工藝基礎(chǔ)部分

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《氧化鋁制取工——基礎(chǔ)知識》

目錄

第一篇氧化鋁生產(chǎn)工藝

氧化鋁生產(chǎn)基本原理

概述

氧化鋁生產(chǎn)方法

鋁酸鈉溶液

原料制備

概述

配礦

磨礦

拜耳法配料

燒結(jié)法配料

石灰煅燒及石灰乳制備

熟料燒結(jié)

概述

熟料燒結(jié)的原理及工藝

煤粉燃燒與制備

硫在氧化鋁生產(chǎn)過程中的危害及排硫方法

影響熟料窯產(chǎn)量和質(zhì)量的因素

降低熟料燒結(jié)熱耗的途徑

溶出

燒結(jié)法熟料溶出

拜耳法鋁土礦溶出

液固分離

概述

沉降

過濾

赤泥分離與洗滌

氫氧化鋁分離與洗滌

脫硅

燒結(jié)法脫硅

拜耳法脫硅

鋁酸鈉溶液分解

概述

鋁酸鈉溶液的晶種分解

鋁酸鈉溶液的碳酸化分解

氫氧化鋁焙燒

概述

氫氧化鋁的焙燒原理及工藝

焙燒過程對氧化鋁質(zhì)量的影響

焙燒爐燃料及燃燒

母液蒸發(fā)

概述

母液蒸發(fā)的原理及工藝

蒸發(fā)器結(jié)垢的生成及清除

碳酸鈉的苛化及回收

氧化鋁生產(chǎn)的主要技術(shù)經(jīng)濟指標

氧化鋁生產(chǎn)的主要消耗指標

降低氧化鋁生產(chǎn)消耗的途徑

資源的綜合利用

第二篇氧化鋁生產(chǎn)設(shè)備

第十一章固體輸送設(shè)備

帶式輸送機

鏈式輸送機

螺旋輸送機

斗式提升機

翻車機

堆料機、取料機和堆取料機

氣力輸送設(shè)備

第十二章流體輸送設(shè)備

泵

氣體輸送設(shè)備

第十三章磨礦及分級設(shè)備

球磨機

分級設(shè)備

第十四章煅燒設(shè)備

石灰豎爐

回轉(zhuǎn)窯

焙燒爐

第十五章液固分離設(shè)備

沉降槽

過濾設(shè)備

第十六章壓力容器

壓力容器基礎(chǔ)

氧化鋁生產(chǎn)中的壓力容器

第十七章除塵設(shè)備

旋風除塵器

袋式除塵器

靜電除塵器

第十八章其他相關(guān)設(shè)備

各類槽體

降溫設(shè)備

主要閥體

第三篇綜合基礎(chǔ)知識

第十九章安全及環(huán)境保護

安全操作基礎(chǔ)知識

安全用電基礎(chǔ)知識

環(huán)境保護

職業(yè)健康與勞動保護

第二十章相關(guān)法律、法規(guī)知識

勞動法

安全生產(chǎn)法

環(huán)境保護相關(guān)法律法規(guī)

第二十一章管理知識

生產(chǎn)管理

技術(shù)管理

質(zhì)量管理

第二十二章職業(yè)道德

第一篇氧化鋁生產(chǎn)工藝

第一章氧化鋁生產(chǎn)原理

第一節(jié)概述

一、氧化鋁工業(yè)發(fā)展概況

1858年呂·查得里提出了鋁土礦—蘇打燒結(jié)法生產(chǎn)氧化鋁的方法。由于在燒結(jié)過程中鋁土礦中的Al2O3、SiO2與蘇打反應(yīng)生成不溶性的鋁硅酸鈉，造成氧化鋁和蘇打的大量損失。1880年由米尤列爾提出往蘇打、鋁土礦爐料中添加石灰石，使得燒結(jié)過程不生成或很少生成鋁硅酸鈉，大大減少了氧化鋁和蘇打的損失，后又改為添加石灰，以至發(fā)展成為今天的堿——石灰燒結(jié)法，這一方法是目前處理高硅鋁土礦生產(chǎn)氧化鋁的主要工業(yè)生產(chǎn)方法。1889—1892年奧地利人K.J.拜耳發(fā)明了用苛性堿溶液直接浸出鋁土礦生產(chǎn)氧化鋁的方法，為氧化鋁的大規(guī)模生產(chǎn)和迅速發(fā)展開辟了道路。此法用在處理低硅鋁土礦，特別是處理三水鋁石型優(yōu)質(zhì)鋁土礦，其經(jīng)濟效果優(yōu)于其它生產(chǎn)方法。

燒結(jié)法和拜耳法是目前工業(yè)生產(chǎn)氧化鋁的主要方法。

國外生產(chǎn)氧化鋁絕大多數(shù)采用拜耳法，少數(shù)采用燒結(jié)法或拜耳-燒結(jié)串（并）聯(lián)法。中國結(jié)合自己的資源情況，首創(chuàng)了拜耳-燒結(jié)混聯(lián)法，極大地提高了氧化鋁的總回收率。隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷提高，石灰拜耳法、選礦拜耳法等一些新的生產(chǎn)方法不斷被應(yīng)用到生產(chǎn)中來。我國氧化鋁工業(yè)發(fā)展非常迅速，從1954年山東鋁廠投產(chǎn)后，又相繼建成了鄭州鋁廠、貴州鋁廠、山西鋁廠、中州鋁廠和平果鋁廠等，近幾年來，原有各氧化鋁廠的生產(chǎn)規(guī)模在不斷擴大，新建和擬建的氧化鋁廠也在不斷增加。

二、氧化鋁和氧化鋁水合物

（一）氧化鋁

存在于自然界中的氧化鋁稱為剛玉（α—Al2O3），是在火山爆發(fā)過程中形成的。它在巖石中呈無色的結(jié)晶，也可與其它氧化物雜質(zhì)（氧化鉻和氧化鐵等）染（形）成帶色的結(jié)晶，紅色的叫紅寶石，藍色的叫藍寶石。

工業(yè)氧化鋁是各種氧化鋁水合物經(jīng)加熱分解的脫水產(chǎn)物，按照它們的生成溫度可以分為低溫氧化鋁和高溫氧化鋁兩類。

通常電解煉鋁用的氧化鋁是α—Al2O3和γ—Al2O3的混合物。α—Al2O3它屬于六角晶系，由于有完整堅固的晶格，所以它是所有氧化鋁同質(zhì)異晶體中化學(xué)性質(zhì)最穩(wěn)定的一種，在酸或堿液中不溶解。γ—Al2O3屬于立方晶系，γ—Al2O3具有很大的分散性，化學(xué)性質(zhì)較為活潑，易與酸或堿溶液作用。

（二）氧化鋁水合物

氧化鋁水合物是構(gòu)成自然界各種類型鋁土礦的主要成分。結(jié)晶的氧化鋁水合物通常按所含結(jié)晶水數(shù)目不同，分為三水型氧化鋁和一水型氧化鋁兩類。目前認為三水型氧化鋁的同類異晶體包括：三水鋁石、拜耳石和諾水鋁石（或稱新三水鋁石）。一水型氧化鋁的同類異晶體則包括一水軟鋁石和一水硬鋁石。

除上述結(jié)晶的氧化鋁水合物外，還有一種結(jié)晶不完善或低結(jié)晶氧化鋁水合物稱之為鋁膠。如擬薄水鋁石和無定型鋁膠其結(jié)晶都不完善，它們都屬于鋁膠類。

氧化鋁水合物的分類、命名及表示符號列于表1—1中。

表1—1氧化鋁水合物的分類及其表示符號

類別

組成

名稱

常用符號

三水型氧化鋁

Al2O3·3H2O

三水鋁石

Al(OH)3或Al2O3·3H2O

拜耳石

β—Al(OH)3或β—Al2O3·3H2O

諾水鋁石

β′—Al(OH)3或β′—Al2O3·3H2O2O

一水型氧化鋁

Al2O3·H2O

一水軟鋁石

γ—AlOOH或γ—Al2O3·H2O

一水硬鋁石

α—AlOOH或α—Al2O3·H2O

鋁膠

Al2O3·nH2O

擬薄水鋁石

α—Al2O3·nH2O（n=1.4～2.0）

無定型鋁膠

Al2O3·nH2O（n=3～5）

三、鋁電解生產(chǎn)用氧化鋁

鋁電解生產(chǎn)用氧化鋁主要由α—Al2O3和γ—Al2O3所組成。氧化鋁的質(zhì)量直接影響所得金屬鋁的純度和鋁電解生產(chǎn)的技術(shù)經(jīng)濟指標。因此，作為鋁電解生產(chǎn)原料的氧化鋁對其化學(xué)純度和物理性質(zhì)都有一定的要求。

（一）氧化鋁的化學(xué)純度

成品氧化鋁除主要成分是Al2O3外，往往含有少量的SiO2、Fe2O3、Na2O和H2O等雜質(zhì)。

電解用氧化鋁必須具有較高的化學(xué)純度。如果其中含有比鋁更正電性元素的氧化物雜質(zhì)（如：Fe2O3、SiO2、TiO2、V2O5等），這些元素在電解過程中將首先在陰極析出而使鋁的質(zhì)量降低。SiO2還會與氟化鹽反應(yīng)，生成的SiF4則是有毒氣體既污染環(huán)境又造成氟的損失。如果其中含有比鋁更負電性元素的氧化物（如堿金屬及堿土金屬Na2O等），則與電解質(zhì)作用，改變了電解質(zhì)的正常組成，不利于電解操作。

氧化鋁中殘存的結(jié)晶水以灼減表示，它也是有害雜質(zhì)。因為水與電解質(zhì)中的AlF3作用而生成HF，造成了氟鹽的損失，并且污染了環(huán)境。此外，當灼減高或吸濕后的氧化鋁與高溫熔融的電解質(zhì)接觸時，則會引起電解質(zhì)爆濺，危及操作人員的安全。

氧化鋁質(zhì)量的分級根據(jù)標準YS/7274—1998分為四個等級。如表1—2所示。

表1—2氧化鋁質(zhì)量等級標準

級別

牌號

Al2O3（%）

SiO2（%）

Fe2O3（%）

Na2O（%）

灼減（%）

一級

Al2O3—1

≥98.6

≤0.02

≤0.02

≤0.50

≤1.0

二級

Al2O3—2

≥98.4

≤0.04

≤0.03

≤0.60

≤1.0

三級

Al2O3—3

≥98.3

≤0.06

≤0.04

≤0.65

≤1.0

四級

Al2O3—4

≥98.2

≤0.08

≤0.05

≤0.70

≤1.0

（二）氧化鋁的物理性質(zhì)

用于表征氧化鋁物理性質(zhì)的指標有：安息角、α—Al2O3含量、容重、粒度和比表面積以及磨損指數(shù)等。

1.安息角

安息角是指物料在光滑平面上自然堆積的傾角。安息角較大的氧化鋁在電解質(zhì)中較易溶解，在電解過程中能夠很好的覆蓋于電解質(zhì)結(jié)殼上，飛揚損失也較小。

2.α—Al2O3含量

氧化鋁中α—Al2O3含量反映了氧化鋁焙燒程度，焙燒程度越高，α—Al2O3含量越多，氧化鋁的吸濕性隨著α—Al2O3含量的增多而變差。所以，電解用的氧化鋁要求含一定數(shù)量的α—Al2O3。但α—Al2O3在電解質(zhì)中的溶解性能較γ—Al2O3差。

