杨酉坚, 齐俊峰, 庞小娟, 王兆文
东北大学 冶金学院, 辽宁 沈阳 110819
收稿日期：2020-07-29
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51804069)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(N2025033)。
作者简介：杨酉坚(1987-), 男, 山东烟台人, 东北大学讲师, 博士;
王兆文(1964-), 男, 辽宁沈阳人, 东北大学教授, 博士生导师。

摘要：为了保证冶金级氧化铝的高效输送和加料, 对氧化铝的粒径分布和抗磨损性能提出一定要求, 研究和探讨了冶金级氧化铝的抗磨损性能.利用依据国家标准设计的氧化铝磨损指数测定仪, 对从不同氧化铝企业采样的32种氧化铝进行了磨损前后的粒径分布测试和磨损指数计算, 研究了磨损指数和粒径分布之间的关系.数据分析结果重新强调了综合考虑磨损指数和粒度分布的重要性.同时分析了铝电解干法烟气净化系统对氧化铝的磨损程度.还提出了一种衡量氧化铝粒径分布好坏的方法.
关键词：冶金级氧化铝粒度分布磨损指数干法烟气净化系统铝电解
Analysis of Attrition Index of the Smelter Grade Alumina Particle
YANG You-jian, QI Jun-feng, PANG Xiao-juan, WANG Zhao-wen
School of Metallurgy, Northeastern University, Shenyang 110819, China
Corresponding author: YANG You-jian, E-mail: yangyj@smm.neu.edu.cn.

Abstract: In order to ensure an efficient transportation and smooth feeding of the smelter grade alumina, certain particle size distribution and attrition index of the alumina are required. The attrition resistance of the smelter grade alumina is studied and discussed. The particle size distribution and attrition index of 32 alumina samples collected from different alumina plants were measured and calculated by using a self-made alumina attrition index analyzer. The relationship between alumina attrition index and particle size distribution was analyzed. The experimental results emphasized the importance of the combination of the attrition index and particle size distributions. Meantime, the attrition rate of alumina in the dry scrubbing system was analyzed. A method was proposed to evaluate the particle size distribution of alumina.
Key words: smelter grade aluminaparticle size distributionattrition indexdry scrubbing systemaluminum electrolysis
氧化铝作为一种工业原料, 有着广泛的应用.大部分氧化铝被用于铝电解, 小部分用于催化剂及其载体、涂料、耐火材料、绝缘材料、填充剂、冶金等许多领域^[1].习惯上将拜耳法生产的用作铝电解原料和钢铁企业镇静剂载体的氧化铝称作冶金级氧化铝, 将其他用途的氧化铝称为非冶金级氧化铝^[2].冶金级氧化铝通常含有98.5%以上的氧化铝, 以及少量的氧化钾、氧化钠、氧化锂、二氧化硅、三氧化二铁、氧化钙等杂质^[3].冶金级氧化铝的主要用途是供铝电解厂进行电解铝生产^[4].由于铝土矿原料的差异和拜耳法生产工艺的相应调整, 不同冶金级氧化铝产品的物理化学性质略有区别, 通常根据平均粒径将其划分为砂状氧化铝、粉状氧化铝和中间型氧化铝^[5].为保证铝电解工艺中氧化铝物料超浓相输送和点式加料的顺畅性, 要求氧化铝颗粒的粒径相对均一^[6], 并且具有良好的抗磨损性能.氧化铝粒径与其溶解速率相关, 粒径较大的颗粒在电解质中溶解速度缓慢, 最终沉降于电解槽底部, 降低电流效率^[7]; 而粒径较小的颗粒粉末中α-Al₂O₃含量相对较高, 在输送阶段会增大输送管道发生堵塞的概率; 在加料时细颗粒会加剧下料过程中的飞扬损失, 恶化电解车间的环境^[8].
氧化铝的磨损指数从宏观上描述了氧化铝物料的颗粒强度.磨损指数小的氧化铝其颗粒强度更大^[9], 抗磨损性能更好.氧化铝磨损指数与氧化铝颗粒粒径分布相关, 常用磨损指数来描述氧化铝在转运、运输过程中由于撞击、磨损而增加的细粉状氧化铝含量的多少^[10-11].磨损指数较大的氧化铝在输送过程中会部分破碎细化, 干扰物料输送和电解槽加料过程^[12].
铝电解所使用的氧化铝原料分为新鲜氧化铝与载氟氧化铝(二次氧化铝).铝电解厂直接从氧化铝厂采购来的氧化铝一般称为新鲜氧化铝; 载氟氧化铝又称二次氧化铝, 是由新鲜氧化铝经过干法烟气净化装置, 吸附铝电解过程中产生的一部分氟盐颗粒和氟化氢后获得的.
冶金级氧化铝磨损指数的测定：经过国标规定的磨损测试后, 样品中粒径小于45 μm的颗粒所增加的百分比, 计算式如式(1)所示.

