由于對高質(zhì)量、高研磨性的磨料和耐火材料的需求劇增，人們正在尋求具有優(yōu)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(xué)成分及所含雜質(zhì)是如何能夠提高或降低其質(zhì)量的。本文列出了最常見的專用成品的質(zhì)量要求，及其與棕剛玉(BFA)生產(chǎn)之間的關(guān)系。
　　1980年之前，鋁礬土是從世界各地運到某地的棕剛玉生產(chǎn)者那里。每個產(chǎn)地的鋁礬土都有其獨特的化學(xué)組成和化學(xué)性質(zhì)，因此，棕剛玉的生產(chǎn)者能夠把來自不同產(chǎn)地的鋁礬土加以混合，得到一種優(yōu)化的爐料，可以提供經(jīng)濟和實用方面的優(yōu)勢，棕剛玉的生產(chǎn)者清楚地描述了這些基本的化學(xué)和物理特性。由于棕剛玉的生產(chǎn)和消費具有地區(qū)性的特點，生產(chǎn)者和消費者互相間都很熟悉棕剛玉的最終使用的特殊質(zhì)量要求。
　　近二十年來棕剛玉的地區(qū)性的產(chǎn)量發(fā)生了變化。在北美和歐洲的許多棕剛玉生產(chǎn)商或停產(chǎn)、或兼并，與此同時，中國成為世界上棕剛玉的主要供應(yīng)國。
　　棕剛玉的消費者們也經(jīng)歷了類似的合并，在此過程中，通用的棕剛玉技術(shù)條件之外的特殊產(chǎn)品的質(zhì)量要求有可能被忽略，供應(yīng)商的改變可能導(dǎo)致產(chǎn)品性能出現(xiàn)某種缺陷。
　　棕剛玉的生產(chǎn)規(guī)定棕剛玉的技術(shù)條件，以達到高的最終產(chǎn)品的質(zhì)量，這就要求對產(chǎn)品的使用方向及棕剛玉的生產(chǎn)流程(見圖1)有一個了解。棕剛玉的研磨和耐火特性，受其基本的化學(xué)組成、雜質(zhì)的含量以及其晶體結(jié)構(gòu)中雜質(zhì)的分布的影響。
　　棕剛玉是用煅燒鋁礬土在電弧爐內(nèi)通過還原過程而制得。焦炭和煤是兩種通常用作還原劑的碳源。在熔煉過程中，煅燒鋁礬土中過量雜質(zhì)(氧化鐵、二氧化硅和氧化鈦)被還原成金屬。
　　雜質(zhì)還原成金屬的過程如下：
　　Fe2O3+3C→2Fe+CO
　　SiO2+2C→Si+2CO
　　TiO2+2C→Ti+2CO
　　爐料中添加的過量的鐵與還原出來的金屬雜質(zhì)生成硅鐵合金。絕大多數(shù)的硅鐵合金從熔化的棕剛玉中析出，并沉積到爐子的底部。在傾倒式爐子中，棕剛玉首先倒出，隨后才是硅鐵合金。
　　棕剛玉的物理結(jié)構(gòu)有必要對棕剛玉的結(jié)構(gòu)作一簡單的了解，這樣可以避免發(fā)生不測的質(zhì)量問題。棕剛玉的顯微鏡檢查表明，它是由α-氧化鋁晶粒構(gòu)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(shù)條件的棕剛玉，由95%以上的α-氧化鋁晶體構(gòu)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硅、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(gòu)成了玻璃相，它在α-氧化鋁晶粒的晶體結(jié)構(gòu)中只有較低的溶解度。玻璃狀熔渣的多少，及其與α-氧化鋁晶粒間雜質(zhì)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(zhì)的存在則賦予棕剛玉以韌
