砂状氧化铝拜尔法工艺条件下，由三个主要的分解机理出现：成核、结晶长大、聚集。成核：主要是二次成核，影响的主要因素是，铝酸钠溶液的过饱和度、溶出温度、碱浓度、晶种的数量和品质、搅拌强度以及杂质的存在等。结晶长大：影响的主要因素，铝酸钠溶液的过饱和度、分解温度及可供结晶反应的固体面积。

在过去的30 年里,由于世界各国广泛采用大型预焙电解槽和干法净化技术,控制环境污染、提高自动化程度,采用了中间下料技术,要求使用流动性好、易溶解、对氟化氢吸附能力强以及细粒少的砂状氧化铝。粉状氧化铝适合于在连续自焙阳极电解槽中使用,由于其比表面积较低,完全不适合于高效率的干法净化技术中使用。现代铝电解生产技术为改善铝电解技术经济指标和提高金属铝质量,要求改进氧化铝的物理性质和化学性质。

由于世界上目前无统一的氧化铝质量标准,各大铝业公司有各自的产品质量特性范围,我国有粉状氧化铝的国家标准,而砂状氧化铝参照国外铝业公司的质量范围,仅制定了企业标准。粉状、砂状和中间状氧化铝的质量范围和区别主要在物理性质方面。

要使铝锭质量有保证,首先要严格控制氧化铝中的杂质含量。

1 　氧化钠

氧化钠是氧化铝产品中的主要杂质,氧化铝中氧化钠含量的升高对电解槽的运行有很大的影响,当电解质中的钠含量增加时,必须多加入氟化铝以维持正常的NaF/ AlF3 比值,使氟化盐的消耗量增加,同时增加了电解槽中电解质的体积。如果氧化铝中Na2O 含量保持在0. 3 %～0. 4 %的范围,钠的平衡可以得到良好的控制。影响氧化铝中Na2O 的含量主要取决于氢氧化铝的粒度和洗涤条件。对生产砂状氧化铝的工厂,由于粒度粗、物料温度高、粘度低,洗涤效率高,因而氢氧化铝滤饼附碱低于0. 06 % ,产品氧化铝的Na2O 低于0. 4 %。而对于生产粉状氧化铝的工厂,由于粒度细、物料温度低(～40 ℃) ,产品中Na2O 约为0. 5 % ,要降低Na2O 含量,还得增加洗水量和洗涤次数,这将导致工厂成本增加。平果铝厂氧化铝产品中Na2O 含量约为0. 37 %。

2 　二氧化硅

对电解过程有影响的主要杂质是磷、钒、钛、铁、硅及锌,从析出电位的计算结果看,它们对电流效率的影响次序是:磷> 钒> 钛> 铁> 硅,下面主要讨论铁、硅和锌的问题。

氧化铝中的SiO2 直接影响铝锭中的硅含量,降低硅含量要着重放在氧化铝生产工艺控制过程中。

采用预脱硅工艺,除了减轻溶出过程中设备的结疤外,还降低了铝酸钠溶液中的SiO2 ;采用溶出后脱硅,稀释矿浆在溶出后槽停留足够的时间,进一步降低铝酸钠溶液中的SiO2 ,使硅量指数> 200 ,相应控制了种分产品中的SiO2 含量。

采用流态化焙烧装置有利于减少产品中的SiO2含量,采用流态化焙烧与用回转窑焙烧相比,氧化铝中的SiO2 约低0. 01 %。

3 　氧化铁

氧化铝产品中的铁也同样来源于铝酸钠溶液中杂质,精液中呈悬浮状态的赤泥颗粒,是造成铁污染的最明显的原因,处理低铁铝矿的工厂,可溶铁也是产生铁杂质的一个原因。

在焙烧和输送工序,微量金属的磨损使铁粉末进入产品,影响了非冶金用(如陶瓷工业) 氧化铝的质量,解决的办法可在氧化铝输送皮带上安装电磁除铁器。

4 　氧化锌

对于处理高锌铝土矿的工厂,产品中的氧化锌超过某一界限后, 将影响到铝锭的锌含量, 当超过0. 025 %时,对铝型材的加工性能有所影响。由于锌与铝的性质相似,溶出过程中约有60 %～80 %的锌被溶出进入溶液。还有部分以悬浮颗粒状态存在的锌。平果铝厂氧化铝生产通过延长稀释矿浆停留时间和在控制过滤中加入助滤剂,有效地降低了精液及氧化铝中ZnO 含量,氧化锌的脱除率在50 %以上,使产品中此杂质含量低于标准允许值。

