分解工序粒度控制措施探讨论文

 

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　　摘要：提高产品质量，是推动企业高质量发展的重要内容之一，更是企业不断提升市场竞争力和可持续发展能力的内在需要。近年来氧化铝的贸易中氧化铝细粒子越来越少。一般对氧化铝的粒度要求是小于45μm的含量要小于15%。分解工序产出的氢氧化铝粒度指标一般小于45μm的粒度含量为5%~10%。由于原材物料、生产工艺、控制措施等的差异，结果差别较大，直接影响产品质量。本文主要对共性因素和控制措施展开讨论。

　　关键词：高质量发展；氧化铝粒度；分解工序；控制措施

　　为了推进我国新时代强国任务，加强质量发展，就要从根本上解决问题，要转变发展方式、转换增长动力、优化经济结构，这也是中国速度向中国质量转变的历史性选择。提高产品质量，是推动企业高质量发展的重要内容之一，更是企业不断提升市场竞争力和可持续发展能力的内在需要。

　　氧化铝产品质量包括纯度和物理性质两个方面，二者在很大程度上取决于分解过程氢氧化铝的纯度及其物理性质。氧化铝粒度是衡量冶金级氧化铝产品质量的一项重要物理性能指标，在产品质量要求中发挥着越来越重要作用，在产品销售过程中，逐渐成为一项核心要求，直接影响下游用户的产品质量或能耗效率。
近年来氧化铝的贸易中，氧化铝细粒子越来越少。尤其大型预焙电解槽生产，要求使用流动性好、易溶解、对氟化氢吸附能力强、颗粒更小的砂状氧化铝。一般情况下，氧化铝的所需粒径小于15%，含量小于45μm。45µm此标准主要用于测量粉尘产生量，但有些公司要求较高，要求粉尘量小于12%，甚至有的要求小于10%。大多企业已将小于45μm的含量要求写入产品质量标准，足见该项指标的重要性。

　　该指标为分解槽原始氢氧化铝通过分级设备分级后进入焙烧炉前的入炉氢氧化铝粒度指标。由于原材物料、生产工艺、控制措施等的差异，结果差别较大，直接影响产品质量。(小于**μm，以下统一写作：-**μm，如小于45μm，写作：-15μm)。

　　氧化铝的粒度和强度在很大程度上取决于分解槽原始氢氧化铝的粒度和强度，其次通过分级设备对氢氧化铝粒度做出进一步优化是目前多数氧化铝厂采用的行之有效的方法。氢氧化铝强度的高低将影响氧化铝产品的粒度。我们称之为焙烧破损值，是指氢氧化铝在焙烧炉中焙烧成氧化铝的过程前后，出炉的氧化铝粒度-45μm含量与入炉的氢氧化铝粒度-45μm含量的差值。因此氢氧化铝的强度越高，焙烧破损值越小，产品粒度指标越好，反则反之。

　　影响原始氢氧化铝粒度和强度的因素较多，如温度制度、结晶助剂、分解槽固含、晶种数量与质量、杂质等、分解原液的浓度和分子比等间接影响因素，以及分解时间、搅拌形式和速度等造成粒度破碎和磨蚀细化的因素。分级设备目前多数氧化铝厂采用旋流器，其进料固含、压力、底流嘴与溢流嘴尺寸等的选择，不仅直接影响产品粒度，对晶种数量与质量也产生影响。

　　影响因素虽多，但可控因素并不多。如搅拌形式和速度一旦选定则一般不再更改；温度制度、分解原液的浓度和分子比、分解时间等要兼顾分解率指标的提高；分解槽固含一般追求稳定，调整幅度较小，调整速度较慢；不同氧化铝厂的杂质不尽相同，控制措施也大相径庭。多数氧化铝厂主要针对温度制度，结晶助剂采取控制措施，不同氧化铝厂的分级设备相差较多，控制措施相差较大。

　　正因为可控因素较少，分解工序控制措施的优劣则显得尤为重要。我厂针对温度制度、结晶助剂、分级条件、杂质应对、生产稳定等控制措施进行了长期的摸索和优化，对大多数氧化铝厂普遍存在的、影响较大的草酸盐杂质析出问题形成了较成熟的控制措施。

