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几种不同刚玉质原料的应用及国标理化指标要求

http://www.hndollar.com    来源:河南丰泰耐材磨料    日期:2019-09-26

刚玉为α-A12O3的结晶矿物。刚玉为三方晶系,体积密度3。95~4。1g·㎝-3,莫氏硬度9,熔点为2050℃,导热系数(1000℃)为6。16W/(m·K),线膨胀系数(20~1000℃)为8。0×10-6℃-1。

刚玉具有耐高温、高强度、高硬度、电绝缘、耐腐蚀等物理化学特性,被广泛的应用于耐火材料行业。

刚玉的熔点高达2050℃,优质刚玉制品的耐火度大于1900°C,荷重软化开始温度约1850°C,极限使用温度1950°C,长期使用温度1800°C。但是,刚玉的热膨胀系数为8.6,属于抗热震性中等偏下的物质。刚玉的硬度为9, 是仅低于金刚石和少数人工合成的高硬矿物。氧化铝制品具有很高的强度,常温耐压强度可达2000MPa;常温抗折强度可达250MPa以上,1000℃时抗折强度还有150MPa。高密度的氧化铝制品可以较好地抵御铁、铝、镍、钒等熔融金属的侵蚀;常温下,不受硫酸、盐酸、硝酸、氢氟酸的腐蚀,但高温下,氟化钠、 浓硫酸对氧化铝有一定侵蚀。氧化铝对玻璃、炉渣的侵蚀有一定的抵抗力。

根据制造方法不同可将刚玉分为两大类:其一,以矾土为原料直接制造的刚玉原料,如棕刚玉、高铝刚玉;其二,从矾土中提炼出氧化铝,再将工业铝氧制成刚玉原料,如白刚玉、致密刚玉、烧结刚玉等。各种电熔刚玉的性能比较见表1。

表1 各种电熔刚玉性能比较

(一)烧结刚玉

烧结刚玉是指以锻烧氧化铝(或工业氧化铝)为原料,经磨细制成料球或坯体,在1750~1950℃的高温下烧结而成的耐火熟料。含A12O399%以上的烧结刚玉显气孔率为4。0%以下,体积密度达到3。55g·㎝-3,高温下具有较好的体积稳定性与化学稳定性,不受还原气氛、熔融玻璃液和金属液的侵蚀,常温、高温机械强度和耐磨性较好。

为了使氧化铝易于烧结,压型前通常对氧化铝进行微粉碎处理。氧化铝的细度对烧结氧化铝的致密度有重要影响。成型方法有压球、真空挤出、压坯等,应尽量提高坯体的体积密度。因为锻烧温度在1750~1950℃左右,所以多用回转窑或竖窑锻烧。A12O3含量较低时,也可用隧道窑锻烧。

板状氧化铝(Tabular alumina),也称板状刚玉,是在1900℃以上的高温下快速烧成且烧结彻底的再结晶α-A12O3,其显微结构有下述特征:α-A12O3结晶粗大,中位径多在40~200m,其晶体二维形貌呈平板状并互相穿插交错;α-A12O3晶体内含许多5~15m的圆形封闭气孔;而开口气孔则较少,一般2%~3%。具有优良的加热体积稳定性和抗热震性。

几种烧结刚玉产品性能见表2。

表2 烧结刚玉的理化指标

(二)电熔刚玉

电熔刚玉是以锻烧氧化铝或铝矾土为原料,经电弧炉在还原气氛下熔融并与金属和其它杂质分离,再经冷凝而制得。根据所用原料和熔炼工艺的不同,常见的品种有:电熔白刚玉、电熔棕刚玉、致密电熔刚玉(低气孔刚玉)、矾土基电熔刚玉(俗称高铝刚玉、亚白刚玉)和锆刚玉等。

以铝矾土为原料熔炼棕刚玉时,通常只进行还原熔炼。作还原剂的含碳物质一般是焦碳或无烟煤。对无烟煤的要求是:固定C≥80%,灰分≤10%,挥发分<7%,水分<3%。焦碳或无烟煤的加入量按还原SiO2、Fe2O3和TiO2三项杂质的需求量考虑。加入的原料必须充分干燥及焙烧脱水,炉料粒度一般为10~40㎜,不要过细,焦炭或无烟煤的粒度为1~5㎜。

熔融过程在三相电弧炉内进行,有间隙式(炉内冷却方式)和倾动式(倾注到其它钢包内冷却方式)两种。后者工艺较合理,正被越来越多的工厂所采用。熔融温度在2000℃左右。

