一水硬铝石生产高强度砂状氧化铝理论研究与工艺实践

【摘要】：砂状氧化铝由于具有独特的显微结构、粒度分布及强度,在节能与环境保护要求日益严格的铝电解工业得到广泛的应用。我国可用于氧化铝生产的铝土矿资源都是一水硬铝石型铝土矿,溶出条件较国外三水铝石或一水软铝石型铝土矿苛刻,溶出后得到的铝酸钠溶液碱浓度高、过饱和度低,在铝酸钠溶液结构、铝酸钠溶液分解及结晶行为等方面有别于国外的情况,难于直接引用国际上成熟的拜耳法分解工艺生产砂状氧化铝。 针对我国由一水硬铝石型铝土矿生产氧化铝的工业现状,本论文以获得高强度砂状氧化铝为目标,通过对氢氧化铝晶体叠合方式及受力情况进行分析,首次建立了晶体的受力模型与叠合方式-应力状态-强度的关系;通过建立氢氧化铝晶粒的有限元计算模型并进行静力分析,首次获得了氢氧化铝显微结构与强度关系的一般性原则;根据铝酸钠溶液附聚过程晶粒的粒度分布随时间的变化情况,获得了附聚特征及其与氢氧化铝(氧化铝)强度的关系;首创精液分流技术,将上述氢氧化铝晶粒显微结构与强度关系、种分附聚特征与氢氧化铝(氧化铝)强度关系的理论及实验室研究结果,在实际氧化铝工业生产中进行实施,由一水硬铝石型铝土矿生产出高强度砂状氧化铝产品。主要结论与创新点如下: 1.通过对叠合面进行应力状态分析,研究了氢氧化铝晶体叠合面应力状态分布,发现氢氧化铝晶体界面破坏主要由于正应力导致,且界面上靠近受力点一侧正应力较大,因此随着载荷的增大,将首先发生破坏,该位置是决定氢氧化铝晶体强度的关键部位;氢氧化铝晶粒强度与叠合面承受的应力状态密切相关;各种不同氢氧化铝晶体间的叠合方式中,晶体底面与底面叠合时,氢氧化铝晶粒强度较高并随两个晶体间叠合面积的增大而增大。 2.通过对实际氢氧化铝晶粒的概括和简化,建立了有限元模型并进行了静力分析,研究发现在晶粒缺口处有细粒子填充时,填充位置处于特定填充空间的晶粒整体强度最好;缺口越小,强度越好;在相同的缺口和填充粒子粒径的情况下,强度随填充粒子的增多而加强,且填充位置越靠近最佳位置越能改善晶粒强度;无论是大晶体还是小晶体的叠合,当氢氧化铝晶体间叠合角度在60°～80°时,