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均质矾土的研究与应用探讨

耐耐网一耐火频道2018-06-19 12:59:07

我国高铝矾土资源丰富,已探明储量在30亿吨以上,但耐火级高品位高铝矾土资源所占比例较小。我国每年约消耗优质铝土矿1亿吨,其中耐火材料消耗铝土矿约1500万吨。近年来,优质的铝矾土成为耐火材料行业的稀缺资源,铝土矿的综合利用受到越来越多的重视。

传统的高铝矾土熟料采用倒焰窑和回转窑等窑炉生产,以煅烧块状铝土矿为主,多年来受到生矿开采方式和熟料生产工艺等因素制约,质量波动较大,难以满足高温工业对优质、稳定的高铝矾土熟料的要求。同时,在当下产业结构调整的大环境下,传统的生产工艺使得铝土矿资源综合利用率低下,燃煤、燃油等带来的污染也挑战着人类的生存环境。

在耐火原料趋向综合化、绿色化、特性化的背景下,我国高铝矾土熟料生产逐渐由原块煅烧向均化合成的方式转变。经过人工均化合成的均质矾土具有优良的高温性能,是理想的耐火原料。高铝矾土的均化合成工艺有效解决了高铝矾土资源综合利用率低的问题,赋予产品成分均匀、性能稳定等特性,推动了传统高铝质耐材产品的转型与升级,是非常有前景的铝土矿煅烧的发展方向。近年来,均质矾土规模化生产技术日益成熟,市场占有率不断扩大。

均质矾土步入规范化生产阶段

进入新世纪以来,随着高品位铝矾土资源日益短缺和矾土熟料质量稳定性下降,高铝矾土均质料的生产与研究进入新的高潮。2009年7月,矾土均化料开发推进会在太原成功举办,为均质矾土的发展及产品生产定位指引了方向。国内多家企业投资建设了均质矾土生产线,均质矾土行业进入蓬勃发展的时期。然而,均质矾土行业在快速发展的情况下也产生了不少新的问题。当前,均质矾土生产企业主要分布在河南、山西、山东和贵州,各地的铝土矿矿层结构和成分有较大差异,各生产企业选用的均化合成生产工艺不一,再加上生产企业的装备水平和质量控制水平参差不齐,导致均质矾土产品指标差异较大,产品规范尚属空白,市场竞争较为无序。因此,制定均质矾土的产品标准被提上了日程。

2015年1月,矾土基耐火均质料国家标准审定会在北京召开,来自全国耐材标准委、生产企业、设计单位、检验机构等28家单位的30余名代表、专家参加了会议。会议通过了矾土基耐火均质料标准修改稿,确定了均质料的产品牌号和主要技术指标,为国内矾土基耐火均质料的生产厂家提供了统一的产品规范。

均质矾土的生产是系统工程

目前,我国约有65%的耐火材料属于铝硅系产品,其中约65%以高铝矾土为原料,但原料企业生产的高铝矾土熟料长期被冠以“质量不稳定”的说法,具体表现为原料混级、化学指标波动较大、杂质富集、矿相组成不稳定、烧结不良等。其原因主要包括:一是我国铝土矿为一水铝石—高岭石型,矿体形态多变,品位变化复杂,并且矿层较薄,多种矿物混合均匀的程度差;二是目前开采作业较为落后,多采用人工选矿分级,铝土矿的浮选因技术和成本等因素尚未推广开来;三是受传统的生产工艺制约,竖窑、回转窑和倒焰窑在质量控制上有其先天的缺陷,粘窑、温度不均、烧不透等现象普遍存在,而且后期人工挑选困难,无法满足矾土熟料稳定性的要求。另外,经过30多年无序开采和不当利用,高铝矾土资源供需矛盾凸显,大型氧化铝工业的生产对铝矾土资源的争夺日趋激烈,用传统工艺实现矾土熟料质量的稳定愈加困难。

均质矾土是以不同氧化铝含量的铝土矿为原料,经过配料、细磨、均化、成型、高温烧成等工艺制成,具有成分均匀、性能稳定等特点。近年来,我国河南、山西、贵州等地相继有多家企业上马规模化均质矾土生产线,目前国内各厂家均质矾土生产工艺有较大差别,均化分干法、湿法和半干法,成型有压砖、压球、挤泥等,煅烧窑炉有隧道窑、竖窑、回转窑、连体窑之分。其中,湿法的均化程度最好,Al2O3含量的波动可以稳定在±1%以内,且能有效去除生矿中机械铁和磁化物等夹杂物,有利于后期烧成。煅烧窑炉中,倒焰窑窑内温度不均、劳动强度大,较为落后;回转窑易结圈,运转率不高,且煅烧时间短,产品密度较差;竖窑比回转窑和倒焰窑节能,但易结坨,导致出料困难,而且结坨后高温带温度不均,局部易温度过高,质量稳定性也较差;隧道窑烧成制度严格,温度易于控制,温差小,质量最为稳定。目前,行业公认的能够实现规模化稳定生产的是湿法均化、隧道窑高温烧成的工艺。

