氧化鋁生產(chǎn)工藝研究

姜元軍，萬 明

（龍口東海氧化鋁有限公司，山東 煙臺(tái) 265710）

隨著工業(yè)的發(fā)展和人們生活水平的提高，人們對(duì)環(huán)保的要求越來越高，鋁產(chǎn)業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位也愈發(fā)重要。鋁生產(chǎn)主要是以煤、鐵、鈦等礦物燃料為原料，經(jīng)過冶煉加工成品。鋁具有比強(qiáng)度高、塑性好、價(jià)格便宜、耐用、抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造、機(jī)械制造業(yè)、冶金鑄造業(yè)、輕工業(yè)以及交通運(yùn)輸業(yè)等行業(yè)。

1 氧化鋁生產(chǎn)工藝概述

從化學(xué)成分來看，氧化鋁主要是以化合物的形式存在的一種金屬氧化物，它是以鋁的形態(tài)在一定條件下，通過氧化還原反應(yīng)，形成了具有特殊結(jié)構(gòu)的氧化鐵的合金粉末。從氧化鋁的制備方法上看，目前常用的工藝有：機(jī)械法、氣相沉積法、熔融共沉淀法和燒結(jié)爐等。其中，氣相沉積法是最簡(jiǎn)單的工藝技術(shù)，其特點(diǎn)在于用氣流將原件中的原件吹到熔融狀態(tài)的爐內(nèi)，使其成為連續(xù)的等離子體(或氣體)，然后利用氣液混合的方式來進(jìn)行冶金，最后再經(jīng)過燒結(jié)處理，得到最終的產(chǎn)品。這種工藝的優(yōu)點(diǎn)為：設(shè)備投資少，操作簡(jiǎn)便，能耗低，生產(chǎn)效率高，可獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益。但是由于該工藝的實(shí)際生產(chǎn)過程中，空氣會(huì)被污染，而且對(duì)環(huán)境也有很大的影響。如此一來，就對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求很高，同時(shí)也增加了成本。

將鋁渣中的氧化鐵和氫氧化鈉在高溫下進(jìn)行一系列的反應(yīng)生成氧化鋁，然后再利用堿液將其轉(zhuǎn)化為碳酸鹽，最后再通過堿液處理的方法來得到碳酸鈉。前處理的目的是為了防止鐵離子與氧原子的結(jié)合而使其失去活性，從而影響后續(xù)工序的生產(chǎn)效率。前處理的主要作用是除去由于還原劑的化學(xué)性質(zhì)而引起的副產(chǎn)物，所以要對(duì)被氧化的物質(zhì)進(jìn)行人工除雜。通過對(duì)鋁廠的工藝進(jìn)行的分析和研究，可以知道，在一定的條件下，采用高錳酸鉀氧化鋁制備的氧化鋁具有高硬度、低密度的特性；而在生產(chǎn)過程中，如果選用堿液法或堿液法，則會(huì)產(chǎn)生大量的廢水，會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染和破壞，而且生產(chǎn)成本較高，不符合經(jīng)濟(jì)的原則；所以，選擇合適的方法來實(shí)現(xiàn)高效的氧化鋁的生產(chǎn)工藝是保證企業(yè)能夠可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。目前，我國(guó)已經(jīng)有很多的學(xué)者針對(duì)如何能使氧化鈦礦選礦選別出的技術(shù)方案做了深入的研究與探討，并且也取得了一些不錯(cuò)的成果：趙曉宇等利用化學(xué)漿體的物理性質(zhì)，將原石石英砂用電除的方式處理，從而獲得了一種新的選別用工藝，這種新的工藝不僅提高了原石的強(qiáng)度、耐磨性，還降低了其使用的費(fèi)用(如電耗)，減少二次燒損，大大節(jié)約資源。所以，在進(jìn)行生產(chǎn)的時(shí)候需要考慮到的影響因素有很多，但是最重要的還是要注意的就是氧化鋁的生產(chǎn)過程中的反應(yīng)時(shí)間，因?yàn)樗菦Q定了產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量的關(guān)鍵所在。

2 氧化鋁生產(chǎn)工藝的現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢(shì)

氧化鋁是一種新型的高碳、高效的金屬材料，它具有高強(qiáng)度、低導(dǎo)電率和良好的耐腐蝕性能，在工業(yè)上被廣泛應(yīng)用于電子電器、汽車制造等領(lǐng)域。目前，我國(guó)氧化鋁的生產(chǎn)工藝主要有：機(jī)械法制備氧化鋁的傳統(tǒng)方法；化學(xué)還原法；電滲析法；電解液共沉積法。其中最常用的是以石灰石為原料的氧化鈦的生產(chǎn)工藝。由于這種技術(shù)的可控性較好，所以在國(guó)內(nèi)已經(jīng)得到了推廣應(yīng)用，但是其缺點(diǎn)也很明顯，就是成本較高，而且產(chǎn)品的純度不高，沒有實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。通過對(duì)鋁廠的工藝進(jìn)行的分析和研究，可以知道，在一定的條件下，采用高錳酸鉀氧化鋁制備的氧化鋁具有高硬度、低密度的特性；而在生產(chǎn)過程中，如果選用堿液法或堿液法，則會(huì)產(chǎn)生大量的廢水，會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染和破壞，而且生產(chǎn)成本較高，不符合經(jīng)濟(jì)的原則；所以，選擇合適的工藝，可以提高制備效率，降低環(huán)境污染。目前人們對(duì)環(huán)保的要求越來越強(qiáng)烈，而氧化鋁作為新的高科技材料，它不僅能滿足社會(huì)的需求還能節(jié)約資源，符合國(guó)家的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。因此如何既節(jié)能又減排的同時(shí)，提高企業(yè)的效益成為了重中之重的問題。