3.容重

氧化鋁的容重是指在自然狀態(tài)下單位體積物料的重量。通常容重小的氧化鋁有利于在電解質(zhì)中的溶解。

4.粒度

粒度是指物料的粗細程度。氧化鋁的粒度必須適當，粒度過粗在電解質(zhì)中溶解速度慢，甚至沉淀；過細則容易飛揚損失。

5.比表面積

比表面積是指單位質(zhì)量物料的總表面積(外表面積與內(nèi)孔表面積之和)。它是表示物質(zhì)活性高低的一個重要指標。比表面積大的氧化鋁在電解質(zhì)中溶解性能好，活性大，但易吸濕。

6.磨損指數(shù)

所謂磨損指數(shù)是指氧化鋁在特定的測定條件下磨撞后，試樣中-44μ粒級含量改變的百分數(shù)。磨損指數(shù)是表征氧化鋁強度的一項物理指標。

根據(jù)氧化鋁的物理性質(zhì)通常又可將氧化鋁分為砂狀、面粉狀和中間狀三種類型。這三種類型的氧化鋁在物理性質(zhì)上有較大的差別。砂狀氧化鋁具有平均粒度較粗，粒度組成比較均勻，細粒子和過粗顆粒都較少、比表面積大、強度高、流動性好等特點。而面粉狀氧化鋁的特點則是細粒子含量多、平均粒徑小、比表面積小、強度低、流動性差，煅燒程度高于砂狀氧化鋁。而中間狀氧化鋁的物理性質(zhì)介于二者之間。

四、鋁土礦及其它鋁礦石

（一）鋁土礦

地殼中鋁的平均含量為8.7%左右，折合成氧化鋁為16.4%，僅次于氧和硅居于第三位，在金屬元素中位于第一位。由于鋁的化學(xué)性質(zhì)活潑，它在自然界只以化合物狀態(tài)存在。地殼中的含鋁礦物約有250種左右，其中約40%是各種鋁硅酸鹽，最重要的含鋁礦物只有14～15種，而鋁土礦就是目前氧化鋁生產(chǎn)的主要礦石資源，世界上生產(chǎn)的氧化鋁95%左右是從鋁土礦中提煉出來的。

鋁土礦是一種組成復(fù)雜、化學(xué)成分變化很大的礦石。其主要含鋁礦物為三水鋁石、一水軟鋁石和一水硬鋁石，其次還含有不同數(shù)量的其它礦物。根據(jù)鋁土礦中含鋁礦物存在的形態(tài)不同將鋁土礦分為三水鋁石、一水軟鋁石、一水硬鋁石及混合型（鋁石）四種類型，我國多數(shù)地區(qū)的鋁土礦屬于一水硬鋁石型鋁土礦。根據(jù)鋁土礦的成因又可把它分為紅土型鋁土礦、沉積型鋁土礦、巖溶型鋁土礦、堆集型鋁土礦四大類。從根本上講，無論鋁土礦的化學(xué)組成還是其礦物組成都取決于鋁土礦礦床的成因類型。

評價鋁土礦的質(zhì)量不僅看它的化學(xué)成分、鋁硅比的高低，而且還要看鋁礦的類型。鋁土礦中氧化鋁的含量通常在45%～75%之間。鋁土礦中的二氧化硅是堿法（尤其是拜耳法）生產(chǎn)氧化鋁過程中最有害的雜質(zhì)。我們把鋁土礦中的氧化鋁與二氧化硅的重量之比值稱為鋁土礦的鋁硅比，以符號A/S表示。氧化鋁生產(chǎn)要求鋁土礦鋁硅比和氧化鋁含量越高越好，因為這兩項要求對氧化鋁廠技術(shù)經(jīng)濟指標影響很大。處理鋁硅比低的鋁土礦較處理鋁硅比高的鋁土礦在工藝上要復(fù)雜得多，并且單位產(chǎn)品的投資及生產(chǎn)成本要高。

鋁土礦的類型對氧化鋁的可溶性影響較大。三水鋁石最易溶于苛性堿溶液,一水軟鋁石次之，一水硬鋁石最難溶，有資料表明用苛性堿溶液溶出澳大利亞的三水鋁石—一水軟鋁石混合型礦溶出溫度245℃、115g/l苛性堿濃度，溶出時間只需7分鐘，用我國一水硬鋁石型礦在245℃、240g/l苛性堿濃度下需要150分鐘。

鋁土礦的外觀和物理化學(xué)性質(zhì)變化很大，因其礦物組成和化學(xué)成分不同而異，三水鋁石型多呈松散碎屑狀，而一水硬鋁石主要為石質(zhì)塊狀，礦石結(jié)構(gòu)有土狀、致密狀與豆鮞狀。鋁土礦可以具有從白色到赭色之間的很多顏色。一般含鐵高的呈紅色，含鐵低的呈灰白色、黃褐色及褐色，硬度變動于1～9之間。

我國鋁土礦資源較為豐富，其特點是高鋁、高硅、低鐵，大部分為一水硬鋁石型鋁土礦，鋁硅比多數(shù)在4.0～7.0之間，在10.0以上的優(yōu)質(zhì)鋁土礦較少。

我國幾處鋁土礦的化學(xué)成分如表1—3所示。

表1—3我國幾處鋁土礦的化學(xué)組成

產(chǎn)地

鋁硅比

化學(xué)組成

Al2O3

SiO2

TiO2

Fe2O3

山東

河南（Ⅰ）

河南（Ⅱ）

河南（Ⅲ）

山西（Ⅰ）

山西（Ⅱ）

廣西

貴州（Ⅰ）

貴州（Ⅱ）

3.4

9.38

7.71

3.87

4.73

5.26

9.7

7.32

9.35

55.0

70.79

60.25

62.0

65.8

64.7

57.54

69.1

70.9

16.0

7.55

7.81

16.04

13.9

12.3

5.92

9.45

7.59

2.5

3.3

3.6

3.03

3.1

3.0

3.54

3.18

3.76

12.0

3.12

9.7

2.0

1.5

4.4

19.05

1.61

2.25

(二)其它鋁礦石

除鋁土礦外，已用于工業(yè)生產(chǎn)的鋁礦石有明礬石和霞石。

明礬石礦的主要成份是明礬石(Na·K)2SO4·Al2(SO4)3·4Al(OH)3。

霞石(Na·K)2O·Al2O3·2SiO2經(jīng)常與長石、磷灰石等礦物伴生，經(jīng)選礦后所得霞石精礦氧化鋁含量雖低，但可綜合利用以生產(chǎn)氧化鋁、堿和水泥。

高嶺土和粘土是分布最廣泛的含鋁原料，其主要成份都是Al2O3·2SiO2·2H2O。由于其氧化鋁含量低，氧化硅含量高，目前還沒有比較經(jīng)濟的生產(chǎn)方法用其作為生產(chǎn)氧化鋁的原料。

第二節(jié)氧化鋁生產(chǎn)方法

一、氧化鋁生產(chǎn)方法概述

氧化鋁生產(chǎn)過程就是從鋁礦石中提取氧化鋁使之與雜質(zhì)分離的過程。

自然界中的鋁礦石及含鋁原料的類型繁多，同一類型的鋁土礦中各種雜質(zhì)的含量又各有差異。為了最經(jīng)濟地生產(chǎn)氧化鋁，對不同的鋁礦必須采用不同的生產(chǎn)方法，已經(jīng)提出的生產(chǎn)氧化鋁的方法大致可分為堿法、酸法、酸堿聯(lián)合法、電熱法、高壓水化學(xué)法等幾種。

（一）堿法生產(chǎn)氧化鋁

堿法生產(chǎn)氧化鋁就是用堿（NaOH或Na2CO3）處理鋁土礦，使礦石中的氧化鋁和堿反應(yīng)制成鋁酸鈉溶液。礦石中的鐵、鈦等雜質(zhì)和絕大部分的二氧化硅則成為不溶性的化合物進入固體殘渣中。因為這種殘渣被氧化鐵染成磚紅色，故稱為赤泥。與赤泥分離后的鋁酸鈉溶液經(jīng)凈化處理后，可以分解析出氫氧化鋁(Al(OH)3)，將Al(OH)3與溶液分離并經(jīng)過洗滌和焙燒后，即獲得產(chǎn)品氧化鋁。分離Al(OH)3后的溶液稱為母液，可以用來處理下一批礦石，因而也稱為循環(huán)母液。

堿法生產(chǎn)氧化鋁按生產(chǎn)過程的特點，又分為拜耳法、燒結(jié)法和拜耳-燒結(jié)聯(lián)合法（包括并聯(lián)、串聯(lián)、混聯(lián)聯(lián)合法等），目前工業(yè)上普遍采用堿法生產(chǎn)氧化鋁。

（二）酸法生產(chǎn)氧化鋁

酸法生產(chǎn)氧化鋁就是用硫酸、鹽酸、硝酸等無機酸處理鋁礦石，得到該酸的鋁鹽水溶液，然后用堿中和這些鹽的水溶液，析出氫氧化鋁，焙燒氫氧化鋁得到氧化鋁。

用酸法處理鋁礦石時，存在于礦石中的鐵、鈦、釩、鉻等雜質(zhì)與酸作用進入溶液中，這不但引起酸的消耗，而且它們與鋁鹽的分離是困難的，氧化硅絕大部分成為不溶物進入殘渣與鋁鹽分離，但有少量成為硅膠進入溶液，所以鋁鹽溶液還需要進一步脫硅，而且需要昂貴的耐酸設(shè)備。用酸法處理分布很廣的高硅低鋁礦，如粘土、高嶺土、煤矸石和煤灰在理論上是可行的，在鋁土礦資源缺乏的情況下可以采用此法。

（三）電熱法生產(chǎn)氧化鋁

電熱法生產(chǎn)氧化鋁是在電爐中熔煉鋁礦石和碳的混合物，使礦石中的氧化鐵、氧化硅、氧化鈦等雜質(zhì)還原，形成硅合金。氧化鋁呈熔融狀態(tài)的爐渣而上浮，由于比重不同而分離，所得氧化鋁渣再用堿法處理從中提取氧化鋁，此法適合于處理高硅高鐵的鋁土礦。

隨著鋁工業(yè)的迅速發(fā)展，生產(chǎn)氧化鋁的原料來源在不斷擴大，新的生產(chǎn)氧化鋁方法亦隨之提出，如處理霞石和高硅高鐵鋁土礦的高壓水化學(xué)法及添加還原劑的堿石灰燒結(jié)法，還有綜合利用明礬石的還原焙燒法和氨堿法等等。

二、拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的原理和基本工藝流程

采用拜耳法生產(chǎn)氧化鋁已有100多年的歷史，100多年來隨著科學(xué)的發(fā)展、新技術(shù)的應(yīng)用，這一方法已經(jīng)有了很大的發(fā)展和改進。目前，它仍是世界上生產(chǎn)氧化鋁的主要方法之一。拜耳法用在處理低硅鋁土礦（一般要求A/S＞7.0），特別是用在處理三水鋁石型鋁土礦時有流程簡單、作業(yè)方便、能量消耗低、產(chǎn)品質(zhì)量好等優(yōu)點?，F(xiàn)在除了受原料條件限制的某些地區(qū)以外，大多數(shù)氧化鋁廠都采用拜耳法生產(chǎn)氧化鋁。拜耳法處理一水硬鋁石型鋁土礦時工藝條件要苛刻一些。拜耳法最主要的缺點是不能單獨地處理氧化硅含量太高的礦石，此外，拜耳法對赤泥的處理也很困難。