　　性或抗破碎性。對滿足典型技術(shù)條件要求的棕剛玉，玻璃相中的二氧化硅和二氧化鈦的混合比例，理論上近于1：1，相中的二氧化硅太多，則過量的二氧化硅則不能保留在玻璃相中，而是與一部分氧化鋁反應(yīng)生成莫來石(2SiO2(3Al2O3))，這將會降低棕剛玉的韌性。
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　　另一方面，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(yīng)生成鈦酸鋁(TiO2(Al2O3))。鈦酸鋁是在α-氧化鋁晶粒和玻璃相界面上的第三相，會造成α-氧化鋁晶粒間玻璃相的弱化。三相之間的熱膨脹系數(shù)的差異也會在加熱過程中
　　引起晶粒間的裂紋。
　　棕剛玉中的二氧化硅絕大部分是在玻璃相中發(fā)現(xiàn)的。典型的棕剛玉技術(shù)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(nèi)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(guān)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(shù)條件的棕剛玉。同時，不能使棕剛玉中的TiO2過還原。固溶的Ti2O3的量對棕剛玉的煅燒顏色和韌性是非常重要的。
　　棕剛玉鍛燒后顏色和韌性
　　棕剛玉鍛燒后的顏色對棕剛玉的消費者和制造者都是一個再現(xiàn)性的質(zhì)量標(biāo)志。當(dāng)棕剛玉在氧化氣氛中煅燒之后，棕剛玉的棕色顆粒即變成蘭色，是固溶的Ti2O3導(dǎo)致蘭色的出現(xiàn)。
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　　Ti2O3是鈦能夠固溶于α-氧化鋁晶粒中的唯一的氧化物，同時，TiO2又是鈦的熱動力穩(wěn)定性最好的氧化物。在1000℃以上，氧能夠擴散到α-氧化鋁晶粒里，將Ti2O3氧化成更穩(wěn)定的TiO2。然后包裹在α-氧化鋁晶粒體中。
　　TiO2的核繼續(xù)聚結(jié)并以與溫度相關(guān)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于膠體懸浮物的光。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(yīng)”。如果T iO2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(jīng)過熱處理的棕剛玉將會變成淺灰色。
　　只有含固溶氧化鈦(Ti2O3)的棕剛玉才會出現(xiàn)煅燒蘭色。低Ti2O3含量的棕剛玉不會變蘭。象顆粒材料的許多特性一樣，煅燒后變蘭是樣品所有顆粒的平均顏色。
　　在一種鍛燒后的棕剛玉樣品中，蘭色顆粒所占比例為典型二氧化鈦(TiO2)含量技術(shù)條件2. 4%～3.0%的高到中等范圍，而非蘭顆粒則低于技術(shù)條件的下限。可能存在某種棕剛玉，其化學(xué)成分在典型的技術(shù)條件范圍之內(nèi)，但煅燒后卻不會發(fā)蘭，那是因為它多數(shù)是低二氧化鈦顆粒的混合物，摻雜了一些高二氧化鈦顆粒。