3 氧化鋁生產(chǎn)工藝的設(shè)計(jì)

氧化鋁的生產(chǎn)過程主要是以氧化鋁為主要原料，以氫氧化鎂為輔助材料，經(jīng)過高溫的煅燒作用而形成高純度的氧化鋁。在整個(gè)制備的工藝流程中，首先是將一定量的堿和氧化劑充分混合，然后再加入到燒杯中，最后用真空蒸化爐對(duì)其進(jìn)行焙燒，使其溫度達(dá)到預(yù)定的標(biāo)準(zhǔn)值，從而得到高純度的氧化鋁。在這個(gè)過程中，可以通過控制反應(yīng)時(shí)間、酸堿度和助熔劑的含量來實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的有效保護(hù)。在這一系列的操作當(dāng)中，需要注意的一點(diǎn)就是要保證反應(yīng)的順利完成，因?yàn)檫@關(guān)系到后續(xù)的工序是否能夠正常的運(yùn)行下去。所以必須嚴(yán)格的按照相關(guān)的規(guī)定執(zhí)行。同時(shí)還應(yīng)該避免發(fā)生不必要的事故或者是人為的破壞現(xiàn)象。

（1）原料選擇與過程。氧化鋁是以鐵和鋁的氧化物為主要原料，經(jīng)過高溫的氧化、熔融的過程制成的一種新型的高強(qiáng)度材料。其生產(chǎn)的基本工藝流程包括：焙燒、熔化、熔煉和冷卻。在焙燒的基礎(chǔ)上，通過加熱爐內(nèi)的空氣并使之進(jìn)行氧化，然后再將其轉(zhuǎn)化成金屬。在此過程中，將鋁石進(jìn)行破碎，然后將其中的鐵礦石和堿土金屬鐵鹽按照一定的比例混合，在加入適量的水作為電解質(zhì)溶液，在這過程中，鐵礦石中的堿土礦和堿土礦可以相互轉(zhuǎn)化，生成冶金渣，再通過一系列的工序得到的冶煉后的半成品。

將鋁石進(jìn)行破碎后，通過磁力攪拌機(jī)的磁力作用，將石料中的石渣向鐵心鐵心母料中燒結(jié)，在燒結(jié)的過程中，鐵礦石的水分被吸收，使其含水率降低，從而使其含硅量增加，在一定程度上可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量和品質(zhì)。在燒成的過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱并且伴隨著有害氣體，所以我們需要控制好原料的溫度和酸堿度，這樣才能保證生產(chǎn)出的鋁具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。對(duì)于不同的原料應(yīng)該采用不一樣的處理方法，例如：有的原料會(huì)被氧化，有的是由于是可再生的資源而被丟棄，還有-些會(huì)經(jīng)過特殊的加工方式而變成廢品。這些都對(duì)環(huán)境造成了很大的影響；另外，如果是可再生的就盡量不要使用，因?yàn)橐坏┻@種材料的回收再利用，對(duì)自然環(huán)境的破壞將會(huì)非常嚴(yán)重。因此為了減少對(duì)生態(tài)環(huán)境的污染以及保護(hù)生態(tài)平衡，就必須選擇一種既能滿足生產(chǎn)要求，又能經(jīng)濟(jì)效益的原料來作為生產(chǎn)的首選條件。對(duì)于原料的選擇，在生產(chǎn)過程中，需要考慮到原材料的價(jià)格、使用量等因素，因此要根據(jù)實(shí)際的情況來確定合適的原料種類。輔料的選用：在生產(chǎn)的時(shí)候，為了能夠提高物料的利用率，可以采用不同的輔料，這樣不僅能滿足所需的需求量，還能減少成本。反應(yīng)時(shí)間的長(zhǎng)短：化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行必須要以一定的速率為前提，但是由于反應(yīng)物的濃度、溫度等條件的差異會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)速度的不穩(wěn)定，所以要對(duì)反應(yīng)的時(shí)間做出相應(yīng)的調(diào)整；同時(shí)，還應(yīng)該注意催化劑的活性以及消耗的多少也是一個(gè)重要的參數(shù)；另外，還要對(duì)反應(yīng)的環(huán)境作出分析，比如氧氣的氧化程度，還有二氧化碳的含量等等。

