掺杂少量氧化钠的铝酸钙矿物形成规律研究

铝酸钙是低钠石灰烧结法清洁生产氧化铝新工艺熟料的重要组成，铝酸钙的溶解性能关系到熟料中氧化铝溶出率指标的好坏。以往研究表明，C12A7、C3A和CA是石灰烧结法熟料体系中铝酸钙的构成，其中以C12A7溶解性能最好。而申请者大量实验结果表明，钙比（CaO与Al2O3的摩尔数比）为1.4时得到的铝酸钙晶体溶解性能优于C12A7（C12A7的钙比为1.7），且有少量Na2O存在时能促进溶解性能良好的铝酸钙晶体生成，大大降低熟料烧结配钙量、提高氧化铝溶出率和降低烧结温度，这正是低钠石灰烧结法清洁生产氧化铝新工艺得以实现的关键技术。.关于钙比1.4的铝酸钙晶体分子结构及Na2O的加入能促进溶解性能良好的铝酸钙晶体生成的机理目前尚无文献报导，因此，申请者拟借助现代分析技术和分子动力学模拟技术对掺杂Na2O在不同钙铝化合物生成反应、晶型转变及相变过程的作用进行研究，为建立低钠石灰烧结法工艺奠定理论基础。

从宏观、介观和微观三方面系统研究了Na2O掺杂下铝酸钙矿物形态演变机理和晶体结构形成规律，揭示了铝酸钙晶体微观结构单元分布和矿物组成随宏观组分和烧结温度的空间转变机制。当C/A为0.6~1.7时，铝酸钙化合物包括Ca3Al2O6（C3A）、Ca5Al6O14（C5A3）、Ca12Al14O33（C12A7）、CaAl2O4（CA）、CaAl4O7（CA2）和CaAl12O19（CA6），其中Al2O3、CA6、CA2、CA、C12A7和C3A成层状分布，Al2O3分布在核心区域内，外层含钙量较高。C/A不同时，优先生成C3A和C5A3。CaO和Al2O3逐渐消耗后，不同铝酸钙之间相互反应生成平衡物相。随着烧结时间的延长，C3A、CA和mayenite晶胞体积逐渐下降，mayenite晶胞逐渐完善，化学式由C11.3A7转变为C12A7。当C/A为1.0时，Na2O掺杂C-A体系熟料由CA、C12A7、Na2O·Al2O3和Na4Ca3(AlO2)10（N2C3A5）组成。除形成含Na2O化合物外，其余Na2O主要固溶于C12A7中。随着Na2O含量升高，C12A7和N2C3A5结晶度降低，CA结晶度升高。. 通过MS软件在建立完整C12A7基础上减少Ca原子数，对Ca空位C12A7及Na2O掺杂C12A7晶体进行几何优化模拟表明，Ca空位对C12A7晶体结构稳定性影响显著，随着Ca空位增加，C12A7晶格参量和晶胞体积逐渐降低，自由能增加，稳定性变差；用Na原子替换C12A7晶胞中的Ca原子，掺杂后C12A7晶胞体积增加，自由能增加，晶体稳定性降低，化学活性提高。. 860~1000℃是N2C3A5主体晶体结构形成期，高于1000℃时主要是剩余少量CaO扩散至N2C3A5，使其逐步完善。N2C3A5合成反应属于F2模型，其活化能为223.97KJ/mol，指前因子为3.42×106，其晶粒远大于杂质CA晶粒。N2C3A5拉曼特征峰分别为524、789、1590和2712cm-1；红外吸收峰为704、777、770和600cm-1为中心的宽吸收峰；N2C3A5晶体结构中同时存在AlO4和AlO6。1200℃烧结30min可得纯度高于90%的N2C3A5。N2C3A5氧化铝浸出率高于90%，其浸出性能优于C12A7和CA，且Na2O掺杂提高了铝酸钙活性。