　　一些棕剛玉制造商在棕剛玉中添加約0.25%的MgO，借以控制棕剛玉煅燒后的顏色，含有這種氧化鎂添加劑的棕剛玉趨于具有更深的，更一致的煅燒蘭色。推測這是因為MgO抑制了TiO2晶粒的生長，使其尺寸保持在能使蘭光散射的范圍之內(nèi)。
　　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(nèi)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第二相是一個大家熟知的材料增韌的機理。韌性增強最大的點在棕剛玉發(fā)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(jīng)充分地煅燒到了增加其韌性的程度。
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　　圖3加熱后棕剛玉的韌性與加熱溫度和關(guān)系
　　
　　棕剛玉中氧化鈦(總是報告TiO2)的化學(xué)分析，僅僅給出的是氧化鈦的總含量，而沒有在玻璃相中固溶的TiO3和TiO2或鈦酸鋁第三相(TiO2Al2O3)之間加以區(qū)分，其中第三相是存在氧化鋁晶粒表面上的。
　　可以通過熱處理棕剛玉樣品來確定α-氧化鋁晶體中氧化鈦的含量。檢驗的樣品是把單一粒度的棕剛玉與少量的純凈陶瓷結(jié)合劑混合，再將混合物倒入模子里壓成片，然后在控制氧化條件下焙燒該片。如果最后這個片沒有變蘭，應(yīng)把同樣粒度號樣品再提交化學(xué)分析。建議棕剛玉做若干粒度的煅燒顏色檢驗。
　　未熔材料
　　未熔的爐料在傾倒式熔煉爐傾倒時，會變成棕剛玉結(jié)晶塊內(nèi)部或頂部的夾帶物。一些未熔材料總是出現(xiàn)在爐子的頂緣。如果出現(xiàn)了過多的未熔混合物，在傾倒時它們會倒入接包。在固定式的或間歇式爐的情況下，生產(chǎn)的結(jié)晶塊外表面上總是存在未全部熔化的材料。這種未全部熔化的材料將被去除并重新熔煉。未熔材料可能包括鈣質(zhì)的鋁礬土，燒結(jié)的鋁礬土，碳(焦炭或煤)，以及來自鐵屑氧化產(chǎn)生的氧化鐵，鐵屑可以用磁選選出，但非磁性氧化鐵則不能完全選出。燒結(jié)鋁礬土非常堅韌，可經(jīng)受住破碎，并呈淺棕色顆粒。
　　少量的未熔材料會在陶瓷件上產(chǎn)生棕色或黑色的斑點。棕剛玉這種形式的污染可以進行檢驗，即按上一節(jié)講的方法將單粒度棕剛制成片，用此片進行斑點的檢驗。
　　氧化鋯
　　通常很少考慮鋁礬土中或棕剛玉中二氧化鋯的含量。在一些鋁礬土中天生地有二氧化鋯存在，并且在熔煉過程中不能去除。有的研究發(fā)現(xiàn)，它阻礙了棕剛玉在氧化氣氛中加熱時向蘭色的轉(zhuǎn)變。通常，棕剛玉中二氧化鋯含量<0.25%時，不影響蘭色的煅燒色，但如果ZrO2含量>0.25%時，就應(yīng)該做煅燒色片進行檢驗了。
　　氧化鈣
　　氧化鈣是在棕剛玉中發(fā)現(xiàn)的主要的堿金屬氧化物，CaO與氧化鈉(Na2O)、氧化鉀(K2O)一起形成棕剛玉中的β-氧化鋁其特點是韌性低。少量的堿金屬雜質(zhì)能把大量的氧化鋁聯(lián)在一起，這些氧化鋁將變成棕剛玉中的α-氧化鋁晶粒。β-氧化鋁最終成為玻璃熔渣相的一部分，從而增加了棕剛玉中存在的玻璃相。
