CN1026976C - 熔融型复相刚玉的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及研磨材料及耐火材料领域。本发明复相刚玉使用多种铝土矿，也可用不宜生产耐火材料的含FeO+Fe₂O₃大于3%的煅烧铝土矿作原料，按照所化学成分搭配配料并加入适量镁砂，然后直接在电弧炉中熔化，精炼、结晶操作，然后水淬、破碎、筛分、磁选、水洗和烘干。本发明复相刚玉含主相刚玉72～82%、副相镁尖晶石15～25%、其它矿物1～5%。本发明复相刚玉的生产工艺简单，可利用废料，能耗小，成本低，在磨料、磨具、抛光料和耐火骨料中具有广泛应用前景。

Description

本发明涉及研磨材料及耐火材料领域。

刚玉是α-Al₂O₃的结晶形态，刚玉晶体具有高硬度、足够的韧性和良好的耐火性能。天然刚玉储量有限，因此工业上采用人造刚玉，即电刚玉。电刚玉是重要的磨料，占磨料总生产量的80%左右，同时它也是重要的耐火材料。在磨料中有二个基本品种：1）由铝土矿还原冶炼制成含Al₂O₃达88～97%的普通电刚玉，也叫棕刚玉;2）通过化学分解法将铝土矿制成铝氧粉，再将其冶炼而成白刚玉，然后根据需要分别加入氧化铬，氧化锆等生产铬刚玉、锆刚玉等，此外，还有微晶刚玉与单晶刚玉、黑刚玉等，它们都是在单一刚玉相上的改进提高。

棕刚玉含Al₂O₃94.5～97%，此外尚有少量氧化钛、氧化硅、氧化铁等杂质，它的矿相组成主要是α-Al₂O₃，有时含少量莫来石、玻璃相等矿物。作为磨料它除具有高硬度和较高韧性外，还能承受较大剪力，抗破碎能力较强，但冶炼时间长，电耗大，同时对原料要求有选择性，作为磨料，对不锈钢等材料的磨削性较差，因此需加以改进。

US4623364介绍了一种复相刚玉及其制法，该复相刚玉中含有5%左右的MgO，在最后产品中该MgO是作为尖晶石存在的。用复相刚玉来克服棕刚玉等的缺点，满足不同的需要，但是该专利的复相刚玉的制法是将矾土、各种硝酸镁、硝酸和水混合，形成凝胶体，然后经干燥、预热，再在转炉中经1200～1500℃烧结。这种制法要求高质量的原料，制备工艺也复杂。

本发明目的在于提供一种复相刚玉的制造方法，该方法工艺简化，生产周期缩短，节约电耗，原料价廉易得，同时产品的质量也高。

本发明的目的是这样达到的：本发明采用多种煅烧一级铝土矿或其废品为主要原料再加入适量镁砂或相当量的氯化镁破碎后作为原料，直接在电弧炉中进行熔融，原料价廉易得，工艺简化，从而本发明的目的就完全达到了。

以下对本发明结合附图1与实施例进行详细说明。

磨料一般须具备下列基本性能：（1）硬度比被加工材料高;（2）有适当的抗破碎性和自锐性;（3）粒度和形状均匀，在高温下能维持原有的高硬度和强度，与被加工材料不发生化学反应;（4）具有高韧性和亲水性。因此，刚玉类的磨削能力主要取决于硬度、韧性和亲水性。