（一）拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的原理

拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的原理簡述如下：

用苛性堿溶液在一定溫度、一定壓力條件下溶出鋁土礦，氧化鋁被溶出制得鋁酸鈉溶液，鋁酸鈉溶液凈化后經(jīng)過降溫、添加晶種、攪拌分解析出氫氧化鋁，析出的氫氧化鋁經(jīng)分離、洗滌、焙燒后得到氧化鋁。分解后的母液（主要成分NaOH）經(jīng)蒸發(fā)再重新溶出新的一批鋁土礦，進入下一循環(huán)。氧化硅等雜質(zhì)成為赤泥，經(jīng)洗滌后外排或用于燒結(jié)法配料。

拜耳法的實質(zhì)也就是下述反應(yīng)在不同條件下的交替進行：

（二）拜耳法生產(chǎn)氧化鋁的基本流程

由于各地鋁土礦的礦物成分和結(jié)構(gòu)的不同以及采用的技術(shù)條件各有特點，各個工廠的具體工藝流程也常有差異。但作為拜耳法生產(chǎn)氧化鋁其基本的流程主要由原礦漿制備、溶出、溶出礦漿稀釋及赤泥分離和洗滌、晶種分解、氫氧化鋁分級和洗滌、氫氧化鋁焙燒、母液蒸發(fā)及蘇打苛化等工序組成。拜耳法處理一水硬鋁石型鋁土礦的基本流程如圖1—1所示。

1、原礦漿制備

將鋁土礦破碎到符合要求的粒度（如果處理一水硬鋁石型鋁土礦需加適量的石灰），與含有游離的NaOH的循環(huán)母液按一定的比例配合，送入濕磨內(nèi)進行細磨，制成合格的原礦漿。

2、溶出

原礦漿經(jīng)預(yù)熱后進入壓煮器組或管道化溶出設(shè)備，在一定的溫度和壓力下溶出。鋁土礦內(nèi)所含氧化鋁與氧化鈉反應(yīng)生成鋁酸鈉進入溶液，而氧化鐵和氧化鈦以及大部分的二氧化硅等雜質(zhì)形成固相殘渣即赤泥。溶出所得礦漿稱為溶出礦漿，經(jīng)自蒸發(fā)器減壓降溫后再進行稀釋。

3、溶出礦漿的稀釋及赤泥的分離和洗滌

溶出后的礦漿氧化鋁濃度較高，為了便于赤泥分離和下一步的晶種分解，首先加入一次赤泥洗液將溶出礦漿進行稀釋，然后利用沉降槽進行赤泥與鋁酸鈉溶液的分離。分離后的赤泥經(jīng)過多次反向洗滌排至赤泥堆場或送燒結(jié)法配料。

圖1—1拜耳法生產(chǎn)氧化鋁基本工藝流程圖

精液

補充苛性堿

鋁土礦

破碎

濕磨

石灰

溶出

稀釋

赤泥分離

赤泥

赤泥洗滌

棄赤泥

赤泥脫鈉

赤泥洗液

蒸發(fā)

蘇打苛化

石灰乳

粗液

熱水

葉濾

熱交換

晶種分解

氫氧化鋁過濾

氫氧化鋁洗滌

氫氧化鋁焙燒

氧化鋁

熱水

循環(huán)母液

母液

晶種

氫氧化鋁洗液

堿液調(diào)配

4、晶種分解

分離赤泥后的鋁酸鈉溶液生產(chǎn)上稱為粗液，粗液經(jīng)過過濾凈化后制得精液，精液在降溫、添加晶種、攪拌條件下進行分解，結(jié)晶析出氫氧化鋁。

5、氫氧化鋁的分級與洗滌

分解后所得氫氧化鋁漿液進行分級、過濾，細粒作晶種，粗粒經(jīng)洗滌后送焙燒制得氧化鋁，分離后的母液經(jīng)熱交換器預(yù)熱送去蒸發(fā)，氫氧化鋁洗液送稀釋。

6、氫氧化鋁焙燒

氫氧化鋁含有部分附著水和結(jié)晶水，經(jīng)過焙燒爐高溫焙燒脫水并進行一系列的晶相轉(zhuǎn)變制得含有一定α—Al2O3和γ—Al2O3的產(chǎn)品氧化鋁。

7、母液蒸發(fā)和蘇打苛化

預(yù)熱后的母液經(jīng)蒸發(fā)、補加NaOH調(diào)配后得到合乎濃度要求的循環(huán)母液，返回濕磨溶出下一批礦石。

在母液蒸發(fā)過程中會有一部分Na2CO3·nH2O結(jié)晶析出，為了回收這部分堿，將Na2CO3.nH2O用水溶解后加石灰乳進行苛化，苛化回收液返回蒸發(fā)。

三、燒結(jié)法生產(chǎn)氧化鋁的原理和基本工藝流程

拜耳法只適宜處理低硅優(yōu)質(zhì)鋁土礦，而處理高硅鋁土礦是不經(jīng)濟的，這是由于礦石中的SiO2在溶出時有一部分轉(zhuǎn)變?yōu)楹X硅酸鈉需要消耗苛性堿和造成氧化鋁的損失，而硅含量越高進入溶液中的硅就越多。堿—石灰燒結(jié)法是處理高硅鋁土礦行之有效的生產(chǎn)方法。特別是我國一水硬鋁石型鋁硅比低于4的礦石，采用燒結(jié)法生產(chǎn)更為有利。

(一)堿—石灰燒結(jié)法生產(chǎn)氧化鋁的原理

將鋁土礦與一定量的純堿、石灰(或石灰石)配成爐料在高溫下燒結(jié)，使氧化硅與氧化鈣反應(yīng)生成不溶于水的原硅酸鈣（2CaO·SiO2），氧化鐵與氧化鈉反應(yīng)生成可以水解的鐵酸鈉（Na2O·Fe2O3）。而氧化鋁與氧化鈉反應(yīng)生成可溶于水的鋁酸鈉（Na2O·Al2O3）；將燒結(jié)產(chǎn)物(通常稱為熟料)用稀堿溶液溶出時鋁酸鈉（Na2O·Al2O3）便進入溶液，鐵酸鈉（Na2O·Fe2O3）水解釋放出堿（NaOH），而氧化鐵以水合物形態(tài)與原硅酸鈣（2CaO·SiO2）等形成固體雜質(zhì)，溶出漿液經(jīng)沉降分離得到粗液和固體雜質(zhì)（俗稱赤泥），赤泥經(jīng)多次洗滌后外排；粗液經(jīng)脫硅、凈化得到純凈的鋁酸鈉溶液，一部分進行碳酸化分解，一部分進行晶種分解，得到氫氧化鋁和分解母液，氫氧化鋁分離后經(jīng)洗滌、焙燒得到成品氧化鋁，碳分母液經(jīng)蒸發(fā)后返回配料，種分母液作為脫硅的調(diào)整液。

堿—石灰燒結(jié)法的特點是能處理高硅鋁土礦，還能處理霞石和拜耳法赤泥，但由于其雜質(zhì)含量增加，不僅增大了物料流量和加工費用，而且使熟料品位和質(zhì)量變差，溶出困難，技術(shù)經(jīng)濟指標較差，通常要求堿—石灰燒結(jié)法所處理的物料鋁硅比應(yīng)在3.0以上。

(二)堿—石灰燒結(jié)法生產(chǎn)氧化鋁基本工藝流程

以鋁土礦為原料的堿—石灰燒結(jié)法生產(chǎn)氧化鋁工藝基本流程圖如1—2所示。

熱水

石灰

堿粉

碳分蒸發(fā)母液

發(fā)母液

種分蒸

石灰石煅燒

洗液

赤泥洗滌

生料漿制備

熟料燒結(jié)

氧化鋁

氫氧化鋁焙燒

氫氧化鋁洗滌

氫氧化鋁分離

赤泥

赤泥堆場

種分母液

二氧化碳

圖1-2燒結(jié)法基本工藝流程圖

鋁土礦

熟料溶出

赤泥分離

粗液脫硅

無煙煤

硅渣分離

精液種分

精液碳分

調(diào)整液制備

種分母液蒸發(fā)

碳分母液

碳分母液蒸發(fā)

硅渣

晶種

堿—石灰燒結(jié)法生產(chǎn)氧化鋁主要工序有：生料漿制備、熟料燒結(jié)、熟料溶出、赤泥分離及洗滌、粗液脫硅、硅渣分離、精液碳酸化分解和晶種分解、氫氧化鋁分離及洗滌、母液蒸發(fā)、氫氧化鋁焙燒等。

1.生料漿的制備

將鋁土礦、石灰(或石灰石)、堿粉、無煙煤及碳分蒸發(fā)母液按一定的比例，送入原料磨磨成料漿，經(jīng)料漿槽調(diào)配成合格生料漿。

2.熟料燒結(jié)

熟料燒結(jié)過程通常在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)進行。調(diào)配合格的生料漿送入窯內(nèi)在1200～1300℃的高溫作用下發(fā)生一系列的物理化學(xué)變化，生成以Na2O·Al2O3、Na2O·Fe2O3和2CaO·SiO2物相為主的固熔體，冷卻后成為灰褐色的塊狀或粒狀物料即為熟料。

3.熟料溶出

熟料破碎到合乎要求的粒度后用稀堿溶液(生產(chǎn)上稱調(diào)整液)在濕磨內(nèi)進行粉磨溶出，其中Na2O·Al2O3溶解、Na2O·Fe2O3水解后，Al2O3和Na2O進入溶液成為鋁酸鈉溶液，而不溶于水的2CaO·SiO2和水解后的Fe2O3·nH2O等雜質(zhì)成為固相赤泥。

4.赤泥分離及洗滌

為了減少Al2O3和Na2O二次反應(yīng)的化學(xué)損失，赤泥和鋁酸鈉溶液必須進行快速分離；為了回收赤泥附液中所帶走的Na2O和Al2O3，必須將赤泥進行多次反向洗滌后再排入堆場。

5.粗液脫硅

在熟料溶出過程中，2CaO·SiO2不可避免地與溶液反應(yīng)，使溶出后的鋁酸鈉溶液中含有一定量的SiO2，生產(chǎn)上稱為粗液。粗液中的SiO2在以后的碳酸化分解過程中又將隨氫氧化鋁一同析出，這樣就會使產(chǎn)品質(zhì)量降低，為了保證產(chǎn)品的質(zhì)量，粗液必須進行專門的脫硅處理，使溶液中的SiO2含量達到指標要求，脫硅后的漿液經(jīng)液固分離凈化后得到的鋁酸鈉溶液稱之為精液，產(chǎn)出的固體物料稱之為硅渣，硅渣中含有相當數(shù)量的Na2O和Al2O3，需要返回配料加以回收。

6.精液分解

燒結(jié)法精液的分解包括碳酸化分解（簡稱碳分）和晶種分解（簡稱種分）。

碳酸化分解是指在分解槽中通入CO2氣體，使鋁酸鈉溶液分解析出氫氧化鋁。隨著氧化鋁生產(chǎn)技術(shù)的不斷進步，目前碳分生產(chǎn)已由單槽碳分逐步改為連續(xù)碳分，即精液在幾個分解槽內(nèi)連續(xù)流動，各槽內(nèi)根據(jù)生產(chǎn)技術(shù)要求，同時連續(xù)通入不同量的CO2氣體，精液在流動的過程中不斷分解，最終使出料槽的分解率達到合格要求。

晶種分解是精液在降溫、添加晶種、攪拌條件下進行分解，結(jié)晶析出氫氧化鋁。

7.蒸發(fā)

