摘要： 黑剛玉是利用礦物邊角料或尾礦制備而成的，制備過程節(jié)能減耗，磨削性能優(yōu)良。本文首先介紹了黑剛玉的理化性能及化學(xué)成分，并詳細(xì)介紹了黑剛玉的磨削應(yīng)用范圍及發(fā)展過程。
       關(guān)鍵詞： 黑剛玉； 理化性能； 應(yīng)用范圍；市場(chǎng)展望
       一、黑剛玉簡(jiǎn)介
       黑剛玉是以高鐵鋁礬土或者高鋁礬土加高鋁鐵礦，在電弧爐里經(jīng)過高溫熔融冶煉然后冷卻，從而制得的一種以α- Al2O3 和鐵尖晶石為主礦相的灰黑色結(jié)晶體，其特點(diǎn)是Al2O3 含量適中。黑剛玉生產(chǎn)能耗約為棕剛玉的二分之一，冶煉過程中不需要還原氣氛，極少有CO2排放，是一種節(jié)能環(huán)保的耐磨材料。因而具有硬度適中、韌性好、自銳性好、使用中產(chǎn)生的磨削熱低，不易燒傷工件表面等特點(diǎn)。
       黑剛玉磨料的基本粒集中，磨料中Al2O3 含量較低，并有一定量的Fe2O3（10%左右）、SiO2存在，因而磨料的硬度適中、韌性高、耐高溫、熱態(tài)性能穩(wěn)定，用于磨削加工時(shí)，切削能力強(qiáng)，耐磨性好，黑剛玉具有很好的自銳性，磨削時(shí)發(fā)熱量少，所以加工效率高，加工工件的表面質(zhì)量好。
       二、黑剛玉的制備
       黑剛玉是以高鐵鋁礬土或者高鋁礬土加高鋁鐵礦為主要原料，在電弧爐里經(jīng)過高溫熔融冶煉然后冷卻，從而制得的一種以α- Al2O3 和鐵尖晶石為主礦相的灰黑色結(jié)晶體，其特點(diǎn)是Al2O3 含量適中。
       因?yàn)楹趧傆袷褂玫氖亲貏傆裆a(chǎn)的所用的原料鋁礬土的下腳料，煉鋼廠、煉鐵廠保溫材料的回收料，也使用氧化鐵含量較高的鋁礬土，煉鐵行業(yè)原料鐵礦石的下腳料，原料屬于廢物再利用，屬于循環(huán)經(jīng)濟(jì)，可持續(xù)發(fā)展。因?yàn)楹趧傆裆a(chǎn)的能耗只有棕剛玉能耗的二分之一左右，能耗低，冶煉過程中不需要還原氣氛，極少有CO2排放，所以黑剛玉是一種節(jié)能環(huán)保的耐磨材料。
       資料顯示，中國現(xiàn)有的鋁礬土礦儲(chǔ)量中，含Al2O360%～70%的一級(jí)礦石，Al/Si≥12，只占1.5%；含Al2O351%～71%的二級(jí)礦石，Al/Si≥9，占17%；含Al2O362%～69%三級(jí)礦石，Al/Si≥7，占11.3%；含Al2O3>62%的四級(jí)礦石，Al/Si≥5，占27.9%；含Al2O3>58%的五級(jí)礦石，Al/Si≥4，占18%；含Al2O3>54%的六級(jí)礦石，Al/Si≥3，占8.3%；含Al2O3>48%的七級(jí)礦石，Al/Si≥6，占1.5%；其余為品級(jí)不明的礦石。鋁礬土的主要化學(xué)成分為：Al2O3、SiO2、H2O、Fe2O3、TiO2，這五種成分占總成分的95%以上，除此以外還有少量的K2O、Na2O、MgO、CaO、S、碳質(zhì)、有機(jī)質(zhì)等，以及微量的Cr、Ni、及稀土元素化合物等。中國鋁礬土礦的質(zhì)量普遍較差，加工困難、耗能大的一水硬鋁石型礦石占全國總儲(chǔ)量的98%以上。鑒于此，我國每年大量進(jìn)口鋁礬土，尤其是2015年以來進(jìn)口量和國內(nèi)當(dāng)年產(chǎn)量相當(dāng)。
       目前用于冶煉研磨材料棕剛玉的鋁礬土礦，要求Al2O3含量較高、鐵和鈦含量低，一般要求Al2O3≥70%，F(xiàn)e2O3≤5%，TiO2≤4.5%， CaO+MgO≤1.0%，Al2O3/SiO2≥12。同時(shí)棕剛玉磨料的冶煉溫度近2300℃，耗能量很大。
       由于國內(nèi)礦產(chǎn)資源日益匱乏、面臨的能源危機(jī)等問題，開發(fā)低品級(jí)鋁礬土礦的綠色、環(huán)保、節(jié)能、高效的創(chuàng)新領(lǐng)域應(yīng)用，合理綜合利用，是目前我國鋁礬土礦及相關(guān)產(chǎn)業(yè)所面臨的重要問題。
       三、 黑剛玉理化指標(biāo)及化學(xué)成分
       黑剛玉的理化性能指標(biāo)如表1所示。
       粒度組成：常見規(guī)格為國標(biāo)F4-F1200，P12-P2500，亦可根據(jù)需要生產(chǎn)其它規(guī)格。
       化學(xué)成份 根據(jù)其等級(jí)不同，化學(xué)成分不同，如表2所示
       四、黑鋼玉主要用途
       現(xiàn)階段黑剛玉主要用于以下幾個(gè)方面：
       1. 鋪設(shè)耐磨防滑路面
