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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)行為以及在剛玉晶體組織結(jié)構(gòu)中的賦存狀態(tài)不同，有的對剛玉冶煉工藝和晶體結(jié)構(gòu)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(yīng)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(jié)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(jié)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(jié)電極和結(jié)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(jié)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(jié)論。

礦物學研究結(jié)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(yīng)結(jié)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(jié)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(jié)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(yīng)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(jié)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(jié)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(yīng)過程中的反應(yīng)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(jié)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(yīng)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。