（2）氧化鋁生產(chǎn)過程控制。在進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)，需要將鋁的氧化過程和鋁的還原階段同時(shí)完成，這樣才能保證整個(gè)工藝的正常運(yùn)行。在這個(gè)過程中，鐵和水的消耗量是比較高的；而鐵的耗能比鐵的耗能低得多。但是如果采用投料的方式來處理，就會(huì)導(dǎo)致投料量的增加；而且投料的時(shí)候還會(huì)造成爐內(nèi)的熱量損失。因此如何合理的選擇燒結(jié)劑、提高燒結(jié)劑的質(zhì)量是制備高質(zhì)量的燒結(jié)坯的關(guān)鍵所在。為了能夠使產(chǎn)品的品質(zhì)得到有效的保障以及延長(zhǎng)其的使用壽命，必須要嚴(yán)格的控制好反應(yīng)的時(shí)間、溫度等條件。所以說，生產(chǎn)工藝的好壞，對(duì)成品的性，能指標(biāo)有很大的影響作用。工藝控制的目的是通過各種手段來達(dá)到生產(chǎn)的要求和指標(biāo)，從而保證產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量。工藝控制的方法有很多，主要包括：①氧化鋁生產(chǎn)過程的溫度控制在整個(gè)氧化鋁生產(chǎn)工藝的運(yùn)行過程中，我們可以知道，在一定的時(shí)間內(nèi)，隨著外界條件的變化，而發(fā)生變化的情況下，氧化鋁的溫度也會(huì)發(fā)生改變，因此對(duì)其的影響是非常重要的；同時(shí)，也會(huì)對(duì)最終的產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生直接的作用和間接的影響；所以，對(duì)于不同的氧化鋁的反應(yīng)環(huán)境，其溫度的高低是不一樣的；而且，當(dāng)氧化鋁的反應(yīng)環(huán)境的差異性較大時(shí)，它所對(duì)應(yīng)的溫度就會(huì)有很大的差別了。②氧化鈦的濃度由于鈦的熔點(diǎn)高，它所需要的氧氣量比較少，因而在高溫的時(shí)候容易失活，但是如果高于這個(gè)值，則又可能導(dǎo)致鈦的燒結(jié)，從而造成了損失。而當(dāng)鈦的含量過高時(shí)，就極易引起燒結(jié)，使其壽命減少，甚至有的還會(huì)出現(xiàn)報(bào)廢現(xiàn)象。

（3）氧化鋁生產(chǎn)工藝的選擇。在進(jìn)行生產(chǎn)的過程中，需要對(duì)原料的組成和工藝流程的參數(shù)等因素加以控制，從而達(dá)到提高經(jīng)濟(jì)效益的目的；同時(shí)，還可以通過改變生產(chǎn)設(shè)備的型號(hào)、結(jié)構(gòu)等來調(diào)節(jié)工藝流程的運(yùn)行狀況，使其能夠符合工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際需求。在生產(chǎn)的過程中，影響產(chǎn)品質(zhì)量的主要原因有以下幾個(gè)方面：①反應(yīng)機(jī)理的選擇：由于不同的反應(yīng)原理的適用條件是不一樣的；②物料平衡：當(dāng)反應(yīng)物的量比一定時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的熱量而導(dǎo)致生成的產(chǎn)物比較多，所以說，要想獲得較高的成品率，必須選用合適的催化劑來滿足要求。③操作方法：當(dāng)采用的工藝步驟和操作方式的不同時(shí)，所需的時(shí)間也就不相同，因此在設(shè)計(jì)的時(shí)候要充分考慮到該工序的具體情況，以便于縮短該工藝的整個(gè)周期。①將鋁粉加入到燒結(jié)爐中，將其放在鼓風(fēng)機(jī)中，在鼓風(fēng)機(jī)的作用下，把空氣抽出，再經(jīng)過加熱爐的高溫處理，使其溫度保持在50℃左右，最后把熱氣流的速度控制好，使物料能夠均勻混合，然后用手輕輕地將燒結(jié)原料裝入容器內(nèi)，用手輕地擦拭器皿，再用干凈的水對(duì)表面進(jìn)行沖洗，沖洗的時(shí)候要注意不要污染環(huán)境，以免對(duì)周圍的植物造成破壞。②稱取一定量的樣品并放置在干燥的玻璃上，用75%的乙醇溶液溶解后，再放入烘干的烘干箱，并使用真空抽濾器反復(fù)多次，直至水分完全除去，之后把烘干箱的濕度調(diào)到合適的范圍內(nèi)，讓其自然透氣，待儀器的冷熱循環(huán)后，取出燒結(jié)的產(chǎn)品備用。③所稱取的鋁粉，其中含有的雜質(zhì)是比較多的物質(zhì)和一些微量的金屬離子，為了防止氧化，需要采用連續(xù)的過濾工序，這樣才能保證最終的質(zhì)量合格。

4 結(jié)語

本課題主要研究了鋁的氧化過程，通過對(duì)鋁的氧化過程的研究，來分析影響生產(chǎn)效率的因素以及對(duì)生產(chǎn)的影響程度。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先要選擇合適的氧化劑種類和使用量，然后再根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求確定最佳的反應(yīng)條件。在這之后，要按照制備的工藝流程一步一步的操作來完成。