劉保偉，陳金清，馬曉光，胡國文

（1.靖西天桂鋁業(yè)有限公司，廣西 靖西 533819；2.江西理工大學，江西 贛州 341000）

砂狀氧化鋁因質量性能優(yōu)良，已成為現代電解鋁廠的理想原料。與普通氧化鋁相比，砂狀氧化鋁具有流動性好、飛揚損失小便于輸送、吸附能力強、強度大、活性高、溶解性能好、環(huán)保、節(jié)能的特點，較大的比表面積可以吸附氟化物氣體，煙氣凈化后重返電解槽。國外氧化鋁廠絕大多數是以三水鋁石和一水軟鋁石為原料，礦石易磨、易溶，溶出后鋁酸鈉溶液苛性比和系統溶液濃度較低，分解原液飽和度較大，可以采用附聚為主的高溫分解工藝生產砂狀氧化鋁［1］；我國拜耳法生產氧化鋁主要以難溶的一水硬鋁石型鋁土礦為原料，要求在高溫和高堿濃度等苛刻的條件下處理，溶出后液的苛性比值較高，為降低能耗，控制分解原液濃度較高，傳統的分解工藝多為“準砂狀”或中間狀氧化鋁，產品的粒度和強度都得不到保證。因此以一水硬鋁石為原料生產氧化鋁的企業(yè)，在高濃度、高分解率的條件下生產砂狀氧化鋁具有更大的難度。之前的文獻尚未有對一段法分解生產砂狀氧化鋁粒度質量平穩(wěn)控制的應用研究報道［2］，本文對生產實踐中難以解決的周期性細化問題進行研究，實現平穩(wěn)生產砂狀氧化鋁。

1 砂狀氧化鋁生產技術

拜耳法種子分解有高溫附聚和低溫長大分解機理，氫氧化鋁分解出來是通過晶體生長和晶粒附聚兩種模式，如“瑞鋁法”以附聚為主的高溫二段法模式，“法鋁法”以結晶長大為主的低溫一段法模式。以三水鋁石或一水軟鋁石型礦石為原料的二段法砂狀氧化鋁生產方法，分解產出率約為80 g/L；如果處理難溶的一水硬鋁石型礦石，產出率更低。

1.1 二段法工藝

精液冷卻至66～67 ℃，Na2Ok（氧化鈉）濃度為70～150 g/L，與水洗凈的（洗去草酸鹽）細晶種送入分解過程第一階段（附聚段），停留時間約6 h，然后經中間冷卻裝置，加入約40 g/L的粗晶種，進入分解第二階段，即結晶長大段，連續(xù)分解40～80 h。由于分解過程的平均粒度增大，為二段分解大量提高晶種量創(chuàng)造條件。分解后的漿液在第一級水力旋流器中分級，底流為成品，溢流進入第二級水旋器，底流經過濾洗滌后作為粗晶種，用于結晶長大段，溢流去第三級分級即沉降槽澄清，底流作為細晶種，用過濾機過濾并洗滌除去草酸鹽。溢流與濾液合并蒸發(fā)，作為循環(huán)母液［3］。

1.2 一段法工藝

精液冷卻至57～65 ℃，Na2Ok濃度為150～175 g/L，與來自種子（立盤）過濾機晶種（濾餅）送入分解過程首槽，固含為650～850 g/L，然后經中間冷卻裝置，連續(xù)分解時間為40～60 h。分解后的漿液在水力旋流器組中分級，底流為成品，溢流進入分解后槽，此分解槽料漿經種子過濾機過濾后濾餅作為細晶種，濾液經蒸發(fā)后作為循環(huán)母液［3］。

如果處理一水硬鋁石也采用兩段法分解則分解濃度低（約145 g/L）、循環(huán)量大、蒸發(fā)汽耗高、經濟性差。故生產工廠大都采用一段法分解生產砂狀氧化鋁工藝，該工藝可以使精液苛性氧化鈉（Na2Ok）濃度提高到175 g/L，分解產出率提高到90 g/L以上。一段法分解流程簡單，堿濃度高、產出率高，節(jié)能效果明顯，彌補了高溫處理一水硬鋁石成本高的短板，使總的氧化鋁生產成本比處理三水鋁石成本低，具有很好的競爭力。但部分工廠由于控制措施欠缺，產品粒度不夠穩(wěn)定，甚至出現周期性細化，粒度失控的情況。

2 晶種分解氫氧化鋁粒度細化及周期性波動原因分析

由上述可知，無論是二段法還是一段法氧化鋁晶種分解工藝，都可以生產粗顆粒氧化鋁，但如果控制不好會產生粒度周期性細化。工業(yè)生產過程中由于生產波動、生產線計劃停氣檢修、工藝參數變化、鋁酸鈉溶液中雜質含量增加，甚至氣候變化等，都會產生細化或者周期性細化。

