文章详情

棕刚玉的物理参数标准

日期:2020-07-09 10:03
浏览次数:6460
摘要: 1980年之前,棕刚玉的生产者把来自不同产地的铝矾土加以混合,得到一种优化的炉料,棕刚玉得以产生。近二十年来,磨料的技术不断发展,人们对高质量、高研磨性的磨料和耐火材料的需求剧增,正在寻求具有优化的硬度和耐用性特点的棕刚玉(BFA)。欲使棕刚玉的性能达到这样一种极限,则须了解化学成分及所含杂质是如何能够提高或降低其质量的。 棕刚玉是用煅烧铝矾土在电弧炉内通过还原过程而制得。焦炭和煤是两种通常用作还原剂的碳源。在熔炼过程中,煅烧铝矾土中过量杂质(氧化铁、二氧化硅和氧化钛)被还原成金属。杂质还原成金属的过程如下: Fe2O3+3C→2Fe+CO SiO2+2C→Si+2CO TiO2+2C→Ti+2CO
      1980年之前,棕刚玉的生产者把来自不同产地的铝矾土加以混合,得到一种优化的炉料,棕刚玉得以产生。近二十年来,磨料的技术不断发展,人们对高质量、高研磨性的磨料和耐火材料的需求剧增,正在寻求具有优化的硬度和耐用性特点的棕刚玉(BFA)。欲使棕刚玉的性能达到这样一种极限,则须了解化学成分及所含杂质是如何能够提高或降低其质量的。
     棕刚玉是用煅烧铝矾土在电弧炉内通过还原过程而制得。焦炭和煤是两种通常用作还原剂的碳源。在熔炼过程中,煅烧铝矾土中过量杂质(氧化铁、二氧化硅和氧化钛)被还原成金属。杂质还原成金属的过程如下:
Fe2O3+3C→2Fe+CO
SiO2+2C→Si+2CO
TiO2+2C→Ti+2CO
     炉料中添加的过量的铁与还原出来的金属杂质生成硅铁合金。绝大多数的硅铁合金从熔化的棕刚玉中析出,并沉积到炉子的底部。在倾倒式炉子中,棕刚玉首先倒出,随后才是硅铁合金。
棕刚玉的物理结构
    
 
  有必要对棕刚玉的结构作一简单的了解,这样可以避免发生不测的质量问题。棕刚玉的显微镜检查表明,它是由α-氧化铝晶粒构成的,被少量的玻璃状熔渣(见图2)粘在一起。满足典型的技术条件的棕刚玉,由95%以上的α-氧化铝晶体构成,是由含Ti2O3的Al2O3固溶体组成的。玻璃状熔渣绝大部分由二氧化硅、二氧化钛组成,还有电弧炉中存在的其他微量氧化物。这些氧化物构成了玻璃相,它在α-氧化铝晶粒的晶体结构中只有较低的溶解度。玻璃状熔渣的多少,及其与α-氧化铝晶粒间杂质的分布是影响棕刚玉性能的主要因素。α-氧化铝赋予棕刚玉材料以硬度和高的熔点,同时玻璃相和杂质的存在则赋予棕刚玉以韧性或抗破碎性。对满足典型技术条件要求的棕刚玉,玻璃相中的二氧化硅和二氧化钛的混合比例,理论上近于1:1,玻璃相中的二氧化硅太多,则过量的二氧化硅则不能保留在玻璃相中,而是与一部分氧化铝反应生成莫来石(2SiO2(3Al2O3)),这将会降低棕刚玉的韧性.另一方面,如果棕刚玉中有过量的氧化钛(TiO2),则不能保留在玻璃相中,而是与氧化铝反应生成钛酸铝(TiO2(Al2O3))。钛酸铝是在α-氧化铝晶粒和玻璃相界面上的第三相,会造成α-氧化铝晶粒间玻璃相的弱化。三相之间的热膨胀系数的差异也会在加热过程中引起晶粒间的裂纹。
棕刚玉中的二氧化硅绝大部分是在玻璃相中发现的。典型的棕刚玉技术条件可接受的TiO2:SiO2的比值依次为2.5:1到6:1。二氧化钛大多作为α-氧化铝晶粒的固溶体存在。在炉内的还原过程中,一部分TiO2被还原成钛的亚氧化物(Ti2O3)。必须十分关注二氧化钛和二氧化铝熔化混合物中的比例,使其保持在能生成符合技术条件的棕刚玉。同时,不能使棕刚玉中的TiO2过还原。固溶的Ti2O3的量对棕刚玉的煅烧颜色和韧性是非常重要的。
棕刚玉锻烧后颜色和韧性
     棕刚玉锻烧后的颜色对棕刚玉的消费者和制造者都是一个再现性的质量标志。当棕刚玉在氧化气氛中煅烧之后,棕刚玉的棕色颗粒即变成兰色,是固溶的Ti2O3导致兰色的出现。Ti2O3是钛能够固溶于α-氧化铝晶粒中的唯壹的氧化物,同时,TiO2又是钛的热动力稳定性*好的氧化物。在1000℃以上,氧能够扩散到α-氧化铝晶粒里,将Ti2O3氧化成更稳定的TiO2。然后包裹在α-氧化铝晶粒体中。TiO2的核继续聚结并以与温度相关的速率生长。一旦二氧化钛晶粒达到0.01至0.1μ大小,它们就开始散射类似于胶体悬浮物的光。这种以兰色光的较短波长有选择的散射,使α-氧化铝晶粒呈兰色。这种小颗粒的光的有选择散射,称为“坦道尔(Tyndall)效应”。如果TiO2的核允许长大到约0.1μm,它们就不再仅散射兰光了,而将散射光的所有波长,经过热处理的棕刚玉将会变成浅灰色。只有含固溶氧化钛(Ti2O3)的棕刚玉才会出现煅烧兰色。低Ti2O3含量的棕刚玉不会变兰。象颗粒材料的许多特性一样,煅烧后变兰是样品所有颗粒的平均颜色。在一种锻烧后的棕刚玉样品中,兰色颗粒所占比例为典型二氧化钛(TiO2)含量技术条件2.4%~3.0%的高到中等范围,而非兰颗粒则低于技术条件的下限。可能存在某种棕刚玉,其化学成分在典型的技术条件范围之内,但煅烧后却不会发兰,那是因为它多数是低二氧化钛颗粒的混合物,掺杂了一些高二氧化钛颗粒。一些棕刚玉制造商在棕刚玉中添加约0.25%的MgO,借以控制棕刚玉煅烧后的颜色,含有这种氧化镁添加剂的棕刚玉趋于具有更深的,更一致的煅烧兰色。推测这是因为MgO抑制了TiO2晶粒的生长,使其尺寸保持在能使兰光散射的范围之内。棕刚玉的韧性随着TiO2晶核的生长而增强。均匀弥散在α-氧化铝晶粒内部的TiO2相使颗粒增韧(见图3)。在一种陶瓷材料中弥散着很好地隔离的第二相是一个大家熟知的材料增韧的机理。韧性增强*大的点在棕刚玉发出兰色之前。兰色不仅对棕刚玉的消费者的商品化是重要的,而且它还表明此时棕刚玉已经充分地煅烧到了增加其韧性的程度。