应用在线粒度分析改进铝生产工艺

应用在线粒度分析改进铝生产工艺 从铝土矿开采到固体铝的过程与质量控制 Axel Pankewitz， Christian Beherens， Ulrich Keten'耿建芳博士? 1. SYMPATEC GmbH， Clausthal， Germany 2..德国新帕泰克有限公司苏州代表处(SYMSINO) 关键词：粒度分析， in-line，on-line，off-line，激光衍射，超声衰减，质量控制，过程控制，氢氧化铝沉淀，阳极产物 摘要粒径分布是描述颗粒物料质量的一个重要参数。物料的特性如流动能力、反应能力及颗粒体积取决于粒度的分布。恰当的粒度分布是研磨，分级或混合，雾化或其它如结晶过程等的一些工艺中产品获得高质量的关键。 不只是最终产品的质量很重要，生产过程的稳定运作如研磨，浮选，用旋风分离器或过滤器的分离，以及晶化晶种都需要一个严格限定的粒度范围。因此，粒度分布的控制尤其是在线粒度检测和控制保证了可靠的和有效的工厂运作。 本文介绍了很多将粒度分析成功应用于整个铝生产过程中的例子以及它对工艺及产品优化的优点。主要包括直接安装在生产过程中的on-line检测仪，也包括实验室粒度仪。 1 介绍 整个铝制造业中每一个生产步骤都呈现现定的工艺参数(压力，温度， pH值，生产能力等)和产品属性(粒度，浓度，研磨性等)。考虑到这种情况，不是所有的分析仪可以直接在所有条件下进行操作并囊括所有的产品。 光学分析仪举例来说需要能透光的介质，因此只能测小量的干湿法产品；而超声检测系统能处理高浓度浆料但却被限制在液体的介质中。超声分析仪在化学、物理和机械上都非常坚固而且不需要频繁的背景测量。光学仪器如激光衍射分析仪具有较高的精度并可在几秒内提供-一个完整的粒度分布。 为了要使粒度分析仪配合这些特定工艺和产品要求，各种不同的分析方法、量身定制的和专门设计的仪器是不可少的。 下面的内容介绍了激光衍射和超声衰减仪器在铝业生产过程中不同的分析工作上的应用。 2 仪器与原理 下面将讨论使用的各种检测原理与技术，以及它们的特征。 2.1超声衰减[1] 基于超声衰减原理的在线粒度检测仪OPUS的设计原理，如图1所示。高频电发生器与压电超声传感器相连接，其所产生的超声波通过测量区的悬浮液，与悬浮颗粒相互作用。声波经过测量区域后，被超声波探测器接收，并被转换成电信号。超声波的衰减是通过发生端和接收端的振幅比计算得到的。在31个超声频率下进行测量，记录衰减频谱并计算得到具有31个粒径区间的整体粒度分布。除粒度分布外，该频谱也包含了固含量的信息，可以添加报告。该方法符合ISO 20998-1：2006 图2为德国新帕泰克公司的OPUS在线粒度检测仪。该仪器是探头式设计，由不锈钢(1.4572， SS316)和高密度碳(SIGRADUR R)制成， 可抗物理磨损，化学腐蚀， 40bar的高压及120℃高温。50%的体积固含量是该技术的最适使用浓度，可以基本处理低于1%的体积含量以及高达70%的体积含量甚至更高。 总所周知，气泡几乎在所有的工艺中都会存在，在特定的情况下与超声波相互作用并产生噪音。这种作用在低频下尤其明显，而在高频下固体颗粒对声音衰减起主导作用。 图1：超声衰减测定粒度的原理 图2：Off-line粒度分析的超声衰减传感 OPUS利用这种特性清楚地区分出低频下的气体信号与高频下的颗粒信号(如图3)。只使用高频时，气泡信号就会消除，而且不会影响颗粒信号的质量。例外，气泡修正模块也是软件的一部分，可以添加使用。 2.1.1取样 由于超声衰减在高浓度矿浆条件下操作，不需要任何的样品制备(如稀释，速度控制，脱气等)。设备可以直接安装在样品的主流道上。 图3：20-0，5MHz频率的衰减谱，带有0，5-1MHz之间的气泡信号(左)和1-20MHz之间的消减信号(右). 然而，为了将传感器连接到几条线上就需要从主要管道中采集部分流到OPUS。同样运行时间与冲洗等方面有时也需要这种多重的解决方案。 2.2激光衍射[2][3][4] 激光衍射仪的基本设置遵循DIN/ISO13320如图4所示。一束平行的激光被扩大到所需的直径并穿过测量区域，在此当中颗粒与激光相互作用。粒子衍射被傅里叶镜片收集 的光线，并聚焦于成像的光学探测器，记录所谓的Fraunhofer衍射模式。根据该光学模式，粒径分布根据提供接近实际信息的运算方法进行计算。 为了让粒子与氦氛激光相互作用，用来完全分散颗粒并将其运输到光线中的分散单元是必需的。 图5介绍了利用剪应力结合的干法分散系统RODOS， 通过颗粒和颗粒、颗粒和管壁之间的相互作用，有效地分散了甚至低于1微米的团聚颗粒。