碳分母液除少部分供溶出調(diào)整液外，大部分經(jīng)蒸發(fā)濃縮到一定濃度后返回配制生料漿。

種分母液經(jīng)蒸發(fā)濃縮達到要求的濃度后，送脫硅用以調(diào)整鋁酸鈉溶液的αk。在聯(lián)合法工藝中，也可部分送拜耳法補堿。

8.氫氧化鋁焙燒

分離、洗滌后的氫氧化鋁，經(jīng)過焙燒得到氧化鋁。

四、聯(lián)合法基本工藝流程

根據(jù)鋁土礦化學(xué)成份與礦物組成以及其它條件的不同，拜耳法與燒結(jié)法可以組成并聯(lián)、串聯(lián)和混聯(lián)三種流程，都已用于工業(yè)生產(chǎn)。各種聯(lián)合流程在工藝上都有自已的特點。

(一)拜耳-燒結(jié)并聯(lián)法

在并聯(lián)法中，拜耳法和燒結(jié)法是兩個平行的生產(chǎn)系統(tǒng)，拜耳法處理高品位鋁土礦，燒結(jié)法處理低品位鋁土礦或霞石。燒結(jié)法的溶液匯入拜耳法，補充拜耳法系統(tǒng)的堿損失。

并聯(lián)法的主要優(yōu)點：（1）可以在處理優(yōu)質(zhì)鋁土礦的同時處理一些高硅鋁土礦，充分利用礦石資源。（2）拜耳法析出的碳酸鈉直接送往燒結(jié)法系統(tǒng)配料，從而取消了它的苛化工序以及苛化后稀堿液的蒸發(fā)過程。析出的碳酸鈉所吸附的大量有機物可在燒結(jié)過程中燒掉，減輕有機物在拜耳法流程中的積累和危害，當?shù)V石中碳酸鹽和有機物含量較高時尤為重要。（3）生產(chǎn)過程中的全部堿損失都用較便宜的碳酸鈉補充。（4）燒結(jié)法溶液αk低，匯入拜耳法溶液后有利于制取砂狀氧化鋁。

并聯(lián)法的主要缺點:(1)工藝流程較為復(fù)雜。(2)燒結(jié)法的溶液匯入拜耳法流程，補充了拜耳法系統(tǒng)的堿損失，但會造成拜耳法系統(tǒng)的循環(huán)液量增加。（3）如果燒結(jié)法系統(tǒng)的產(chǎn)能僅限于補償拜耳法系統(tǒng)的堿損失，其產(chǎn)能只能占到總產(chǎn)能的10～15%。

隨著氧化鋁生產(chǎn)技術(shù)的不斷進步，一些企業(yè)燒結(jié)法系統(tǒng)的溶液僅部分匯入拜耳法系統(tǒng)，或者完全不匯入拜耳法系統(tǒng)，燒結(jié)法系統(tǒng)可以相對獨立運行，使燒結(jié)法產(chǎn)能的比例大幅提高。

（二）拜耳-燒結(jié)串聯(lián)法

對于中等品位的鋁土礦（例如鋁硅比為5.0～7.0的一水鋁石礦）或品位雖然較低但較為易溶的三水鋁石型礦，采用串聯(lián)法往往比純燒結(jié)法或純拜耳法經(jīng)濟效果更好。該法是先以較簡單的拜耳法處理礦石，提取其中大部分Al2O3，然后再用燒結(jié)法回收拜耳法赤泥中的Al2O3和堿，所得到鋁酸鈉溶液補入拜耳法系統(tǒng)。

串聯(lián)法具有并聯(lián)法的一些主要優(yōu)點，此外由于礦石經(jīng)過拜耳法與燒結(jié)法兩次處理，Al2O3的總回收率高，堿耗降低。而礦石中大部分Al2O3是由投資和生產(chǎn)成本都較低的拜耳法提取的，每噸產(chǎn)品的熟料量比單純的燒結(jié)法大為減少，總成本降低。同時對于拜耳法的溶出條件和要求也可以適當放寬，產(chǎn)品質(zhì)量也高于燒結(jié)法。

串聯(lián)法的缺點是：（1）燒結(jié)過程能否順利進行以及熟料質(zhì)量的好壞是串聯(lián)法的關(guān)鍵，而單純以拜耳法赤泥作為爐料進行燒結(jié)往往又比較困難。另外，當?shù)V石中Fe2O3含量過低時，在燒結(jié)法系統(tǒng)需要解決補鐵的問題。而礦石中Fe2O3含量過高則又會使赤泥爐料的燒結(jié)性能變差。（2）拜耳法和燒結(jié)法兩個系統(tǒng)的平衡和整個生產(chǎn)的均衡穩(wěn)定受兩系統(tǒng)互相影響的程度比并聯(lián)法大，給生產(chǎn)控制帶來一定困難。

（三）拜耳-燒結(jié)混聯(lián)法

混聯(lián)法生產(chǎn)氧化鋁，是在串聯(lián)法基礎(chǔ)上結(jié)合我國鋁土礦資源的特點所創(chuàng)造的氧化鋁生產(chǎn)工藝。

目前我國混聯(lián)法生產(chǎn)氧化鋁工藝是：以串聯(lián)法為主，兼有在燒結(jié)法系統(tǒng)中添加部分高硅鋁礦石來穩(wěn)定燒結(jié)法的工藝技術(shù)條件，并充分發(fā)揮拜耳法與燒結(jié)法兩部分的生產(chǎn)能力。在這種工藝流程中，拜耳法系統(tǒng)處理低硅鋁礦石，燒結(jié)法系統(tǒng)處理拜耳法赤泥，進一步回收其剩余的Al2O3和Na2O，由此達到堿耗低、氧化鋁回收率高的目的；同時，燒結(jié)法系統(tǒng)還能處理一部分高硅鋁礦石，為綜合利用礦石資源創(chuàng)造了條件。拜耳法系統(tǒng)用的苛性堿由燒結(jié)法系統(tǒng)補充，有利于降低生產(chǎn)成本。在混聯(lián)法中，拜耳法產(chǎn)品含硅低、含鐵高，而燒結(jié)法產(chǎn)品含硅高、含鐵低，這兩種產(chǎn)品混合后，互相補充，能產(chǎn)出較優(yōu)質(zhì)的氧化鋁產(chǎn)品。

多年生產(chǎn)實踐證明，這個方法是適應(yīng)我國一水硬鋁石的難溶和不均一性以及改進低鋁硅比赤泥燒結(jié)問題的較為經(jīng)濟合理的生產(chǎn)方法。而且使堿耗與總回收率均已超過國外先進水平，產(chǎn)品質(zhì)量也較接近世界水平。隨著科技的不斷發(fā)展，拜耳法和燒結(jié)法也在不斷發(fā)展和完善，如管道化溶出、雙流法溶出等工藝在拜耳法中的應(yīng)用，選礦與拜耳法有機結(jié)合而形成的選礦拜耳法等；燒結(jié)法也在發(fā)展，如高鋁硅比燒成、兩組份燒成等。

處理我國一水硬鋁石型鋁土礦，在考慮資源綜合利用、提高氧化鋁產(chǎn)量、降低生產(chǎn)成本的前提下，采用混聯(lián)法較有優(yōu)勢；而且，隨生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，混聯(lián)法的拜耳和燒結(jié)兩大系統(tǒng)也要分別強化與優(yōu)化，使之有機地結(jié)合起來，形成向強化混聯(lián)法的方向發(fā)展，充分發(fā)揮混聯(lián)法的優(yōu)勢，最終達到提產(chǎn)降耗的目的。

這種方法的明顯缺點是流程長，單元過程多、單位產(chǎn)品能耗相對較高。

第三節(jié)鋁酸鈉溶液

堿法生產(chǎn)是現(xiàn)代工業(yè)中生產(chǎn)氧化鋁的主要方法，其實質(zhì)是把鋁土礦中的氧化鋁溶出制成鋁酸鈉溶液，然后再使鋁酸鈉溶液分解以獲得氧化鋁，整個生產(chǎn)過程主要是圍繞著鋁酸鈉溶液進行的，為此我們應(yīng)該深入了解鋁酸鈉溶液的物理化學(xué)性質(zhì)。

一、Na2O-Al2O3-H2O系平衡狀態(tài)圖

純的鋁酸鈉溶液包括在Na2O-Al2O3-H2O系之中，研究鋁酸鈉溶液的目的，首先在于了解氧化鋁在氫氧化鈉溶液中的溶解度與溶液濃度和溫度的關(guān)系，以及在不同條件下的平衡固相。研究的結(jié)果以Na2O-Al2O3-H2O系平衡狀態(tài)圖表示,它是堿法生產(chǎn)氧化鋁理論基礎(chǔ)的重要部分。

圖1-330℃下的Na2O-Al2O3-H2O系平衡狀態(tài)圖

對于Na2O-Al2O3-H2O系平衡狀態(tài)圖已作了很多研究。

Na2O-Al2O3-H2O系平衡狀態(tài)圖比較簡單的是以直角三角形（直角坐標）表示，有時也用等邊三角形表示。

根據(jù)在30℃下測得的氧化鋁溶解度的數(shù)據(jù)，繪制成以直角三角形坐標表示的Na2O-Al2O3-H2O系平衡狀態(tài)圖來說明該體系的特征，見圖1-3。該圖為Na2O-Al2O3-H2O系在30℃時的等溫截面，圖中OBCD曲線是依次聯(lián)接各個平衡溶液的組成點得出的，它也就是氧化鋁在30℃下的氫氧化鈉溶液中的平衡溶解度等溫線。

圖中溶解度的等溫線可以認為是由OB、BC和CD三個線段組成，各線段上的溶液分別和某一定的固相保持平衡，自由度為1，B和C是兩個無變量點，表示其溶液同時和某兩個固相保持平衡，自由度為零。

OB線上的溶液的平衡固相是三水鋁石，所以O(shè)B線是三水鋁石在氫氧化鈉溶液中的溶解度曲線。它表明隨著NaOH溶液濃度的增加，三水鋁石在其中的溶解度越來越大。OB線段不是直線而是一條越來越大的曲線，這可以用NaOH的濃度系數(shù)隨其濃度的增加而增大的現(xiàn)象來解釋。

BC線段的溶液的平衡固相是水合鋁酸鈉（Na2O·Al2O3·2.5H2O），所以說BC線段是含水鋁酸鈉（Na2O·Al2O3·2.5H2O）在NaOH溶液中的溶解度曲線，B點上的溶液同時與三水鋁石和水合鋁酸鈉保持平衡。水合鋁酸鈉在NaOH溶液中的溶解度隨溶液中Na2O濃度的增加而降低。

CD線是NaOH·H2O在鋁酸鈉溶液中的溶解度曲線。C點的平衡固相是水合鋁酸鈉和一水氫氧化鈉NaOH·H2O，D點是NaOH·H2O（53.5%Na2O和46.5%H2O）的組成點。E點是Na2O·Al2O3·2.5H2O的組成點,其成份是48.8%Al2O3,29.7%Na2O和21.5%H2O。在DE線上及其右上方皆為固相區(qū)，不存在液相。

圖中OE聯(lián)線上任一點的Na2O和Al2O3分子比都等于1，實際的鋁酸鈉溶液中的Na2O和Al2O3分子比是沒有小于1或等于1的。所以實際的鋁酸鈉溶液的組成點都應(yīng)位于OE聯(lián)線右下方，即只可能存在于OED區(qū)域的范圍內(nèi)。