(1)

其中: AI为试样的磨损指数, %; X为磨损后试样中小于45 μm颗粒所占百分比, %; Y为磨损前试样中小于45 μm颗粒所占百分比, %.
无论是磨损前还是磨损后, 都希望氧化铝具有较低的细颗粒含量和较低的粗颗粒含量, 并且粒径分布较为集中^[13].因此, 在研究冶金级氧化铝的抗磨损性能时, 要综合考量氧化铝的磨损指数与氧化铝颗粒的粒径分布.目前国内多数氧化铝厂和电解铝厂对氧化铝磨损指数重视不足, 弱化了对氧化铝磨损指数和粒度分布的基础认识.本文探讨了氧化铝磨损指数以及磨损前后氧化铝粒径分布情况, 并对一些冶金级氧化铝的粒度和抗磨损性能进行了考察.
1 实验材料和实验方法本文取样测试了新疆、山东、河南、内蒙古、澳大利亚等的20种拜耳法新鲜氧化铝和12种载氟氧化铝样品的磨损指数及磨损前后的颗粒粒径分布.编号1.1#~1.20#为新鲜氧化铝样品, 编号2.1#~2.12#为载氟氧化铝样品.结合氧化铝颗粒磨损前后的粒径分析结果, 讨论了氧化铝物料的磨损指数和粒径分布对铝电解工艺过程的影响.
实验中采用氧化铝磨损指数测定仪对样品进行磨损测试, 装置示意图如图 1所示.磨损指数测定仪由供气系统、喷吹磨损系统、净化系统、监测系统、输送管路、仪器外壳和安放于流化管底部的孔板六部分组成.对于磨损指数的规格选取, 严格参照了国标YS/T438.2—2013《砂状氧化铝物理性能测定方法第2部分：磨损指数的测定》中给出的设备参数和实验方法.
图 1(Fig. 1)

图 1 氧化铝颗粒磨损指数测定仪工作流程图Fig.1 Flow chart of alumina particle attrition index tester 1—储气瓶; 2—稳压罐; 3—进气压力表; 4—开关; 5—进气流量计; 6—料仓和孔板; 7—氧化铝颗粒; 8—流化柱; 9—滤网; 10—出气压力表; 11—出气流量计; 12—过滤器.

磨损实验过程中的关键参数：样品用量50±0.1 g.进气压力0.40~0.41 MPa(入口气体流量约为390 m³/h).喷吹孔直径0.381±0.002 mm.测试时间15 min.
磨损指数仪可模拟氧化铝颗粒在工业稀相输送物料系统中的破损过程.氧化铝在测定仪中磨损15 min的磨损程度等效于其在工业稀相输送管内经过5 km的磨损程度.
磨损指数测定仪是利用流化床对冶金级氧化铝颗粒进行磨损, 从而测试其磨损指数.压缩气体(空气、氩气等)经管道由储气瓶进入仪器底部的稳压罐中, 稳压罐接入仪器开关和反应柱下方的料仓.在料仓和稳压罐之间使用压力表和流量计对喷吹装置的进气压力和进气流量进行实时监控, 以保证实验过程本身的可靠性.气体经过料仓, 底部的进气漏孔使气体的流速加快至所需数值, 使料仓中的试样进入流化柱中开始磨损.为了在流化过程中保证样品的质量守恒, 在流化管的出气端用收尘器进行颗粒收集, 之后再使用另一组流量计和压力表对过滤后的气体进行出气流量和出气压力监测, 最终得到磨损后的氧化铝试样.利用激光粒度分析仪(Mastersizer 2000)对磨损前后的试样进行粒径分布测试, 根据式(1)计算试样的磨损指数.重复性检验结果显示, 该套装置的测试结果具有良好的重复性, 测试误差小于2%.
2 结果与讨论2.1 磨损前后氧化铝中颗粒粒径的演化整体来讲, 从粒径分布曲线来看, 所有的样品经过磨损后, 其粒径分布均向小尺寸整体移动, 细颗粒含量增加, 粗颗粒含量减少, 这种变化从粒径分布曲线上是显而易见的.样品1.3#磨损前后的粒径分布曲线如图 2所示, 从磨损前后的颗粒粒径分布规律可以清晰地观察到氧化铝颗粒的破碎状态.
图 2(Fig. 2)

