為了探究雜質(zhì)礦物元素在棕剛玉冶煉工藝過程中的反應行為及其在熔塊不同部位的富集行為，作者對國內(nèi)某公司大型棕剛玉傾倒爐進行取樣分析，同一爐對應的鋁礬土熟料及接包不同部位熔塊的化學成分如表1所示。

 

 

冶煉棕剛玉的主要生產(chǎn)原料為輕燒熟鋁礬土，從表1中1號樣品的成分可以看出鋁礬土的主要化學成分是A12O，，除此之外還含有部分SiO2、Fe2O3，和Ti02，以及微量的CaO、MgO、Na20、K2O。對比1號樣品與2～6號樣品可以看出，經(jīng)冶煉后棕剛玉的雜質(zhì)成分含量明顯減少，而從對剛玉制品的純度要求來看，棕剛玉中除A12O3，以外的化合物均應視為雜質(zhì)成分。棕剛玉的冶煉實質(zhì)是用碳作還原劑去還原熟鋁礬土中的雜質(zhì)，主要還原的雜質(zhì)成分有Si02、Fe203和TiO2；其中SiO2是影響冶煉工藝過程和產(chǎn)品純度的最主要的雜質(zhì)；而Fe2O，經(jīng)過還原后生成的鐵單質(zhì)與si形成硅鐵合金從而達到脫硅的目的，是冶煉工藝可用的雜質(zhì)礦物；TiO2是棕剛玉著色的主要原因，加入適量的TiO2能夠提高磨料的韌性；其它雜質(zhì)礦物含量雖然較少，但會與A12o3，形成低共熔點、硬度低的化合物，影響產(chǎn)品的耐火度和磨削性能。隨著鋁礬土品位的不斷降低，冶煉棕剛玉所用的鋁礬土雜質(zhì)的含量越來越高，而冶煉過程中不能忽視對雜質(zhì)含量的控制，因為各種雜質(zhì)礦物在高溫熔煉過程中的反應行為以及在剛玉晶體組織結構中的賦存狀態(tài)不同，有的對剛玉冶煉工藝和晶體結構性能影響很大，有的雖然對產(chǎn)品性能影響不大，但會導致耗電量增加從而使生產(chǎn)成本升高。各種雜質(zhì)成分及添加元素在冶煉過程中發(fā)生的反應及其對冶煉工藝和棕剛玉產(chǎn)品性能的影響如下所述。

 

Fe203

Fe203。是冶煉棕剛玉可用的雜質(zhì)礦物成分，因為在冶煉過程中輕燒熟鋁礬土中Fe203，被還原成鐵單質(zhì)進而能生成硅鐵合金，從而減少鐵屑添加物的加入量，而Fe203，在冶煉過程中的還原過程為2在鋁礬土熔化(一般溫度在1 850％以上)后，F(xiàn)e203，先轉(zhuǎn)變成FeO，然后FeO與溶液中的SiO2和A12O，形成鐵鋁尖晶石和鐵橄欖石，鐵鋁尖晶石在熔化時就分解了，而鐵橄欖石則被C還原，最終形成的硅鐵(鈦)合金與剛玉熔液不同相，并因熔液密度不同而實現(xiàn)剛玉與雜質(zhì)的分離；但仍有極少量的Fe203，可與氧化鋁生成鐵鋁尖晶石，對棕剛玉的質(zhì)量有一定的影響。如果鋁礬土中的Fe2O，含量過多，不僅會影響棕剛玉的品質(zhì)，而且會大大增加能耗。

Si0．

當Fe203，被還原降低到一定濃度時，SiO2才開始被還原，并與單質(zhì)鐵結合為高比重的硅鐵合金，部分硅礦物被還原為氣態(tài)的SiO和si揮發(fā)掉，少量的SiO2也會在剛玉礦物物相中與A12O3，和CaO結合生成莫來石、鈣斜長石、玻璃質(zhì)等硬度較低的礦物雜質(zhì)，這些礦物能夠降低棕剛玉的磨削能力和增加棕剛玉的脆性；同時SiO2對棕剛玉冶煉也有很大的影響，有資料表明SiO2在鋁礬土中的含量每增加2％時，其單位耗電量可增加8％～16％_11I。冶煉生產(chǎn)實踐表明，SiO2的含量增多至高達5％以上時會造成爐況不穩(wěn)定，易粘結電極和結塊，增加操作難度，產(chǎn)量明顯降低，質(zhì)量也不穩(wěn)定，剛玉塊單位耗電高、各種原料及輔料的消耗也隨之增加Al2o3。

TiO．

對于雜質(zhì)鈦，以何種鈦氧化物和何種鈦離子價態(tài)存在于剛玉熔液中，并在剛玉熔液冷卻結晶時賦存于剛玉礦物相中，這是值得研究的課題，目前尚未有一致的結論。