　　1　分解工序概述

　　拜耳法氧化铝厂分解工序生产过程中，经过净化的过饱和铝酸钠溶液经过降温、添加晶种，并在不断搅拌的条件下析出氢氧化铝，晶种经过一定时间的长大、附聚等物理化学变化后，部分氢氧化铝经过分级设备进行粒度分级，得到颗粒较粗的氢氧化铝作为分解工序的产品。
 

　　我厂分解工序采用一段法工艺流程，IX、A、B组各13台分解槽参与分解反应，C组11台分解槽。IX、A、B组从板式降温来的精液经过晶种槽与晶种混合后送至分解首槽，C组精液经降温后直接送入溜槽与槽上过滤机产出的晶种进行混合进入首槽。

　　在分解过程中为提高分解速率，流程设置IX组2台中间降温设备，A、B组设置各7级中间降温，C组设置7级中间降温流程，每级降温按照槽间温差≤3℃进行控制。消解罐的使用数量通常取决于消解时间和液体的总体积。免清洗和维护要求每组每天维护一个消解罐，分解罐中的搅拌通过桨式机械搅拌进行。

　　出料槽上A、B、C组各装设2台水力旋流器分级设备，IX组1台水力旋流器，由槽上或槽下喂料泵送入水力旋流器，分解过程中产生的氢氧化铝经旋流分级后，带有粗颗粒的底部径流被引导至平盘过滤器，顶部径流返回排放溜槽。卸料槽通过自压或进料泵将纸浆输送到垂直盘式过滤器，用于种子过滤。

　　分解控制条件为：首槽温度65℃~68℃，末槽温度55℃~58℃，首尾温度根据粒度细化周期进行1℃范围内调整，分解槽固含450g/l~650g/l，分解时间≥45h，分解率≥50%，精液成分NK152g/l~158g/L，ak≥1.48。

　　2　分解过程分析
　
　　在原始溶液过饱和状态下，分解析出的氢氧化铝在溶液中自发生成新晶核；相比前者，氢氧化铝晶种加入后，在晶种的活性表面形成二次晶核，加入的晶种继续生长，生长出来的氢氧化铝晶体受到各种因素的影响，生长不均匀，表面形成枝晶，流动过程中的影响会破坏树突并产生次生核。以上就是播种过程中新核的来源。当种子生长形成新胚时，也会发生团聚，小颗粒因相互碰撞而粘在一起，长成大的聚集体晶体。成核、长大、附聚、破碎贯穿于分解过程，氢氧化铝粒度就是上述过程的综合结果。

　　影响晶种成核的因素有很多，主要有分解温度、结晶助剂、精液NK、精液ak、种分槽固含、晶种粒度分布、杂质含量、搅拌强度、分解时间等。

　　实际生产过程中，一般选取分解首槽温度控制和结晶助剂添加量为主要条件手段，并尽力稳定其它影响因素。调控时，一般优先调整结晶助剂添加量，然后调整分解温度，目的是尽量稳定分解尾槽ak，达到稳定分解率的目标。

　　现在多数氧化铝厂使用电敏区法颗粒计数仪或激光颗粒计数仪对晶种的成核情况进行化验分析，并形成数据库进行数据分析和趋势预判。其中f1.92μm和f3.55μm成核频率，以及-9μm、-14μm、-45μm、45μm~60μm、60μm~80μm、80μm~100μm、+100μm等晶种的粒度分布情况，还有D50(中间粒径)、比表面积等，是主要的跟踪分析数据。

　　成核频率的高低代表了微细颗粒的多寡情况。如果成核频率过高，或骤然升高，将会导致粒度中-45μm含量的增加超出预期。因此，对成核频率的跟踪分析有利于预判粒度的变化趋势。配合-9μm、-14μm、-45μm、45μm~60μm、60μm~80μm、80μm~100μm、+100μm等晶种粒度分布状态变化的分析，和对D50、比表面积的趋势跟踪，形成完整的数据监控。
　
　　3　生产数据表明氢氧化铝粒度呈周期性变化