為了分析30℃時的Na2O-Al2O3-H2O系平衡狀態(tài)圖特征，可將OED區(qū)域分為五個部分來討論。

在溶解度等溫線OBCD下方區(qū)域（Ⅰ區(qū)）的溶液，對于氫氧化鋁和水合鋁酸鈉來說，都是未飽和的，它有溶解這兩種物質(zhì)的能力。當其溶解Al（OH）3時，溶液的組成將沿著原溶液的組成點與T點（Al2O3·3H2O,含65.4%Al2O3,34.6%H2O）的聯(lián)線變化,直到聯(lián)線與OB線的交點為止,即這時溶液已達到平衡濃度。原溶液組成點離OB線越遠，其未飽和程度越大，能夠溶解的氫氧化鋁數(shù)量越多。當其溶解固體鋁酸鈉時，溶液的組成則沿著原溶液組成點與E點（如果是無水鋁酸鈉則是H點）的聯(lián)線變化，直到聯(lián)線與BC線的交點為止。

OBTO區(qū)(Ⅱ區(qū))內(nèi)的溶液是氫氧化鋁過飽和的鋁酸鈉溶液，可以分解析出三水鋁石結(jié)晶。在分解過程中，溶液的組成沿原溶液組成點與T點的聯(lián)線變化，直到與OB線的交點為止，這時溶液達到平衡濃度，不再析出三水鋁石晶體。原溶液組成點離OB線越遠，其過飽和程度越大，能夠析出的三水鋁石數(shù)量越多。

BCEB區(qū)(Ⅲ區(qū))內(nèi)的溶液是水合鋁酸鈉過飽和的鋁酸鈉溶液，水合鋁酸鈉會結(jié)晶析出，在析出過程中溶液組成沿原溶液組成點與E點的聯(lián)線變化，直到與BC線的交點為止。

BETB區(qū)(Ⅳ區(qū))的溶液是氫氧化鋁和水合鋁酸鈉同時過飽和的溶液，會同時析出三水鋁石和水合鋁酸鈉結(jié)晶。在此過程中溶液組成沿著原溶液組成點與B點聯(lián)線變化，直到B點的組成為止。兩種物質(zhì)析出的相對比例，可以根據(jù)上述聯(lián)線與ET線的交點按杠桿原理確定。

CDEC區(qū)(Ⅴ區(qū))內(nèi)的溶液是水合鋁酸鈉和一水氫氧化鈉同時過飽和的溶液，可以同時析出這兩種物質(zhì)的結(jié)晶。在結(jié)晶過程中，溶液的組成沿原溶液組成點與C點的聯(lián)線變化，直到C點的組成為止。這兩種結(jié)晶析出的相對數(shù)量也可按杠桿原理確定。

30℃下Na2O-Al2O3-H2O系平衡狀態(tài)圖的這些特征也反映在其他溫度下的狀態(tài)圖中。在氧化鋁生產(chǎn)中，鋁酸鈉溶液的組成總是位于狀態(tài)圖的Ⅰ、Ⅱ區(qū)內(nèi)。

二、鋁酸鈉溶液的濃度及苛性比值

（一）鋁酸鈉溶液的濃度

鋁酸鈉溶液的基本成分是Al2O3和Na2O，工業(yè)上鋁酸鈉溶液各成分的濃度一般是用每升鋁酸鈉溶液中所含溶質(zhì)的克數(shù)來表示的（g/l）。例如一升鋁酸鈉溶液中含120克Al2O3、100克Na2O，則氧化鋁和氧化鈉的濃度分別表示成Al2O3120g/l、Na2O100g/l。在科學(xué)研究中多以百分比（%）濃度表示。這兩種表示方法可以互相換算，其換算公式如下：

N=1000·d·nA=1000·d·a

式中n——表示Na2O%；

a——表示Al2O3%；

N——表示g/lNa2O；

A——表示g/lAl2O3；

d——表示鋁酸鈉溶液比重，g/cm3。

（二）鋁酸鈉溶液的苛性比值（苛性化系數(shù)）

鋁酸鈉溶液中的Na2O包括與氧化鋁反應(yīng)生成鋁酸鈉的Na2O和以游離的NaOH形態(tài)存在的Na2O，它們都稱為苛性堿（以Na2Ok表示）。鋁酸鈉溶液中所含苛性堿與氧化鋁的摩爾比叫做鋁酸鈉溶液的苛性比值。以符號αk表示即：

式中〔Nk〕——鋁酸鈉溶液中Na2Ok的摩爾數(shù)；

〔A〕——鋁酸鈉溶液中Al2O3的摩爾數(shù)。

例:當鋁酸鈉溶液中含有Al2O3120g/l，Na2Ok100g/l時，該溶液的苛性比值為多少？

解：已知Na2O分子量=62Al2O3分子量=102

因此，鋁酸鈉溶液的苛性比值一般可用下列公式計算；

式中：NK和A—分別表示鋁酸鈉溶液中Na2Ok和Al2O3的濃度（g/l或百分比濃度）。

苛性比值是鋁酸鈉溶液的特性參數(shù)，它是氧化鋁生產(chǎn)中一項重要的技術(shù)指標。

三、拜耳法的循環(huán)效率

循環(huán)母液每經(jīng)過一次作業(yè)循環(huán)，便可以從鋁土礦中提取出一批氧化鋁。通常將1升（或1立方米）循環(huán)母液在一次作業(yè)周期中所生產(chǎn)的氧化鋁的克數(shù)（或kg數(shù)）稱為拜耳法的循環(huán)效率，以符號E表示。它的計算公式推導(dǎo)過程如下：

如果假定在生產(chǎn)過程中不發(fā)生Al2O3和Na2O的損失，1升循環(huán)母液的苛性鈉含量為Nk克，在溶出過程中由于溶出了氧化鋁，循環(huán)母液的苛性比值由α0變?yōu)槿艹鲆旱目列员戎郸羕，但是Nk的絕對值仍是保持不變的。根根苛性比值的定義，可以算出1升循環(huán)母液的Al2O3含量為：

而溶出液中的Al2O3含量為：

因此1升循環(huán)母液在一次作業(yè)周期中產(chǎn)生的Al2O3克數(shù)，即循環(huán)效率。

拜耳法循環(huán)效率是拜耳法生產(chǎn)氧化鋁中的一項基本的技術(shù)經(jīng)濟指標。循環(huán)效率的提高意味著利用單位容積的循環(huán)母液可以產(chǎn)出更多的氧化鋁。這樣，設(shè)備產(chǎn)能都按比例地提高，而處理溶液的費用也都按比例地降低。由循環(huán)效率公式看出，提高Nk和αo以及降低αk都可以提高循環(huán)效率，而影響循環(huán)效率的最大因素是αk。所以在溶出過程中應(yīng)該盡可能提高溶出溫度以達到降低溶出液苛性比值的目的，而在分解過程中則應(yīng)盡量提高母液的苛性比值。

四、工業(yè)鋁酸鈉溶液的穩(wěn)定性

（一）工業(yè)鋁酸鈉溶液的組成及穩(wěn)定性概念

工業(yè)鋁酸鈉溶液主要由NaAl(OH)4、NaOH和Na2CO3等化合物組成。其中還含有SiO2、Na2SO4、Na2S、有機物以及含鐵、鎵、釩、氟、氯等化合物狀態(tài)存在的雜質(zhì)。工業(yè)鋁酸鈉溶液除含有苛性堿外，還含有以Na2CO3狀態(tài)存在的碳酸堿，用Na2Oc表示。

工業(yè)上把苛性堿和碳酸堿合稱為全堿（Na2OT）。

即：

鋁酸鈉溶液的穩(wěn)定性是指過飽和鋁酸鈉溶液開始分解析出氫氧化鋁所需時間的長短。制成后立刻開始分解或經(jīng)過短時間后即開始分解的溶液，稱為不穩(wěn)定的溶液，而制成后存放很久仍不發(fā)生明顯分解的溶液，稱為穩(wěn)定的溶液。了解鋁酸鈉溶液的穩(wěn)定性，這對生產(chǎn)過程有極為重要的意義。例如鋁酸鈉溶液在其與赤泥分離洗滌以及粗液的精制過程中必須保持足夠的穩(wěn)定，否則將會引起溶液自發(fā)分解，造成氧化鋁的損失。

（二）影響工業(yè)鋁酸鈉溶液穩(wěn)定性的主要因素

工業(yè)上的鋁酸鈉溶液多處于飽和或過飽和狀態(tài)。從理論上說，過飽和的溶液是不穩(wěn)定的，過飽和程度越大，溶液的穩(wěn)定性也越差。但鋁酸鈉溶液的穩(wěn)定性還與許多因素存在著復(fù)雜的關(guān)系。在這些因素的影響下，往往使過飽和的鋁酸鈉溶液能夠保持相對的穩(wěn)定，即在一定時間內(nèi)不發(fā)生自發(fā)分解或分解速度甚小，處于介穩(wěn)狀態(tài)。

影響工業(yè)鋁酸鈉溶液穩(wěn)定性的主要因素有：

1、溶液的苛性比值

在一定溫度和氧化鋁濃度下，提高苛性堿濃度（即提高αk值），使在未飽和區(qū)內(nèi)的鋁酸鈉溶液的成分與等溫線的距離增大，即溶液的未飽和程度增大，因而溶液的穩(wěn)定性提高。所以在任何溫度下提高工業(yè)鋁酸鈉溶液苛性比值，都可以使溶液的穩(wěn)定性提高。實驗證明，苛性比值為1.0的鋁酸鈉溶液瞬即分解；αk=1.4～1.8的溶液在生產(chǎn)條件下相當穩(wěn)定；αk=3.0以上的溶液經(jīng)過很長時間都不會分解。

2、溶液的溫度

當鋁酸鈉溶液的苛性比值以及濃度都相同時，溶液的穩(wěn)定性隨著溫度的降低而下降，直到溫度降低到30℃為止，溫度低于30℃時，溶液又變得比較穩(wěn)定。

3、溶液的氧化鋁濃度

溶液的氧化鋁濃度與穩(wěn)定性之間存在著一種特殊的關(guān)系。在一定溫度、一定苛性比值下，氧化鋁濃度低于25g/l的稀溶液或高于250g/l的濃溶液都具有很高的穩(wěn)定性，中等濃度溶液的穩(wěn)定性較差。

4、溶液中的雜質(zhì)

溶液中的有機物與苛性鈉作用，一般以鈉鹽狀態(tài)存在于溶液中，例如腐植酸鈉、草酸鈉等，它們的存在使溶液粘度增高、穩(wěn)定性增大，而且易被晶核吸附，使晶核失去作用，嚴重時可使溶液的分解成為不可能。

存在于溶液中的碳酸鈉、硫酸鈉以及硫化鈉等也都在一定程度上使溶液的穩(wěn)定性增大，碳酸鈉的存在使溶液的穩(wěn)定性提高，這與碳酸鈉能增大鋁酸鈉溶液中氧化鋁的溶解度有關(guān)。

氧化硅的存在能夠明顯的提高溶液的穩(wěn)定性。試驗表明，含Al2O3100g/l、SiO25.0～6.0g/l、分子比為1.4的溶液,在80℃下可以保持16～24小時不會發(fā)生顯著分解,溶液中含有SiO2促使其穩(wěn)定性提高的原因，可能是它在溶液中形成體積較大的鋁硅酸根絡(luò)合離子，使溶液粘度增大所致，這一點正是燒結(jié)法生產(chǎn)氧化鋁允許采用低苛性比值溶出的主要原因。

