铝灰的化学成分由于原料组成及工艺等不同，具有较明显的差异性，主要由金属铝、氧化铝及盐熔剂等的混合物构成。具体是：Al10%~30%，Al?O320%~40%,Si，Mg，Fe氧化物7%~15%，K，Na，Ca，Mg氯化物和少量氟化物15%~30%。其中部分氧化物和氯化物附着于金属铝的表面。耐火材料属资源型产业，化学成分及类型多种多样，具有容纳各种原材料的空间。铝灰的化学成分与耐火材料的主要原料铝矾土相近，可以考虑直接或经加工处理后成为耐火原料,为铝灰的有效利用开辟一条新途径，既保护环境，又降低耐火材料企业的生产成本，对企业可持续发展具有一定帮助。铝灰加入耐火材料配料中的应用：1.1作为防爆剂：能改善不定形耐火材料衬体的透气性，防止衬体在烘烤过程中由于产生的蒸气压过大而发生爆 裂的物质称为防爆剂，也称为快干剂(可快速烘烤的添加剂)。不定形耐火材料的防爆剂有活性金属铝粉，铝粉与H?O反应生成Al(OH)?，并放出H?，在浇注料尚未凝固前，H?从浇注料逸出时会形成毛细排气孔，从而提高其排气性。王立旺[1]采用铝灰替代铝粉作防爆剂，用于铁沟浇注料，其铝灰的化学成分是：Al31.63%，Al?O?18.15%，AlN9.25%，MgO6.16%，SiO?12.21%，Fe?O?7.27%，CaO2.23%，Na?O2.15%，K?O1.03%，TiO?2.04%，Cr?O?0.58%，其他7.33%。其中的Al，AlN能水化放出气体。试验得出铁沟浇注料中加入w(铝灰)4%，能很好地起到防爆作用，铝灰加入过多，会出现鼓胀开裂，铝灰还能促进铁沟料硬化，缩短施工时间。1.2加入高炉出铁口炮泥中：黄朝晖等人发明在高炉出铁口炮泥中添加铝灰0.4%~40%替代铝质和硅质原料。其他原料是：工业级刚玉、碳化硅、中温沥青颗粒粉、苏州土细粉、焦炭粉等，以焦油及改性沥青和酚醛树脂为结合剂，混合搅拌均匀，过真空练泥机挤出后，即得到炮泥。其性能稳定，能满足生产要求，并能降低生产成本。1.3代替煅烧铝矾土：有人研究在浇注料、预制件和耐火粘土制品中加入铝灰取代煅烧的铝矾土，而铝灰无需煅烧，可直接作原料，大约用量在5%。利用铝灰加工配制耐火材料，众所周知，原料是耐火材料的基础，高质量的耐火原料才能生产好的产品。对耐火原料基本要求就是耐火性能，即耐火度1580℃以上的原材料才能作为耐火原料。铝灰中除了Al?O?以外，还含有较多耐火性能较低的杂质成分，因此，一般不能用铝灰直接配制耐火材料，需要进一步加工处理，除去杂质，提高Al?O?含量，才能考虑用作耐火材料。以下就铝灰加工处理方法作简要介绍。2.1铝灰的浮选法提纯：刘瑞琼等采用油酸钠为捕收剂，当pH值固定在8.6左右，捕收剂用量为1000g/t时，浮选后铝灰w(Al?O?)含量由原来43.14%提高到86.41%,回收率68.89%。可以替代铝矾土冶炼氧化铝基电熔材料。2.2制取α-Al?O?：α-Al?O?是刚玉等高级耐火材料的主要原料。用铝灰提取的基本原理是：在400~600℃的温度下，铝灰中的金属铝、氧化铝与NaOH和NaNO?反应生成可溶于水的金属盐，并用水将其溶出，实现铝与其他杂质分离之后，使用晶种分解法处理含铝溶液，*终得到α-Al?O?。得出的制备条件是：碱灰比(mNaOH/m铝灰)1.3，盐灰比(mNaNO?/m铝灰)0.7，按比例要求配合，混合均匀，在500℃下熔炼，熔炼时间60min;用去离子水在60℃恒温水溶中浸出熔炼产物，浸出时间30min，固液比1∶4，铝浸出率*高达92.71%，浸出后抽滤，固液分离，浸出液经过净化，调整苛性比，晶种分解和煅烧获得氧化铝。