　　氢氧化铝粒度分布呈现周期性变化，通过对生产的数据分析，归纳有如下规律：

　　(1)氢氧化铝的粒度分布呈周期性变化，但每个周期的持续时间、波动幅度以及每个周期的合格天数和不合格天数变化很大。

　　(2)目前所采取的各种控制和调整措施只能延长粒度波动周期，减小粒度波动幅度，而不能避免粒度波动呈周期性出现的趋势。

　　(3)预判或细化期已经到来时，可通过提高结晶助剂添加量和首槽温度来提高附聚。一般每天结晶助剂添加量提高值不超过5PPM~15PPM，最高添加量在草酸盐含量高时不超过50PPM，草酸盐含量低时不超过40PPM。一般每天首槽温度提高值不超过1℃，尾槽视草酸盐析出情况调整。首槽温度和尾槽温度最高控制值以草酸盐在分解槽内的析出情况而定为宜，我厂首槽最高曾控制到70℃，尾槽60℃。目前草酸盐析出稳定条件下已经不需要这么高的结晶助剂量和温度。

　　(4)判断粗化期到来时，一般每天结晶助剂添加量降低值不超过5PPM~15PPM，草酸盐含量高时降低幅度按低限控制，反之可适当加大降低幅度，最低添加量2PPM~5PPM；一般每天首槽温度降低值不超过1℃，最低首槽温度和尾槽温度控制值以草酸盐在分解槽内的析出情况而定为宜，我厂在目前草酸盐析出条件下，首槽最低降至64℃，尾槽55℃。

　　晶种成核频率应尽可能控制在上限和下限之间，并尽量避免持续偏高或持续偏低的时间过长。

　　晶种成核频率呈现缓慢上升趋势时，一般优先增加结晶助剂添加量，并观察变化趋势，如无改善，需要适当提高分解首槽温度，提高幅度可选择每天提高1℃。晶种成核频率呈现降低趋势时，一般优先降低分解首槽温度至合适范围，再降低结晶助剂添加量。

　　晶种成核频率呈现急剧上升趋势时，需要增加结晶助剂添加量，同时提高分解首槽温度，提高的幅度可适当增加。晶种成核频率呈现降低趋势时，应优先降低分解首槽温度至合适范围，再降低结晶助剂添加量。

　　降低分解温度过程中，注意不可降低幅度过大、不可降低速度过快。一般每天0.5℃~1℃进行调整。尤其目前较多企业的生产系统中有机物含量高，草酸盐析出风险大。
 

　　草酸盐一旦大量析出，一来作为细微颗粒影响成核频率迅速升高，二来诱导氢氧化铝二次成核快速增长。并且草酸盐裹挟在晶种表面，影响晶种的长大、附聚和强度等。由于温度降低过大，极易导致草酸盐平衡浓度降低，是影响草酸盐析出的主要因素之一，因此降低温度过程中需要特别注意。

　　4　氢氧化铝粒度调控思路

　　新晶核必须经过多次循环才能形成粒径适中的晶粒，必须创造有利条件促进晶体生长和晶粒团聚。

　　分解过程不仅要求氢氧化铝颗粒具有一定的粒径和机械强度，而且要求有较高的分解率和分解率。因此，需要综合考虑各种因素，制定与实际情况相适应的详细控制措施。

　　(1)设置足够、合理监测点，时时准确掌握分解条件。

　　(2)科学分析、归纳数据，确定种分系统中影响附聚和成核的规律，保证晶种粒度分布平衡。

　　(3)尽可能提前发现可能出现的粒度粗化、细化趋势，及时采取控制措施干预。

　　(4)细粒级主要关注f1.92μm和f3.55μm成核频率，-9μm和-14μm粒度分布情况。f1.92μm成核频率一般提前f3.55μm成核频率1天~3天开始变化，可与f3.55μm成核频率升高情况一同作为细化周期到来的预判依据之一。-9μm和-14μm粒度降低情况可作为粗化周期到来的判断依据之一。一般细粒级不宜控制过低，避免造成粒度分布出现断档现象，造成细化期长、峰值高等现象。

　　(5)中间粒级：45μm、60μm、80μm、D50(中位数粒径)，以及比表面积等变化情况，可依据历史峰值、谷值和周期情况，作为粗、细化周期的判断依据。

　　(6)大粒级主要关注100μm、125μm、150μm，尤其100μm大幅度快速增长，将造成二次成核急剧增加和破碎现象的产生，可作为细化周期到来的预判依据之一。应注意分级控制措施的落实，促进大粒级排出。

