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矾土基均质料目前的工艺及以后应用的发展方向

[发布时间:2021-01-13 10:44:02 ][阅读次数:532次]


我国铝钒土资源丰富,已探明储量达25亿吨,与菱镁矿和石墨并称为耐火原料工业三大支柱。据统计目前我国65%耐火材料属于Al₂O₃-SiO₂系产品,其中65%左右以高铝矾土为主要原料。改革开放以来我国高铝矾土资源得到了迅猛的发展,基本能够满足国内外市场的需求,但目前还绝大部分以煅烧天然块料为主,品种单一,质量波动大,资源利用率低,污染严重。长期的过度无序开采导致我国高铝矾土资源保有储量急剧下降,甚至在高铝矾土资源丰富的地区一度出现优质高铝矾土供需紧张的局面。

为缓解我国当前优质高铝矾土资源供需紧张的矛盾,解决过度开采给高铝矾土资源带来的浪费问题,许多专家学者经过多年研究探索,认为发展矾土基均质料将是一种最优途径。矾土基均质料是以天然生矾土为主要原料,通过均化后再经过成型、煅烧等工艺制备的耐火原料,与天然原料相比具有矿相稳定、成分均一、致密度均匀等特点。

本文针对我国矾土基均质料的研究和生产现状综合论述,结合公司在此方面的工作对矾土基均质料在我国不定形耐火材料方面的应用进行总结,分析不足提出未来的发展方向。

1我国矾土基均质料的发展现状

1.1我国矾土基均质料研究现状

从上世纪八九十年代开始,以钟香崇为代表的多名专家就已针对我国矾土基均质料开展了研究工作,取得了大量的试验成果:

我国在“八五”科技攻关中已有均化原料的成果《渑池铝矾土矿均化工艺研究》,Al₂O₃含量可达85%以上,同一级别Al₂O₃含量误差不大于1%,但其成果直至本世纪初尚未转化推广;

近年来,郑州大学、北京科技大学、武汉科技大学、西安建筑科技大学等院校利用我国山西孝义、交口、大同及河南渑池、平顶山等地铝钒土对矾土基均质料进行了深入系统的研究。如以河南地区不同等级高铝矾土或河南、山西地区的高铝矾土矿山废弃的碎料分别与煤矸石配合,并加入活性Al₂O₃调整铝硅比,制备出组成可控、结构均匀和性能稳定的系列均质料,所得产物指标均达到国际先进水平[];同时研究了合成均质料烧结过程及预烧(轻烧)或添加剂的加入及湿法工艺对烧成温度及制品的影响,进行了替代耐材制品中棕刚玉骨料的实验,取得了不错的效果;对以平顶山地区焦宝石、高铝矾土为主要原料,辅以工业氧化铝、软质粘土等采用均化除杂工艺经高温煅烧生产不同Al₂O₃含量莫来石进行了探讨,根据化学组成和理论分析提出当地硬质粘土(焦宝石)矿资源升级应用的方向;

利用山西省阳泉地区的中低品位铝矾土及碎料合成了Al₂O₃含量在50%~90%的系列矾土基均质料,并对各系列矾土基均质料的烧成制度,产品性能特征及其在耐火制品上的应用进行了系统研究,深入探索了利用山西高铝矾土合成矾土基均质料的工艺技术路线及其产品应用方向。

1.2我国矾土基均质料的生产现状

矾土基均质料的工艺生产始于国外,早期美国C.E.公司在Georgia州利用当地和附近的高铝矾土,经过湿法挤压成型,在回转窑高温煅烧制成含氧化铝50%~70%的系列均质矾土熟料。我国在“八·五”攻关中,进行过高铝矾土均化料的研究开发工作,取得了较好的实验效果,但成果尚未转化为生产力,且系列化产品尚未研究开发。

近年来,随着优质高铝矾土资源的价格的攀升、合成矾土基均质料技术的进步及市场需求的增加,我国矾土基均质料的生产得到了较快的发展。目前形成规模的企业已达十余家,主要分布在山西、河南和贵州三省。各生产企业百花齐放,根据自身条件不同创造性的采用了多种生产工艺路线,基本上形成了较为完整的矾土基均质料系列产品。