5、結(jié)晶核心

往鋁酸鈉溶液中添加細粒的Al(OH)3作為結(jié)晶核心，能使溶液穩(wěn)定性降低而分解析出Al(OH)3。溶液中赤泥微粒在一定條件下也起結(jié)晶核心作用而使溶液穩(wěn)定性降低。

6、機械攪拌

機械攪拌能促進擴散作用，有利于晶種的生成和晶體的長大。當溶液中已有種子存在時，攪拌還可以使種子保持懸浮狀態(tài)而與過飽和溶液保持更好的接觸，促進分解。

第二章原料制備

第一節(jié)概述

原料制備是氧化鋁生產(chǎn)中的第一道工序，它包括鋁土礦的破碎、配礦、磨礦、料漿的制備和石灰煅燒等。

它的主要任務(wù)是：

（1）鋁土礦破碎和均化。

（2）為拜耳法系統(tǒng)和燒結(jié)法系統(tǒng)分別磨制出合格的原礦漿和生料漿。

（3）供應(yīng)配料用的石灰以及碳酸化分解用的CO2氣及脫硅、苛化用石灰乳。

從生產(chǎn)工藝角度出發(fā)對原料制備的要求是：參與化學(xué)反應(yīng)的物料之間要有一定的配比和均勻的混合，還要有一定的細度。能否制備出滿足氧化鋁生產(chǎn)要求的原礦漿和生料漿，將直接影響到拜耳法和燒結(jié)法中氧化鋁及氧化鈉的溶出率，影響到熟料窯的操作等，總之，直接影響到氧化鋁的產(chǎn)量和技術(shù)經(jīng)濟指標，因此原料制備在氧化鋁生產(chǎn)過程中是最基礎(chǔ)的一道工序。

第二節(jié)配礦

鋁土礦成分的穩(wěn)定是均衡穩(wěn)定生產(chǎn)的首要條件。因此，進入生產(chǎn)流程中鋁土礦的鋁硅比以及氧化鋁、氧化鐵等的含量都應(yīng)達到有一定的要求。配礦的作用就是把成分上有差別的幾部分鋁土礦根據(jù)生產(chǎn)要求按比例混合均勻。一般來說配礦工作在礦山就應(yīng)該進行，礦山對各供礦點開采出的不同品位或成分上有差別的礦石按比例混合，混合后達到生產(chǎn)要求的鋁土礦才能進廠，但在近年來的生產(chǎn)實際中很難做到這一點，由于供礦的渠道越來越復(fù)雜，幾種不同品位的鋁土礦有可能同時進廠，這就使得配礦難度加大，一般來說粗碎的鋁土礦進廠后要經(jīng)過技術(shù)人員計算配礦數(shù)量，安排和確定堆料位置，以便使混合后的鋁土礦成份能夠達到生產(chǎn)技術(shù)的要求。在有的工廠，進廠后的鋁土礦先送原礦堆場貯存，進廠鋁土礦經(jīng)中碎和細碎后按不同品位分開堆放，碎鋁土礦進行再一次調(diào)配，合格后才能送去配料。

在一些工廠配礦還包括燒結(jié)法的配煤工作，即將無煙煤按比例均勻地配入碎鋁土礦中。

一、碎鋁土礦的配礦方法

目前主要的配礦方式是用堆料機進行配礦。在一些老廠還有抓斗吊車（門式或橋式）配礦和貯罐配礦等。

1.堆料機配礦

混合碎礦也可以分兩堆堆存，每堆存量數(shù)天，一堆使用、一堆配礦，用堆料機和橋式斗輪取料機分別自動堆取，多層平鋪配礦，端面截取。

這種配礦方式適用于進礦成份復(fù)雜的工廠，技術(shù)操作上要求對進廠物料的成份和數(shù)量有充分的了解，每堆一次料要核算一次現(xiàn)有混礦的成分，同時仍要計算需要進廠鋁土礦的品位和數(shù)量等。

對于礦石品位差別較大的工廠可以采用這種方法進行配礦，但配礦后的成分可能會與要求的成分有些偏差。

采用這種方法必須嚴格按照配礦計算方法進行，配出的混礦A/S才能達到混礦指標要求，否則混礦成分會有較大的偏差。

2.吊車配礦

碎礦槽是碎礦配礦均化的場所，一般將碎礦槽分四個區(qū)，三個區(qū)用來存放碎礦石，一區(qū)存放無煙煤。存放碎礦的三個區(qū)有調(diào)配好的區(qū)和正在往外送料的區(qū)以及正在配礦的區(qū)，這樣就可以循環(huán)倒換，不致于造成配礦過程的混亂。每個區(qū)的存量應(yīng)有5～10天的需用量，不宜過少。

配礦過程實行“平面撒料，截面送料”的方法進行。正在配礦的區(qū)實行平面撒料，平面撒料就是開吊車將不同品位的碎礦從區(qū)的一端撒至另一端，全區(qū)撒均，按層次倒?jié)M為止，截面送料是指從配好的區(qū)一端按截面開始送出，每個截面必須抓到槽底，全區(qū)送完為止。

3.貯罐配礦

貯罐配礦是分成若干組、每組有若干臺圓柱型的碎鋁礦貯罐代替碎礦堆場存礦，每個貯罐底部裝有可變速的飼料設(shè)備，從破碎工序運來的礦石分別進入各貯罐，每一貯罐有連續(xù)取樣設(shè)施采取礦樣。這樣，可根據(jù)生產(chǎn)要求和已知罐內(nèi)碎礦的成分，按比例同時使用幾個貯罐的碎礦下到皮帶輸送機上以達到配礦的目的。

配礦是氧化鋁生產(chǎn)中很重要的一個環(huán)節(jié)，它直接影響到生產(chǎn)過程中的主要技術(shù)經(jīng)濟指標，因此近年來一些氧化鋁廠的配礦方法與裝備均有很大的改進與發(fā)展。

二、配礦技術(shù)條件及指標

采用的生產(chǎn)方法不同對混礦質(zhì)量指標要求也不同，一般來說：

1、燒結(jié)法?；斓VA/S＞3.2，含Al2O355～58％，F(xiàn)e2O3＞6.0%，S＜0.03%，生料配煤按干生料中固定碳含量3.2～4.0%。

2、拜耳法?；斓VA/S≥8.0，含Al2O3≥65%。

3、混聯(lián)法?；斓V高鋁礦A/S＞9.0，含Al2O3≥65%；普鋁礦A/S＞3.5，含Al2O3＞60%，生料加煤固定碳為3.0～5.0%。

第三節(jié)磨礦

為了保證氧化鋁生產(chǎn)中的化學(xué)反應(yīng)能充分而快速地進行，參加化學(xué)反應(yīng)的各種固體物料必須進行磨細與均勻混合。磨礦作業(yè)大多是在裝有磨礦介質(zhì)的磨機內(nèi)進行的。目前氧化鋁生產(chǎn)中磨礦多采用管磨機和格子型球磨機，并采用濕法磨礦作業(yè)。

磨礦作業(yè)電耗很大，在氧化鋁生產(chǎn)中每磨碎一噸礦石往往要耗電15～23度，鋼球和襯板消耗量1.2～1.6kg，加上磨礦作業(yè)的設(shè)備維護和修理的工作量大，因此改善磨礦作業(yè)條件，降低消耗和提高磨機生產(chǎn)率對氧化鋁生產(chǎn)有很大的意義。

一、磨礦回路

（一）磨礦回路

磨礦作業(yè)分為開路和閉路兩種，被磨物料只通過磨機一次叫開路磨礦，如燒結(jié)法原料磨就是開路磨礦，兩段磨礦作業(yè)中的棒磨也是開路磨礦。磨礦回路指的是閉路磨礦，在閉路磨礦中增加了分級設(shè)備，此時磨機排礦經(jīng)分級設(shè)備分為溢流和返砂，返砂全部回到磨機再次磨細。

產(chǎn)品粒度要求就是界定“細?！?比要求的產(chǎn)品粒度小)和“粗?！?比要求的產(chǎn)品粒度大)的標準。磨礦回路有效完成其任務(wù)的能力取決于兩個過程，一是粗粒物料的細磨，二是從回路中脫除細粒子。

回路中脫除細粒子效果不好會引起幾個明顯的問題，一是細粒子進一步破碎(過磨)成超細粒子(或礦泥)，會對磨礦過程本身及下道工序帶來危害，二是細粒子占據(jù)磨機的有效容積，不利于粗粒子的細磨，三是細粒子脫除效果不好，回路就不能正常作業(yè)，而且會增加能耗。

綜上所述，磨礦回路必須被視為一個有機的操作單元，即：分級設(shè)備以及輔助設(shè)備和磨機能力必須匹配，這一問題常常被我們所忽視，以致磨礦作業(yè)不能達到理想的狀態(tài)，甚至產(chǎn)生嚴重后果。

在閉路工作狀況中，又分為全閉路和半閉路(或局部閉路)。下面我們以磨機與分級機的配合方式介紹開路磨礦與閉路磨礦的工藝流程。

如圖2-1中(a)，叫開路磨礦，此時被磨物料只通過磨礦機一次。如圖2-1中(b)至(e)。叫全閉路磨礦。此時磨機排礦經(jīng)分級機分為細的溢流和粗的返砂，返砂全部送入原來的磨機再細磨。如圖2-1中(f)，分級機1的返砂只有一部分返回原來的磨機再細磨，另一部分送往下一段磨機，因此是局部閉路。分級機在磨礦循環(huán)中的作用有三種，圖2-1(d)里的分級機1起的是預(yù)先分級的作用；圖2-1(b)里的分級機、(e)里的分級機和(f)里的分級機1與2都是檢查分級；(c)里的分級機既起預(yù)先分級，又起檢查分級的作用。(e)里的分級機2起溢流控制分級的作用，它把分級機1的溢流再分級，提出其中的粗粒，得到更細和更勻的產(chǎn)品。

（二）循環(huán)負荷

閉路磨礦時，分級機返回磨內(nèi)的返砂量開始是逐漸增多的，經(jīng)過一段時間之后，它逐漸趨于穩(wěn)定不變，穩(wěn)定的返砂量叫做循環(huán)負荷。它可以用絕對值（t/h）表示。也可用它和新給礦量的比值表示。設(shè)新給礦量為Q（t/h），用相對值表示的循環(huán)負荷（稱為返砂比）為C。

（1）

磨機的總給礦量為Q總是新給礦量和循環(huán)負荷之和。即：

（2）

根據(jù)物料平衡原理，我們可以通過測定進入分級機的礦流（或磨機排礦），分級機溢流和返砂中某一指定粒級的含量來確定返砂比和循環(huán)負荷。

設(shè)磨機排礦、分級機溢流和返砂中指定級別的礦料在其中的含量分別為α%、β%、θ%。根據(jù)物料平衡原理，可以列出：

從而得到：

和

循環(huán)負荷的數(shù)量可能比新給礦量大幾倍。它通常不低于200%，有時會大到1000%，但不應(yīng)大到它與新給礦量之和超過磨機的通過能力，否則磨機會被堵塞，通常為新給礦量的200-400%為宜，適宜的返砂比是決定磨機產(chǎn)能和礦漿技術(shù)指標的關(guān)鍵。

二、氧化鋁生產(chǎn)中的磨礦

（一)原礦漿的磨制

原礦漿的磨制是將碎鋁礦按配比要求配入石灰和循環(huán)母液磨制成合格的原礦漿的過程。磨礦作業(yè)可采用格子型球磨機(簡稱格子磨)或管磨機(格子磨和管磨統(tǒng)稱為球磨機)與分級設(shè)備組成一段閉路磨礦流程。

