫反應(yīng)釜（HTD8040D）、場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（德國(guó)蔡司UlTRA55）、三維視頻顯微鏡（美國(guó)科士達(dá)KH-8700）、微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（CMT5150）和硬度計(jì)（TH210）。

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

1.2.1 180℃樹(shù)脂涂層耐腐性能研究實(shí)驗(yàn)步驟

（1）室溫浸泡試驗(yàn)：將粉煤灰、鹽酸按比例配置，裝入180℃樹(shù)脂涂層溶出罐內(nèi)在室溫下測(cè)試靜態(tài)36h的耐腐性能。

（2）100℃溶出試驗(yàn)：將粉煤灰、鹽酸按比例配置，裝入180℃樹(shù)脂涂層溶出罐內(nèi)在100℃、攪拌轉(zhuǎn)速10rpm/min條件下，測(cè)試耐腐性能。

1.2.2 石墨材質(zhì)耐腐性能研究試驗(yàn)步驟

100℃溶出試驗(yàn)：將粉煤灰、鹽酸按比例配置，裝入油浴鍋內(nèi)在100℃、攪拌轉(zhuǎn)速10rpm/min條件下，將石墨掛片浸入反應(yīng)器中進(jìn)行耐磨試驗(yàn)。

1.2.3 耐酸磚材質(zhì)耐腐性能試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)條件見(jiàn)表1。

表1 耐酸磚及膠黏劑復(fù)合體試驗(yàn)條件設(shè)計(jì)

（1）將鋼襯耐酸磚材料（含膠粘劑）按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行切割，12個(gè)樣品，依次編號(hào)。

（2）將樣品記號(hào)后用蒸餾水和乙醇進(jìn)行清洗，在烘箱中恒溫60℃干燥24h，然后稱(chēng)重記下1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)樣品的始重。

（3）測(cè)試1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)平行樣品的表面形貌、XRD、能譜。

（4）將1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)平行樣品固定在聚四氟杯體內(nèi)壁上，放入充滿試驗(yàn)溶液的高溫高壓反應(yīng)釜中。

（5）設(shè)置反應(yīng)釜轉(zhuǎn)速為2m/s，溫度為170℃。具體試驗(yàn)條件見(jiàn)表1。

（6）記錄試驗(yàn)時(shí)間，開(kāi)始試驗(yàn)。試驗(yàn)10天后停止試驗(yàn)并取下試樣，然后將試樣分別用蒸餾水和乙醇清洗后在烘箱中恒溫60℃干燥24h并稱(chēng)重，記下1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)平行樣品的終重。

（7）采用失重法計(jì)算1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)平行樣的旋轉(zhuǎn)沖刷腐蝕性性能，腐蝕性速率的計(jì)算公式為：

其中：v：腐蝕速率，單位為mm/h；W0：始重，單位g；

W1：終重，單位g；ρ：密度，單位為g/cm3；

S：表面積，單位為mm2；h：試驗(yàn)時(shí)間，單位為小時(shí)。

（1）計(jì)算磨損失效厚度，計(jì)算鋼襯耐酸磚的使用年限。

（2）測(cè)試試驗(yàn)后1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)平行楊的表面形貌、能譜、XRD、硬度、壓縮及拉伸強(qiáng)度。

（3）測(cè)試4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)平行樣的硬度。

（4）測(cè)試7號(hào)、8號(hào)、9號(hào)平行樣品的壓縮強(qiáng)度以及10號(hào)、11號(hào)、12號(hào)平行樣的拉伸強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 180℃樹(shù)脂涂層耐腐性能研究

2.1.1 室溫浸泡試驗(yàn)結(jié)果分析

樹(shù)脂涂層處理的加熱束與攪拌槳在粉煤灰、鹽酸共存條件下靜態(tài)放置12h、24h、36h時(shí)均沒(méi)有發(fā)生明顯腐蝕現(xiàn)象，圖1所示為靜置36h的實(shí)物照片。

圖1 樹(shù)脂涂層處理的加熱束與攪拌槳靜置36h實(shí)物照片

2.1.2 100℃溶出試驗(yàn)結(jié)果分析

樹(shù)脂涂層處理的加熱束與攪拌槳在粉煤灰、鹽酸共存在100℃、攪拌轉(zhuǎn)速10rpm/min條件下，試驗(yàn)3h后，樹(shù)脂涂層出現(xiàn)起皮、脫落現(xiàn)象，表明涂層材料與鋼本體的結(jié)合度較差，導(dǎo)致內(nèi)襯易剝離，不適用于粉煤灰酸法生產(chǎn)氧化鋁溶出工序。實(shí)物照片如圖2所示。

圖2 樹(shù)脂涂層在100℃條件下的實(shí)物照片

2.2 石墨耐腐蝕性能研究

石墨掛片在粉煤灰、鹽酸共存在100℃下，試驗(yàn)2h后，出現(xiàn)失重現(xiàn)象，且隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)和轉(zhuǎn)速的增大，失重率隨之升高，最高可達(dá)47.4%。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 石墨掛片失重率統(tǒng)計(jì)表

