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氧化鋁為何要強調“低鈉”

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氧化鋁為何要強調“低鈉”

【摘要】:
佛山優合化工科技?佛山市優合化工科技有限公司?????2022年10月1日,由中鋁山東有限公司牽頭,國內十家單位參與重新制訂的新《氧化鋁》標準(GB/T24487-2022)正式實施。氧化鋁按照主要成分、物理性能分為三個牌號:AO-G、AO-1、AO-2。???我們看到,Na2O氧化鈉的含量是劃分氧化鋁等級的重要指標,這說明氧化鈉的含量對氧化鋁的物理性能影響是十分大的。特別是隨著低鈉氧化鋁在高新技

 

 

      2022年10月1日,由中鋁山東有限公司牽頭,國內十家單位參與重新制訂的新《氧化鋁》標準(GB/T 24487-2022)正式實施。氧化鋁按照主要成分、物理性能分為三個牌號:AO-G、AO-1、AO-2。

     我們看到,Na2O氧化鈉的含量是劃分氧化鋁等級的重要指標,這說明氧化鈉的含量對氧化鋁的物理性能影響是十分大的。特別是隨著低鈉氧化鋁在高新技術材料領域的使用越來越廣泛,優化和控制低鈉氧化鋁的質量顯得尤其重要。

     例如,在電子陶瓷中,Na2O的存在不但影響電子陶瓷的致密度,而且還由于Na2O結合Al2O3生成具有一定導電性的β-Al2O3,從而影響其電氣性能。在LCD玻璃中,由于Na離子會使液晶和薄膜晶體管中毒,進而使半導體液晶材料和薄膜材料劣化,縮短顯示器的壽命,并且還會污染生產線,通常液晶玻璃用α-Al2O3,要求其中Na2O含量不大于0.03%。因此,電子級的α-Al2O3都必須是低鈉的產品。

氧化鋁陶瓷基板

氧化鈉的來源

      氫氧化鋁產品是制備氧化鋁的中間原料,氫氧化鋁粉體原料的品質(粒度和純度)直接影響氧化鋁產品的品質,因此制備高品質氫氧化鋁產品是制備高品質氧化鋁的關鍵。氫氧化鋁中氧化納含量有3種:

(1)晶格堿,水無法洗去;

(2)硅酸鈉結合喊,此部分堿含量極少,主要由精液脫硅指數決定;

(3)AH附堿,主要由平盤的洗漆效果決定。

      夾雜在氫氧化鋁水合物中的鈉在燒結過程中會形成高鋁酸鈉(xNa2O·yAl2O3),降低了α-Al2O3的轉化率和活性,進而影響燒結產物氧化鋁的物化性能。因此,除去氫氧化鋁中的鈉已成為制備高性能氧化鋁工藝中的重要環節。


氧化鈉對氧化鋁性能的危害

1、電熔白剛玉

      電熔白剛玉一般以工業氧化鋁粉為原料,在電弧爐中熔融后冷卻再結晶而成的白色熔塊,主要化學成分為Al2O3,含量在99%以上,雜質含量很少。其冶煉過程基本上是工業氧化鋁粉熔化再結晶的過程,不存在還原過程。而工業氧化鋁含Al2O398.5%以上,還有少量的Na2O、SiO2、Fe2O3等雜質。電熔處理雖有一定凈化提純作用,但還不能將其完全排除。其中Na2O與Al2O3在熔融狀態中生成β-Al2O3,且生成量隨著Na2O含量的增加而增大。由于β-Al2O3的熔點低,密度小,因此熔塊冷卻結晶時,偏析于熔塊的上中部,雖然通過碎選可以剔除,但仍會有少量留在剛玉熔體中,嚴重影響白剛玉熔塊的耐火性能。因此對工業氧化鋁中的Na2O含量必須嚴格控制。

