二次反应对熟料中氧化铝溶出率的影响

收稿日期:2003-04-29

・氧化铝氟化盐・

二次反应对熟料中氧化铝溶出率的影响

郭琴珍,王军

(中国铝业山西分公司,山西河津043300)

摘要:本文根据中铝山西分公司氧化铝生产统计资料,通过溶出液αk 值,Na 2O C 浓度及溶出温度所引起的二次反应对氧化铝初溶出率损失的影响分析,提出了对当前溶出条件调整的方向和必要性。关键词:溶出温度;

αk ;Na 2O C 浓度;二次反应;溶出率中图分类号:TF803.21　文献标识码:B 文章编号:10021752(2003)12001003

1　概述

烧结法熟料的主要成份是铝酸钠、铁酸钠、和原硅酸钙以及少量的钛酸钙、铝酸钙、铁酸钙、霞石、硫酸钠、硫化钠等,熟料溶出的目的是使熟料中的A I 2O 3和Na 2O 尽可能完全转入溶液而与其它杂质分离开来,但由于熟料中的原硅酸钙(

β-2CaO ・SiO 2)的含量在30%以上,溶出时它和铝酸钠溶液中的氢氧化钠、碳酸钠、及铝酸钠都会反应并引起一系列反应,工业上称为二次反应,从而造成溶液中的A I 2O 3进入赤泥而损失,使熟料的净溶出率降低,二次反应损失也就是标准溶出率和净溶出率的差值。

2　二次反应的实质

二次反应主要是原硅酸钙和铝酸钠溶液的化学

作用,首先,原硅酸钙被铝酸钠溶液中的NaOH 、Na 2CO 3、NaAl (OH )4分解,反应如下:

2CaO ・SiO 2+2NaOH +aq =2Ca (OH )2+Na 2SiO 3+aq

⑴

2CaO ・SiO 2+2Na 2CO 3+aq =2CaCO 3+Na 2SiO 3+2NaOH +aq ⑵

3(2CaO ・SiO 2)+4NaAl (OH )4+4H 2O =2(3CaO ・Al 2O 3・SiO 2・4H 2O )+Na 2SiO 3+2NaOH ⑶

分解后进入溶液中的Ca (OH )2和Na 2SiO 3与NaAl (OH )4进一步反应:

3Ca (OH )2+2NaAl (OH )4+aq =3CaO ・Al 2O 3・6H 2O +2NaOH +aq ⑷Na 2SiO 3+2NaAl (OH )4+aq =Na 2O ・Al 2O 3・

117SiO 2・H 2O +2NaOH +aq

⑸

3Ca (OH )2+xNa 2SiO 3+2NaAl (OH )4+aq =3CaO ・Al 2O 3・xSiO 2(6-2X )H 2O +2(X +1)NaOH +aq

⑹

在我厂的生产条件下,溶液中的Na 2O K 浓度一

般在70～90g/l ,而Na 2O C 浓度则在16～19g/l ,因此可以认为二次反应损失的根本原因是熟料中的原硅酸钙在溶出、分离过程中被NaOH 分解,分解产物Na 2SiO 3和Ca (OH )2与NaAl (OH )4又相互作用生成含氧化铝的不溶物进入赤泥造成氧化铝的损失,不仅如此,Ca (OH )2对生产的危害还表现在,它使溶出赤泥产生膨胀和粘结,因为Ca (OH )2本身就是一种溶剂化物质,而且是表面活性物质,当其被赤泥粒子吸附时,会使全部赤泥产生溶剂化作用〔1〕,尤其是在钙比(C/S )高的情况下,会使大量的膨胀赤泥附在分离沉降槽的耙机上,如果不及时发现,这种赤泥会很快充满整个分离沉降槽,而且很难处理,最终导致分离槽垮掉,发生赤泥膨胀,有时也会有大块大块的赤泥飘出分离槽,进入粗液,所以Ca (OH )2对生产的影响和由此而引起的二次反应造成Al 2O 3的损失是绝对不能忽视的。二次反应的主要产物是3CaO ・Al 2O 3・6H 2O (含水铝酸钙)和3CaO ・Al 2O 3・xSiO 2(6-2X )H 2O 所组成的水化石榴

石系固溶体以及Na 2O ・Al 2O 3・1.7SiO 2・H 2O (含水

铝硅酸钠),有时也有少量的Al (OH )3,这是由于铝酸钠溶液自发分解而产生的。

3　二次反应损失的分布与分析

3.1　二次反应损失分布对比

表1所列的是我厂1998～2002年各段溶出率

・

01・ 轻　金　属 2003年第12期

与溶出条件,表2是各段的溶出率损失情况。

表1　各段溶出率及对应的溶出条件

时间标溶初溶分溶净溶溶出αk溶出Nc 199892.989.388.2387.4 1.1818.5 199993.3189.1788.7888.31 1.1518.44 200093.7289.6889.0888.81 1.1418.3 200194.3589.7589.4889.33 1.1418.05 200294.5189.9989.5789.03 1.1518.9

