浅析氢氧化铝在高温焙烧过程中结构与性能的变化

浅析氢氧化铝在高温焙烧过程中结构与性能的变化

莫忻健

广西华银铝业有限公司

摘要：氢氧化铝煅烧是生产氧化铝的关键性工序，对产品质量、生产产量、能耗等方面有着直接的影响，所以深入研究分析氢氧化铝高温焙烧的结构与物相变化情况，有利于调整焙烧工艺。本文主要探索氢氧化铝焙烧中结构与性能变化，为生产效率提升起到积极作用。

关键词：高温焙烧；氢氧化铝；结构与性能；变化分析

引言

氢氧化铝煅烧是氧化铝生产的最后一道工序，其能耗占总生产环节能耗的10%左右。氢氧化铝煅烧工序对氧化铝产量、质量、能耗方面影响巨大，所以深入研究分析氢氧化铝煅烧理论、工艺与设备是极为关键的。氢氧化铝在焙烧炉内脱水与相变来说，会产生较大的复杂性变化，是物理与化学变化的过程。在该过程中，影响因素比较多，这些因素包含原始氢氧化铝制备方法、粒度、杂质等方面，并且杂质不同种类、含量、焙烧条件等会给氢氧化铝结构与性能产生影响[1]。具体来说，主要包含下述几点：(1)脱除附着水，该环节温度处于100～110℃之间。(2)脱除结晶水，该环节温度处于130～190℃之间。(3)晶型转变，这个温度大概是1200℃，此时，氢氧化铝全部转变为α-Al2O3。氧化铝技术人员非常重视相关理论基础的研究，以便进一步完善工艺条件。

氢氧化铝煅烧工艺包含传统回转窑工艺，改进回转窑工艺和流态化焙烧工艺三个阶段。无论是传统的回转窑焙烧工艺还是改进的回转窑焙烧工艺，传热效果都不太理想。而流态化焙烧工艺具有明显优势，如热效率高，热耗低；产品质量好；设备简单，寿命长、维修费用低；对环境污染低等。

1 氢氧化铝焙烧工艺

化铝焙烧炉系统有喂料、干燥器、预热系统、加热炉、焙烧炉、冷却器、除尘、反灰等多个部分。喂料系统内，设备为螺旋喂料器，经过过滤机后的氢氧化铝原料，利用皮带直接传输到料仓内，并通过喂料机直接传输到干燥器上。这部分物料的附着水含量约为5%，温度约30 ℃，物料在干燥器中被250～300 ℃的烟气加热，附着水蒸发，然后将物料送入旋风分离器[2]。经过干燥器处理之后的物料与气体在旋风分离器中完成分离处理，并经过气袋除尘器装置，将固体物料直接留置到分离器的底部，并经过二级旋风预热器传输到一级旋风预热器内，在该设备中可以实现物料与烟气的分离处理，物料被加热炉旋风分离器的烟气带入二级旋风预热器中，整个预热过程中，物料由150 ℃预热至850 ℃，并脱除结晶水，最后进入加热炉。加热炉设4个燃烧器，物料在焙烧炉中停留并被加热到1200 ℃，变为α-Al2O3，进入一级旋风冷却器，烟气进入焙烧炉旋风分离器。焙烧炉旋风分离器中，将物料与烟气实现分离，并且能够顺利的进入到一级旋风冷却器内。经过四级旋风冷却后，将物质传输到流化床冷却器内。在每级旋风冷却器中，物料进入下一级旋风冷却器，烟气返回上级旋风冷却器，其中，一级旋风冷却器的烟气进入旋风收尘器。流化床冷却器设计为水冷的形式，并通过内部的热交换管束的水冷与外部的氧化铝材料完成热交换，以达到温度下降的效果。整个冷却过程可以将氧化铝冷却至80 ℃。经过旋风分离器处理后的物料，通过布袋收尘器后，气体经过引风机排放到烟囱内，此时的粉尘会进入到一级旋风预热器内。从一级旋风冷却器出来的烟气进入旋风收尘器，烟气和粉尘分离后，烟气返回加热炉，粉尘进入流化床冷却器。这一工艺的优势就是流态化焙烧的优势，比如热效率高、能耗低、产品质量高、设备简单、焙烧温度高、寿命长等，且投入资金比较低。

2  氢氧化铝焙烧过程中的相变

深入研究分析氢氧化铝焙烧时的物相与结构变化，选择合适的焙烧条件，对提升产量、降低能耗有重要意义。因为氢氧化铝相变比较复杂，而总体变化主要包含下述几个方面。

（1）附着水的脱除

通常来说，氢氧化铝的附着水含量为8%~12%，这些水分经过100℃ ~110℃的焙烧即可完全脱除。

（2）结晶水的脱除

将温度升高到130℃ ~190℃后，即可将结晶水脱除，在三水铝石脱除结晶水的过振，逐次脱除0.5、1.5 和1个水分子。上述三中水分子的脱除中，温度分别是180℃~220℃、220 ℃~420 ℃、420℃~500 ℃，在上述环节脱除后，将温度加热到1050℃后，即可将材料中剩余的0.05~0.1个水分子脱除。