2.1 二次成核導致氫氧化鋁爆發(fā)性細化

晶種活性降低，比表面積變小，分解過程中產生大量的二次成核是導致氫氧化鋁爆發(fā)性細化的主要原因。種子的中位徑變大，比表面積變小，種子活性變差并開始老化，種子表面生長向外突出的細小晶體，或者生長成樹枝狀結晶，晶種細化后比表面積變大，即出現爆發(fā)性細化。

2.2 過飽和度控制不當導致產品粒度細化

在種子粗化以后比表面積小的情況下，過飽和度太大、分解速度太快造成大量二次成核，細化嚴重。過飽和度與溫度、溶液濃度、苛性比、固含、晶種等分解條件有著密切的關系。

2.3 產量與質量矛盾對產品粒度的影響

追求產量是影響粒度波動的原因之一，特別是在質量與產量沖突的時候，有的工廠受短期市場利益驅動而側重產量，過分追求分解率、產出率，從而影響粒度。有些工廠為了月度、年底趕任務目標等，都會對產品質量產生不良影響。

2.4 周期性粗化細化

有的工廠的分解粒度粗化細化呈周期性變化，每個周期持續(xù)時間為30～180 d，一般不少于90 d，分解粒度呈周期性細化的主要原因是二次成核，即在添加到過飽和鋁酸鈉溶液中的晶種產生新晶核的過程（區(qū)別于溶液自發(fā)生成新晶核的一次成核，次生成核所產生的新晶核則稱為次生晶核）。一旦種子細化后需要45～60 d的時間才能長粗，隨著粒度變粗，種子的中位徑變大，比表面積變小，種子活性變差開始老化，晶種細化后比表面積很大，而粗顆粒又少，不利于成核，加上往往在此時提高分解溫度，就會使成核偏少，顆粒Al（OH）3又逐漸變粗，并進入下一個周期，即Al（OH）3粒度周期性的細化粗化。

2.5 產生和排出顆粒不平衡

生產波動、操作條件波動、溶出溶液參數波動，分解過程的過飽和度不穩(wěn)定，以及上述原因所造成的結果是顆粒不平衡，即在生產過程中不能保持分解槽晶種粒子個數的產生、與產品排出平衡。

3 粒度平穩(wěn)控制理論

如上所述，根據分解顆粒每天長大0.5～1μm的機理，如果要平穩(wěn)控制顆粒生產砂狀氧化鋁，必須根據氫氧化鋁細顆粒數量預測45 d長大后-45μm的含量，采用事前控制，及時調整細顆粒數使其產生、排出達到平衡。

3.1 分解砂狀產品的獲得

在粒度比較平穩(wěn)的情況下，分解后槽漿液的顆粒分布為-45μm的顆粒重量占比為15%～20%，通常是采用分級機工藝，通過分級選粗，實現分級底流（產品）漿液中-45μm顆粒含量小于8%，焙燒后最終氧化鋁產品-45μm的含量小于12%的合格砂狀氧化鋁產品。

3.2 顆粒計數器測定分解過程成核頻率分析顆粒數變化

目前粒度的檢測主要通過篩分、激光粒度儀、顆粒計數器。前述兩種分析儀都不能監(jiān)測到分解過程中粒度的微觀變化，特別是5μm以下的顆粒數變化情況，對成核不敏感，這樣使分解條件的調整嚴重滯后。為了準確地反映出分解過程細顆粒的變化，及時地調整分解條件，生產出符合電解鋁工藝要求的砂狀氧化鋁，就需要通過成核頻率分析種分細顆粒數的變化、預測產品粒度，顆粒計數器可以滿足檢測細顆粒數功能要求［4］。

3.3 種分粒度周期性粗化細化與成核頻率關系

控制好二次成核的數量對種分過程制取粒度分布符合質量要求的氫氧化鋁十分重要，為了生產出粒度均勻、合格的砂狀氧化鋁，必須降低導致細粒Al（OH）3產生的二次成核數量，控制成核頻率，實現顆粒數產生、排出平衡。分解成核頻率與分解顆粒長大（45 d）后-45μm含量具有很好的線性關系。根據分解首槽料漿成核頻率，通過建立相應的模型，提前預測其長大后的粒度情況，通過控制成核頻率可以實現產品氫氧化鋁粒度在受控范圍之內。

4 粒度平穩(wěn)控制措施

有的工廠雖然使用了顆粒計數器進行測定，但是控制手段不當，產品粒度仍然不盡如人意，甚者出現周期性細化。為了保證實現分解氫氧化鋁粒度達到穩(wěn)定的砂狀粒度范圍，根據上述理論，氧化鋁工藝、裝備配置應達到相應的條件，還要盡可能做到工藝制度穩(wěn)定，同時根據成核頻率分析數據，采用相應控制措施及時調整成核頻率在控制模型的參數允許范圍內。