礦物學研究結果表明，鈦在鋁礬土中的存在形式以銳鈦礦為主，經(jīng)高溫輕燒之后部分可轉(zhuǎn)化為金紅石型態(tài)。在冶煉過程中，SiO2還原反應結束后，TiO2開始部分被還原，熔體存在TiO2、TiO，、Ti2O。、Ti，0。等不同價態(tài)的氧化物，其中以TiO2和Ti2O，最為穩(wěn)定。最終部分被還原成單質(zhì)鈦，在鐵單質(zhì)的參與下，生成鐵鈦合金或者鐵硅鈦合金。鈦氧化物在熔液狀態(tài)時是以三價的鈦氧化物Ti2O，為主，因為棕剛玉冶煉是在碳質(zhì)還原氣氛下進行的，鈦的各種氧化物在熔液狀態(tài)時除了還原為金屬鈦外，未還原或部分還原部分最為穩(wěn)定的、存在量最多的氧化物是Ti2O，。在剛玉熔液冷卻過程中接觸空氣部分熔液冷卻結晶體中鈦氧化物是以二氧化鈦TiO，為主；未接觸空氣部分熔液冷卻結晶體中鈦氧化物是以Ti2O，為主，固溶于剛玉晶體中或以玻璃質(zhì)形式存在于剛玉晶界之間。固溶的Ti2O，會增加剛玉的硬度，不能固溶的Ti2O。和TiO2能促進棕剛玉晶體微晶化而提高剛玉的韌性和耐沖擊強度。鈦氧化物種類及其固溶量、析晶大小對棕剛玉著色起著主要作用。如果鋁礬土中含有過量的TiO2，則會與A12O，發(fā)生反應生成鈦酸鋁，從而影響棕剛玉的品質(zhì)。

CaO和MgO

CaO和MgO在高品位鋁礬土中的含量較少，前者在冶煉的過程中很難被還原，絕大部分仍存在于棕剛玉中。當CaO的含量達到3％時，CaO與A12O，生成六鋁酸鈣)，這不僅會造成一部分A12O，不能生成剛玉，而且會降低棕剛玉的顯微硬度，嚴重影響棕剛玉材料的熱學性能,所以對于輕燒熟鋁礬土中的CaO的含量是有所要求的；而MgO是剛玉的微晶

促進劑，在生產(chǎn)微晶剛玉時要求MgO的含量為0．3％～0．8％，含量太少則達不到微晶化效果，含量超過0．8％時，會限制剛玉的結晶，同時與Al20，生成鎂鋁尖晶石，故適當?shù)募尤隡gO能夠使剛玉結晶微晶化從而提高其強度和韌性。而在高溫還原氣氛下，MgO的穩(wěn)定性發(fā)生了變化，MgO在棕剛玉熔體中的還原性是還需進一步研究。3．1．5 Na，O和K，ONa2O和K2O等堿金屬對棕剛玉的品質(zhì)是有害的，在冶煉的過程中雖然部分經(jīng)高溫會揮發(fā)，但是不能被還原，會與A12O，生成高鋁酸鈉、高鋁酸鉀和玻璃質(zhì)等硬度較低的礦物，從而影響棕剛玉的質(zhì)量。

其它添加元素

為了提高剛玉的品質(zhì)，常在生產(chǎn)中添加一些其他礦物元素來提高剛玉的一些性能指標。如添加cr20，，在冶煉過程中Cr2O，能與A12O，形成連續(xù)的固溶體，剛玉晶體中A13+被Cr3+取代，使剛玉的晶格的晶面問距增大，晶格產(chǎn)生變形，從而增加了晶體的抗沖擊能力，提高了剛玉的韌性；添加鋯英砂，鋯英砂中的ZrO2能與Al20，生成A12O。一ZrO2共晶體，其中ZrO2從立方相轉(zhuǎn)變?yōu)閬喎€(wěn)態(tài)的四方相，這些共晶體均勻的存在于OL—A1。O，的晶界處，能夠提高剛玉的韌性和強度。與美國、俄羅斯等國相比，我國對于雜質(zhì)元素在棕剛玉冶煉反應過程中的反應行為的理論研究并不完善，特別是對于堿金屬和堿土金屬以及含硫等有害雜質(zhì)礦物在棕剛玉熔煉過程中的行為和賦存狀態(tài)的理論研究，至今尚未見有明確的研究結論¨4|。面對我國棕剛玉行業(yè)現(xiàn)有的主要原料鋁土礦資源匱乏和品位的不斷降低的現(xiàn)狀，這就迫使我們從根本理論上去研究雜質(zhì)元素的反應行為及其對棕剛玉冶煉工藝、產(chǎn)品性能的影響，調(diào)整和改進棕剛玉冶煉的生產(chǎn)工藝，或探索新的生產(chǎn)工藝，實現(xiàn)我國棕剛玉行業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展。