冶金级氧化铝粒径分布和磨损指数的评价方法

吕春霞包锴

（内蒙古大唐国际呼和浩特铝电有限责任公司，内蒙古 呼和浩特  010206）

摘要：从不同企业中采取32种氧化铝样品，采用氧化铝磨损指数测定仪检测材料，提出具有较高可靠性的铝粒径分布和磨损指数的评价方法，重点根据两项指标综合评价冶金级氧化铝的抗磨损性能，给日常生产提供技术指导，在生产中严格控制磨损指数和粒径分布，改进生产方式，保障冶金级氧化铝具有良好的抗磨损性能，促进现代工业的发展。

关键词：冶金级氧化铝；实验检测；粒径分布；磨损指数

1实验材料

拜耳法新鲜氧化铝共计20种，编号为1.1#～1.20#；载氟氧化铝样品共计12种，编号为2.1#～2.12#。分别测定各样品磨损前后的粒径分布及磨损系数，评价参数的变化规律，根据实测结果研究两项参数对铝电解工艺的影响。磨损测试采用氧化铝磨损指数测定仪，精度较高，测定数据有参考价值。

2实验方法

样品用量50±0.1g，喷吹孔直径0.381±0.002mm，进气压力0.40～0.41MPa，测试时间为15min。为模拟生产过程中氧化铝颗粒的破损程度，采用到磨损指数仪，准确测定样品经过15min后的磨损程度，用该仪器进行检测后的实测结果相当于其在工业稀相输送管内经过5km后的磨损程度，模拟结果具有代表性；试样在磨损前后的粒径分布状态存在差异，采用Mastersizer2000激光粒度分析仪进行测定。试样磨损指数AI的计算方式，如下：

AI=(X－Y)/(100－Y)×100%．(1)

式中：X、Y分别为磨损后、磨损前试样中小于45μm颗粒的比例，%。

3实验结果及分析

3.1颗粒粒径的演化

32个样品经过磨损后，粗颗粒含量降低，细颗粒含量提高，两部分颗粒含量的变化说明粒径分布均向小尺寸移动。以如图1所示的样品1.3#的粒径分布曲线为例，可以较为直观地发现氧化铝颗粒的破损状态，反映粒径分布在磨损前后的变化规律。

图1 粒径分布变化规律（以样品1.3#为例）

样品的粒径分布特征采用参数Dv(10)、Dv(50)、Dv(90)进行描述。例如，样品中累计粒度分布百分数达到50%对应的粒径则以Dv(50)进行表示，小于、大于该粒径的颗粒占比均为50%，即中位粒径。类似的，对于Dv(10)，指的是粒径小于它的颗粒占10%。

3.2氧化铝的磨损

研究对象为新鲜氧化铝和载氟氧化铝，研究工业铝电解干法烟气净化装置对两者磨损程度的影响，将磨损指数作为重点指标，进行量化分析，结果如图2所示。

图2 32种样品的磨损指数

对于磨损指数平均值，编号为1.1#～1.20#、2.1#～2.12#的两部分铝样品分别为12.75%、7.96%，两者之所以存在差异，主要与制备过程中装置对铝材的作用有关，由于干法烟气净化装置的作用，载氟氧化铝已经受到一次磨损，受此影响，导致再次检测时磨损指数偏低。

从磨损指数的角度对比分析各类铝的磨损性能，发现载氟氧化铝更优，若结合铝样品的粒度分布情况进行综合分析，则以新鲜氧化铝的性能更优。换言之，在评价冶金级氧化铝的抗磨损性能时，磨损指数属于重要指标，但仅具有参考价值，无法完全真实地反映样品的抗磨损性能，在考虑磨损指数的同时需要兼顾粒度分布，根据多方面的信息进行综合分析，准确判断冶金级氧化铝的抗磨损性能。

3.3耦合分析

氧化铝实际使用效果通过多种信息进行反映，仅依靠粒径分布或磨损指数做出判断时，均难以保证结果的全面性和客观性，因此需要进行粒径分布和磨损指数的耦合分析，而两者具有相互依存的关系，因此要求冶金级氧化铝具有良好的粒径分布规律，且无论供给端还是应用端的铝均要符合该要求。根据该思路，确定4种情况，做全面的分析，具体如表1所示。

