低品位高铝耐火原料提高质量的9种有效方法
发布日期： 2020-08-21 11:27:30 阅读量（401） 作者：我国著名耐火材料专家钟香崇院士对充分利用我国得天独厚的高铝矾土资源问题，多次提出用选矿提纯和电熔的办法减少高铝矾土的杂质，或者加入少量添加物改善材料的显微结构，提高材料性能，并用算术的加法和减法做了形象比喻。为此，一些科研院所、大专院校及生产企业围绕这一想法做了一些有益的工作，现归纳如下。
1、高铝矾土原料的预均化处理
中钢集团洛阳耐火材料研究院和河南渑池铝矾土锻烧厂采用“长形料仓式预均化库”的方式对高铝矾土原料进行预均化处理，使w(Al2O3)波动范围从66%~79%缩小到72.25%~74.05%，同一品级原料的w(Al2O3)波动范围甚至缩小到1%内。这对我国铝土矿赋存地质特点，如，同一矿层多个品级共存，矿石品位波动大，开采不规范等，确实很有效果，同时对提升出口价格也有好处。但原料的化学矿物组成没有任何变化，杂质成分也没有减少。
2、高铝矾土原料的浮选处理
沈阳铝镁设计院、北京矿冶研究院等单位曾对山西阳泉铝土矿进行过浮选试验，在弱酸性介质中经过二次粗选、二次精选、三次扫选的选别流程，将w(TiO2)从2.9%降到1.8%以下，w(Fe2O3)从1.4%降到0.73%。铝土矿浮选工艺复杂，矿石要反复细磨(最小粒度<0.043mm)、多次浮选，耗费大量能源及试剂，但效果并不理想。因此仅做了实验室试验，未做推广。虽然它与用铝土矿生产的工业氧化铝成本估计相差不大，但选出的原料质量与工业氧化铝的无法相比。
3、用高铝矾土原料合成莫来石
湖南辰溪、靖州一带利用当地的铝土矿选出团块状的黄铁矿，利用湿法细磨、挤泥、干燥、锻烧成莫来石，或经轻烧后电炉熔融成电熔莫来石，其理化指标见表1。河南偃师、山西孝义等地也利用本地铝土矿，采用干法细磨、压块、锻烧(或电熔)制成烧结(或电熔)莫来石。
表1天然原料合成莫来石理化指标
众所周知，在Al2O3-SiO2系统中，唯一的稳定化合物就是莫来石(3Al2O3·2SiO2)，其中w(Al2O3)为71.8%，w(SiO2)为28.2%。当铝土矿中Al2O3、SiO2含量接近莫来石的理论组成时，如Ⅱ等高铝矾土锻烧后就成为以莫来石为主的高铝质原料。对于w(Al2O3)超过71.8%或低于71.8%的高铝矾土，可以采用高品位原料与低品位原料配料的办法来合成莫来石。如，杨中正等利用河南的Ⅰ等高铝矾土与山西大同地区煤矸石(除Al2O3、SiO2之外，其他杂质成分极少)，张翼等用山西孝义的特等高铝矾土与Ⅰ等高铝矾土配料，经混合、细磨、成型、锻烧(或电熔)合成了莫来石。
莫来石具有热膨胀系数小，高温结构强度高，蠕变量低，抗侵蚀性强，抗热震性好，荷重软化点高等特点，一直是耐火制品及不定形耐火材料的重要原料，而且陶瓷、化工、建材等行业也用它。因此，对天然高铝矾土进行适当加工处理合成莫来石原料，形成一个独立的品种，对提高使用效果和经济效益，特别是出口创汇是有利的。但用天然原料合成的莫来石比用工业氧化铝合成的纯莫来石杂质含量要高，莫来石晶相少，故耐高温性能要差些。这种合成莫来石的方法与预均化处理在本质上类同。
4、用高铝矾土原料合成烧结刚玉
郑州大学用特等和Ⅰ等高铝矾土磨细、压球或成块，经1550℃保温3h煅烧成矾土刚玉，其理化指标见表2。它作为刚玉均质料，在浇注料或某些制品中使用，对改善材料结构，提高材料性能是有益的。但均质料中的杂质依旧存在，与纯刚玉相比，其抗侵蚀等性能还有很大差距。因此，笔者认为，既然采用磨细、压块的工艺，就应该在此基础上除掉矾土中的一部分杂质。建议在磨细的矾土中添加AlF3，这样不但能除去95%以上的SiO2、99%的TiO2和17%的Fe2O3，而且经高温煅烧后还能制备板状刚玉。
表2烧结矾土刚玉的理化指标