　　5　针对一段法种分生产工艺，主要采取以下控制措施

　　(1)分解温度是影响氢氧化铝粒度的主要因素，也是最直接最灵敏的调控措施，同时影响草酸盐在分解槽内析出量和速度。我厂采取以下分解变温制度，采用初温64℃~68℃，末温55~58，兼顾减少草酸盐析出，分解时间45h~50h，采用宽通道板式换热器，将头与马尾的温差控制在10℃~13℃。首罐温度、末罐温度和中间冷却梯度根据不同情况进行调整。通过生产数据验证，可以保证产品粒度和分解率。冷却原理：保持初始分解温度较高，分解前期冷却速度可以快一些，分解后期冷却速度慢一些，这样既可以提高分解速度，又可以稍微降低氢氧化铝的强度。值得注意的是，在实际生产中，不能为了增加氢氧化铝的粒径而过度降低分解率。因此，在设置时应考虑分解罐的生产能力，以免增加生产成本，降低经济效果。

　　(2)调整时，一般优先调整结晶助剂的添加量，如果结晶助剂已加至较大量，仍控制不住晶种成核，在这种情况下需提高首槽温度控制；如果结晶助剂已加至很小量或停加，晶种成核仍很少，在这种情况下需降低首槽温度控制。但由于目前多数氧化铝企业受草酸盐和有机物影响，生产波动很大，甚至出现通过困难等问题。我厂采取首尾温度高控，减少草酸盐析出策略，与结晶助剂调整相匹配，结晶助剂添加量在2PPM~40PPM之间进行调整，促进粒度稳定。

　　(3)加强分选设备的运行，确保分选效果达到最佳，满足分解过程中氢氧化铝的收率和质量要求。分级管理的好坏直接影响粒度的质量和氢氧化铝的分解速度，而分级是保证粒度质量的关键工具之一。若氢氧化铝粒径减小，可通过提高分级机供给压力(增加母液加入量)，降低原料固含量(不高于450g/L)来提高分级效果，并提高供给温度打开两套筛分设备，以达到良好的粒度分选效果。加强跟踪检查，注意供气压力(一般≥0.15MPa)和底流浆液出喷嘴的情况。及时清理进料管、溢流管和喷嘴中的堵塞物料和杂物，确保分选效果正常。

　　(4)根据粒度分布调整固含量。第一罐的固含量保持在450g/L~650g/L。加入晶种的目的是通过成核阶段，加速溶液的分解，可得到粗晶氢氧化铝产品。粒径较大时，如-45μm≤5%~10%，应注意大于100μm的大颗粒不宜过多，应及时将物料卸到平板上，将固含量应相应减少，以防止破碎和二次形核突然增加；粉碎粒度时，若固含量低，则相应增加固含量。

　　(5)制定计划并安排一个特殊的时间。系统中液体体积的稳定性对于晶种分解过程的各项性能指标都非常重要。但由于影响生产稳定性的因素很多，往往会出现进出晶种系统的液体体积不平衡，导致系统性能波动，此时氢氧化铝的粒径很容易偏离正常控制范围。每个月，整个工厂都会在停机前安排一次维护停机，将分解首槽温度适当提高2℃~5℃，中间降温设备提前停车，保证末槽温度及中间各种分槽温度不至于大幅度降低。

　　(6)其它条件控制。铝酸钠溶液的浓度、铝酸钠溶液中碱的比例、钠盐、二氧化硅、硫、有机物、草酸盐等的释放对氢氧化铝的粒径有一定的影响。总之，影响氢氧化铝粒径的因素很多，且各因素相互影响、相互制约，生产控制困难，不同氧化铝企业面临的问题各不相同，生产控制条件和措施也不尽相同，需要通过大量的实践与试验确定最优选择。

　　6　结语

　　在氧化铝一级分解的生产过程中，氢氧化铝的粒径会发生周期性的变化。虽然在理论和实践上还有很多问题需要更深入、更全面的研究，但在生产中，通过采取有效的控制措施，可以延长粗化期，降低晶粒细化峰值。

　　我厂在经历了草酸盐爆发式析出的恶劣生产条件后，草酸盐析出情况仍不够稳定。通过控制措施上的不断摸索，形成了适合自己的控制模式，草酸盐析出得到进一步控制。粗化周期由20天左右，逐步增加值45天左右，产品氧化铝-45μm粒度由20%以上，逐步降低至15%左右。