表1 粒径分布和磨损指数的关系

编号	粒径分布（磨损前）	磨损指数	使用效果
A	好	好	好
B	好	差	差
C	差	好	差
D	差	差	差

氧化铝中大小颗粒含量的比例也需要维持在合适的区间内，结合上述的耦合分析方法，提出经验标准，以此为依据较为全面地判断氧化铝样品的抗磨损性能。各等级对应的判断条件，分别为：

差：Dv(10)＜25μm，或Dv(50)＜50μm或Dv(50)＞120μm，或Dv(90)＞170μm；

中：Dv(10)＞25μm，或50μm＜Dv(50)＜60μm或100μm＜Dv(50)＜120μm，或Dv(90)＜170μm；

好：Dv(10)＞45μm，60μm＜Dv(50)＜100μm，Dv(90)＜150μm。

粒径分布整体评级主要与Dv(10)、Dv(50)、Dv(90)值中的最低评级有关。还需考虑到“降级”的情况，指的是磨损后的综合评级低于磨损前。

在上述提及的判断依据中，将市面主流的砂状氧化铝性能指标作为关键依据，并参考了工业氧化铝的分类标准，包含粉状、砂状、中间型三大类。最优的氧化铝粒径分布需符合如下条件：粒径＞150μm的粉料占比＜10%，电解槽内的粉料能够以相对合理的速度进行溶解，避免因溶解过慢而引起槽底严重沉淀的情况；粒径＜45μm的粉料占比＜10%，改善铝电解槽的运行状态，避免了向其中加入粉料而大量飞扬的情况；颗粒的中位粒径为60～100μm，此粒径分布的意义在于防止物料在输送时分层，可以有效地降低能耗。

氧化铝生产企业在生产产品时，选取新鲜氧化铝进行磨损指数测试。在电解铝厂的生产期间涉及到氧化铝干法净化载氟过程，因此若无特殊的要求，无需再次对载氟氧化铝做磨损指数测试。在本次实验分析中，新鲜氧化铝的编号为1.1#～1.20#，共计20个，磨损指数＞15%，磨损后粒径分布主要表现为“降级”的规律，且此类现象对于磨损指数＞20%的氧化铝样品而言体现得更为明显。对于磨损指数＜15%的氧化铝，使用效果虽然会由于磨损而发生改变，但差异基本可以忽略。对于载氟氧化铝，本次实验共采用12个，编号为2.1#～2.12#，基本无磨损测试前后评价降级的现象，由此看来，氧化铝的磨损受干法净化系统的影响且较为明显。此外，还需考虑到实验研究的偏差，例如实验中以磨损后＜45μm颗粒增加的百分比计算磨损指数，在此计算方式下，将磨损指数与粒径分布综合评价匹配时难以避免地产生偏差。

4结论

经过本文的研究，提出粒径分布和磨损指数的评价方法，并探寻两者对冶金级氧化铝抗磨损性能的影响，主要得到如下结论：

（1）粒度分布和磨损指数是评价冶金级氧化铝抗磨损性能的两项关键指标。其中，粒径分布在很大程度上决定冶金级氧化铝的抗磨损性能，因此对于优质的冶金级氧化铝而言，需要维持良好的粒径分布状态，在此前提下，兼顾磨损指数的合理与否，该值在20%以内为宜，此时颗粒的稳定性良好，抗磨损性能突出，若条件允许，将其控制在15%以内，此时具有更加优异的抗磨损性能。

（2）氧化铝的磨损程度易受到铝电解干法烟气净化系统的影响，载氟氧化铝的粒度分布差，且其磨损指数相较于新鲜氧化铝而言更低。从磨损指数可信度的角度来看，经对比分析可知，具有新鲜氧化铝高于载氟氧化铝的关系。

参考文献

[1]张诗曼,张永财.耐火复合材料用氧化铝添加剂的合成与研究[J].耐火与石灰,2023,48(06):57-59.

[2]孙敬伟,王洪磊,周新贵.氧化铝纤维增强氧化铝基复合材料研究进展[J].硅酸盐通报,2023,42(11):4092-4112.

作者简介：吕春霞（1985.11—），女，汉，内蒙古乌兰察布，本科，学士，工程师，主要研究方向：冶金化验。
         包锴（1990.10—）女，蒙古族，辽宁阜新，本科，学士，助理工程师，主要研究方向：水质检测。