谢刚等人采用加压碱浸、波活化辅助的方法回收铝灰中氧化铝。首先将铝灰破碎、筛分、水洗，与NaOH溶液按固液比1∶7混合搅拌均匀，然后在高压釜内，于140℃，1.15MPa反应6h，经进一步固液分离、酸中和、水洗分离后，将产物置于输出功率5W/g的波设备干燥活化7min，抽风速度为30m/min，*终可得Al?O?产品。还有人通过王水浸取法及添加氧化钇制备高硬度γ-Al?O?。首先铝灰在室温下溶解在王水中，然后在pH为9~10的条件下沉淀，加入0~20%氧化钇粒子，经压实后于1550~1650℃煅烧可得高硬度γ-Al?O?。2.3制取纳米氧化铝：在刚玉耐火制品中引入α-Al?O?粉，降低烧结温度，节约能源，提高其性能。例如：在用电熔刚玉(Al?O?99.5%)的配料中，加入4%~8%的α-Al?O?粉和1%~2%的α-Al?O?纳米粉，制品的烧成温度由1700~1800℃降至1400℃。刘晓红等采用硫酸浸取铝灰制备纳米氧化铝的工艺方法是：首先在80℃搅拌条件下，用硫酸溶液多次浸取铝灰中的铝离子，经过滤分离得到硫酸铝溶液，然后将碳酸氢铵溶液加入到硫酸铝溶液中，在40℃条件下搅拌反应60min，生成前驱体碳酸铝铵沉淀和硫酸铵溶液，经陈化，真空抽滤分离，硫酸铝铵沉淀洗涤干燥后于1200℃煅烧1h，得到粒径约70nm的α-Al?O?粉。2.4利用铝灰冶炼棕刚玉：耐火材料用棕刚玉一般是用特级铝矾土冶炼而成，Al?O?含量94.5%~97%，是中、耐火材料的主要原料，尤其不定形耐火材料用量较多。近年来，为了节能环保，降低生产成本，有人在研究用铝灰冶炼棕刚玉，其中刘瑞琼等[5]试验的低温冶炼制备棕刚玉的效果较好。其生产过程是：将1份铝灰(小于0.10mm)放入2~5份90~100℃热水中，浸泡6~10h，将水排出，并加入排出等质量的90~100℃热水浸泡2~14h，浸泡为放热反应，不断搅拌，保持水温90~100℃，确保铝灰不沉积，将浸泡后的铝灰分离出来后用流动水漂洗，漂洗水流为3~6m/min，然后用真空过滤机过滤，再经80~110℃烘干至水分低于20%，即完成预处理。在电弧炉中熔炼：在铝灰中加入0.5%~4%的沉淀剂铁屑，在炉中1700~1800℃冶炼6~8h，熔融还原铝灰中的SiO?，Fe?O?，TiO?等氧化物，冷却后经粉碎，磁选和筛分得到棕刚玉产品。其试用的铝灰及棕刚玉产品的化学成分见表2。2.5合成Sialon粉：Sialon陶瓷是20世纪70年代后迅速发展起来的一类高温结构材料，Sialon材料以优越的力学性能、热学性能和化学稳定性，被认为是*有希望的高温陶瓷材料之一。Sialon为Si?N4-AlN-Al2O?-SiO?系固溶体，采用纯化学原料制备，成本高。李家镜等[6]采用铝灰、炭黑和粉煤灰为原料，用碳热铝热复合还原氮化工艺制备Sialon粉体。试用铝灰及粉煤灰的化学成分如表3。称好料，进行球磨12h(用Si?N4球，无水乙醇为介质)，然后进行干燥、过筛、压成圆片，再进行煅烧，自然冷却后磨成粉，研究了原料组成、合成温度对生成物相的影响。结果表明：在原料中当Si/Al为1(铝灰为33%，粉煤灰为50%)时，加入17%炭黑，合成温度1450℃，得到的主要物相为Si?Al?O?N(5β-Sialon，Z=3)和SiAl4O?N(415R)的产物;在Si/Al为1.5时，加入80%粉煤灰，1450℃可制备较纯的Si?Al?O?N5粉。2.6制备镁铝尖晶石：镁铝尖晶石是重要的耐火原料，以它为颗粒，镁砂为细粉，制备与刚玉配制钢包用浇注料。李晓娜[7]以铝灰、铝矾土和电熔镁砂为原料，铁屑为沉淀剂，焦炭为还原剂，采用高温电熔法合成富铝镁铝尖晶石。