分散参数应适合于物料的特殊要求并设置在分析仪控制传感器和报告分析结果的软件中。 图6所示为在工艺环境中的嵌入式设计的HELOS激光衍射系统与干法分散系统RODOS的结合——MYTOS。 图4： Fraunhofer激光衍射的典型设计 图5：通过振动进料器VIBRI(左)进样的干法分散系统RODOS. 2.2.1采样 不同于实验室分析及超声衰减，干粉in-line粒度分析首先需要一个采样步骤，有代表性的取样装置对实验结果的准确性起决定性作用。由于大多数工艺过程由管道连接，取样系统最好也应该装入工艺管道中。由于静态探针只从管道的单一位置取样，代表性的取样难以实现。因此，代表性的取样装置需扫描整个管道横截面并连续进样到随后的分析仪。 图6所示为几秒内以螺旋的途径扫描整个管道横截面的代表性取样装置TWISTER (这里与MYTOS相连)。利用可控吸力将物料不断地输送到MYTOS分析仪，其在坚固的工艺设计中结合了HELOS与RODOS系统的核心部分。 在管径尺寸过大而进不了分析仪时， MYTOS分析仪也可安装在管道外。这里，取样系统仍保留在主要的工艺管道中，而MYTOS则直接安装在管道的外面并配备产品返回装置。 3 应用 图6： in-line TWISTER & in-line 如上所述的先进技术的应用如实时的和离线的工 MYTOS 艺控制和/或质量控制。干样需要按干法分析，避免液体污染和样品破环。同样，湿样需要按湿法分析，避免样品干燥或其他大量的样品制备。因此， TWISTER&MYTOS是理想的尸粉及颗粒的粒度分析仪，而OPUS是浆料最佳的粒度及浓度分析仪。 3.1采矿及选矿 铝生产的第一个阶段就是铝土矿的采集，首先要压碎研磨成1mm以下的泥浆。为了优化随后的工艺，进料需要一个目标粒度分布。通常，粒度分布不是on-line控制的，下游工艺的突发问题往往造成频繁的故障修理。若直接预先在分级(旋流器)后直接检测和控制粒度分布将改善并稳定下游工艺，避免了操作麻烦。 图7所示为安装在铜镍矿研磨厂的OPUS。系统与3条研磨线相连，来检测从旋流分离器溢流的矿浆。OPUS软件系统来控制所有的采样器和全自动阀门，每条线约5min运行一次粒度分布分析。 如果OPUS需要另外用于人工采样，可按图8所示的设置解决。这里OPUS是被整合到一个敞开的进样回路中，该回路与3条线相连并充满约50L样品。样品在回路中进行搅拌和循环，同时OPUS进行粒度分析。在大约1-3min之后，样品被排出，整条回路在下次进样前用水进行冲洗。整个进样、测试和清洗工作都由OPUS控制。 图7：用于铜矿研磨控制的OPUS多重安装(左)，安装结构(右) 通过按钮操作将OPUS设为“人工进样”，循环被中断，人工样品被注入回路。生产线在排出与清理回路后再次进行自动进样。 图8：：自动采样回路上的OPUS安装(左)。安装结构(右) 3.2氢氧化铝的沉淀 氢氧化铝在拜耳过程之后要求的产品质量之一是达到只有小规格细粉(<10pm)的一个稳定的粒度分布，细粉再连回到最初的沉淀阶段做为一次成核的进料。为了根据闭合回路控制调节粒度分布， in-line或on-line的粒度分析是必需的。分析仪需要在高负荷的条件，如高温，强腐蚀性，研磨的原始物料，及全天候的操作模式下进行操作。 图9：OPUS装在氢氧化铝沉淀器上。左图：1：(1)取样点，(2)泵，(3) OPUS， (4) 排放口。右图：带有通过25mm适配器流量的OPUS。 这里， OPUS提供了一个理想的解决方法。系统可以直接安装在沉淀器中，如图所示(图9)穿过反应器的墙壁或在结晶器上面。图9所示是OPUS在热腐蚀性的氢氧化铝泥浆上全天候操作的应用安装。从反应器中抽出悬浮液，通过1”水管并在OPUS测量区域中进行循环。 与最初的顾虑相反，没有剥落或明显的磨损产生。夹带气泡也不会影响分析的高精度。OPUS得到的粒度分布与在150um的残留值趋势图的结果如图10与图11所示。仪器是用基于实验室仪器的激光衍射交叉检测的，可以突出显示OPUS粒度分析的准确性。 图10：氢氧化铝的累积与密度分布少量细粉的紧密粒度分布 图11：水合物R(150pm)的OPUS(蓝)与激光衍射(绿)结果对比 3.3阳极产物 由于阳极在整个冶炼过程中都在“自食”，氧化铝的冶炼需要较高的阳极消耗。为了使阳极有个较长的寿命，就要求焙烧的焦炭块中有最小空隙的紧密内部结构。这是通过混合研磨的焦炭组分以达到一个广泛分布的粒度来实现的，其中较小的粒子弥合了较大的粒子之间的差距。为了得到这样的目标粒度分布， on-line粒度分析对混合阶段也是必不可少的。 在混合后，焦炭混合物嵌入到沥青基质中并烤到阳极。