通常原礦漿的制備流程如圖2—2所示。

按以上流程一般是將石灰采用干法輸送到原料磨頭儲倉中，以供磨制礦漿使用，但飛揚損失嚴重，污染操作環(huán)境。有的工廠采用循環(huán)母液消化石灰后用濕法輸送（如圖虛線部分）會取得良好的環(huán)保效果。

母液灰乳

石灰

石灰倉

給料機

碎鋁礦石

鋁礦石

給料機

循環(huán)母液

補充新苛性堿

球磨機

分級設(shè)備

回轉(zhuǎn)篩

原礦漿槽

返砂

粗塊

合格原礦漿

化灰機

石灰

圖2—2原礦漿磨制流程圖

對原礦漿的技術(shù)指標要求：不同產(chǎn)地的鋁土礦、不同溶出工藝對礦漿指標的要求也不同，一般主要考核細度、固含、配鈣（氧化鈣添加量）。如某廠要求：

細度：+300μm≤1%(即60#篩上殘留≤1%)，

+63μm≤25%（即230#篩上殘留≤25%）。

固含：300-400g/l

配鈣：生產(chǎn)上要求石灰添加量為鋁礦石重量的7%～9%（也有添加更多的）。

為了保證原礦漿的細度，應(yīng)嚴格控制球磨機內(nèi)礦漿的液固比，分級溢流礦漿的液固比和返砂量。球磨機內(nèi)液固比大，磨內(nèi)礦漿流動速度快，礦石得不到充分的研磨，磨內(nèi)液固比控制過小，雖然礦漿在磨內(nèi)停留時間延長了，但影響球磨機的產(chǎn)能。

（二)生料漿的磨制

生料漿磨制過程中入磨物料有：混合礦（鋁土礦和無煙煤）、石灰、堿粉和碳分蒸發(fā)母液?；炻?lián)法中燒結(jié)法系統(tǒng)磨礦入磨物料除上述物料外還有拜耳法赤泥漿。經(jīng)球磨機磨出的產(chǎn)品一般稱生料漿。生料漿的磨制多采用三倉管磨機一段開路磨礦流程，如圖2—3所示。

硅渣、碳分蒸發(fā)母液

給料機

堿粉倉

給料機

石灰倉

赤泥漿

石灰或石灰石

鋁礦石

堿粉

泵

堿液槽

赤泥漿槽

鋁礦石倉

給料機

泵

原料磨

回轉(zhuǎn)篩

生料漿

緩沖槽

料漿調(diào)整槽

合格生料漿

圖2-3生料漿磨制流程圖

鋁礦石、石灰、堿粉和碳分蒸發(fā)母液按一定配比混合入球磨機粉碎、研磨制得的生料漿進入緩沖槽，再送往料漿調(diào)整槽調(diào)配合格后才能去熟料燒結(jié)。

對生料漿的技術(shù)指標要求一般有七項：水分、細度、堿比、鈣比、鋁硅比、鐵鋁比固定碳等。

三、影響球磨機產(chǎn)能的因素

影響球磨機產(chǎn)能的因素很多，除球磨機的型式、直徑大小、轉(zhuǎn)速、襯板形式、多倉球磨機的倉數(shù)及各倉的長度和篩篦板過料面積等本身的因素外，還有許多其他的外部影響因素。當球磨機選定后影響球磨機產(chǎn)能的主要因素有：礦石的可磨度、給礦粒度、產(chǎn)品細度要求、球級配比、球荷填充率、磨礦液固比等。

1、礦石的可磨度

礦石的礦物組成及其物理性質(zhì)對球磨機生產(chǎn)率有很大的影響，礦石所具有的物理性質(zhì)如結(jié)晶特性、硬度、韌度等對球磨機生產(chǎn)率的影響程度，用相對數(shù)量來表示，稱為礦石的可磨度。一般結(jié)構(gòu)致密，晶體微小，硬度較大的礦石可磨度小，比較難磨，磨細它所消耗的能量越多，磨機的處理能力也較低。

礦石的可磨性一般不能改變，但近幾年來的研究成果表明，在某些特殊情況下，將礦石進行預(yù)熱處理、電熱照射或使用表面活性藥劑等方法，可以顯著地改變它們的可磨性，有的已應(yīng)用于生產(chǎn)實踐。

2、給礦粒度和產(chǎn)品細度

給礦粒度愈粗，需要研磨的時間愈長，將它磨到規(guī)定細度的能耗愈高，磨機產(chǎn)能也愈小。給礦粒度的改變對磨機產(chǎn)能的影響是與礦石性質(zhì)和產(chǎn)品細度有關(guān)的。因此，當要求提高磨機生產(chǎn)能力時，在一定的范圍內(nèi)，降低給礦粒度有明顯作用?？傊V石的可磨度相同，要求的產(chǎn)品細度一樣時，給礦粒度越小，球磨機的產(chǎn)能越高，給礦粒度相同，則細度要求越細，球磨機的產(chǎn)能越低。

3、球級配比

在其它條件不變的情況下，球磨機的球級配比對磨機的功率消耗和產(chǎn)能有較大的影響。

氧化鋁生產(chǎn)球磨機的磨礦介質(zhì)一般選用鋼球和鋼鍛，部分廠在一段磨采用鋼棒。選擇球的大小，取決于球的比重、給礦粒度、礦石的可磨度和所要求的產(chǎn)品細度等因素。在生產(chǎn)中，當產(chǎn)品的細度要求、球的比重和礦石可磨度一定時，球徑大小的選擇（即平均球徑）就依入磨礦石粒度組成而定。一般平均球徑D（mm）與給礦粒度d（mm）的關(guān)系式如下式所示：

物料粒度較大時鋼球直徑按上式計算，若生產(chǎn)實踐證明偏小，應(yīng)予以適當修正。采用鑄鐵球時比重降低，球徑應(yīng)相應(yīng)增大。

4、球荷填充率

球荷填充率也稱填充系數(shù)，它是指研磨體所占球磨機的橫截面積與磨機橫截面積之比。

填充率小即裝球量少，填充率大即裝球量多，填充率的大小直接影響球磨機的產(chǎn)能和質(zhì)量。裝球量過小將降低球磨機的生產(chǎn)能力；裝球量過大，內(nèi)層球運動時產(chǎn)生干擾，破壞球的正常循環(huán)，同時球磨機裝礦的有效容積減小，也使生產(chǎn)能力降低，所以較適宜的填充率應(yīng)根據(jù)試驗和生產(chǎn)實踐經(jīng)驗確定。在氧化鋁生產(chǎn)中，拜耳法格子磨的填充率在43～46%較好。燒結(jié)法多倉管磨機各倉填充率是不一樣的，一般在35～40%。

5、磨礦濃度

磨礦濃度是以磨出礦漿的液固比或固相百分含量來表示的。礦漿濃度大即液固比小，單位容積礦漿內(nèi)所含固相量也多，故排礦量大；同時磨礦濃度大時，球上就附著一層礦漿，故磨礦效果也較好。但濃度大礦漿比重也增大，球的有效比重及活動性就降低。相應(yīng)之下就減小了球的磨礦作用；另外濃度過大，礦漿的流動性降低，因此流出的單位容積礦漿中的固含量雖多，但總的礦漿流出量將減少。磨礦濃度較小，即液固比較大時，球的有效比重及活動性增加，磨礦作用也增高，球磨機中能顯出一定的分級作用，粗物料不易排出，同時磨礦速度也較快，可減少過磨現(xiàn)象。但礦漿過稀時，由于礦漿在球磨機內(nèi)流動性太大，也會將粗顆粒帶出。同時球的周圍將附不上礦粒，這相應(yīng)降低了磨礦效果，因此磨礦濃度過大或過小均為不利。拜耳法磨礦采用格子型球磨機時，排礦濃度以液固比表示，一般應(yīng)控制在0.3～0.6較好。燒結(jié)法磨礦生料漿水分一般應(yīng)控制在38～40%，赤泥配料水分可更低些。

四、研磨體及其級配

磨機磨礦是靠裝填在磨機筒體內(nèi)的研磨體對物料的作用實現(xiàn)的。

1、研磨體的類型

各種不同的磨機或同種磨機可用于不同的用途，或同類同用途磨機其所選用的研磨體種類和規(guī)格也不盡相同。常見的研磨體有鋼球、鋼鍛、鋼棒等。每一種研磨體又有多種不同規(guī)格，也有選用不同材質(zhì)制造同一類型同一規(guī)格的研磨體。

2、鋼球與鋼鍛的物理特性

同一規(guī)格的鋼球、鋼鍛由于制造原料材質(zhì)及添加劑不一樣，其密度也不一樣。下表列出高鉻球、鍛物理性能見表2-1。

表2-1鋼球、鋼鍛物理性能

研磨體

規(guī)格mm

每個重量kg

容重kg/m3

每噸個數(shù)

鋼

球

60

0.89

4660

1130

70

1.30

4640

750

80

2.11

4620

450

90

3.11

4590

350

100

4.12

4560

240

110

5.52

4544

180

鋼

鍛

16×30

0.05

4438

21400

20×40

0.10

4389

10200

25×40

0.15

4340

6670

3、平均球徑的計算

平均球徑是分析球倉工作能力好壞的主要依據(jù)之一，它的大小選擇與粉磨物料的粒度、硬度，要求產(chǎn)品的細度以及磨機結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)速因素有關(guān)。下面介紹兩種平均球徑計算方法。

①計算所載鋼球總直徑，然后以鋼球總個數(shù)除之。

式中：

Di——各類型球徑；mm

Gi——直徑為ρi的鋼球重量；t

Ti——直徑為ρi鋼球每噸個數(shù)；個

②按鋼球重量計算

第2種計算方法較簡便快捷，但不如第一種方法準確，在工業(yè)實踐中常采用第二種方法計算平均球徑。

4、研磨體的填充級配原則

①大球單個重量大，沖擊破碎效果好，小球與礦物接觸好，研磨作用強。在生產(chǎn)實踐中采用大小球混合，調(diào)整適當級配，保證大小球量比例適當。

②多倉管磨機，因為進入第一倉物料粒度大，需要較大的沖擊破碎作用，因此第一倉研磨體平均球徑應(yīng)大些，第二倉可小些，第三倉物料已經(jīng)較細，可選用小鋼球或鋼鍛對物料進一步研磨。

③入磨物料粒度或硬度較大、成品要求較細時，則鋼球和鋼鍛的直徑可以選大些，反之可以選小些。

④為提高粉磨效率，在同一倉內(nèi)應(yīng)選用多種規(guī)格的研磨體。

⑤各倉鋼球的配合，一般最大、最小的球量少，中級球量多。如果物料的硬度和粒度大，可增加大球比例，反之可增加小球比例。

⑥研磨體的裝入量即填充率一般為總磨機容積的30%～45%。在一定范圍內(nèi)裝填量增多，產(chǎn)量提高，但超過50%后，不但會使電耗增加，不利設(shè)備安全運轉(zhuǎn)，而且會使產(chǎn)量降低。

⑦多倉磨機球荷填充率的分配方式對磨機的產(chǎn)量和產(chǎn)品細度有很大影響。填充率從一倉到三倉依次上升的所謂爬坡式對產(chǎn)品細度指標較有保證，填充率從一倉到三倉依次降低的所謂下坡式有利于磨機產(chǎn)能的提高。