硅、铁、锌等杂质的含量还取决于精液的浮游物,按常规,至少应低于20mg/1 。近年来,赤泥沉降合成絮凝剂新产品技术发展较快,平果铝厂在氧化铝生产实践中合理地采取高效合成絮凝剂,并辅以天然絮凝剂,使分离沉降槽溢流浮游物低于100mg/ 1,大大地减轻了叶滤机的压力,并在控制过滤中加入合适的助滤剂,使精液浮游物低于10mg/1 ,正常稳定在5～7mg/1的水平,使产品的化学纯度有了保证,1997年产品中的SiO2 、Fe2O3 含量分别为0. 010 %和0.012 % ,远低于国标要求值。

氧化铝的物理性质,主要用来衡量它的流动性、起尘性和吸氟能力。

1 　粒度分布

一般对氧化铝的粒度要求是小于44μm 的含量要小于12 % ,大于150μm 的含量要小于2 % ,选择150μm 作为划分标准,是用来作为氧化铝加入电解槽时其沉淀倾向的量度,而44μm 这个标准主要是用来衡量起尘性。有的公司规定小于12 % ,有的公司规定小于10 % ,但对于电解的管理操作者则认为只要不大于20 %都可以适用。有的研究者则认为以20μm以下的部分作为起尘性的量度,规定该粒级的最大含量为1 %。

国内目前的粒度分析方法与国外还有一定的差异,国外铝厂采用湿筛法,筛孔为圆的,国内则采用振动(干) 筛和方孔筛分析法,此法对氧化铝粒度分析的准确度略差,笔者认为应采用国外氧化铝厂通常所采用的分析方法较为科学。

近年来氧化铝的贸易中,希望氧化铝细粒子越来越少,氧化铝厂通过调整分解工艺条件,可以进一步降低- 44μm 的粒子含量,但这样一来会降低氧化铝厂的分解产出率。工业生产实践表明,细颗粒量每降低1 % ,分解产出率降低1～1. 5kg/ m3 。粒度与产出率是一对矛盾,氧化铝厂应在保证粒度质量标准的前提下,兼顾二者,尽可能地提高分解产能。

2 　灼减量和比表面积

氧化铝的灼烧质量损失主要是水分。因为氧化铝的灼减量表示氧化铝进入电解槽之后所要释放的总水量,所以灼减量这一指标对电解铝厂的运行十分重要。由于氧化铝中吸附水和电解质中的氟化物反应生成氟化氢气体,也和电解槽排放的氟化物有关。

具有高灼减量的氧化铝除了熔解时间短外,可形成硬度较大的结壳,并具有一定强度,使其能保持在电解质上方,可减少热损失。但当较高灼减量的氧化铝进入电解质熔体时,由于其优良的熔解性能可引起挥发物起泡,部分颗粒处于游离状态。

对灼减量的控制并不难,它主要取决于焙烧温度。但要考虑到比表面积和α- Al2O3 含量问题,因为三者相关,具有高比表面积的氧化铝具有较高的灼减量和较低的α- Al2O3 含量。比表面积是氧化铝对电解过程吸氟能力的量度,如果灼减低,则氧化铝活性差,实际生产中要考虑并兼顾二者。提高焙烧温度即可降低灼减量,但会导致产能下降、能耗升高。目前,平果铝厂所使用的焙烧装置适应性较强,可以较好地调整参数以满足电解铝厂的要求,控制比表面积为85m2/ g ,灼减量为0. 7 %～0. 95 % ,α- Al2O3 含量低于10 %。

3 　氧化铝和氢氧化铝强度

氧化铝的颗粒强度受焙烧条件及氢氧化铝强度的影响,焙烧炉型对颗粒破碎程度有影响,使用回转窑时,颗粒破碎程度小,不到2 % ,而采用流态化焙烧装置时,颗粒破碎为3 %～5 %。提高氧化铝颗粒强度的主要手段是提高氢氧化铝颗粒强度,并直接与分解工艺条件有关,过饱和度高的拜耳法精液可产出强度高的氢氧化铝。

氧化铝在流态化焙烧的过程中,经受了较激烈的碰撞,造成了易碎粒子的破碎,而在运输和电解过程的破碎却大大减少了。所以,用流态化装置焙烧的氧化铝具有良好的抗机械磨损性能。

随着铝电解技术的发展,氧化铝的质量也呈改善的趋势。氧化铝厂通过增加投入,可以使氧化铝的质量进一步提高。但笔者认为,一个企业要生产什么样质量水平的产品,要进行经济论证,不是质量越高越好,只要满足用户的要求即可,不一定要增加过多的投入来生产出质量过剩系数大的产品,否则,会增加氧化铝的制造成本,反过来又会影响到企业的经济效益。

根据现代铝电解技术对氧化铝质量的要求,分析了质量特性对铝电解运行的影响,研究了影响质量的因素,提出了改进质量的意见。氧化铝的质量改进是一项长期的工作,今后还有许多的工作要做。