图 2 样品1.3#磨损前后粒径分布Fig.2 The particle size distribution curve for fresh alumina sample #1.3, before and after the attrition tests

在描述粉体粒径分布时, 常用参数Dv(10), Dv(50), Dv(90)来标示样品的粒径分布特征.以Dv(50)为例, 其代表当样品的累计粒度分布百分数达到50%时所对应的粒径.此时小于该粒径的颗粒占50%, 大于该粒径的颗粒也占50%, 因此Dv(50)也叫中位粒径或中值粒径.同理, Dv(10)为粒径小于它的颗粒占10%, Dv(90)为粒径小于它的颗粒占90%.图 3绘制了本文测试的32种拜耳法氧化铝磨损前后Dv(10), Dv(50), Dv(90)数值随磨损指数的变化曲线.
图 3(Fig. 3)

图 3 氧化铝颗粒粒度随磨损指数的变化关系图Fig.3 Particle size parameters of SGA versus attrition index

从图 3中可以获得两个信息：1)氧化铝磨损指数的大小与物料的粒径分布无明显关联, 磨损指数与粒径分布相对独立; 2)磨损后Dv(10), Dv(50), Dv(90)值均会减小, 磨损指数越大的氧化铝, 磨损后颗粒粒径减小越明显.
铝电解企业从氧化铝企业购买到的新鲜氧化铝经超浓相管道输送至各电解槽下料; 部分新鲜氧化铝先作为铝电解烟气的吸附介质进入干法烟气净化装置循环使用后再输送至各电解槽下料.在超浓相输送和烟气净化装置中, 氧化铝颗粒高速运动时互相或与管壁激烈碰撞时, 颗粒发生不同程度的磨损或破碎.同时, 由于碰撞导致颗粒破碎所产生的大量小尺寸颗粒又会造成超浓相输送过程中的颗粒分层和铝电解槽使用中氧化铝下料不畅及溶解不良的问题.
从氧化铝使用的全生命周期来看, 铝电解企业需要的是粒径分布相对集中、粗颗粒和细颗粒含量较少的氧化铝产品.采购企业对氧化铝的要求不仅是采购时的产品物理性质, 还包括后续使用中物性的变化, 即粗颗粒在输送和干法烟气净化过程中是否会发生破碎, 以及可接受的破碎程度.也可以说, 磨损指数测试是粒径分布测试的辅助参数, 不能独立作为评价一种氧化铝使用性能好坏的依据.但磨损指数仍是依附于氧化铝粒径分布测试的一项重要指标.
2.2 铝电解干法烟气净化系统对氧化铝的磨损作用为了更直观对比工业铝电解干法烟气净化装置对氧化铝的磨损程度, 将新鲜氧化铝和经过干法烟气净化系统的载氟氧化铝的磨损指数汇总于图 4.
图 4(Fig. 4)

图 4 20种新鲜氧化铝和12种载氟氧化铝磨损指数Fig.4 The attrition indexes of 20 fresh SGA samples and 12 secondary SGA samples (1.1#~1.20#)—新鲜氧化铝; (2.1#~2.12#)—载氟氧化铝.

从拜耳法新鲜氧化铝和载氟氧化铝的取样分析结果来看, 20种新鲜氧化铝的磨损指数平均值为12.75%;12种载氟氧化铝的磨损指数平均值为7.96%, 较新鲜氧化铝降低了37.6%.造成这种差距的原因是载氟氧化铝在干法烟气净化装置中已经经过了一次磨损, 所以再次进行磨损测试时, 得到的磨损指数结果相应偏小.
若单纯地从磨损指数来看, 可得出载氟氧化铝的磨损性能优于新鲜氧化铝的结论, 但如果将新鲜氧化铝和载氟氧化铝的粒度分布考虑在内时, 显然新鲜氧化铝的使用性能更佳.因此, 磨损指数并不能准确判断冶金级氧化铝的抗磨损性能.但倘若样品磨损指数偏大, 即使其粒径分布较好, 其抗磨损性能仍值得商榷.在判断氧化铝抗磨损性能时, 要将氧化铝的粒度分布与磨损指数均考虑在内.
2.3 磨损指数和粒径分布测试耦合分析探讨铝电解企业所关注的氧化铝实际使用效果是综合粒径分布和磨损指数的博弈分析.忽略两项测试中的任何一项测试所获得的结果均是单调的、不全面的, 将两项测试进行耦合分析是有必要的.
考虑到磨损指数和颗粒粒径分布测试之间的相互依存关系, 遂假设氧化铝的粒径分布和磨损指数有对应于表 1中的4种情况.
表 1(Table 1)

