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棕剛玉的物理參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)
日期：2025-05-01 20:03
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摘要： 1980年之前，棕剛玉的生產(chǎn)者把來自不同產(chǎn)地的鋁礬土加以混合，得到一種優(yōu)化的爐料，棕剛玉得以產(chǎn)生。近二十年來，磨料的技術(shù)不斷發(fā)展，人們對高質(zhì)量、高研磨性的磨料和耐火材料的需求劇增，正在尋求具有優(yōu)化的硬度和耐用性特點(diǎn)的棕剛玉(BFA)。欲使棕剛玉的性能達(dá)到這樣一種極限，則須了解化學(xué)成分及所含雜質(zhì)是如何能夠提高或降低其質(zhì)量的。
棕剛玉是用煆燒鋁礬土在電弧爐內(nèi)通過還原過程而製得。焦炭和煤是兩種通常用作還原劑的碳源。在熔煉過程中，煆燒鋁礬土中過量雜質(zhì)(氧化鐵、二氧化矽和氧化鈦)被還原成金屬。雜質(zhì)還原成金屬的過程如下：
Fe2O3+3C→2Fe+CO
SiO2+2C→Si+2CO
TiO2+2C→Ti+2CO
1980年之前，棕剛玉的生產(chǎn)者把來自不同產(chǎn)地的鋁礬土加以混合，得到一種優(yōu)化的爐料，棕剛玉得以產(chǎn)生。近二十年來，磨料的技術(shù)不斷發(fā)展，人們對高質(zhì)量、高研磨性的磨料和耐火材料的需求劇增，正在尋求具有優(yōu)化的硬度和耐用性特點(diǎn)的棕剛玉(BFA)。欲使棕剛玉的性能達(dá)到這樣一種極限，則須了解化學(xué)成分及所含雜質(zhì)是如何能夠提高或降低其質(zhì)量的。
棕剛玉是用煆燒鋁礬土在電弧爐內(nèi)通過還原過程而製得。焦炭和煤是兩種通常用作還原劑的碳源。在熔煉過程中，煆燒鋁礬土中過量雜質(zhì)(氧化鐵、二氧化矽和氧化鈦)被還原成金屬。雜質(zhì)還原成金屬的過程如下：
Fe2O3+3C→2Fe+CO
SiO2+2C→Si+2CO
TiO2+2C→Ti+2CO
爐料中添加的過量的鐵與還原出來的金屬雜質(zhì)生成矽鐵合金。絕大多數(shù)的矽鐵合金從熔化的棕剛玉中析出，並沉積到爐子的底部。在傾倒式爐子中，棕剛玉首先倒出，隨後才是矽鐵合金。
棕剛玉的物理結(jié)構(gòu)
有必要對棕剛玉的結(jié)構(gòu)作一簡單的了解，這樣可以避免發(fā)生不測的質(zhì)量問題。棕剛玉的顯微鏡檢查表明，它是由α-氧化鋁晶粒構(gòu)成的，被少量的玻璃狀熔渣(見圖2)粘在一起。滿足典型的技術(shù)條件的棕剛玉，由95%以上的α-氧化鋁晶體構(gòu)成，是由含Ti2O3的Al2O3固溶體組成的。玻璃狀熔渣絕大部分由二氧化矽、二氧化鈦組成，還有電弧爐中存在的其他微量氧化物。這些氧化物構(gòu)成了玻璃相，它在α-氧化鋁晶粒的晶體結(jié)構(gòu)中隻有較低的溶解度。