根据生产中各环节所采用的工艺装备分述如下:

1)均化。

我国矾土基均质料生产企业的均化方法主要包括干法和湿法两种。干法为将分级开采的铝矾土检验后分级、破碎、入库、配料,进入球磨机进行干法磨细,然后进入均化库均化及成分控制调配,而后加结合剂成型;湿法为将分级开采的铝矾土检验后分级、破碎、入库、配料,进入球磨机湿法共磨成浆,除杂后采用压滤或喷雾干燥除去水分然后成型。干法均化工艺简单,操作灵活,中间过程加水量少,后续含水率低,成本相对较低,但其分段均化导致均化不够彻底,机械铁不能有效去除;湿法均化工艺流程长,含水率高,后续成本相对较高,但均化效果好,可有效去除机械铁等杂质,浆体细度细,有利于后续的烧成。早期有少部分企业采用干法均化,鉴于我国的矾土生料现状,目前我国绝大多数生产企业均采用湿法均化。

2)成型。

我国矾土基均质料生产企业所采用的成型方法主要有压砖成型、压球成型和真空挤泥成型几种。压砖成型工艺设备成本低,后续干燥代价低,对原料的适应性强,但生产效率低,后续工艺控制不当易造成产品的分层;压球成型,效率高,对后续烧成设备及原料要求比较高;真空挤泥成型坯体含水量大,后续干燥代价高,但能够连续生产,效率高,适合大规模连续生产。因此,目前的矾土基均质料的生产企业中,有条件的企业优先采用真空挤泥成型,另有部分企业采用压砖成型,压球成型所采用的企业极其有限。

3)烧成。

根据烧成所采用的窑炉不同可分为隧道窑烧成、倒焰窑烧成、回转窑烧成。隧道窑烧成效率高,安全可靠,吞吐量大;倒焰窑烧成周期长、能耗大、效率低但运转灵活,安全可靠,同时有利于莫来石晶体的生长,所产产品质量好;回转窑烧成效率高,运转灵活,但有烧不透的潜在风险。因此,我国矾土基均质料生产企业以采用隧道窑烧成为主。

综上,尽管我国矾土基均质料企业所采用工艺路线不尽相同,但都包含在路线图1中。无论采用何种工艺路线要以原料的产状、品级、结构及产品的要求而定,但最根本的要保证产品质量稳定,减少企业生产运营成本。

图1我国矾土基均质料企业所采用的工艺路线

2我国矾土基均质料在不定形耐火材料中的应用现状

纵观我国矾土基均质料生产企业所提供的产品可以从侧面反映出市场对氧化铝含量在80%,尤其是85%以上均质料的强烈需求。这其中原因主要源于钢铁工业用耐火材料对高铝原料的迫切需求。随着棕刚玉、特级矾土熟料价格不断地攀升,钢铁工业用耐火材料供应商的压力也越来越大,迫切需要一种价位较低,性能稳定可靠的原料作为替代原料。高品位的矾土基均质料正是顺应了这种迫切需求,成为一种理想的替代原料。利用Al₂O₃含量为88%矾土基均质料制备了大型高炉用铁沟浇注料,并且与所替代的棕刚玉、92矾土熟料对比,常规检测中均能达到良好的效果,抗渣性能甚至高于92矾土熟料;此外,国内其他企业将矾土均质料在钢包浇注料、热风炉用耐火球、鱼雷罐、铁水包、铁沟浇注料中加以应用,替代原配方中的部分或全部棕刚玉颗粒,都取得了不错的效果,值得指出的是,均化料替代棕刚玉骨料后试样的高温抗渣性能同样很好;