试验表明：加入铝灰20%，40%，60%生产的镁铝尖晶石，其综合指标超过铝矾土基镁铝尖晶石的技术指标;加入40%铝灰时，综合指标*好，其含Al?O?82.48%，SiO?0.35%，MgO14.10%，CaO1.12%，Fe?O?0.5%(质量分数)显气孔率0.9%，体积密度3.48g/cm3，耐火度>1800℃;铝灰加入40%，60%生产的尖晶石中含有六铝酸钙(CA6)相。2.7制备TiN-Al?O?复相耐火原料：TiN-Al?O?复合材料具有优异的高温稳定性，耐磨性及力学性能，是一种优异的耐火材料。刘海涛等[8]以金红石和铝灰为原料，以铝灰中的金属铝为还原剂，采用铝热还原氮化法合成TiN-Al?O?复合粉体。试验用铝灰及金红石的化学成分见表4。其原理是：根据反应式6TiO?+8Al+3N?=6TiN+4Al?O?计算铝灰和金红石理论质量比为16∶27。具体做法是：先称好料，放入球磨机中，干磨12h，以40MPa压力，干压成型坯体，然后放入石墨坩埚，在流动氨气中，600~1400℃，保温5h煅烧。在1300℃煅烧的产品按理论用量合成的产物主要是TiN，α-Al?O?，少量倍长石和MgAl?O4。经计算，TiN为30.4%，α-Al?O?为45.8%，随铝灰增加α-Al?O?增多，TiN减少，当铝灰过量50%时，TiN为26.4%，α-Al?O?为55.0%。TiN-Al?O?复合材料的抗折强度达520.2MPa。2.8电熔莫来石：陈海等[9]利用铝灰电熔莫来石。具体步骤是： 步是铝灰预处理过程，首先在1100℃下煅烧铝灰，使金属铝部分转变为Al?O?，然后将煅烧的铝灰放入水槽中，加入盐酸进行清洗，然后烘干;第二步是电熔，按铝灰、铝矾土与硅石的质量分数比为：30%~80%：0~50%：10%~20%的范围内，混合均匀后加入电弧炉中，熔炼，倒出，冷却，破粉碎，分选，得到莫来石。利用铝灰制取耐火材料结合剂3.1合成聚合氯化铝：聚合氯化铝又称碱式氯化铝，简称PAC，是介于AlCe?和Al(OH)?之间的水解产物，其化学通式为(Al(2OH)nCe6-n)m，其中m<10，n=1~5。聚合氯化铝分为固体和液体两种，固体通常为黄色或无色的树脂状产品，Al?O?含量40%~50%;液体呈无色，黄褐色或黑色，Al?O?含量10%以上。聚合氯化铝可作为定型耐火制品、耐火可塑料、捣打料和浇注料结合剂，对碱化度和密度有一定要求，一般要求碱化度为46%~72%，密度为1.17~1.23g/cm3。谢英惠等[10]研究以铝灰为原料制取聚合氯化铝。其中中和法是将烧碱和盐酸分别与铝灰反应，产生铝酸钠和三氯化铝，然后以合适的配比合成聚合氯化铝。而酸溶法是将铝灰和盐酸反应一次直接产出液体聚合氯化铝。具体操作是：用水洗法除去水溶解的盐类，处理后铝灰Al?O?含量30%左右，然后将工业盐酸与一定量水放入反应器内，搅拌并用水浴加热，称取铝灰逐步加入盐酸溶液中，反应放热，反应温度96℃，时间6~12h，反应结束加入一定水稀释物料，试验认为，铝灰∶HCe∶水为3∶1∶3，反应6~8h为宜，调节pH值为3.5~4.5，陈化15~24h，得到液体聚合氯化铝产品。3.2制取硫酸铝：将硫酸铝溶于水中，可作为定型和不定型耐火材料的结合剂。由于硫酸铝溶液呈酸性，因此主要用于酸性和中性耐火材料结合剂。康文通等[11]研究的以铝灰为原料制备硫酸铝的工艺流程是：铝灰—加入硫酸和水进行反应—过滤除去滤饼—滤液除去杂质—浓缩—冷却结晶—硫酸铝产品。其中反应时间3h，硫酸浓度30%，硫酸用量1.05(以硫酸实际用量与理论用量之比表示)，pH值为3，收率达93.2%