由表2可以看出,氧化铝溶出率损失最多的过程发生在标溶和初溶之间〔2〕,也就是说,在熟料溶出阶段,二次反应最剧烈,造成氧化铝溶出率的损失最大,初溶损失平均占总损失的80.93%,其次是在分离过程中的损失,平均占总损失的10.5%,而在赤泥洗涤过程中损失最小,平均占总损失的8157%。

表2　各段溶出率损失统计表

时间总损失初溶损失占总损失,%分溶损失占总损失,%净溶损失占总损失,%溶出αk溶出Nc 1998 5.5 4.0482.28 1.0719.450.8315.09 1.1818.5 19995 4.1482.80.397.80.479.4 1.1518.44 2000 4.91 3.665.450.612.220.27 5.5 1.1418.3 2001 5.02 4.691.630.27 5.380.15 2.99 1.1418.05 2002 5.48 4.5282.480.427.660.549.85 1.1518.9平均 5.18 4.1880.930.5510.50.458.57 1.1518.44

3.2　二次反应损失原因分析

由于赤泥分离和洗涤过程所用的时间较长,在此期间会有一定程度的二次反应,但它所造成溶出率损失较小,仅占二次反应总损失的五分之一,而溶出过程中造成的溶出率损失达到4.18%,占总损失的80.93%,在熟料组成一定的情况下,溶出率的高低主要受溶出条件的影响,而溶出条件的控制就在于最大限度地抑制溶出过程中二次反应的损失,影响溶出过程中二次反应的因素固然很多,但溶出液

α

k

以及溶出液中Na2O C浓度以及溶出温度对标溶和初溶之间损失的影响则是主要因素。

3.2.1　溶出液αk对初溶的影响

表3　溶液αk对氧化铝溶出率的影响

溶出条件溶出液成分,g/l溶出率,% L/S温度,℃时间,h Na2O K Al2O3Na2O Cαk Al2O3

2.880184.2115.0<1 1.2095.2

2.8801121.9110.5<1 1.8192.2

2.88018

3.711

4.7<1 1.1994.0

2.8801122.4108.9<1 1.8688.5

由于2CaO・SiO2主要是在NaOH作用下分解的,溶液中的Na2O K浓度越高,即αk越高,使2CaO・SiO2的分解会越剧烈,二次反应损失越严重,溶出率越低,由表3可以看出,当αk为1.20时,熟料中氧化铝的溶出率最高,生产实践证明,把溶出液的

α

k

由原来的1.45降低到1.25左右,即把溶液的Na2O K浓度由原来的110g/l降低到90g/l左右, (Al2O3浓度保持120g/l)氧化铝净溶出率提高6%。我厂实际生产中制得的溶出液Al2O3浓度为105～120g/l,由于含有4～6g/l SiO2,使溶液的稳定性提高,当αk为1.20～1.25左右时,即可以保证在溶出及赤泥分离的过程中铝酸钠溶液不发生明显的分解〔3〕,但是当溶出液的Al2O3浓度一定时,αk过低也是不恰当的,由表1中的溶出条件得知,1998～2002年,我厂的溶出液αk1998年最高,仅为1.18,小于1.20,1999～2002年更低,1998～2002年溶出液αk 平均为1.15,这样的粗液虽然可以降低二次反应损失,却使粗液不稳定,发生显著分解,生成Al(OH)3进入赤泥,导致Al2O3的大量损失,造成我厂初溶出率大幅降低。

3.2.2　Na2O C浓度对初溶的影响

铝酸钠溶液中Na2CO3能分解2CaO・SiO2,会增加二次反应的损失,造成溶出率的降低,但和NaOH的相比这种作用是次要的,而在溶液中保持一定浓度的Na2O C还有以下四个好处:

(1)可以进行苛化反应,减少水化石榴石的生成速度和数量,反应如下:

Na2CO3+Ca(OH)2=CaCO3↓+NaOH

由于CaCO3溶解度较Ca(OH)2小得多,所以,苛化反应能够减弱由Ca(OH)2带来的Al2O3的损失。

(2)分解已生成的水化石榴石,使以水化石榴石形式损失的Al2O3又返回溶液,提高了Al2O3的溶出率,反应如下:

3CaO・Al2O3・xSiO2・(6-2x)H2O+3Na2CO3+ aq=3CaCO3↓+x/2(Na2O・Al2O3・2SiO2・nH2O)+ (2-x)NaAl(OH)4+4NaOH+aq

(3)可以溶出熟料中铝酸钙中的Al2O3,提高Al2O3的溶出率,反应如下:

CaO・Al2O3+Na2CO3+aq=2NaAl(OH)4+

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