α-Al₂O₃是刚玉的结晶化学式，属三方晶系，它的结构特点是Al原子位于六个O原子围成的八面体中心，并且Al原子占有2/3空隙，即三个O原子组成的面同邻接的八面体共有，晶胞是由一对Al原子连成的体心菱面体组成，如有阳离子如Ti、Fe、Cr、Mg等进入刚玉晶格后，可部分置换或填充八面体的空位或者以氧化物的形式溶于晶格之中，导致刚玉晶格的微小扭曲，使晶胞发生变化。作为磨料要有足够的硬度，矿物的硬度是晶体结构键力强度的反映，而键力的大小直接与晶体结构类型有类。一般来说，离子键结合的晶体的硬度较高，刚玉晶体和尖晶石都是典型的离子键晶体，它们的结合键力强，所以抗机械磨削能力大，同时，在α-刚玉中Al以六次配位参加晶格，结合键力强，硬度及耐火度高，是作为磨料和耐火材料的上好材料。但作为磨料，还需将刚玉作成磨石及砂布或砂纸，磨石粒的易湿性与刚玉和结合剂的结合性能有关，以磨削性也有影响，这种易湿性在人 造磨料制造中称之为亲水性，亲水性随矿物的比重减少而增强。为了降低刚玉的比重，在熔炼过程中适当控制工艺条件，使刚玉具有气孔构造和形成少量具有比重小的胶结相一玻璃相。关于韧性，复相刚玉比单相刚玉的好，因为，通过冶炼在刚玉生成过程中，有Ti、Fe、Cr等阳离子进入刚玉的晶格中取代Al³⁺或固溶于八面体空隙之间，它们引起晶格膨胀，使其产生应变，因而易于吸收冲击能，而不易被破碎，从而使刚玉的韧性增加，如同时加入一定量的氧化镁，则形成作为α-刚玉副相的镁尖晶石。该镁尖晶石是等轴系矿物，属于A₁型结构。镁尖晶石的化学式是MgAl₂O₄，它的特点是O原子构成最紧密堆积，Mg原子位于四个氧原子围成的四面体中心，Al原子位于6个氧原子围成的八面体中心，晶胞中含有8个尖晶石分子。镁尖晶石与刚玉的A₃型结构虽然均具有相仿的配位数和堆积密度，但是A₁型的结构具有立方晶系的对称性，据以滑动的原子层有（111）、（I11）、（1I1）（11I）四个方向。而在A₃型结构中，晶体一般只能沿（001）一个方向原子层滑动，因此，镁尖晶石的韧性高于刚玉，随着镁尖晶石的含量的增加，复相刚玉的韧性也相应提高，此外，镁尖晶石的（111）面网和刚玉的（001）面网的大小正好相等，所以它们可以有机地结合，出现过滤层，这样也能提高复相刚玉的韧性。在刚玉晶隙中往往还填充如莫来石、玻璃相等夹杂物，在破碎过程中它们能起到缓冲作用，使磨粒带有棱角，因此，也能提高复相刚玉的耐磨性。由于本发明使用煅烧的一级铝土矿石或其废料作主原料，这种废品含FeO+Fe₂O₃大于3%，不宜作耐火材料的原料，在原料中大多含有以上所说的杂质，但必须掺入一定量的MgO使其形成适量的Mg-尖晶石，制成以α-Al₂O₃为主相、以Mg-尖晶石为副相的复相刚玉，从而使产品的硬度稍低于棕刚玉，但韧性和亲水性有改进，它适合于作磨料，也能作为耐火材料使用。

本发明复合刚玉是以我国多种煅烧一级铝土矿或其废品为主要原料，这些铝土矿的废品一般含有大于3（重量）%的FeO+Fe₂O₃，它们不宜于作为制造耐火材料的原料，而在本发明中却可被作为主原料。铝土矿的成分为：Al₂O₃75～85（重量）%、SiO₂3～15（重量）%、TiO₂2～7（重量）%、FeO+Fe₂O₃3～5（重量）%。在冶炼时根据需要搭配各种成分的铝土矿使其成分符合复相刚玉的要求，特别是加入占所配铝土矿原料6～15（重量）%的镁砂（氧化镁）或相当量的氯化镁，配料以后的工艺参照附图1进行。

将以上配料直接在电弧炉中熔化，温度为1850℃左右，在该温度下精炼0.5～1小时，停炉后将电极提升到炉外，根据熔块大小与所需产品自然冷却16～24小时进行结晶。本发明复相刚玉的冶炼时间比棕刚玉要减少一半，从而为尖晶石的产生创造条件。另一方面，复相刚玉产品的性能不仅与α-刚玉和镁尖晶石含量的比例有关，也受两种矿物的晶体大小、形态和集合体结构的影响，在同样配方情况下，主要矿物晶体大小、形态和集合体的结构受熔炼温度高低和结晶时间长短的制约，一般情况是：熔温度越高，结晶时间越长，则晶体粗大，晶形完整。要获得优良耐磨性的磨料，粗大完整的晶体与微晶都具有更好的强度。因此，需要较长的结晶时间，加大中心带粗大晶体的数量与边缘带微晶化，要达到这个目的，按照熔块大小，使停炉后的熔块冷却16～24小时是必要的，冷却后去掉外炉壳，进行水淬，当全部冷却后，破碎成块，再细碎、粉碎和筛分，去掉不符合磨料规定的颗粒，随后进行弱电流（约1安培）磁选，磁选工序是为了去掉在冶炼过程中还原的金属铁和在粉碎过程中从机械上落入的的金属铁屑，一般产品要求金属铁的含量应小于0.5%，经磁选后的产品，要取样化验，被确认合格后方可进入下一道工序，随后的工序是水洗、烘干、包装，得到本发明复相刚玉成品。