表 1 氧化铝粒径分布和磨损指数对应关系Table 1 Relationship between the particle size and the attrition index 编号 磨损前粒径分布 磨损指数 实际使用效果 A 好 好 好 B 好 差 未知 C 差 好 差 D 差 差 差

表 1 氧化铝粒径分布和磨损指数对应关系 Table 1 Relationship between the particle size and the attrition index

从终端应用的角度来看, 同时要求供给端的新鲜氧化铝(磨损前)和应用端的新鲜或载氟氧化铝有较好的粒径分布规律.基于此, 依照表 1中提及的4种情况, 来具体分析粒径分布测试和磨损指数之间的关系.
从耦合分析磨损指数和粒径分布两项参数的角度, 考虑到兼顾氧化铝中大颗粒含量和小颗粒含量比例, 本文尝试提出按照以下经验标准进行判别, 并对本文测试的氧化铝样品做出综合判断, 结果如表 2所示.
表 2(Table 2)

表 2 磨损指数和粒径分布两项参数的耦合分析Table 2 the correlation between particle size distribution and attrition index 实验编号 磨损前Dv(10) 磨损前Dv(50) 磨损前Dv(90) 磨损前 < 45 μm 磨损前综合评价 磨损后Dv(10) 磨损后Dv(50) 磨损后Dv(90) 磨损后 < 45 μm 磨损后综合评价 磨损后是否降级 磨损指数 μm μm μm % μm μm μm % % 1.1 32.7中 59.9中 122好 39 中 31.2中 56.9中 112好 44 中 否 7.49 1.2 35.3中 70.7好 126好 29 中 28.7中 61.9好 118好 38 中 否 12.89 1.3 39.9中 71.8好 128好 26 中 16.0差 55.0中 107好 47 差 是 27.85 1.4 51.9好 78.6好 118好 10 好 33.2中 62.8好 106好 35 中 是 27.45 1.5 37.7中 76.9好 139好 23 中 11.4差 67.5好 113好 36 差 是 16.43 1.6 35.5中 70.9好 126好 27 中 19.9差 57.2中 111好 45 差 是 24.15 1.7 50.8好 92.0好 157中 11 中 34.0中 76.8好 130好 23 中 否 13.52 1.8 50.8好 92.0好 157中 11 中 37.7中 77.6好 132好 22 中 否 12.85 1.9 48.0好 83.7好 135好 13 好 38.7中 74.3好 126好 26 中 是 14.26 1.10 48.0好 83.7好 135好 13 好 45.6好 79.7好 133好 16 好 否 3.68 1.11 45.6好 82.2好 144好 16 好 42.8中 74.2好 125好 26 中 是 11.31 1.12 45.6好 82.2好 144好 16 好 44.5中 72.8好 135好 20 中 是 4.25 1.13 53.8好 97.7好 161中 9 中 42.9中 81.3好 142好 18 中 否 10.25 1.14 37.8中 74.2好 134好 25 中 31.0中 69.0好 129好 31 中 否 8.32 1.15 37.8中 74.2好 134好 25 中 37.6中 71.3好 124好 27 中 否 2.76 1.16 47.2好 89.9好 147好 13 好 44.9中 84.9好 141好 18 中 是 5.78 1.17 47.2好 89.9好 147好 13 好 38.1中 84.0好 144好 19 中 是 6.40 1.18 40.8好 78.9好 135好 19 好 13.2差 63.0好 119好 38 差 是 23.38 1.19 56.7好 96.2好 151中 7 中 27.8中 81.7好 139好 20 中 否 14.12 1.20 56.7好 96.2好 151中 7 中 46.0好 84.3好 141好 14 好 否 7.80 2.1 48.4好 88.9好 149好 12 好 38.8中 78.9好 138好 24 中 是 12.91 2.2 37.9中 85.9好 155中 20 中 35.5中 77.5好 143好 27 中 否 9.33 2.3 19.1差 61.9好 122好 39 差 25.3中 63.5好 142好 39 中 否 0.23 2.4 19.1差 61.9好 122好 39 差 25.2中 62.7好 120好 40 中 否 1.46 2.5 19.1差 61.9好 122好 39 差 16.1差 57.5中 113好 42 差 否 5.44 2.6 26.7中 67.2好 120好 32 中 28.4中 60.0好 109好 42 中 否 14.44 2.7 26.7中 67.2好 120好 32 中 32.7中 61.5好 112好 35 中 否 4.35 2.8 34.7中 68.1好 118好 29 中 26.4中 58.8中 101好 40 中 否 15.47 2.9 33.0中 61.8好 114好 34 中 32.9中 60.7好 108好 39 中 否 8.43 2.10 33.0中 61.8好 114好 34 中 31.2中 57.6中 103好 43 中 否 14.54 2.11 29.0中 62.9好 119好 36 中 31.4中 64.2好 121好 37 中 否 1.52 2.12 29.0中 62.9好 119好 36 中 29.0中 59.8中 113好 41 中 否 7.41

