氢氧化铝的晶型结构对氧化铝强度的影响.pdf

有色金属 冶炼部分 2 0 0 8 年2 期 2 1 氢氧化铝的晶型结构对氧化铝强度的影响 赵志英，吕鲜翠 中国铝业山西分公司技术开发部，山西河津0 4 3 3 0 1 摘要氧化铝的强度与氢氧化铝颗粒独特的显微形貌有着内在的联系，而氢氧化铝颗粒的显微形貌取决 于铝酸钠溶液的分解工艺．氧化铝与氢氧化铝颗粒的显微形貌相似，通过跟踪监测流程中分解产物氢 氧化铝颗粒的显微形貌来合理调整分解工艺，对得到强度较好的氧化铝产品有着重要的指导意义。 关键词显微形貌；强度；磨损指数；镶嵌型；径向长大 中圈分类号T F 8 2 1文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 【2 0 0 8 0 2 - - 0 0 2 1 - - 0 4 E f f e c to ft h eA l u m i n u mH y d r a t eC r y s t a lM i c r o s t r u c t u r eo nS t r e n g t ho fA l u m i n a Z H A OZ h i y i n g 。L VX i a n c u i D e v e l o p m e n to fS h a n x iB r a n c h ，C h a l e o ，H e j i n0 4 3 3 0 4 ，C h i n a A b s t r a c t I n h e r e n tr e l a t i o ne x i s t sb e t w e e nt h es t r e n g t ha n dm i c r o s t r u c t u r eo fa l u m i n ag r a i n ．T h em i c r o s t r u c t u r eo fa l u m i n ad e p e n d so nt h ep r e c i p i t a t i o np r o c e s so fa l u m i n a t el i q u o r ．S i n c et h em i c r o s t r u c t u r eo f a l u m i n ai ss i m i l a rt Ot h a to ft h eh y d r a t e ，i ti si m p o r t a n tt Og e ts t r o n g e ra l u m i n ab ya d ju s t i n gt h ep r e c i p i t a t i o np r o c e s s ． K e y w o r d s M i c r o s t r u c t u r e ；S t r e n g t h ；A b r a s i o ni n d e x ；I n s e r tt y p e ；R a d i a lg r o w t h 铝酸钠溶液分解得到的氢氧化铝经过煅烧后， 脱除了附着水和结晶水，同时还进行了一定程度的 晶型转变，其形貌和表面状态因其晶型结构的不同 而发生不同程度的改变，此时，产品的粒度和强度 通常用磨损指数A I 来表示 也发生了变化。磨损 指数越小，氧化铝强度越大，在运输、装卸时因撞击、 磨损而增加的细粒子含量就会越少。美铝公司要求 砂状氧化铝的磨损指数控制在l o ％以内，国内一般 要求磨损指数低于2 0 ％。 随着现代电解铝工业的发展，磨损指数低，颗粒 度较粗且均匀的氧化铝产品在用作铝电解原料时， 具有粉状氧化铝所无法比拟的优点，表现为比表面 积大、粉尘小、溶解性能及流动性好、节能等特点。 所以，控制铝酸钠溶液的分解条件，使氢氧化铝形貌 为镶嵌密实型颗粒是氧化铝行业一直攻克的技术难 题。 作者简介赵志英 1 9 6 8 一 ，女，山西阳泉人，高级下程师 1氢氧化铝颗粒模型及显微形貌． 从S E M 显微形貌看，氢氧化铝颗粒的组成是 由一些基本结构单元组成的多晶集合体。根据其结 构可以分为三类径向长大型、镶嵌型和混合型。径 向长大型的氢氧化铝组成的单元数较少，尺寸较大， 在晶种分解过程中晶体以长大为主；而镶嵌型由大 量尺寸较小的小晶粒镶嵌而成，在晶种分解过程中 以附聚和填充为主。 如图1 所示，氢氧化铝单元是长短不同的六角 棱柱状晶体。当受到的热应力超过弹性极限时，会 沿着晶格中一定方向发生破裂。在煅烧过程中氢氧 化铝的脱水裂纹主要沿 0 0 1 面出现，因此得到的氧 化铝颗粒的晶体形貌有明显的裂痕，且C 轴越长， 裂纹越多越深，表现为氧化铝的磨损指数较高。图 1 d 中当A I 0 H 。晶体发育完善、颗粒球形度好、晶 粒镶嵌密实以及外部的缝隙处均被小晶粒填充时， 万方数据 2 2 有色金属 冶炼部分2 0 0 8 年2 期 其煅烧过程中的主要脱水轨迹为细小颗粒间的缝裂痕，表现为氧化铝的磨损指数较低。 隙，因此得到的氧化铝颗粒的晶体形貌没有明显的 a - 模型b - 彤貌c - 径向长大型d 一镶嵌型 图1 氢氧化铝颗粒模型及显微形貌 F i g ．