即使是这种产品，粒度分析也可用超声衰减在实验室进行。 3.3.1 on-line过程控制 在 Krasnoyarsk的RUSAL公司已经在几个月前安装了TWISTER&MYTOS， 用来控制焦炭混合的粒度分布，并希望通过优化粒度分布可以使阳极的寿命延长20%。图12为安装图。TWISTER取样器装在分级设备后的一个200mm管中，并运输取得的几克样品到MYTOS分析仪，在此代表性的取样被分析并返回到过程(筒仓)中。 图12：阳极生产的焦炭研磨厂in-line TWISTER & on-line MYTOS。最终安装图(左).TWISTER上视图(右上).分散器和分析仪MYTOS(右下). 3.3.2 Off-line实验室质量控制 由于沥青基质在室温下有个固体结构并生成坚硬的物料块，混合进沥青基质后的焦炭的粒度分析是一个艰巨的任务。用甲苯溶解沥青，可使焦炭颗粒从沥青中分离出来。但即使这样，固体焦炭颗粒仍悬浮在深黑的非透明的液体中。 为了获得一个透明的样品以便于光学系统的分析，悬浮液的稀释和分层抽样由于广泛的粒度分布是很难不产生巨大的取样误差的。冲洗与排出甲苯-沥青液体会冲走细的组分。 代替光学分析仪， OPUS的实验室版本——称作NIMBUS——被用来测量沥青-焦炭-甲苯悬浮液。样品的深色基质不会影响声音的分析，并且只有原始浓度下的固体焦炭颗粒被记录测量。图13显示为NIMBUS对研磨中的样品的粒度分布分析。 使用NIMBUS， 焦炭-沥青混合物质量只在提到的条件下被分析作为最终基质。 图13：研磨焦炭的超声衰减结果(左上：初始阶段，右上：研磨第1阶段，左下：研磨第2阶段，右下：最后阶段)[5] 3.4雾化后的固体铝 在下游工艺的结尾， TWISTER&MYTOS被用作如在铝雾化后的最终固体铝的粒度分析，(图14)。这里，熔融铝被注入到惰性气体以获得较好规格的铝颗粒。紧在喷雾器后， TWISTER&MYTOS被安装在400mm隔绝的输送管道中进行质量控制。图14为各种粒度分布特征值趋势图的一个摘要。 图14：： TWISTER & MYTOS在铝厂顶部的400mm管道中的安装(左)，粒度分布特征值趋势图(右). 4 结论 激光衍射与超声衰减是已建立完善的分析方法，用以设计先进的in-，on-和off-line粒度分析仪，并提供获得颗粒物料最重要的质量标准之一的途径。 可以看出，沿着铝生产线，粒度分析仪如干粉或颗粒用的TWISTER&MYTOS、高浓度及深色度的泥浆用的OPUS和NIMBUS有助于改进各生产阶段的工艺操作与产品质量。 ( 参考资料 ) [1] U. Riebel： Die Grundlagen der PartikelgroBenanalyse mittels Ultraschallspektrometie， Dis.Universitat Kalrsuhe (1988) [2] J.Fraunhofer： Bestimmung des Brechungs-und Farbstreuungsvermogens1SVverschiedenerGlasarten， Gilberts Annalyen der Physik 56； 193-226 (1817) ( [3] K. Leschonski， S.Roethele， U . Menzel： A s pecial Feeder for Diffraction Pattern Analyses ofDry P owders； Part. Charact.1； 161-166 (1984) ) ( [4] S. Roethele： In-line Laser Diffraction with Innovative Sampling； 7. Europ. S ymposium Particle Character.； 611-624 (1998) ) ( [5] Khramenko： HccJIeIoBaHe pa3pyIeHMA OTceBHoi dpaKIMM KOKca B BOIHoi cpeie cIIOMOIIbIO MHorocTyIIeyaToro roMoreHM3aTopa，RUSAL， D epartment of anode production (2006) ) 如需更详细资料，敬请联系： 德国新帕泰克有限公司苏州代表处 地址：苏州工业园区旺墩路188号 建屋大厦1010室，邮编：215123 电话：+86-512-6660-7566 传真：+86-512-6660-7599 联系人：耿建芳博士，139-1353-5978