矾土基均质料在水泥窑用不定形耐火材料上的应用也取得了一定的进展。相继有多家企业利用矾土基均质料开发了水泥窑窑口用浇注料、耐磨料、高强防爆浇注料等,均取得了不错的使用效果。利用其阳泉分公司自产Al₂O₃含量为70%和60%的中低品位矾土基均质料取代高品位铝矾土熟料,开发了大型干法水泥窑窑口用抗剥落浇注料和窑门罩、篦冷机前端用高强防爆浇注料。两产品性能稳定,产品适应性强,所测常规性能均能达到或超过同类产品指标,抗热震性水冷超过50次,正常使用温度下的高温抗折强度超到10Mpa,耐磨值小于等于4.5cc。两种浇注料分别在我国大型干法水泥窑窑口及窑门罩部位试用,使用周期均已超过同类产品要求,至今使用状态良好。

除此之外,矾土基均质料还被应用开发成电厂循环流换床锅炉用耐磨耐火可塑料、垃圾焚烧炉用耐磨浇注料等其他功能的不定形耐火材料,使用在电力、石化、垃圾焚烧等高温工业,其强度指标均能达到或超过同类产品,产品致密度高,耐磨值较同类产品小1-2cc,且体积密度较同类产品减少五至十个百分点,实现产品性能稳定提高的同时降低了材料的自身重量,减小了对设备的载荷。

3我国矾土基均质料发展存在的不足及方向

尽管我国矾土基均质料的生产、研究及应用取得了一些可喜的成绩,但我们还需清醒的认识到在此方面我们还做的远远不够,还存在诸多不足,主要表现在如下方面:

1)矾土基均质料的研究更多关注于材料而不是工艺控制,因此,在多数时候实验室研究和规模化生产脱节现象比较明显,导致实验室研究成果转化的时间周期较长,实践可操作性难度大;

2)我国绝大多数矾土基均质料厂家均以氧化铝含量在80%以上为主,产品系列比较单一,厂家各自产品特色不明显。同时,受国家政策和市场前景的影响,矾土基均质料的生产出现一窝蜂现象,就目前来看产能明显过剩。由于准入门槛比较低,各个企业工艺装备和技术实力悬殊较大,在产能过剩的情况下未来极有可能出现恶性竞争的局面,进而导致整个行业产品质量下滑;

3)对矾土基均质料性能认识还不够深入,还停留在传统的对高铝矾土熟料认识的基础上,如,氧化铝含量越高越好、体积密度越高越好,均质料只是简单混合等等,以至于目前矾土基均质料的应用还停留在初级的替代高铝矾土或棕刚玉的阶段,矾土基均质料的优势还远没有发掘出来;

就当前我国矾土基均质料的发展现状,可主要从如下几个方面着手开展工作:

1)矾土基均质料的研究中除新产品新材料的开发外,要更多的关注工艺的研究,针对不同产状、产区、成因、组成及结构的矾土生料开展工作,关心其在制备过程中含水率的变化、内能变化、体积变化、塑性变化、物相变化等给工艺控制带来的影响及对策,从而更多的为矾土基均质料成果转化提供可操作性的依据;

2)企业联合高校科研院所综合利用我国的高铝矾土资源,并根据各自工艺装备及技术水平,开发全系列矾土基均质料,条件许可条件下对原料进行再分选、拣选、选矿处理,加入改性原料,严格工艺控制,提升产品品质,增强竞争优势,生产具有企业自身特点的优质多功能矾土基均质料产品;

3)矾土基均质料的生产企业当加大对自身产品的认识,挖掘不同系列矾土基均质料的特点,因材施用提供更优化的应用方案,加大宣传力度,积极引导客户更好更经济的合理利用矾土基均质料;

4结束语

矾土基均质料组成结构均一稳定,性能优越,是未来理想的耐火原料。矾土基均质料的生产能够消化大量的矾土碎矿、尾矿及中低品位矿,积极响应国家的产业政策,因此近几年我国矾土基均质料的研究和生产得到了较快的发展,取得了显著的成效,初步形成了较为系统的产品体系。同时我们还应当看到,我国在此方面起步较晚,技术水平还有待于进一步提高,特别是在应用方面和发达国家还有较大的距离。但相信依托我国丰富的高铝矾土资源、潜在的市场前景及多年积累的技术力量,我国矾土基均质料的发展明天会更加灿烂。

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