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杂质矿物成分对棕刚玉冶炼工艺及产品性能的影响

发布日期：2019-04-25 浏览次数：文章来源：锐石公司

导读：棕刚玉冶炼的目的主要是还原轻烧熟铝矾土中的钦、硅、铁等杂质氧化物，使其生成密度较大且磁化性能良好的硅铁(钦)合金，从而实现与刚玉熔液

棕刚玉冶炼的目的主要是还原轻烧熟铝矾土中的钦、硅、铁等杂质氧化物，使其生成密度较大且磁化性能良好的硅铁(钦)合金，从而实现与刚玉熔液的分离而获得符合质童要求的刚玉熔液，并经适当冷却结晶而生产棕刚玉块。

为了探究杂质矿物元素在棕刚玉冶炼工艺过程中的反应行为及其在熔块不同部位的富集行为，作者对国内某公司大型棕刚玉倾倒炉进行取样分析，同一炉对应的铝矾土熟料及接包不同部位熔块的化学成分如表1所示。

冶炼棕刚玉的主要生产原料为轻烧熟铝矾土，从表1中1号样品的成分可以看出铝矾土的主要化学成分是A12O，，除此之外还含有部分SiO2、Fe2O3，和Ti02，以及微量的CaO、MgO、Na20、K2O。对比1号样品与2～6号样品可以看出，经冶炼后棕刚玉的杂质成分含量明显减少，而从对刚玉制品的纯度要求来看，棕刚玉中除A12O3，以外的化合物均应视为杂质成分。棕刚玉的冶炼实质是用碳作还原剂去还原熟铝矾土中的杂质，主要还原的杂质成分有Si02、Fe203和TiO2；其中SiO2是影响冶炼工艺过程和产品纯度的最主要的杂质；而Fe2O，经过还原后生成的铁单质与si形成硅铁合金从而达到脱硅的目的，是冶炼工艺可用的杂质矿物；TiO2是棕刚玉着色的主要原因，加入适量的TiO2能够提高磨料的韧性；其它杂质矿物含量虽然较少，但会与A12o3，形成低共熔点、硬度低的化合物，影响产品的耐火度和磨削性能。随着铝矾土品位的不断降低，冶炼棕刚玉所用的铝矾土杂质的含量越来越高，而冶炼过程中不能忽视对杂质含量的控制，因为各种杂质矿物在高温熔炼过程中的反应行为以及在刚玉晶体组织结构中的赋存状态不同，有的对刚玉冶炼工艺和晶体结构性能影响很大，有的虽然对产品性能影响不大，但会导致耗电量增加从而使生产成本升高。各种杂质成分及添加元素在冶炼过程中发生的反应及其对冶炼工艺和棕刚玉产品性能的影响如下所述。

Fe203

Fe203。是冶炼棕刚玉可用的杂质矿物成分，因为在冶炼过程中轻烧熟铝矾土中Fe203，被还原成铁单质进而能生成硅铁合金，从而减少铁屑添加物的加入量，而Fe203，在冶炼过程中的还原过程为2在铝矾土熔化(一般温度在1 850％以上)后，Fe203，先转变成FeO，然后FeO与溶液中的SiO2和A12O，形成铁铝尖晶石和铁橄榄石，铁铝尖晶石在熔化时就分解了，而铁橄榄石则被C还原，最终形成的硅铁(钛)合金与刚玉熔液不同相，并因熔液密度不同而实现刚玉与杂质的分离；但仍有极少量的Fe203，可与氧化铝生成铁铝尖晶石，对棕刚玉的质量有一定的影响。如果铝矾土中的Fe2O，含量过多，不仅会影响棕刚玉的品质，而且会大大增加能耗。

Si0．

当Fe203，被还原降低到一定浓度时，SiO2才开始被还原，并与单质铁结合为高比重的硅铁合金，部分硅矿物被还原为气态的SiO和si挥发掉，少量的SiO2也会在刚玉矿物物相中与A12O3，和CaO结合生成莫来石、钙斜长石、玻璃质等硬度较低的矿物杂质，这些矿物能够降低棕刚玉的磨削能力和增加棕刚玉的脆性；同时SiO2对棕刚玉冶炼也有很大的影响，有资料表明SiO2在铝矾土中的含量每增加2％时，其单位耗电量可增加8％～16％_11I。冶炼生产实践表明，SiO2的含量增多至高达5％以上时会造成炉况不稳定，易粘结电极和结块，增加操作难度，产量明显降低，质量也不稳定，刚玉块单位耗电高、各种原料及辅料的消耗也随之增加Al2o3。

