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棕剛玉的物理參數標準
日期：2024-04-28 16:05
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摘要： 1980年之前，棕剛玉的生產者把來自不同產地的鋁礬土加以混合，得到一種優化的爐料，棕剛玉得以產生。近二十年來，磨料的技術不斷發展，人們對高質量、高研磨性的磨料和耐火材料的需求劇增，正在尋求具有優化的硬度和耐用性特點的棕剛玉(BFA)。欲使棕剛玉的性能達到這樣一種極限，則須了解化學成分及所含雜質是如何能夠提高或降低其質量的。
棕剛玉是用煆燒鋁礬土在電弧爐內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(氧化鐵、二氧化矽和氧化鈦)被還原成金屬。雜質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，棕剛玉的生產者把來自不同產地的鋁礬土加以混合，得到一種優化的爐料，棕剛玉得以產生。近二十年來，磨料的技術不斷發展，人們對高質量、高研磨性的磨料和耐火材料的需求劇增，正在尋求具有優化的硬度和耐用性特點的棕剛玉(BFA)。欲使棕剛玉的性能達到這樣一種極限，則須了解化學成分及所含雜質是如何能夠提高或降低其質量的。
棕剛玉是用煆燒鋁礬土在電弧爐內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(氧化鐵、二氧化矽和氧化鈦)被還原成金屬。雜質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生成矽鐵合金。絕大多數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。
棕剛玉的物理結構
有必要對棕剛玉的結構作一簡單的了解，這樣可以避免發生不測的質量問題。棕剛玉的顯微鏡檢查表明，它是由α-氧化鋁晶粒構成的，被少量的玻璃狀熔渣(見圖2)粘在一起。滿足典型的技術條件的棕剛玉，由95%以上的α-氧化鋁晶體構成，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。這些氧化物構成了玻璃相，它在α-氧化鋁晶粒的晶體結構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，同時玻璃相和雜質的存在則賦予棕剛玉以韌性或抗破碎性。對滿足典型技術條件要求的棕剛玉，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現的。典型的棕剛玉技術條件可接受的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條件的棕剛玉。同時，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者和製造者都是一個再現性的質量標誌。當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導致蘭色的出現。Ti2O3是鈦能夠固溶於α-氧化鋁晶粒中的**的氧化物，同時，TiO2又是鈦的熱動力穩定性*好的氧化物。在1000℃以上，氧能夠擴散到α-氧化鋁晶粒裡，將Ti2O3氧化成更穩定的TiO2。然後包裹在α-氧化鋁晶粒體中。TiO2的核繼續聚結並以與溫度相關的速率生長。一旦二氧化鈦晶粒達到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”。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)含量技術條件2.4%～3.0%的高到中等範圍，而非蘭顆粒則低於技術條件的下限。可能存在某種棕剛玉，其化學成分在典型的技術條件範圍之內，但煆燒後卻不會發蘭，那是因為它多數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。推測這是因為MgO抑製了TiO2晶粒的生長，使其尺寸保持在能使蘭光散射的範圍之內。棕剛玉的韌性隨著TiO2晶核的生長而增強。均勻彌散在α-氧化鋁晶粒內部的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**相是一個大家熟知的材料增韌的機理。韌性增強*大的點在棕剛玉發出蘭色之前。蘭色不僅對棕剛玉的消費者的商品化是重要的，而且它還表明此時棕剛玉已經充分地煆燒到了增加其韌性的程度。
棕剛玉是用煆燒鋁礬土在電弧爐內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(氧化鐵、二氧化矽和氧化鈦)被還原成金屬。雜質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生成矽鐵合金。絕大多數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。
棕剛玉的物理結構
有必要對棕剛玉的結構作一簡單的了解，這樣可以避免發生不測的質量問題。棕剛玉的顯微鏡檢查表明，它是由α-氧化鋁晶粒構成的，被少量的玻璃狀熔渣(見圖2)粘在一起。滿足典型的技術條件的棕剛玉，由95%以上的α-氧化鋁晶體構成，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。這些氧化物構成了玻璃相，它在α-氧化鋁晶粒的晶體結構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，同時玻璃相和雜質的存在則賦予棕剛玉以韌性或抗破碎性。對滿足典型技術條件要求的棕剛玉，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現的。典型的棕剛玉技術條件可接受的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條件的棕剛玉。同時，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者和製造者都是一個再現性的質量標誌。當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導致蘭色的出現。Ti2O3是鈦能夠固溶於α-氧化鋁晶粒中的**的氧化物，同時，TiO2又是鈦的熱動力穩定性*好的氧化物。在1000℃以上，氧能夠擴散到α-氧化鋁晶粒裡，將Ti2O3氧化成更穩定的TiO2。然後包裹在α-氧化鋁晶粒體中。TiO2的核繼續聚結並以與溫度相關的速率生長。一旦二氧化鈦晶粒達到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”。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)含量技術條件2.4%～3.0%的高到中等範圍，而非蘭顆粒則低於技術條件的下限。可能存在某種棕剛玉，其化學成分在典型的技術條件範圍之內，但煆燒後卻不會發蘭，那是因為它多數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。推測這是因為MgO抑製了TiO2晶粒的生長，使其尺寸保持在能使蘭光散射的範圍之內。棕剛玉的韌性隨著TiO2晶核的生長而增強。均勻彌散在α-氧化鋁晶粒內部的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**相是一個大家熟知的材料增韌的機理。韌性增強*大的點在棕剛玉發出蘭色之前。蘭色不僅對棕剛玉的消費者的商品化是重要的，而且它還表明此時棕剛玉已經充分地煆燒到了增加其韌性的程度。