　　堿性雜質(zhì)會降低玻璃相的熔點，因而導(dǎo)致棕剛玉降低了可承受的工作溫度。在某些樹脂結(jié)合劑磨具中，令人擔(dān)心的是堿性物質(zhì)經(jīng)長時間庫存會腐蝕樹脂結(jié)合劑系統(tǒng)，引起結(jié)合劑強度的喪失，縮短磨具允許庫存時間。
　　CaO存在于鈣質(zhì)鋁礬土和用作棕剛玉冶煉時還原劑的焦炭和煤中。因此對所有的原料，都必須監(jiān)控其CaO的含量。棕剛玉中CaO的最高允許含量取決于使用的場合。在高質(zhì)量的磨具和高級耐材的應(yīng)用中，CaO在棕剛玉塊中含量上限為≤0.15%。在要求較低的應(yīng)用中，CaO含量的允許值可以為<0.25%，甚至≤0.3%。對棕剛玉顆粒，通常的需求為CaO含量<0.1%。
　　應(yīng)再次提請注意的是，β-氧化鋁和玻璃熔渣相沒有棕剛玉中α-氧化鋁晶粒那樣的韌性。由于其在破碎時易碎且易細化，故它們的粒度趨于集中在細粒范圍。
　　硫
　　棕剛玉中的硫一般達不到引起問題的含量水平。硫的來源通常是用作還原劑的焦炭或煤在熔煉過程中帶進來的。從環(huán)境及產(chǎn)品質(zhì)量的觀點來說，需要使用低硫含量的碳源。在熔煉過程中，高硫含量的碳源會造成爐子冒出難聞氣味的煙。
　　如果硫與其他金屬的化合物在熔煉中氧化生成的硫化物在熔煉過程中繼續(xù)存在。例如，相信硫會對鐵有親合力，在還原條件下會生成硫化鐵。在氧化氣氛中，溫度升高時，棕剛玉中的硫化物是不穩(wěn)定的。棕剛玉中的硫往往導(dǎo)致在高溫氧化氣氛中生產(chǎn)或使用的產(chǎn)品發(fā)泡和結(jié)構(gòu)疏松。
　　硫化鐵在1180℃以上的氧化氣氛中會氧化，而硫則變成SOx氣體。硫的氣化并逸出會引起氣泡的產(chǎn)生，同時殘存的氧化鐵將造成基于陶瓷材料的棕剛玉的局部熔化。這些由于局部熔化形成的氣泡和斑點可能使產(chǎn)品報廢。
　　用作還原劑的焦炭中硫的含量一般規(guī)定?lt;1%。煤中的硫含量的范圍是1%～10%。在有些煤中,硫已經(jīng)以黃鐵礦(FeS2)的形式存在，由于棕剛玉的熔煉是在還原氣氛中進行的，可以想象黃鐵礦在熔煉過程中會繼續(xù)存在。為了使硫污染盡可能減小，應(yīng)使用低硫煤作還原劑。
　　如果棕剛玉中硫的含量低于0.05%，則無妨礙。硫含量應(yīng)使用總碳測定儀，用燒酌法進行分析。
　　碳和碳化物
　　在棕剛玉生產(chǎn)中有二種形式的碳要加以考慮。活性碳和夾雜碳。活性碳是鋁礬土還原為棕剛玉使用的碳源。夾雜炭是未經(jīng)氧化的大顆粒，例如石墨電極、爐襯，以及熔液接包襯(爐子為傾倒?fàn)t時)。
　　活性碳
　　用來還原鋁礬土的碳源的添加量要通過計算以使棕剛玉有理想的化學(xué)組分。添加量是這樣計算的：在還原鋁礬土需要的碳量的理論值基礎(chǔ)上再加上碳的增加量——對于焦炭增加量10% 以內(nèi)，對煤則最高增加25%。
　　這一增量碳目的是補償爐損。原料的不適當(dāng)混合或不適當(dāng)?shù)臓t前操作，可能會導(dǎo)致鋁礬土的過還原或欠還原，欠還原會導(dǎo)致高二氧化硅和高二氧化鈦，過還原會造成氧化鈦還原到較低的狀態(tài)，氧化鋁還原成碳化鋁(Al4C3)。