均质矾土的生产是一个系统工程,须要建立完善的工艺数据分析系统。这主要包括3个部分:一是不同原料烧成特性和工艺特性的研究体系。高铝矾土由多种氧化物复合组成,杂质成分也因产地不同而形态各异,杂质的含量和分布对矾土的烧结致密化程度影响较大。因此,对不同编号矾土须进行烧成特性分析、细磨工艺参数分析,并综合控制杂质含量,以保证配料准确性、均化处理稳定性和烧成制度的合理性。二是配料数据、泥浆数据的验证跟踪与纠正措施。每一个批次的配料数据的准确性都可以通过泥浆数据和熟料数据加以验证,在验证时发现配料数据有偏差时,可以及时调整下一批次的配料方案,在浆池均化的环节予以纠正,确保产品化学指标的稳定性。三是生产工艺控制过程的标准化,如湿法球磨时的加水量和球磨时间标准化,泥浆细度、黏度和含水量标准化,隧道窑高温烧成的温度制度、压力制度、气氛制度和推车制度标准化等。工艺控制标准化,能有效地将生产过程中人为因素对产品质量的影响降到最小。

性能研究与应用取得进步

有研究者对比分析了82均质矾土、86均质矾土、88均质矾土和90均质矾土的结构与性能,发现随着Al2O3含量的增加,刚玉晶粒尺寸逐渐增大,玻璃相含量逐渐减少,液相黏度逐渐降低,均质矾土的荷重软化温度逐渐提高。在综合分析均质矾土中化学组成、相组成、杂质分布和液相黏度等因素后,他们认为,过分追求矾土中Al2O3的高含量的思想值得商榷。另有研究者对比分析了均质矾土与竖窑矾土熟料的结构与性能,发现二者在晶体分布与晶粒发育上存在较大差异。矾土熟料中刚玉晶体的大小和分布不均匀,玻璃相分区域富集,而均质矾土中刚玉晶体的大小和分布均匀,且晶粒尺寸大于矾土熟料,玻璃相分布均匀,存在于晶界与晶间。结合均质矾土的结构与性能来考虑,他们认为,均质矾土更适用于非氧化物的复合耐火材料。

有研究者对均质矾土进行显微分析,发现其结构致密均匀,封闭气孔多位于针状莫来石晶体交叉聚集处,莫来石晶体呈团簇状分布于刚玉晶粒周围。他们认为,均质矾土在烧结冷却过程中首先析出高熔点的刚玉相,之后从液相中析出莫来石晶体,因此材料的微观结构均匀;致密均化铝矾土抗铁水“三脱”工艺渣(Fe3O4、CaF2和Na2CO3)侵蚀的性能接近亚白刚玉的级别,远好于普通高铝矾土熟料。山东耐材集团已根据使用环境选用了不同级别的均质矾土用于混铁车、铁水罐中,效果良好。

有研究者以85均质矾土替代88倒焰窑高铝料中粒度小于3mm的部分,制备45吨钢包包底铝镁尖晶石浇注料,施工水分降低了1%,也避免了高温裂纹的产生,使用寿命由平均89炉延长到105炉以上,降低了吨钢耐材消耗,而且钢包使用安全、稳定。巩义红旗炉料以86均质矾土替代山西倒焰窑88矾土生产铝镁砖和铝镁碳砖,成功应用于柳钢150吨精炼钢包和威钢120吨精炼钢包上,使用寿命分别达到95炉和122炉,比之前分别延长了15炉和12炉,产品性价比明显提升。

有研究者以88均质矾土颗粒替代50%的电熔棕刚玉,用于精炼钢包铝镁浇注料中,使用120次后包壁表面没有明显龟裂和剥落现象,且残余厚度大于未加均质矾土骨料的包壁残余厚度,包壁材料的抗剥落性能和抗渣侵蚀性能明显提升。另有研究者以88均质矾土和90均质矾土为主要原料(临界粒度为20mm)制备Al2O3-SiC-C质超低水泥快干浇注料,成功应用于南钢2500m3高炉和大钢1260m3高炉的出铁沟,产品加水量明显下降,材料流动性好,侵蚀少,耐冲刷,抗热震性良好,降低了耐材综合成本,单沟通铁量达16万吨/次以上。


综上所述,作为传统高铝矾土熟料的升级换代产品,均质矾土具有成分稳定、性能稳定的优点。均质矾土在耐火材料不同体系的具体应用还有待进一步研究,但高铝矾土的均化处理对矾土熟料理化指标和综合性能稳定性的提升毋庸置疑。均质矾土的系列化促进了矾土熟料在质量、性能和附加值方面的升级,在节能减排、资源综合利用方面具有传统高铝矾土熟料无可比拟的优势。


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