玻璃狀熔渣的多少，及其與α-氧化鋁晶粒間雜質(zhì)的分布是影響棕剛玉性能的主要因素。α-氧化鋁賦予棕剛玉材料以硬度和高的熔點(diǎn)，同時(shí)玻璃相和雜質(zhì)的存在則賦予棕剛玉以韌性或抗破碎性。對滿足典型技術(shù)條件要求的棕剛玉，玻璃相中的二氧化矽和二氧化鈦的混合比例，理論上近於1：1，玻璃相中的二氧化矽太多，則過量的二氧化矽則不能保留在玻璃相中，而是與一部分氧化鋁反應(yīng)生成莫來石(2SiO2(3Al2O3))，這將會降低棕剛玉的韌性.另一方麵，如果棕剛玉中有過量的氧化鈦(TiO2)，則不能保留在玻璃相中，而是與氧化鋁反應(yīng)生成鈦酸鋁(TiO2(Al2O3))。鈦酸鋁是在α-氧化鋁晶粒和玻璃相界麵上的第三相，會造成α-氧化鋁晶粒間玻璃相的弱化。三相之間的熱膨脹係數(shù)的差異也會在加熱過程中引起晶粒間的裂紋。
棕剛玉中的二氧化矽絕大部分是在玻璃相中發(fā)現(xiàn)的。典型的棕剛玉技術(shù)條件可接受的TiO2：SiO2的比值依次為2.5：1到6：1。二氧化鈦大多作為α-氧化鋁晶粒的固溶體存在。在爐內(nèi)的還原過程中，一部分TiO2被還原成鈦的亞氧化物(Ti2O3)。必須十分關(guān)注二氧化鈦和二氧化鋁熔化混合物中的比例，使其保持在能生成符合技術(shù)條件的棕剛玉。同時(shí)，不能使棕剛玉中的TiO2過還原。固溶的Ti2O3的量對棕剛玉的煆燒顏色和韌性是非常重要的。
棕剛玉鍛燒後顏色和韌性
棕剛玉鍛燒後的顏色對棕剛玉的消費(fèi)者和製造者都是一個(gè)再現(xiàn)性的質(zhì)量標(biāo)誌。當(dāng)棕剛玉在氧化氣氛中煆燒之後，棕剛玉的棕色顆粒即變成蘭色，是固溶的Ti2O3導(dǎo)致蘭色的出現(xiàn)。Ti2O3是鈦能夠固溶於α-氧化鋁晶粒中的**的氧化物，同時(shí)，TiO2又是鈦的熱動(dòng)力穩(wěn)定性*好的氧化物。在1000℃以上，氧能夠擴(kuò)散到α-氧化鋁晶粒裡，將Ti2O3氧化成更穩(wěn)定的TiO2。然後包裹在α-氧化鋁晶粒體中。TiO2的核繼續(xù)聚結(jié)並以與溫度相關(guān)的速率生長。一旦二氧化鈦晶粒達(dá)到0.01至0.1μ大小，它們就開始散射類似於膠體懸浮物的光。這種以蘭色光的較短波長有選擇的散射，使α-氧化鋁晶粒呈蘭色。這種小顆粒的光的有選擇散射，稱為“坦道爾(Tyndall)效應(yīng)”。如果TiO2的核允許長大到約0.1μm，它們就不再僅散射蘭光了，而將散射光的所有波長，經(jīng)過熱處理的棕剛玉將會變成淺灰色。隻有含固溶氧化鈦(Ti2O3)的棕剛玉才會出現(xiàn)煆燒蘭色。低Ti2O3含量的棕剛玉不會變蘭。象顆粒材料的許多特性一樣，煆燒後變蘭是樣品所有顆粒的平均顏色。在一種鍛燒後的棕剛玉樣品中，蘭色顆粒所占比例為典型二氧化鈦(TiO2)含量技術(shù)條件2.4%～3.0%的高到中等範(fàn)圍，而非蘭顆粒則低於技術(shù)條件的下限。