本发明复相刚玉由下列成分组成（重量）%：

Al₂O₃72～82，SiO₂3～11，TiO₂2～6，MgO4～10FeO1～3

矿物组成如下（重量）%：

α-Al₂O₃72～82，Mg-尖晶石15～25，其它矿物1～5。

其中，TiO若小于2（重量）%，则不能达到提高刚玉韧性的目的，若大于6（重量）%，则刚玉的硬度下降太多，而SiO₂和FeO原则上是越小越好，但上述二者成分范围在我们实践中对成品的质量影响不大。氧化镁的含量若小于4（重量） %，则镁尖晶石成分小于15（重量）%，从而使韧性与亲水性达不到要求，如大于8（重量）%，则将使复相刚玉的硬度大为下降，同样也不能满足磨料或耐火材料的要求。

按照以上复相刚玉的成分，再经过适当的熔融工艺，所得的成品比重为3.7～3.9，显微硬度（维氏）：Hv5＝1400～1700公斤/平方厘米，耐火度不低于1800℃，按照1969年日本工业规范规定的人造磨削材料的亲水性试验方法，采用两支玻璃管，其长度为400毫米，外径为10毫米，内径为7毫米，水盘直径为150毫米，加水100毫升，当粒度为100目时，亲水性为142毫米/10分钟。

实施例1：

采用含Al₂O₃81（重量）%、SiO₂9（重量）%、TiO₂5（重量）%、FeO+Fe₂O₃4（重量）%的煅烧一级铝土矿废品搭配料，取该搭配料9份加入镁砂1份，在5吨电弧炉中熔化，温度为1850℃，在该温度下精炼45分钟，停电后，将电炉提升出炉位，自然冷却18小时，去掉炉壳，经水淬、破碎、筛分、水洗和烘干。得到含α-刚玉78（重量）%、镁尖晶石18（重量）%，其它矿物为4（重量）%的复相刚玉成品。其比重为3.8，显微硬度Hv5为1500公斤/平方厘米，以粒度为24目的复相刚玉成品85（重量）%+13～14（重量）%的树脂作成切割片。当切割φ35的不锈钢棒时（切割件数10），工件总切量28848立方毫米，砂轮总磨损量为15846立方毫米，而采用棕刚玉（24目）时，以同样树胶量制成相同大小的砂轮，其工件总切除量为28848立方毫米，但砂轮总磨损量为21354立方毫米。

本发明复相刚玉的原料是铝土矿，还可充分利用我国不宜生产耐火材料的含FeO+Fe₂O₃大于3（重量）%的铝土矿，因此，可利用废物，原料易得。冶炼本发明复相刚玉不必像棕刚玉那样需在强还原气氛下长时间冶炼;也不像U4623364那样，对原料进行化学处理和原料细化再经烧结的复杂工序，可直接在电弧炉中进行快速冶炼即可，不仅可节约电能，例如冶炼一吨棕刚玉要消耗2500度电，而冶炼一吨复相刚玉仅需1350度电，用时，还可大为缩短冶炼时间，一般棕刚玉的冶炼时间为26小时，而复相刚玉仅需12小时左右。因此，本发明复相刚玉的生产工艺简单，能耗低和成本低。用本发明复相刚玉所制砂轮，它的磨削能力对普通钢与棕刚玉相当，但对不锈钢和难加工的钢的磨削性能优于棕刚玉。本发明复相刚玉耐火度大于1800℃，还可作耐火材料诸如高炉炮泥骨料。可见本发明复相刚玉的制法在磨料、磨具、抛光料和耐火骨料领域中具有广泛应用前景。

Claims (2)

1、熔融复相刚玉的制造方法，包括在冷却结晶工序后的水淬、破碎、筛分、磁选、水洗和烘干工序，其特征在于：

a)以含有Al₂O₃75～85(重量)%，SiO₂3～15(重量)%、TiO₂2～7(重量)%、Fe₂O₃+FeO3～5(重量)%的煅烧一级铝土矿作为主原料，再加入为所配铝土矿主原料的6～10(重量)%镁砂或与其相当的氯化镁，使配料化学成分(重量)%为：Al₂O₃72～82，SiO₂3～11，Ti₂2～6，MgO4～10FeO1～3；

b)直接在电弧炉中熔化，温度为1850℃；

c)熔化后在1850℃下精炼0.5～1小时；

d)停炉后，提升电极并拉出炉外，自然冷却16～24小时进行结晶，去掉外炉壳，随后进行水淬等工序。

2、按照权利要求1所说的制造方法，其特征在于所用主原料铝土矿可使用FeO+Fe₂O₃大于3（重量）%的一级煅烧铝土矿废品。