文献用高铝矾土制备了板状刚玉，其试验过程如下:将山西阳泉高铝矾土经650℃轻烧处理后，破碎至<0.175mm，再与粒度<0.08mm，纯度(w(AlF3))≥98%的氟化铝一起配料。氟化铝的加入量是根据矾土料中Fe2O3、TiO2、SiO2含量，通过化学计量比计算的，其化学反应式及反应温度如下：
将配好的料混合、压块后，于1300℃保温60min煅烧，巩土与氟化铝的气态反应产物SiF4、TiF4、FeF3逸出，使原来含Al2O391.5%、SiO23.16%、Fe2O31.75%、TiO23.37%的高铝矾土成为Al2O3>97%、SiO20.16%、TiO20.25%、Fe2O31.45%的块料。将此块料制成<4.25μm的细粉，再压块，经1780℃煅烧即可获得板状刚玉。如果在此细粉中再加入少量AlF3压块煅烧，制成的板状刚玉可能结构会更均匀些。或者将上述试验再配合酸处理或强磁选出铁杂质，材料的纯度也就更高了。不过此法采用特等高铝巩土作原料，资源有限，其推广应用将受到限制。文献用类似上述的方法，经隧道窑煅烧后，可使w(SiO2)为19.23%的锆英石中的w(SiO2)降到1%左右。这就给含SiO2较高的低品级铝土矿，也是储量大的铝土矿开辟了有效利用的途径。但这仅是设想，高品位铝土矿用AlF3选出SiO2、TiO2、Fe2O3也仅是实验室的试验。建议有条件的铝土矿生产单位进行大型试验，探索出合理的工艺流程。
5、用高铝矾土原料生产电熔棕刚玉
棕刚玉是将高铝矾土熟料、炭素材料和铁屑配料混匀后，加入到电弧炉中，经过高温熔化和杂质还原后冷却而结晶成棕褐色熔块，其w(Al2O3)在94.5%~97%。棕刚玉的冶炼是利用铝对氧的亲和力比铁、硅、钛等大的基本原理，通过控制还原剂(炭)的数量，用还原冶炼的方法使铝矾土中的主要杂质还原，生成硅铁合金并与刚玉熔液分离。
棕刚玉在纯度上与用工业氧化铝冶炼的白刚玉和致密刚玉有一定差距，但在成本上要比它们低得多，而且也有其自身的某些特点，因此可以作为一个独立品种存在。
6、用高铝帆土原料生产电熔亚白刚玉
电熔亚白刚玉也称电溶矶土刚玉，是用特等铝矶土熟料经还原精炼出的w(Al2O3)≥98.5%的灰白色刚玉材料。用它代替用工业氧化铝经电熔制备的致密刚玉生产的铁沟浇注料，在宝钢大型高炉主沟上使用，效果基本相同;用它制造刚玉砖、滑板砖和耐磨浇注料，均取得了与使用致密刚玉和白刚玉同样的效果。亚白刚玉可以称作是有我国工业特色的创新成果，不过它要求使用w(Al2O3)>85%，w(TiO2)≤4.5%的特等高铝矾土原料，储量有限。如何拓宽原料的品位范围，进一步提高亚白刚玉的品质，应该做些探索。
7、用高铝矾土原料合成电熔锆刚玉和锆莫来石
郑州大学用天然高铝矾土熟料和锆英砂作原料，炭粒作还原剂，采用熔融还原、氧化精炼技术生产电熔锆刚玉或电熔锆莫来石，其性能指标(见表3)达到了氧化铝基电熔料的水平。
表3矾土基与氧化铝基电焙锆刚玉和锆莫来石理化指标
天然高铝矾土经过电熔冶炼除掉一些杂质(减法)，再添加锆英砂改性(加法)，这是提高矾土质量，有效利用矾土的方法之一。
8、用高铝矾土原料合成镁铝尖晶石
采用特等高铝矾土与轻烧镁石配料，共同细磨，经成球、锻烧或电熔，可以生产出烧结尖晶石或电熔尖晶石。但是，天然高铝矾土中杂质SiO2、TiO2和Fe2O3的含量较高，对合成料的质量影响很大，而且特等矾土的储量有限，因此，笔者认为，用天然原料合成尖晶石的发展空间不大。
9、用高铝矾土原料合成SiAlON
郑州大学先后开展了利用低品位铝土矿和Ⅱ等、Ⅲ等铝土矿合成SiAlON的研究，并取得了一定成效。用天然铝土矿经碳热还原合成SiAlON，成本低廉，合成途径多种多样，特别是能利用储量大的低品位矿石，具有现实意义。但天然原料普遍含有结晶水，用碳热还原法合成时，失水后材料中留有气孔，且炭粒难以除尽，对耐火材料的密度和强度可能会有影响。
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