可能存在某種棕剛玉，其化學(xué)成分在典型的技術(shù)條件範(fàn)圍之內(nèi)，但煆燒後卻不會發(fā)蘭，那是因?yàn)樗鄶?shù)是低二氧化鈦顆粒的混合物，摻雜了一些高二氧化鈦顆粒。一些棕剛玉製造商在棕剛玉中添加約0.25%的MgO，借以控製棕剛玉煆燒後的顏色，含有這種氧化鎂添加劑的棕剛玉趨於具有更深的，更一致的煆燒蘭色。推測這是因?yàn)镸gO抑製了TiO2晶粒的生長，使其尺寸保持在能使蘭光散射的範(fàn)圍之內(nèi)。棕剛玉的韌性隨著TiO2晶核的生長而增強(qiáng)。均勻彌散在α-氧化鋁晶粒內(nèi)部的TiO2相使顆粒增韌(見圖3)。在一種陶瓷材料中彌散著很好地隔離的**相是一個(gè)大家熟知的材料增韌的機(jī)理。韌性增強(qiáng)*大的點(diǎn)在棕剛玉發(fā)出蘭色之前。蘭色不僅對棕剛玉的消費(fèi)者的商品化是重要的，而且它還表明此時(shí)棕剛玉已經(jīng)充分地?zé)彑搅嗽黾悠漤g性的程度。
棕剛玉是用煆燒鋁礬土在電弧爐內(nèi)通過還原過程而製得。焦炭和煤是兩種通常用作還原劑的碳源。在熔煉過程中，煆燒鋁礬土中過量雜質(zhì)(氧化鐵、二氧化矽和氧化鈦)被還原成金屬。雜質(zhì)還原成金屬的過程如下：
Fe2O3+3C→2Fe+CO
SiO2+2C→Si+2CO
TiO2+2C→Ti+2CO
爐料中添加的過量的鐵與還原出來的金屬雜質(zhì)生成矽鐵合金。絕大多數(shù)的矽鐵合金從熔化的棕剛玉中析出，並沉積到爐子的底部。在傾倒式爐子中，棕剛玉首先倒出，隨後才是矽鐵合金。
棕剛玉的物理結(jié)構(gòu)
有必要對棕剛玉的結(jié)構(gòu)作一簡單的了解，這樣可以避免發(fā)生不測的質(zhì)量問題。棕剛玉的顯微鏡檢查表明，它是由α-氧化鋁晶粒構(gòu)成的，被少量的玻璃狀熔渣(見圖2)粘在一起。滿足典型的技術(shù)條件的棕剛玉，由95%以上的α-氧化鋁晶體構(gòu)成，是由含Ti2O3的Al2O3固溶體組成的。玻璃狀熔渣絕大部分由二氧化矽、二氧化鈦組成，還有電弧爐中存在的其他微量氧化物。這些氧化物構(gòu)成了玻璃相，它在α-氧化鋁晶粒的晶體結(jié)構(gòu)中隻有較低的溶解度。玻璃狀熔渣的多少，及其與α-氧化鋁晶粒間雜質(zhì)的分布是影響棕剛玉性能的主要因素。α-氧化鋁賦予棕剛玉材料以硬度和高的熔點(diǎn)，同時(shí)玻璃相和雜質(zhì)的存在則賦予棕剛玉以韌性或抗破碎性。對滿足典型技術(shù)條件要求的棕剛玉，玻璃相中的二氧化矽和二氧化鈦的混合比例，理論上近於1：1，玻璃相中的二氧化矽太多，則過量的二氧化矽則不能保留在玻璃相中，而是與一部分氧化鋁反應(yīng)生成莫來石(2SiO2(3Al2O3))，這將會降低棕剛玉的韌性.另一方麵，如果棕剛玉中有過量的氧化鈦(TiO2)，則不能保留在玻璃相中，而是與氧化鋁反應(yīng)生成鈦酸鋁(TiO2(Al2O3))。鈦酸鋁是在α-氧化鋁晶粒和玻璃相界麵上的第三相，會造成α-氧化鋁晶粒間玻璃相的弱化。三相之間的熱膨脹係數(shù)的差異也會在加熱過程中引起晶粒間的裂紋。