1 M o d e la n da c t u a lm i c r o s t r u c t u r eo fh y d r a t ec r y s t a l a - M o d e lIb - M i c r o s t r u c t u r e - e _ R a d i a lg r o w n ld - I n s e r tt y p e 2 氧化铝颗粒的显微形貌与强度的关系 氧化铝强度由氢氧化铝的结构决定，可从氢氧 化铝颗粒的显微形貌定性分析焙烧后氧化铝产品强 度的大小。径向长大型颗粒的强度差，易磨损；镶嵌 型的颗粒则强度高。下面对碳分和种分分解不同分 解工艺制度下所得产品的显微形貌进行分析。 2 ．1 碳分氧化铝的显微形貌与强度的关系 碳分过程是一个有气、液、固三相参与的多相复 杂反应。通常认为，往铝酸钠溶液中通人C 0 2 气 体，中和溶液中游离的苛性碱，使苛性比值降低，从 而降低溶液的稳定性，析出氢氧化铝沉淀。由于碳 分过程中的溶液分解速度较快，一直处于较高的过 饱和状态，晶核的形成、长大、附聚和二次成核的过 程是同时发生的。在不同分解条件下所得碳分产品 显微形貌如图2 , - 3 。 从图2 的碳分氢氧化铝和氧化铝的显微形貌来 看，产出的A l O H 。晶体发育不完善，颗粒主要是 晶柱的发散状径向堆积结构、晶柱问细晶粒粘结、填 充较少。经焙烧后的氧化铝颗粒晶柱方向多处有明 显的裂纹，很易在工业焙烧和气相输送中破损起尘， 所以产生的颗粒结构强度差，磨损指数较高即A I 3 2 ％。而从图3 的碳分氢氧化铝和氧化铝的显微形 貌来看，产出的A I 0 H 。晶体发育完善，颗粒外形 近似球形，颗粒微观结构主要是镶嵌型，晶粒镶嵌密 实，外部的缝隙处均被小晶粒填充。经焙烧后的氧 化铝颗粒有少量裂纹，在氧化铝的磨损过程中，主要 以磨蚀为主，所以产生的颗粒强度高，磨损指数较低 A I - - - - 1 2 ％。 图2 碳分A I O H ， 差 和A l 0 3 显微形貌 F i g ．2M i c r o s t r u c t u r eo fc a r b o n i z e dA l O H 3 i n f e r i o r a n dA 1 20 3 在碳分分解过程中，控制反应速度，可以控制晶2 ．2 种分氧化铝的显微形貌与强度的关系 核的成长速度，有利于形成结构致密的氢氧化铝晶铝酸钠溶液种分过程是在外加大量晶种的情况 粒；否则，生成的氢氧化铝颗粒结构疏松，在焙烧时下进行的，氢氧化铝的粒径增长主要与附聚和温度 容易破裂。同样，控制适当的晶核数量也十分重要，有关，晶种与分解过程得到的细颗粒晶核通过不断 晶核数应满足附聚、长大的需要，避免大量过剩使产附聚、填充、长大，最后得到具有一定强度的大颗粒 品细化。氢氧化铝。 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 8 年2 期 2 3 图2 碳分A I O H ， 优 和A l 0 3 显微形貌 F i g ．2 M i c r o s t r u c t u r eo fc a r b o n i z e dA I o H 3 s u p e r i o r a n dA 1 20 3 图3 a 是优等氧化铝显微形貌，其晶粒镶嵌密 实，很多细晶粒填充在晶问空隙中，属于高镶嵌型结 构，检测得到的氧化铝磨损指数也很低 A I 一 1 4 ％ 。这种氧化铝在磨损前后的显微结构比较接 近，在磨损之后仅有少量被磨蚀的碎片，没有明显脱 落下的晶块存在，说明高镶嵌性的氧化铝在磨损过 程中，主要以磨蚀为主。 图3 b 是差等氧化铝显微形貌，其无小晶粒填 充，呈现为典型的径向长大型结构，颗粒表面裂纹多 而深，检测得到的氧化铝磨损指数很高，达到4 4 ％。 经磨损后，出现明显断裂现象。从大晶体里面脱落下 尺寸不等的晶块，且大多数小于4 5 弘m 如图4 a 。 图4 b 是国外种分分解所得氧化铝的显微形貌，因其 特有的三水铝石矿决定了产品氧化铝的优良性能， 从图上看出，国外氧化铝颗粒属于镶嵌型，其单晶径 向长度小于7p m ，轴向长度小于1 0 ／a m ，且填充附 聚主要发生在小于l O 肛m 的单晶之间，煅烧过程中 的主要脱水轨迹为细小颗粒间的缝隙，因此得到的 氧化铝颗粒的晶体形貌没有明显的裂痕，其磨损指 数为仅7 ％。 万方数据 2 4 有色金属 冶炼部分 2 0 0 8 年2 期 3结论 [ 2 3 仲维卓，华索坤．晶体生长形态学[ M ] ．北京科学出版 1 碳分和种分分解得到高强度氧化铝颗粒的 社，1 9 9 9 徽量睾骤熙燃竺骢孝茎口3 黧；慧篇黧燃； 以磨蚀为主；而低强度氧化铝颗粒的显微形貌多属 一L ‘⋯⋯1 ～～⋯⋯一”“”⋯⋯⋯。 于偏径向长大型结构，颗粒表面颗粒裂纹多而深，在 [ 4 ] 谭军，陈启元，尹周澜．氧化铝显微结构和磨损性能的 磨损过程中，主要为晶块的断裂。 研究[ A ] ／／．第十届全国氧化铝学术丢议论文集[ c ] ． 2 由于氧化铝的显微形貌受氢氧化铝颗粒制 2 0 0 4 约，因此可通过跟踪监测流程中氢氧化铝颗粒的显 ． 微形貌来合理调整分解工艺，为得到高强度的产品 氧化铝创造条件。 参考文献 万方数据