2、板狀剛玉

      板狀氧化鋁是美國鋁業公司(ALCOA)研制開發的。燒結板狀剛玉,是一種高純氧化鋁為原料,在不添加任何外加劑的情況下,經豎窯1850℃-1950℃的高溫速燒而成,其主晶相為α-Al2O3。具有高的耐火度、優異的抗熱震性、抗蠕變性和抗剝落性。廣泛應用于鋼鐵、鑄造、石化、陶瓷、玻璃等行業的高性能耐火材料中。 目前國內生產燒結板狀剛玉一般都是以拜耳法制備的工業氧化鋁粉,其Na2O的含量在0.3%以上,導致板狀剛玉產品中Na2O的含量也較高。Na2O含量的增加,在高溫下會和α-Al2O3發生反應生產Na2O·11Al2O3,導致α-Al2O3轉變為β-Al2O3。而β-Al2O3熔點低于α-Al2O3,同時機械性能、抗蠕變性、抗剝落性都要差于α-Al2O3。因此,Na2O含量的增高,會降低燒結板狀剛玉的高溫使用性能,如顯氣孔率增加、體積密度減小。

3、高溫α-氧化鋁

      低鈉高溫α-氧化鋁是以工業氫氧化鋁為主要原料,經焙燒脫水、晶型轉化而成。高溫氧化鋁具有化學惰性強、熔點高(2040℃)的性能而較適宜用于耐火注料、耐火材料等領域;具有高溫、高強度、優異電絕緣性等性能而適宜用作電子基片、汽車火花塞、刀具等陶瓷制品的原料;具有好的熱穩定性、耐磨性、高硬度等特點而主要于研磨、耐磨的工程機械件及高鋁陶瓷的原料。

氧化鋁

      對高溫氧化鋁α相變影響最大的是Na2O雜質,Na2O含量一提高,β相氧化鋁(Na2O·11Al2O3)就會急劇結晶,從而使α相氧化鋁含量減少。

     在應用上,高溫氧化鋁用作陶瓷及耐磨制品時,Na2O含量的高低直接影響氧化鋁制品的抗壓強度及電絕緣性,通常Na2O含量越高,導電率也越高,氧化鋁陶瓷及耐磨制品的電絕緣性能越差、機械強度也會降低,α-Al2O3轉化率就越低,從而達不到高溫氧化鋁α-Al2O395%以上的質量要求,導致氧化鋁陶瓷及耐磨制品的變形和開裂。 因此,降低原料氧化鋁粉中雜質含量,尤其是Na2O的含量,是提高化學品氧化鋁生產質量和降低其生產成本的一個重要技術手段。

氧化鈉對鋁電解的影響

     氧化鋁中Na2O含量的升高對電解槽的運行有很大的影響,當電解質中的鈉含量增加時,必須多加入氧化鋁以維持正常的NaF/AlF3比值,使氟化鹽的消耗量增加,同時增加了電解槽中電解質的體積。氧化鋁中的Na2O在電解質化學變化和電解槽的傳料和工藝控制方面起著重要作用。氧化鈉在鋁電解時可與氟化鋁發生反應生成氟化鈉,使電解質的正常分子比發生改變,為了保持電解質的正常組成,必須補充相應數量的氟化鋁。

如何脫鈉是關鍵

    目前常見的脫鈉工藝主要有以下幾種:

   一是在種分階段通過提高氫氧化鋁晶體顆粒度、加大水洗力度等方法來降低工業氫氧化鋁中的氧化鈉含量,從而間接降低氧化鋁中氧化鈉的含量,一般能降至0.2%;

   二在以氫氧化鋁為原料煅燒成α-氧化鋁的過程中,通過加大添加劑使用量并適當提高煅燒溫度來降低產品中氧化鈉的含量。該方法容易實現,但能耗偏高,廢氣排放量大,產品應用性能受限;

    三是通過濕法水熱處理脫鈉,Na2O含量可降低至0.05%,該方法優點是能有效降低工業氧化鋁中的氧化鈉含量,缺點是中間半成品是含水濕基物料,通常含水率較高,后期需要進一步的烘干,設備投入大,流程長,能耗高。

關于礦化劑

     礦化劑的主要作用是能夠增大氧化鋁晶格缺陷,形成陽離子和陰離子空位,從而有助于加速結晶,有效降低α相變的溫度;同時,礦化劑還能和氧化鋁中的氧化鈉反應,生成易揮發的鈉合物,所以礦化劑廣泛應用于高溫氧化鋁的煅燒工藝中。不同類型礦化劑的工作過程各不相同,其機理基本相似,通過降低α相變的形核激活能,降低煅燒溫度100~200℃,常用的礦化劑有氟化鋁、硼酸、氧化鎂和硝酸銨等。

 

常用的幾類礦化劑及其作用

 

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