棕剛玉中的二氧化矽絕大部分是在玻璃相中發(fā)現(xiàn)的。典型的棕剛玉技術(shù)條件可接受的TiO2：SiO2的比值依次為2.5：1到6：1。二氧化鈦大多作為α-氧化鋁晶粒的固溶體存在。在爐內(nèi)的還原過程中，一部分TiO2被還原成鈦的亞氧化物(Ti2O3)。必須十分關(guān)注二氧化鈦和二氧化鋁熔化混合物中的比例，使其保持在能生成符合技術(shù)條件的棕剛玉。同時(shí)，不能使棕剛玉中的TiO2過還原。固溶的Ti2O3的量對棕剛玉的煆燒顏色和韌性是非常重要的。
棕剛玉鍛燒後顏色和韌性
棕剛玉鍛燒後的顏色對棕剛玉的消費(fèi)者和製造者都是一個(gè)再現(xiàn)性的質(zhì)量標(biāo)誌。當(dāng)棕剛玉在氧化氣氛中煆燒之後，棕剛玉的棕色顆粒即變成蘭色，是固溶的Ti2O3導(dǎo)致蘭色的出現(xiàn)。Ti2O3是鈦能夠固溶於α-氧化鋁晶粒中的**的氧化物，同時(shí)，TiO2又是鈦的熱動(dòng)力穩(wěn)定性*好的氧化物。在1000℃以上，氧能夠擴(kuò)散到α-氧化鋁晶粒裡，將Ti2O3氧化成更穩(wěn)定的TiO2。然後包裹在α-氧化鋁晶粒體中。TiO2的核繼續(xù)聚結(jié)並以與溫度相關(guān)的速率生長。一旦二氧化鈦晶粒達(dá)到0.01至0.1μ大小，它們就開始散射類似於膠體懸浮物的光。這種以蘭色光的較短波長有選擇的散射，使α-氧化鋁晶粒呈蘭色。這種小顆粒的光的有選擇散射，稱為“坦道爾(Tyndall)效應(yīng)”。如果TiO2的核允許長大到約0.1μm，它們就不再僅散射蘭光了，而將散射光的所有波長，經(jīng)過熱處理的棕剛玉將會變成淺灰色。隻有含固溶氧化鈦(Ti2O3)的棕剛玉才會出現(xiàn)煆燒蘭色。低Ti2O3含量的棕剛玉不會變蘭。象顆粒材料的許多特性一樣，煆燒後變蘭是樣品所有顆粒的平均顏色。在一種鍛燒後的棕剛玉樣品中，蘭色顆粒所占比例為典型二氧化鈦(TiO2)含量技術(shù)條件2.4%～3.0%的高到中等範(fàn)圍，而非蘭顆粒則低於技術(shù)條件的下限。可能存在某種棕剛玉，其化學(xué)成分在典型的技術(shù)條件範(fàn)圍之內(nèi)，但煆燒後卻不會發(fā)蘭，那是因?yàn)樗鄶?shù)是低二氧化鈦顆粒的混合物，摻雜了一些高二氧化鈦顆粒。一些棕剛玉製造商在棕剛玉中添加約0.25%的MgO，借以控製棕剛玉煆燒後的顏色，含有這種氧化鎂添加劑的棕剛玉趨於具有更深的，更一致的煆燒蘭色。推測這是因?yàn)镸gO抑製了TiO2晶粒的生長，使其尺寸保持在能使蘭光散射的範(fàn)圍之內(nèi)。棕剛玉的韌性隨著TiO2晶核的生長而增強(qiáng)。均勻彌散在α-氧化鋁晶粒內(nèi)部的TiO2相使顆粒增韌(見圖3)。在一種陶瓷材料中彌散著很好地隔離的**相是一個(gè)大家熟知的材料增韌的機(jī)理。韌性增強(qiáng)*大的點(diǎn)在棕剛玉發(fā)出蘭色之前。蘭色不僅對棕剛玉的消費(fèi)者的商品化是重要的，而且它還表明此時(shí)棕剛玉已經(jīng)充分地?zé)彑搅嗽黾悠漤g性的程度。