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高硅铝矾土冶炼棕刚玉工艺技术分析与实践

作者 Admin 浏览 发布时间 2013/08/10

高硅铝矾土冶炼棕刚玉工艺技术分析与实践


    铝矾土是不可再生的宝贵的资源,它不仅是刚玉制造业的主要原料,同时也是铝工业、耐火材料制造业、铝基复合材料等工业制造业必不可少的主要工业原料,它是刚玉制造业生存的前提条件。
    随着上述工业产业的快速发展及资源的渐趋匮乏,刚玉制造业用优质熟铝矾土资源也将会越来越紧张,而且价格也将越来越高,矾土品位也将会越来越低。依赖铝矾土资源生存(初级生产型)的刚玉制造业将如何发展和生存?目前状态下的技术与质量、成本与效益之间的动态平衡又该怎样建立?这是每一位从事刚玉生产经营的决策者们必须面对而又无可回避的重要的现实问题。
冶炼棕刚玉用铝矾土及主要辅料的特性要求与资源现状
一)铝矾土及主要辅料的特性要求
    从技术和经济的角度考虑,棕刚玉生产用铝矾土与铝工业和耐火材料用铝矾土既相互争资源又有所不同,电解铝生产所选用的原料是低品位(A/S在7左右)、未经高温焙烧的生铝矾土;普通耐火材料用熟矾土除了对体积密度有要求外,其所含的铁和钙量要求较严格,相对于物理性能和硅的氧化物要求则不十分严格;从磨材料和高温材料的使用性能角度考虑,而用于棕刚玉冶炼的矾土是需经过高温焙烧的高铝低硅熟矾土矿,对于矾土矿中铁的含量可不必严格要求,而对于CaO则较为敏感。
    我国铝土矿资源80%属于难处理的中低品位矿,这些矿不适用于棕刚玉的冶炼,从技术和经济角度考虑,适用于冶炼棕刚玉用的熟矾土是高铝低硅型的硬质岩矿或软质粉体矿,其常规要求技术质量指标如下表:  
熟矾土化学成分应符合下表规定:

熟矾土化学成分规定



    注:(1)SiO2的含量小于3%时,Fe2O3和TiO2的含量可控制在小于6%。
       (2)在一批熟矾土中,任取一块,其铝硅比不得小于10。
       (3)熟矾土中不得含有生矾土、夹生矾土、石块、泥土等杂质。
       (4)CaO含量每个矿点每月检验一次。
       (5)尺寸范围 30—300mm,30mm以下不得超过15%,5 mm以下不得超过5%。  
    刚玉冶炼对铁屑和无烟煤(焦碳)也有一定的技术要求,否则,同样会严重地影响棕刚玉的技术经济指标。冶炼棕刚玉用无烟煤(焦碳)及铁屑技术质量指标分别如下表
无烟煤(焦碳)化学成分应符合下表规定:

无烟煤(焦碳)化学成分规定


    注:无烟煤(焦碳)里不得混有明显的煤矸石、木头、泥土、石块等杂质。
铁屑化学成分及质量应符合下表规定:

铁屑化学成分及质量规定


    注:铁屑内不得混入棉纱、木块、泥土、沙石等杂质。 
    二)铝矾土及主要辅料的资源现状
    目前,我国刚玉材料的生产制造企业约有150家左右,其生产能力约在150万吨以上,按生产能力计算,仅刚玉生产用高铝优质熟矾土约在190万吨左右。由于诸多基础工业及刚玉制造业的快速发展,铝矾土需求量迅猛增长,也由于铝矾土资源的匮乏,再加上有的矾土供应商和中间环节的不规范行为,致使棕刚玉冶炼所用的熟铝矾土数量保证困难,而且质量严重下滑,棕刚玉冶炼成本更是节节攀升;A/S由八十年代的25—30:1,下降到九十年代的15—20:1,而今有的企业则经常使用A/S10-12:1的铝矾土,甚至有的企业所用的铝矾土中有时SiO2的含量竟然超过10%都没有引起企业决策者的重视,如何从技术和经济双重困境中解脱出来,就更显无力了;同时也随着电力、煤碳、铁屑、电极价格的上涨,其棕刚玉的冶炼成本也由九十年代末的不足千元猛增到近期的接近二千元。而A/S在10以下时,现有不少生产厂几乎不仅冶炼成本无法维系,而且更无法生产出适用陶瓷固结磨具磨料用的棕刚玉块。对于辅料铁屑及无烟煤(焦碳)也必须有严格的质量标准和要求,否则,也无法生产出优质的棕刚玉产品。而棕刚玉冶炼用铸铁屑资源更为紧张,这一瓶颈性制约早已显现无疑;无烟煤(焦碳)因其用量相对较少,与矾土和铸铁屑资源相比略显缓和,但其供货质量也在不断下降。 
    二、棕刚玉冶炼原理及要点
    冶炼是棕刚玉生产的重要工序,通过冶炼,控制适当的冶炼气氛,使矾土与还原剂(无烟煤或焦粒)、澄清剂(铁屑)在高温状态下进行氧化还原反应,除去杂质,并形成α—Al2O3,从而获得符合质量要求的刚玉块。 
    1、炉内主要化学反应:
    按照炉料成分的热力学分析,其冶炼炉内主要化学反应如下:

炉内主要化学反应


    经过对除尘粉体成分分析,其中SiO2在40%左右,Al2O3在40%左右,K2O在10%左右,余下的是Fe2O3和碳粉等。  
    在冶炼过程中TiO2部分被还原,以单质Ti进入低Fe-Si合金中,余下的TiO2以部分有价成分进入刚玉块中,而矾土杂质中有价MgO和杂质CaO基本保留其固有含量进入刚玉块中 。
    2、炉料配比(低硅矾土用经验)计算:

炉料配比(低硅矾土用经验)计算


    式中: SiO2%、Fe2O3%、TiO2%分别表示原料中SiO2、Fe2O3、TiO2的百分含量,C%为无烟煤中固定碳的百分含量,Fe%为铁屑中的铁含量,K是铁硅比,K(取值)4.5-6.5。
    3、炉前调整:
    在生产过程中,可根据用户质量指标要求,适当控制冶炼还原程度,来实现质量的有效控制,但是,由于进厂矾土矿的批量和数量及取样方法和冶炼操作方法等因素的影响,在实际生产过程中,有时需要通过沾棍来进行炉前判断调整。
    4、炉内还原控制:由于铝矾土中Al2O3含量下降和SiO2含量的增高,在冶炼过程中就必须增加C的涉入量,使其炉内还原气氛集聚加强,这虽然在加大C和Fe用量的情况下,可以把SiO2祛除,但是,由于过还原使得矿物中的TiO2等有价成分也被过还原,以金属Ti的形式进入低硅铁中,使之棕刚玉的质量和性能下降,应用领域受限。
    三、高硅低铝矾土生产棕刚玉工艺技术要点与控制方法
    一)铝矾土原料控制:原料是生产和质量控制的基本保证条件,生产优质棕刚玉必须有优质的铝矾土、铁屑、无烟煤(焦碳)原料做保证。
   1、进料控制:在铝矾土矿原料入厂前,必须依据技术条件或质量标准来对其品质进行严格控制,抓住源头第一关,要加强管理,对每批进厂矾土及辅料要有质量记录,以便合理配料和控制冶炼成本;
   2、备料前预选:备料工序是将合格的铝矾土、铁屑、无烟煤(焦碳)按质量和块度要求进行准备,以便冶炼使用。在这个环节中,要有专人负责,必须严格控制入炉三大原料的质量。对矾土而言,首先要把混入的劣质不合格的杂质矿分拣出去,其次要区分粉料质量,对高含泥土的劣质粉料,必须过筛清除,这是重要的一个经济技术保障环节;
   3、炉料粒度控制:根据棕刚玉冶炼工艺规程的要求,入炉矾土粒度一般控制在30mm以下。
分期炉料配制入炉矾土粒度对冶炼过程的技术经济指标有一定的影响。在实际冶炼过程中,前、中、后期的入炉矾土粒度要求是不一样的,以前期投入混合料、中期颗粒料、后期细粒、精炼期粉料的工艺为最佳工艺。
    二)冶炼工艺控制与实践技巧:(固定炉、倾倒炉略有差异):冶炼是刚玉生产主要工序,通过冶炼,使矾土与还原剂、澄清剂在高温下进行氧化还原反应,除去杂质,并形成α—Al2O3,从而获得符合质量要求的刚玉块。对于高SiO2含量的矾土而言,从理论与实践方面分析,无论是固定炉或倾倒炉其冶炼工艺不同与传统的棕刚玉冶炼工艺。
   1、起弧;起弧采用技术可行、经济合理的碳素起弧棒,不加或尽可能的少加铁屑,这样既经济又合理,起弧成本可节约50%左右;