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，石墨在鹽酸和粉煤灰共同存在條件下，其耐磨蝕性較差，所以石墨材質(zhì)不適用于粉煤灰酸法生產(chǎn)氧化鋁溶出工序。

2.3 耐酸磚耐腐性研究

2.3.1 腐蝕磨損速率

表3 耐酸磚及膠粘劑復(fù)合體的腐蝕磨損數(shù)據(jù)

耐酸磚及膠粘劑復(fù)合體的腐蝕磨損數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，經(jīng)計(jì)算，其平均腐蝕磨損速率為2.353mm/a，腐蝕磨損速率較小。

2.3.2 試驗(yàn)前后表面形貌以及能譜分析

（1）試驗(yàn)后耐酸磚及膠粘劑的宏觀形貌。從圖3中可以看出，試驗(yàn)后耐酸磚及膠粘劑表面沒(méi)有明顯腐蝕。

圖3 耐酸磚及膠粘劑試驗(yàn)后的宏觀形貌

（2）試驗(yàn)前后耐酸磚及膠粘劑的三維形貌。

圖4 試驗(yàn)前后耐酸磚的三維形貌

在三維圖中，顏色深處為膠粘劑的部分。從圖4中可以看出，試驗(yàn)后耐酸磚中膠粘劑的表面有輕微磨損現(xiàn)象。

（3）試驗(yàn)前后耐酸磚及膠粘劑的微觀形貌。圖5位樣品的掃描電鏡圖，中間部分為膠粘劑，兩側(cè)為耐酸磚。從圖中可以看出，試驗(yàn)后耐酸磚及膠粘劑沒(méi)有明顯的腐蝕。

圖5 試驗(yàn)前后耐酸磚及膠粘劑的微觀形貌

（4）試驗(yàn)前后耐酸磚及膠粘劑的能譜分析。

表4 試驗(yàn)前后耐酸磚的能譜分析

從表4中可以看出，試驗(yàn)前后耐酸磚中耐酸磚的成分變化不大。

表5 試驗(yàn)前后耐酸磚中膠粘劑部分的能譜分析

從表5中可以看出，試驗(yàn)前后耐酸磚中膠粘劑的成分變化不大。

2.3.3 試驗(yàn)前后壓縮以及拉伸試驗(yàn)

表6 試驗(yàn)前后耐酸磚及膠粘劑的壓縮強(qiáng)度

表7 試驗(yàn)前后耐酸磚中膠粘劑的拉伸強(qiáng)度

從表6和表7中可以看出，試驗(yàn)前后耐酸磚及膠粘劑的壓縮強(qiáng)度和膠粘劑的拉伸強(qiáng)度都大大降低。

2.3.4 試驗(yàn)前后硬度測(cè)試

表8 試驗(yàn)前后耐酸磚中耐酸磚的硬度

表9 試驗(yàn)前后耐酸磚中膠粘劑的硬度

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)前后耐酸磚中膠黏劑的硬度進(jìn)行了分析，分析結(jié)果見(jiàn)表8和9。從表8、表9中可以看出，試驗(yàn)前后耐酸磚和膠粘劑的硬度略有降低。

2.3.5 耐酸磚材料（含膠粘劑）的壽命評(píng)估

按照耐酸磚磨損30mm為失效的壽命設(shè)計(jì)要求，和試驗(yàn)測(cè)量的磨蝕磨損速率，預(yù)計(jì)耐酸磚及膠粘劑復(fù)合體的壽命為12.7年。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，耐酸磚及膠粘劑復(fù)合體可以應(yīng)用于粉煤灰酸法生產(chǎn)氧化鋁溶出工序。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)180℃樹(shù)脂涂層材質(zhì)、石墨材質(zhì)和耐酸磚材質(zhì)的耐腐性能進(jìn)行研究，得到主要結(jié)論如下：

（1）180℃樹(shù)脂涂層處理的加熱束與攪拌槳在室溫有較好的耐腐蝕性，但是在100℃、攪拌轉(zhuǎn)速10rpm/min的條件下，僅3h即出現(xiàn)涂層脫落、起皮現(xiàn)象，表明涂層材料與鋼本體的結(jié)合度較差，導(dǎo)致內(nèi)襯易剝離，不適用于粉煤灰酸法生產(chǎn)氧化鋁溶出工序。

（2）石墨掛片在鹽酸和粉煤灰共同存在條件下，其耐磨蝕性較差，所以鋼襯石墨反應(yīng)釜不適用于粉煤灰酸法生產(chǎn)氧化鋁溶出工序。

（3）耐酸磚及膠粘劑復(fù)合體的平均腐蝕磨損速率為2.353mm/a，按照耐酸磚磨損30mm為失效的壽命設(shè)計(jì)要求，預(yù)計(jì)耐酸磚及膠粘劑復(fù)合體的壽命為12.7年。