（3）氢氧化铝晶型的转变

脱水的环节，氢氧化铝的结晶型式也会有很大的改变，将温度增加到1200℃时，氢氧化铝即可转化为α-Al2O3。在这个转变的环节，出现了多种形式的过渡性氧化铝，因为其形式不同，加热条件也会有很大的不同。

3  氢氧化铝在焙烧过程中结构发生的变化

氢氧化铝比表面积经过焙烧温度达到240℃会快速增加，而温度升高到400℃后，达到最大值。焙烧温度为240℃，为氢氧化铝第二阶段脱水开始的阶段，在这个阶段中，氢氧化铝脱水速度加快，将结晶体崩碎且形成α-Al2O3，对于结晶不完善的情况下，会形成γ-Al2O3。因为这些物质分散性较强，所以比表面积比较大，经过全面性的脱水后逐步形成γ-Al2O3结晶，物质致密性会不断的增大，且比表面积开始减少，在焙烧温度升高到到900℃时，α-Al2O3逐步形成，温度增大后，比表面积增大速度加快。在焙烧温度达到1200℃后，比表面积下降到最低。通过应用不同工艺，制作的氢氧化铝晶体形式比较相似，但是比表面积也会有很大的差异，且成品氢氧化铝比表面积与原始物料存在直接关系。

氢氧化铝经过焙烧时，密度会发生改变。在温度达到125℃时，密度会因为温度的升高而加大，密度的增大与比表面积减小存在关系。在焙烧温度达到120℃后，脱水完成，此时的γ- Al2O3致密性最大，且比表面积下降到最低，且密度也会处于最高点[3]。

持续性的脱水之下，灼碱也会持续性进行，脱水也是灼碱的过程，该环节与温度存在着必然联系。自温度达到100℃后开始灼碱，并且温度升高到350℃后，灼碱速度加快，而400℃是速度会降低。这种现象可以反映出。氢氧化铝脱水完成的温度为100℃~300℃，到达400℃后，已经基本完成脱水。

通过产品粒度的变化，氧化铝粒度也会重要参数。因为干法烟气净化、大型自动下料预焙槽的全面应用，并且落实使用悬浮预热与流态化焙烧技术，对氧化铝粒度要求不断的提高，粒度达到均匀性状态下，才能使得各个环节有序的进行。随着脱水不断深入，相变环节，物料会经过两个阶段出现粉化的情况。第一阶段是温度180℃ ~440℃时，这个阶段脱水强烈，造成晶体出现破裂的情况，生成α-Al2O3和γ- Al2O3晶格有缺陷，强度性能也比较差。将温度增大到440℃~580℃时，已经不再形成新相γ-Al2O3晶体，并且结构不断完善。第二阶段是温度在1200℃~1300℃之间发生的，此时α-Al2O3再结晶，强度不断减小，并存在崩解的情况，小于40 μm的粒子会快速的形成。

不同的生产阶段，升高焙烧温度会给力度产生不同影响。温度在400℃以下或者600℃以上时，温度升高速度加快，出现的粒子也会增多，所以加热速度对结晶质量产生影响，主要是导致前度下降。温度在400℃~600℃之间，加热速度加快，粉化速度下降。此外，在全面的干燥以及预脱水的情况下，氢氧化铝焙烧的操作中，可以预防发生温度变化剧烈脱水而产生的粉化问题，所以将温度控制在在1000℃~1100℃，也能有效的减少粒子含量。

焙烧温度在1000℃~1100℃时，生成的氧化铝安息角比较小，流动性也会有所提升，而且α-Al2O3的含量少、比表面积大；温度升高到1200℃后，氧化铝性能相反，安息角增大，并且流动性也会变差。

4  结语

氢氧化铝的焙烧工序，是生产氧化铝的最后一道工序，经过高温焙烧脱除氢氧化铝内的附着水、结晶水，转变晶型，生产出符合实际需要的氧化铝产品。但是在生产的环节，焙烧温度的差异，所形成的产品不同，质量以及效率也有差异，所以应根据实际生产的需要，选择合理的焙烧工艺，加强焙烧温度的控制，降低能源损耗，也会提升产品性能与质量。

参考文献：

（1）于村. 一种新型的氢氧化铝焙烧技术[J]. 山东化工, 2021, 50(05): 170-171.

 （2）付金礼. 回收焙烧炉烟气余热干燥氢氧化铝[J]. 冶金管理, 2021(09): 23-24.

 （3）王毅, 李东红, 陈玮, 等. α-氧化铝晶型结构影响因素分析[J]. 中国有色冶金, 2017, 46(06): 72-74.