　　根據(jù)棕剛玉的化學(xué)成分技術(shù)條件應(yīng)避免在過還原或欠還原條件下生產(chǎn)棕剛玉。雖然把超出技術(shù)條件的材料與好的材料混合后也能夠滿足化學(xué)成分的技術(shù)條件，但不能為特殊的最終用途所接受。
　　在熔煉過程中過還原可能造成碳化鋁的生成，它在氧化氣氛中轉(zhuǎn)化成氧化鋁和CO2。在高溫度條件下，碳化鋁會分解成氫氧化鋁和沼氣(甲烷)。
　　夾雜碳
　　如果電極崩裂了，一大塊落入熔液，可能不會在還原過程消耗完。原封不動的電極的碎塊可能隨熔液倒入接包中。爐子的碳襯或更經(jīng)常地來自熔液接包襯上的碳基耐火材料也可能夾雜進結(jié)晶塊里或者表面上。
　　在破碎過程中，這種碳會散布開來形成游離碳。下面的簡單試驗可以確定游離碳的存在：取一些懷疑有游離碳的樣品，放入燒杯，用水蓋住。將棕剛玉攪動幾秒鐘，讓其沉降。如果其中有游離碳的話，它將浮在水面上。
　　鐵
　　棕剛玉中的鐵用化學(xué)分析方法檢定，并報告Fe2O3的指標(biāo)。在棕剛玉中，鐵以某種氧化物或金屬狀態(tài)存在，且既可是磁性的，亦可是非磁性的。
　　磁性鐵
　　磁性鐵主要以硅鐵(FeSi)或黑鐵二種形式存在于棕剛玉中，硅鐵是鐵和二氧化硅從鋁礬土中被還原出來時的副產(chǎn)品。如果鋁礬土中鐵含量低，而二氧化硅的含量高，爐料中要添加鐵，以保證硅鐵中的硅含量低于15%，由于鐵的含量為85%，則FeSi在室溫下為磁性的，并且可以用磁選機分離出來。
　　FeSi的磁性大小取決于溫度，隨溫度升高而減小。如果一塊結(jié)晶塊破碎后通過磁選機，此時它如果還是熱的話，則FeSi的磁性會降低，就不能被去除。黑鐵或金屬鐵是破碎機和處理設(shè)備磨損帶進的鐵，容易用磁選機去除。
　　非磁性鐵
　　非磁性鐵主要以FeSi或非磁性磨損鐵二種形式存在。如果FeSi中硅的比例>15%，則FeSi就是弱磁性或非磁性的。
　　非磁性磨損鐵與黑鐵有相同的來源，只是這來源是非磁性的，破碎機零件運輸帶及篩網(wǎng)時常有非磁性的鋼，最常見的有錳鋼、不銹鋼等。這些鋼的細粒，以及弱磁或非磁的硅鐵可以用 高強磁選機去除，然而，使用高強磁選機會導(dǎo)致相當(dāng)數(shù)量可接受的材料被去除。棕剛玉中鐵的檢驗?zāi)チ霞壍淖貏傆窳现蠪e2O3的典型技術(shù)條件為≤1.0%，耐火材料級的料中為≤1.5%，鐵含量用標(biāo)準(zhǔn)的化學(xué)分析方法檢定。除化學(xué)分析之外，還推薦考慮對金屬鐵的補充檢驗。
　　黑鐵和磁性鐵的檢驗方法是將小顆粒的稱過的棕剛玉樣品從小磁鐵下面通過并稱量磁鐵吸上的材料的重量。這個檢驗給出了樣品中存在的金屬鐵的定量值。如果其含量值低于化學(xué)分析報告的鐵的總含量，則需要做進一步的檢驗。
　　進一步酸洗檢驗棕剛玉中的鐵是需要的。在這個檢驗中，稱取一定量的棕剛玉樣品和鹽酸溶液，放入燒杯放置一定時間。用某種分析鐵的專用的分析方法，定量地采集溶液進行分析并確定溶解的鐵的量。用這種方法確定的鐵的重量百分比就是以金屬鐵形式存在的鐵的量，余下的則是以氧化物形式存在的。
　　結(jié)語
　　世界各地生產(chǎn)的棕剛玉大部分是具有高質(zhì)量，并能滿足大多數(shù)客戶的需求的。如果棕剛玉的最終用途對其質(zhì)量有特殊的要求，供應(yīng)商和客戶有義務(wù)充分地協(xié)商所有的要求。供應(yīng)商和客戶的合作已從區(qū)域性的擴大到全球性的，并且在本次擴大中，合作雙方都必須努力相互了解，即了解客戶的需求和供應(yīng)商的能力。