表 2 磨损指数和粒径分布两项参数的耦合分析 Table 2 the correlation between particle size distribution and attrition index

粒径曲线Dv(10)>45μm, 且60 μm < Dv(50) < 100 μm, 且Dv(90) < 150 μm为“好”;
粒径曲线Dv(10)>25 μm, 或50 μm < Dv(50) < 60 μm或100 μm < Dv(50) < 120 μm, 或Dv(90) < 170 μm为“中”;
粒径曲线Dv(10) < 25 μm, 或Dv(50) < 50 μm或Dv(50)>120 μm, 或Dv(90)>170 μm为“差”;
Dv(10), Dv(50), Dv(90)值中的最低评级决定粒径分布整体评级.
磨损后的综合评级低于磨损前的综合评级, 即视为“降级”.
以上评价标准参考了砂状、中间型和粉状三种工业氧化铝的分类标准, 并将目前工业上主流的砂状氧化铝性能指标作为主要评价标准.在砂状氧化铝的评价标准中, 最优的氧化铝粒径分布为：粒径小于45 μm的粉料所占百分比小于10%, 以减少粉料在铝电解槽加料过程中的飞扬损失; 粒径大于150 μm的粉料所占百分比小于10%, 避免粉料在电解槽内溶解速率过低而导致的槽底沉淀; 所有颗粒的中位粒径介于60~100 μm之间, 降低物料在输送过程中发生分层而引起能耗增加的风险^[5].
从表 2的综合评价来看, 对于编号为1.1#~1.20#的新鲜氧化铝(磨损指数一般是氧化铝生产企业进行的测试, 测试对象是新鲜氧化铝.因为氧化铝干法净化载氟过程是在电解铝厂进行的, 载氟氧化铝一般不再进行磨损指数测试), 磨损指数大于15%, 尤其是大于20%的样品, 经过磨损后粒径分布更趋向于“降级”; 而磨损指数小于15%的氧化铝, 磨损前后基本能保持类似的使用效果.而编号为2.1#~2.12#的载氟氧化铝, 却很少出现磨损测试前后评价降级的情况, 这说明干法净化系统对氧化铝的磨损情况是十分显著的.另外, 由于磨损指数仅是根据磨损后小于45 μm颗粒增加的百分比计算得来, 因此将其与粒径分布综合评价匹配时, 会存在偏差.
3 结论1) 在研究冶金级氧化铝的抗磨损性能时, 要综合考虑磨损指数和粒度分布.粒径分布对抗磨损性能有决定性作用, 而粒径分布良好时, 应进一步考虑磨损指数的大小.为了保持颗粒的稳定性, 冶金级氧化铝的磨损指数应控制在20%以内, 最好在15%以内.
2) 在拜耳法氧化铝中, 新鲜氧化铝的磨损指数相较于载氟氧化铝有着更高的可信度, 铝电解干法烟气净化系统对氧化铝的磨损程度更高, 这使得载氟氧化铝的粒度分布较差, 由拜耳法新鲜氧化铝和载氟氧化铝试样的磨损指数的平均值得知, 载氟氧化铝较新鲜氧化铝的磨损指数降低了37.6%.
3) 本文尝试提出了一种综合考量氧化铝粒径分布和磨损指数的评价方法.
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