4.1 提出粒度控制策略

經過研究探索，提出產品粒度質量穩(wěn)定控制策略的核心是事前控制策略。采用事前控制是實現產生、排出的顆粒平衡，生產穩(wěn)定粒度的關鍵。利用顆粒計數器監(jiān)測成核頻率，根據成核頻率數據及時調整相關參數。

4.2 轉變生產管理理念

砂狀氧化鋁生產過程中存在質量與產量矛盾的情況，要將傳統的穩(wěn)定分解率觀念改變?yōu)榉€(wěn)定砂狀粒度的觀念，當分解過程檢測到有細化苗頭時，通過參數調整會影響分解產出率指標，當兩者發(fā)生矛盾時，要以質量優(yōu)先，產量服從質量。

4.3 控制溶液中的雜質含量

鋁酸鈉溶液中雜質（有機物、碳酸鈉、硫酸鈉等）含量越低越好，升高到一定程度后將對分解產物起細化作用，一般氧化鋁廠都把碳酸鈉控制在12% （碳酸堿/全堿）以內，有機物10 g/L以內。如果雜質含量超過臨界濃度，即使通過事前控制也難以控制在所期望的成核頻率范圍內，無法解決細化問題。

4.4 完善工藝裝備條件

調節(jié)精液溫度、精液濃度、分解固含、中間降溫等設施［5］，保證滿足所需的調節(jié)范圍，確保成核頻率在規(guī)定范圍之內。

4.5 穩(wěn)定工藝技術制度

生產條件的波動也對工藝過程參數帶來變化。因此，加強生產管理，提高流程穩(wěn)定性，是生產高質量砂狀氧化鋁的前提要求。一方面，要盡可能地穩(wěn)定礦石的質量，從而保證溶液濃度穩(wěn)定；另一方面，盡可能做到平穩(wěn)出料，保證分解過程固含的穩(wěn)定。此外，還應該解決好產量與質量的關系，氣溫劇變、計劃停氣檢修（分解過程中斷）要提前采取控制措施。

4.6 采用結晶助劑調控

結晶助劑（CGM）是一種表面活性劑，可以增強及控制分解過程中氫氧化鋁的附聚、成核和生長，并限制草酸鹽及其他有機物的分解。有的劑型呈現良好的防泡沫性，對細化期細顆粒的變化有較好的效果，在出現細化時添加適量的結晶助劑，可有效地促進細粒子的附聚，-45μm粒子的百分含量減?。?45μm的含量在增加），可以有效地加快細顆粒的附聚和長大。結晶助劑的根本作用在于促進氧化鋁細顆粒附聚與長大，正常時也可以將結晶助劑作為改善產品粒度的措施之一，但不宜過量添加，以防分解系統結疤加?。?］。

4.7 利用高效分級裝置選出合格產品

分解末槽料漿中既有達標的顆粒，也有未長大的細小氫氧化鋁顆粒，通過控制末槽漿液中-45μm的顆粒重量占比為15%～20%，采用高效分級機進行分選粗、細顆粒的方法；分級效果的好壞直接影響產品氫氧化鋁的質量，分級機的結構、直徑、排出口尺寸要合適，裝置要有足夠的富余能力（特殊情況下，當分解出料的料漿中顆粒偏細時，滿足此特殊期間需要降低進料固含加大分級進料流量的情況，通過增開分級機個數選粗方法彌補）；通過分級選粗，實現分級底流（產品）漿液中-45μm顆粒含量為小于8%，經氫氧化鋁焙燒后產出-45μm的含量小于12%的合格砂狀氧化鋁產品。

實踐表明，通過采用上述技術措施，可以穩(wěn)定地生產出顆粒符合砂狀氧化鋁質量標準的產品。

5 結束語

本文論述了一段法和二段法兩種砂狀氧化鋁生產工藝特點，處理一水硬鋁石采用一段法分解工藝的經濟性，對高溫溶出工藝，特別是處理一水硬鋁石鋁土礦，采用一段法分解工藝是經濟的。進行了氧化鋁產品質量粒度波動原因分析，通過研究提出了事前控制穩(wěn)定粒度理論，利用顆粒計數器監(jiān)測成核頻率預測產品粒度，根據成核頻率來調整分解工藝參數，達到分解顆粒數產生、排出平衡而實現產品粒度的平穩(wěn)控制。通過應用研究，某氧化鋁廠一段法分解生產砂狀氧化鋁工藝，在多年生產實踐中，根據不同情況，采取相應的預防控制措施，控制成核頻率在一定的范圍內，可平穩(wěn)地實現分解料漿中氫氧化鋁-45μm含量為18%，經過水力旋流器組分級、洗滌和焙燒后，產品氧化鋁-45μm含量小于12%，砂狀氧化鋁產品質量長期穩(wěn)定。