   2、分期配料:冶炼前期(第一批)投料在正常配料的基础上少加或不加铁屑,在中、后期再逐次配入所需的铁屑,这样可获得更佳的技术经济效果;
   3、炉料控制:冶炼前期采用粗细料结合的入炉料制度,焖炉冶炼,使之减少炉内温度损失;中期采用透气性好的块粒料,使期SiO、SiO2蒸汽能够顺利的从炉内逸出,从而保证炉况的稳定、节约铁屑用量、提高冶炼速率;中期敞弧放气后,后期加料要考虑适当的采用细一些的炉料,以保证炉料的快速熔化,减少热损失,提高冶炼速率;精炼期采用优质矾土粉料或棕微粉,进行软盖保温工艺,以确保质量、提高炉产量;
   4、冶炼参数安排:在炉内熔池合理的情况下,从安全生产和提高单炉产量的角度考虑,冶炼前期(相对的)易采用高电压低电流(固定炉更为合理),这样有益于扩大炉内熔池面积,使之既安全又可提高产量,冶炼效果也会更好;
   5、敞弧逸气:对于高SiO2低Al2O3矾土冶炼而言,适当增加还原剂的配入量和敞弧逸气的次数与时间,更有益于炉内SiO、SiO2蒸汽的顺利逸出,这样,既可祛除有害的杂质又可以节约铁屑的配入量。
   6、高硅刚玉:从技术经济的角度考虑,生产SiO2在1.5%左右的高硅刚玉,该品质刚玉适用与固结磨具以外的低品质磨具和普通耐火材料,其市场也同样有潜力。
    三)碎选分级控制:碎选的任务是将已炼制好的棕刚玉炉砣,经冷却后,将炉砣翻包砸碎,再依照工艺质量要求,对成品、副产品、乏料按标准进行分级、入库。
   1、常规分级:常规分级是按照行业惯例,大众化普遍的分级方法,这种方法无须按炉砣部位和化学品位来分级,属大众化产品;
   2、依据用途分级:经冷却后的刚玉炉砣,由于其部位不同,相应的化学品质、物理性能、使用效果和用途也不同,依据品质和性能在碎选时分类、分级存放,最后供给不同的使用客户。
    四、生产与经营管理
   在企业生产过程中,单一追求质量和成本的举措都是不合理不可取的,其生产工艺技术也是因条件而变化的,凡事不可教条地抄袭。工业生产型企业合理组织生产必须遵循四个方面的要素,即《技术成熟、成本合理、生产组织顺畅、产品有市场》,只有具备这四方面基本条件而又相互紧密兼容的企业,才能实现其最佳的综合效益。
   1、生产管理控制:建立生产技术及质量控制体系,根据企业自身装备特点、操作人员素质、原材料特性、生产方式、物料环境因素,在因素动态可变情况下,建立合理指导生产的动态可变的工艺技术管理制度,实现人为可变、可控的动态技术管理模式,克服无依据、抄袭式的生产组织习惯,使企业在生产技术基础条件上得以保证。
   2、经济成本控制:过分的追求质量是不可取的,企业要依据市场用途和商家要求来生产自己的产品,要清晰地知道自己企业生产过程中的环节特点,建立最佳的环节目标成本控制,做到工序环节相依赖、相控制链状型式的目标化成本管理。
   3、生产组织:生产组织要在保证安全生产的情况下,力求在生产和管理方面做到简单、合理,尽量减少不必要的、重复式的环节,实现工厂物流顺畅,存放合理,清洁文明。
   4、了解市场,设计产品:用其能人,对其市场进行细致的分析,根据自己产品特点,寻找到自己产品的适用领域;创造产品、创建市场、创新企业,为企业定好位,实现跨越式发展