TiO．

对于杂质钛，以何种钛氧化物和何种钛离子价态存在于刚玉熔液中，并在刚玉熔液冷却结晶时赋存于刚玉矿物相中，这是值得研究的课题，目前尚未有一致的结论。

矿物学研究结果表明，钛在铝矾土中的存在形式以锐钛矿为主，经高温轻烧之后部分可转化为金红石型态。在冶炼过程中，SiO2还原反应结束后，TiO2开始部分被还原，熔体存在TiO2、TiO，、Ti2O。、Ti，0。等不同价态的氧化物，其中以TiO2和Ti2O，最为稳定。最终部分被还原成单质钛，在铁单质的参与下，生成铁钛合金或者铁硅钛合金。钛氧化物在熔液状态时是以三价的钛氧化物Ti2O，为主，因为棕刚玉冶炼是在碳质还原气氛下进行的，钛的各种氧化物在熔液状态时除了还原为金属钛外，未还原或部分还原部分最为稳定的、存在量最多的氧化物是Ti2O，。在刚玉熔液冷却过程中接触空气部分熔液冷却结晶体中钛氧化物是以二氧化钛TiO，为主；未接触空气部分熔液冷却结晶体中钛氧化物是以Ti2O，为主，固溶于刚玉晶体中或以玻璃质形式存在于刚玉晶界之间。固溶的Ti2O，会增加刚玉的硬度，不能固溶的Ti2O。和TiO2能促进棕刚玉晶体微晶化而提高刚玉的韧性和耐冲击强度。钛氧化物种类及其固溶量、析晶大小对棕刚玉着色起着主要作用。如果铝矾土中含有过量的TiO2，则会与A12O，发生反应生成钛酸铝，从而影响棕刚玉的品质。

CaO和MgO

CaO和MgO在高品位铝矾土中的含量较少，前者在冶炼的过程中很难被还原，绝大部分仍存在于棕刚玉中。当CaO的含量达到3％时，CaO与A12O，生成六铝酸钙)，这不仅会造成一部分A12O，不能生成刚玉，而且会降低棕刚玉的显微硬度，严重影响棕刚玉材料的热学性能,所以对于轻烧熟铝矾土中的CaO的含量是有所要求的；而MgO是刚玉的微晶

促进剂，在生产微晶刚玉时要求MgO的含量为0．3％～0．8％，含量太少则达不到微晶化效果，含量超过0．8％时，会限制刚玉的结晶，同时与Al20，生成镁铝尖晶石，故适当的加入MgO能够使刚玉结晶微晶化从而提高其强度和韧性。而在高温还原气氛下，MgO的稳定性发生了变化，MgO在棕刚玉熔体中的还原性是还需进一步研究。3．1．5 Na，O和K，ONa2O和K2O等碱金属对棕刚玉的品质是有害的，在冶炼的过程中虽然部分经高温会挥发，但是不能被还原，会与A12O，生成高铝酸钠、高铝酸钾和玻璃质等硬度较低的矿物，从而影响棕刚玉的质量。

其它添加元素

为了提高刚玉的品质，常在生产中添加一些其他矿物元素来提高刚玉的一些性能指标。如添加cr20，，在冶炼过程中Cr2O，能与A12O，形成连续的固溶体，刚玉晶体中A13+被Cr3+取代，使刚玉的晶格的晶面问距增大，晶格产生变形，从而增加了晶体的抗冲击能力，提高了刚玉的韧性；添加锆英砂，锆英砂中的ZrO2能与Al20，生成A12O。一ZrO2共晶体，其中ZrO2从立方相转变为亚稳态的四方相，这些共晶体均匀的存在于OL—A1。O，的晶界处，能够提高刚玉的韧性和强度。与美国、俄罗斯等国相比，我国对于杂质元素在棕刚玉冶炼反应过程中的反应行为的理论研究并不完善，特别是对于碱金属和碱土金属以及含硫等有害杂质矿物在棕刚玉熔炼过程中的行为和赋存状态的理论研究，至今尚未见有明确的研究结论¨4|。面对我国棕刚玉行业现有的主要原料铝土矿资源匮乏和品位的不断降低的现状，这就迫使我们从根本理论上去研究杂质元素的反应行为及其对棕刚玉冶炼工艺、产品性能的影响，调整和改进棕刚玉冶炼的生产工艺，或探索新的生产工艺，实现我国棕刚玉行业的健康可持续发展。

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