1.电熔白刚玉

现在通常所说的“熔融氧化铝”一般是指“电熔白刚玉”。它是以工业氧化铝为原料,在电弧炉内高温熔化而成,其A12O3含量不小于99%,白色,块料,显气孔率6%~10%,主晶相为a-A12O3,晶体为长条形和菱形,而且往往呈骸状晶体。由于原料很纯,在电炉作业中不发生化学反应,但熔融液体的温度、冷却速度等对块料的结构有很大的影响。在均质方面,重要的是获得尽可能致密的块料。原料中的Na2O凝固时形成β-A12O3,容易集中在块料的中央部位,会对耐火材料、研磨材料带来不利影响,所以必须注意原料中Na2O的含量。此外,块料中尚有少量的霞石、玻璃相等。

国标GB/T2479-2008《普通磨料 白刚玉》里规定了白刚玉的技术条件,见表3.

表3 白刚玉的技术条件

2。致密电熔刚玉

致密电熔刚玉是以工业氧化铝为原料,加入外加剂,在电炉中熔融而成。熔融时应严格操作,以控制碳化物的过量生成。致密电熔刚玉外观呈灰色、灰黑色或灰白色,A12O3大于98%,显气孔率比电熔白刚玉低,一般小于4%,体积密度大于3。8g·㎝-3,主晶相为a-A12O3,次晶相有FeTiO3、CaA112O9、Ca3Si8O9、TiN、Ti4O7等,还有少量玻璃相。致密刚玉中C含量应≤0。14%,并应尽量减少β-A12O3的生成,以提高刚玉颗粒强度及抗侵蚀性能。电熔刚玉中含有的碳化物(A14C3、A14O4C、A12C)时,碳化物在常温下可与水反应:

A14C3+12H2O→4A1(OH)3+3CH4↑

造成电熔刚玉颗粒粉化。配制不定形耐火材料时可致使施工体疏松、鼓胀,甚至严重开裂。致密电熔刚玉在耐火制品中多做骨料,在不定形耐火材料中的应用正不断扩大。

我国黑色冶金行业标准YB/T 102-2007《耐火材料用电熔刚玉》里规定了电熔刚玉的理化指标,见表4.

表4 耐火材料用电熔刚玉的理化指标

3.棕刚玉

棕刚玉是以天然铝矾土为原料,以碳素(主要是焦炭)为还原剂,同时加入铁屑为沉降剂(澄清剂),以形成硅铁沉于电炉炉底。

棕刚玉呈棕褐色,一般A12O3≥94.5%,SiO2≤3.5%,TiO2≤3.5%,Fe2O3≤1%。矿物组成以a-A12O3为主,晶体形状中心部分为菱形、厚板形和带有裂纹的颗粒,周边有较多的氧化硅、氧化钙熔体结晶,呈长板状,最粗大晶粒呈骸状片晶。由于杂质尚未完全除去,因此棕刚玉中还含有金红石等次晶相以及玻璃相、铁合金和固溶体等。棕刚玉的色调在很大程度上依赖于残存在制品中的氧化钛。

棕刚玉主要用做磨料。近年来已用做大、中型高炉出铁沟浇注料和出铁无水炮泥的骨料以及制造普通刚玉砖(包括高铝碳化硅砖)的原料。

国标GB/T2478-2008《普通磨料 棕刚玉》规定了棕刚玉的技术条件及理化指标,具体见表5。

表5 棕刚玉各牌号产品的化学成分

4.矾土基电熔刚玉

又称亚白刚玉或高铝刚玉,实际上是铝矾土基的致密电熔刚玉。它是在还原气氛和控制条件下电熔特级或一级铝矾土而制得的,熔融时加入还原剂(碳)、沉降剂(铁屑)及脱碳剂(铁鳞)。在冶炼中、前期以过量的还原剂将TiO2还原除去,在冶炼后期再加入脱碳剂或吹氧以除去过量的碳,从而得到亚白刚玉。其理化指标与致密电熔刚玉接近,颜色也接近,通常A12O3含量大于97%,显气孔率小于4%;刚玉结晶一般为粒状,尺寸1~15㎜;主要杂质矿物为六铝酸钙(CA6)、金红石、钛酸铝及其固溶体。但在矿物组成中含有较高的钛化物,热膨胀系数较致密电熔刚玉高。应用于不定形耐火材料、热风炉砖及A12O3-SiC-C砖等。

几种电熔刚玉的理化性能指标见表6。

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