5、球荷填充率的計算

球荷填充率也稱填充系數(shù)（），它是指研磨體所占球磨機的橫截面積（F）與磨機橫截面積（）之比。

①球荷填充率定義式

式中R——磨機有效半徑，m

填充率也可以用簡單的方法計算。即研磨體所占的體積（連空隙在內(nèi)）占球磨機整個有效容積的百分數(shù)。例如球磨機有效容積為47.59m3，裝球56噸所占體積為12.6m3則：

②容積填充率

研磨體所占的體積（連空隙在內(nèi)）占球磨機整個有效容積的百分數(shù)。

6、研磨體的消耗與補充

研磨體在磨內(nèi)不斷的撞擊、磨擦、體積越來越小，鋼球重量越來越輕，超過一定限度便影響磨機產(chǎn)能和產(chǎn)品細度，因而生產(chǎn)過程中磨機需要及時補充新的研磨體，以保證正常的級配和填充率。下面介紹幾種研磨體添補辦法。

（1）根據(jù)經(jīng)驗添補

磨機每運轉(zhuǎn)一定時間后需要向各倉補加一定規(guī)格和數(shù)量的研磨體，其加入量視物料及球的消耗量而定，但經(jīng)過一定時間，必須測量球面至磨機中心的高度，以校正多次添補所造成的誤差。

（2）根據(jù)電動機的電流表所指示的負荷降低情況添補。

記錄第一次裝球時電動機電流負荷，并經(jīng)常注意電流變化情況。運行一定時間后，可以根據(jù)電流降低情況添補一定數(shù)量的鋼球（鋼鍛），但這種方法往往誤差較大。

（3）根據(jù)磨機產(chǎn)量及單位產(chǎn)品研磨體消耗經(jīng)計算后添補

計算公式為：

式中：G——需添補鋼球量（kg）

R——每噸產(chǎn)品（或每噸供礦）消耗的研磨體量，即研磨體單耗（kg/t）

M——一定時期內(nèi)的總產(chǎn)量（t）

（4）根據(jù)球面降低情況添補

按正常級配和填充率要求裝好研磨體后，測量球面到磨機中心的距離，此距離即為“標準球面”，作為以后添補研磨體的參考依據(jù)。

磨機運行一定周期后，在添補研磨體前，先停止下料，涮磨15～20分鐘，然后停磨打開磨門，進入磨機倉內(nèi)測量各倉球面至磨機中心的距離，與“標準球面”高度比較，算出降低數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)以加一噸研磨體所增加的高度除之，即得各倉的添補量。

這四種補球方法可聯(lián)合使用，如第③與②結(jié)合使用，第④與第②、③配合使用能收到較好效果，補球工作能更準確恰當。

7、研磨體的清理與級配調(diào)整

隨著磨機生產(chǎn)時間的延長，磨內(nèi)各種鋼球直徑都在不斷減小，磨內(nèi)鋼球的配級在不斷發(fā)生變化，平均球徑在逐漸減小，超過一定限度時，極大地影響磨機生產(chǎn)率和產(chǎn)品細度，因而要進行清球，即將規(guī)格不合級配要求的小鋼球清除出去，重新調(diào)整該倉鋼球配比。一般磨機每連續(xù)工作2000～3000小時，將球倒出清球一次。球徑下降明顯時也可以憑經(jīng)驗聽磨音判斷，第一倉聲音低沉，第二倉聲音脆響，說明第一倉沖擊能力不足，應(yīng)提高第一倉平均球徑。判斷各倉球級配比和填充率是否正常合理，可以打開磨門檢查。

第四節(jié)拜耳法配料

在鋁土礦的高壓溶出過程中，為了得到預(yù)期的溶出效果，應(yīng)該通過配料計算確定原礦漿中鋁土礦、石灰和循環(huán)母液的配料比例。但這一配料計算很復(fù)雜，下面就其理論值的計算方法和生產(chǎn)實際控制的配料方法作一簡單闡述。

一、配堿量的理論計算

配堿量的理論計算是以高壓溶出過程中兩個主要反應(yīng)為依據(jù)的。

一水硬鋁石中的AlOOH在高壓溶出時與NaOH反應(yīng)生成NaAl(OH)4進入溶液：

雜質(zhì)SiO2在溶出過程中最終生成溶解度極小的含水鋁硅酸鈉（Na2O·Al2O3·1.7SiO2

·nH2O）：

含水鋁硅酸鈉的生成造成了苛性堿和氧化鋁的損失,并且假設(shè)，在最好的溶出條件下鋁土礦中SiO2完全生成Na2O·Al2O3·1.7SiO2·nH2O，其在鋁酸鈉溶液中的溶解度在計算中可取為零，其它雜質(zhì)對氧化鋁和苛性堿的損失不考慮，則一噸鋁土礦中氧化鋁的最大溶出量和在溶出過程中苛性堿的最小損失量可以從Na2O·Al2O3·1.7SiO2·nH2O分子式中求得：

摩爾比：

重量比：

因此，

式中A最大——一噸鋁土礦中氧化鋁的最大溶出量，kg/t-鋁土礦；

NK最小——溶出一噸鋁土礦苛性堿的最小損失量，kg/t-鋁土礦；

A——一噸鋁土礦中氧化鋁重量，kg/t-鋁土礦；

S——一噸鋁土礦中二氧化硅重量，kg/t-鋁土礦；

下面按溶出液苛性比值為αk，計算溶出一噸鋁土礦時必須配用的最少N2Ok量nk亦即理論值可由下式求出：

當用循環(huán)母液溶出鋁土礦時，因為循環(huán)母液中含有一定數(shù)量的氧化鋁已與部分苛性堿結(jié)合成鋁酸鈉，所以在溶出時循環(huán)母液中的這部分苛性堿不能參與溶出鋁土礦中氧化鋁的反應(yīng)，稱之為惰性堿（Nk惰）。我們把參與溶出反應(yīng)的苛性堿稱為有效苛性堿（Nk效）。

若循環(huán)母液中苛性堿的濃度為Nk（kg/m3），氧化鋁濃度為a（kg/m3），其苛性比值為α0。

根據(jù)苛性比值定義，則：

(1)

又(2)

將（2）代入（1）得

因此，kg/m3

溶出一噸鋁土礦需用循環(huán)母液量（V）為：

m3（3）

（3）式是溶出一噸鋁土礦時循環(huán)母液配入量即配堿量的理論計算公式。

在實際生產(chǎn)中氧化鋁的溶出量一般都達不到最大溶出量，而氧化鈉的損失量按0.608S計算也有偏差，這是因為配料時加入了部分石灰使鋁土礦中的SiO2在溶出過程中生成了部分水化石榴石所致。另外在溶出過程中由于反苛化反應(yīng)造成的氧化鈉損失以及氧化鈉的機械損失都應(yīng)考慮。因此，將公式（3）修正如下：

m3/t－鋁土礦

式中：A——鋁土礦所帶入的氧化鋁重量，kg/t－鋁土礦

ηA——氧化鋁的溶出率，%

M——溶出赤泥中氧化鈉與二氧化硅的重量比值，一般取0.4～0.5

S、S1——分別為鋁土礦和石灰所帶入的二氧化硅量，kg/t－鋁土礦

1.41——Na2O和CO2分子量的比值

C——鋁土礦和石灰?guī)隒O2量；kg/t－鋁土礦

X——磨礦和溶出過程中氧化鈉的機械損失，kg/t－鋁土礦

二、石灰配入量

在一水硬鋁石型鋁土礦的高壓溶出過程中為了消除所含TiO2雜質(zhì)的危害，加速氧化鋁的溶出，添加了部分石灰。TiO2與石灰中的CaO作用生成鈦酸鈣（CaO·TiO2），另外SiO2除生成含水鋁硅酸鈉外，還會有水化石榴石（3CaO·Al2O3·xSiO2·yH2O）的生成，因此石灰配入量按摩爾比計算配入，生產(chǎn)中因添加了石灰，考慮到CaO對溶出過程還有其它影響，一般石灰配入量為礦石重量的7～9%。

三、原礦漿的配料控制

生產(chǎn)上常常是用控制原礦漿液固比（L/S）的方法來調(diào)節(jié)原礦漿配堿量的。液固比是原礦漿中液相重量（L）與固相重量（S）的比值，當循環(huán)母液比重為dLkg/m3時，每噸鋁土礦應(yīng)配入的循環(huán)母液量為V立方米，配入石灰為W噸，則原礦漿的液固比為：

在生產(chǎn)中固體和母液的比重波動較小，可看成是不變的，測定出原礦漿的比重便可由上式求出L/S，進而可控制配料操作。

磨內(nèi)液固比和分級溢流液固比在磨礦操作中要求保持穩(wěn)定，調(diào)節(jié)原礦漿液固比是靠增減循環(huán)母液量來進行的。

四、拜耳法原礦漿指標對氧化鋁生產(chǎn)的影響

1、固含

固含高低變化顯示鋁土礦與循環(huán)堿液配比的變化，固含高即鋁礦多，配堿量少，固含低即鋁礦少，配堿量多，生產(chǎn)上通常會在礦漿進入高壓溶出之前進行固含調(diào)整。否則固含高將會影響鋁土礦溶出反應(yīng)完全程度，降低溶出率，增大赤泥量，降低氧化鋁回收率；固含低會使溶出αk升高，造成分解困難，降低分解率和循環(huán)效率。

2、細度

礦漿細度跑粗將會加速管道磨損，使預(yù)脫硅槽沉淀增多，影響鋁土礦溶出反應(yīng)完全程度。礦漿細度過細將使溶出赤泥變細，使赤泥沉降性能變差，影響拜耳法赤泥的沉降分離作業(yè)。

3、礦漿CaO含量

礦漿CaO配入量要適中，以保證溶出過程中消除TiO2的危害。加入量不足時，將會降低溶出率；加入量過高，游離的CaO會造成Al2O3的損失。

第五節(jié)燒結(jié)法配料

一、配料的意義和要求

制取組成穩(wěn)定、配比合格的生料漿是使燒結(jié)法過程順利進行的保證。在用堿——石灰燒結(jié)法生產(chǎn)氧化鋁時，生料漿是由鋁土礦、石灰石（或石灰）、拜耳法赤泥、返回的碳分母液、鈉硅渣、鈣硅渣等一同磨制而成的。在摻煤燒結(jié)的情況下，同時入磨的還有無煙煤。為了制得合格的料漿，除了保證進磨的原料成份穩(wěn)定和下料量準確外，并且還將出磨的生料漿進行調(diào)配，直到成份合格，才向熟料燒成窯供料。在生料摻煤的情況下，生料漿的技術(shù)指標要求一般有七項：水分、細度、堿比、鈣比、鋁硅比、鐵鋁比和固定碳。生產(chǎn)上習慣把生料（或熟料）配方中各單體氧化物之間的配合比例叫做生料（或熟料）配方。配方主要包括有堿比、鈣比、鐵鋁比和鋁硅比四項，其中鐵鋁比和鋁硅比實際上是由原礦所決定，可以在混礦時予以控制，所以對于燒結(jié)法配料過程來說主要是控制好堿比和鈣比這兩項指標。

1、堿比：是指生料（或熟料）中氧化鈉與氧化鋁和氧化鐵的摩爾比。表示為：

生料堿比

熟料堿比

式中：[N］、[A］、[F］——分別表示氧化鈉、氧化鋁、氧化鐵的摩爾數(shù)。

N、Ns、A、F——分別表示生料(或熟料)中氧化鈉、硫酸鈉、氧化鋁、和氧化鐵的百分含量(%)。

以硫酸鈉形式存在的