       黑剛玉主要是以 α- Al2O3 和鐵尖晶石為主礦相的灰黑色結(jié)晶體，其特點(diǎn)是Al2O3 含量較低，并含有一定量的Fe2O3（10%左右），因而具有硬底適中、韌性高、耐高溫、熱態(tài)性能溫定的特點(diǎn)。鄭州燁達(dá)公司生產(chǎn)的黑剛玉磨料基本粒集中，切削力強(qiáng)，韌性大，剛?cè)嵯酀?jì)，耐磨性好。使用3-5mm、1-3mm、1-2mm、0.4-1mm段砂，來鋪設(shè)耐磨防滑路面、橋面、停車場(chǎng)的的急彎陡坡處，用作塑膠類地板的耐磨骨料，具有很好的耐磨防滑性能，與原先使用高檔骨料鋪設(shè)相比具有極高的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)。現(xiàn)在歐洲國家、香港地區(qū)、國內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)等，黑剛玉都有經(jīng)常性的使用。
       2. 研磨拋光材料
       上世紀(jì)70年代，隨著對(duì)黑剛玉磨料性能的逐步了解，大家嘗試著黑剛玉在拋光研磨其它更多領(lǐng)域的應(yīng)用，比如拋光不銹鋼、普通鋼、竹木、玻璃等工件， 金屬零件電鍍前底面拋光, 銅鋁制品和不銹鋼拋光的理想磨料, 適用于自行車縫紉機(jī)電風(fēng)扇、鐘表零件和五金工具的拋光, 也適于制造砂布砂紙等。黑剛玉拋磨不銹鋼具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，使用棕剛玉、白剛玉等磨料拋光不銹鋼，拋后不銹鋼表面色澤不一致，有的地方會(huì)出現(xiàn)發(fā)烏發(fā)暗變色，而用黑剛玉拋后表面色澤均勻，透出不銹鋼本質(zhì)的均勻范青色，外觀效果極佳。上世紀(jì)70年代末，國內(nèi)開始生產(chǎn)黑剛玉產(chǎn)品。
       不銹鋼具有較高的耐磨性、獨(dú)特的強(qiáng)度、優(yōu)越的防腐性能及不易生銹等優(yōu)良特性而得到廣泛應(yīng)用。尤其是在精密零部件、食品機(jī)械、機(jī)電行業(yè)、家用電器行業(yè)及家庭裝潢，精飾行業(yè)得到廣泛的普及與推廣。不銹鋼的運(yùn)用發(fā)展前景會(huì)越來越好，但不銹鋼的運(yùn)用與發(fā)展很大程度上決定于它的表面處理技術(shù)發(fā)展水平，過去處理方法中存在的問題是劃痕難除去，酸洗鈍化處理，對(duì)面積較大的工件，很難達(dá)到均勻一致處理效果，人為因素造成的劃傷比較嚴(yán)重等，且酸洗處理對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重。用黑剛玉磨料磨具進(jìn)行表面拋光加工壓力小，避免了在鋼板表面留下很細(xì)的紋路，拋光工件一致性好，工件不會(huì)產(chǎn)生燒傷，且加工效率高。
       在不銹鋼拋光方面，F(xiàn)14-F1000黑剛玉產(chǎn)品常用于各種工件的研磨拋光，特別是不銹鋼工件的研磨拋光。F14-F80常用于噴砂，對(duì)工件表面進(jìn)行除銹除雜清理；常將黑剛玉F80-F320粒度砂粘接在布輪上對(duì)工件進(jìn)行研磨拋光，或者制成纖維拋光輪進(jìn)行拋光；F320-F1000常用于制作拋光蠟、樹脂磨塊等磨具對(duì)工件進(jìn)行精細(xì)拋光。
       3. 制作樹脂磨具
       近十年來，F(xiàn)14-F80黑剛玉粒度砂與棕剛玉復(fù)合，用于制作樹脂砂輪、樹脂切割片、樹脂磨片、超薄片等樹脂磨具，現(xiàn)已成為黑剛玉產(chǎn)品的主要應(yīng)用領(lǐng)域。多家國際、國內(nèi)知名樹脂磨具公司都在使用30%-50%的黑剛玉與棕剛玉復(fù)合，制作樹脂磨具，這種復(fù)合磨料制作的樹脂磨具與傳統(tǒng)的的樹脂磨具相比鋒利性明顯提高，切口或者磨口光潔度更高，色變更小。由于黑剛玉的成本低，使用復(fù)合磨料制作的樹脂磨具具有很高的性價(jià)比。
       4. 制作涂附磨具
       近年來，國際著名磨料磨具集團(tuán)有些工廠一直用黑剛玉磨料制作涂附磨具。鄭州燁達(dá)公司技術(shù)研發(fā)中心也在黑剛玉用于涂附磨具領(lǐng)域進(jìn)行了探索研究。經(jīng)過幾萬次的試驗(yàn)，探索出了黑剛玉與棕剛玉復(fù)合磨料制作的砂帶其磨削能力優(yōu)于其他材料，現(xiàn)在國內(nèi)處于逐步使用階段。
       鄭州燁達(dá)公司的黑剛玉產(chǎn)品在樹脂磨具、涂附磨具領(lǐng)域的應(yīng)用是替代部分其他磨料，黑剛玉部分替代其他磨料制成磨具在某些材質(zhì)的工件上使用性能更優(yōu)良，某些材質(zhì)上使用性能跟其它高成本的磨料相當(dāng)，但都會(huì)降低磨具的生產(chǎn)成本，大幅提高性價(jià)比，具有良好的發(fā)展前景。
       5. 其他應(yīng)用
       黑剛玉的性能特質(zhì)，成本優(yōu)勢(shì)，使得黑剛玉的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。如細(xì)粒度黑剛玉用于耐磨防火涂料的添加劑；牛仔服噴砂做舊；制鞋業(yè)用于鞋底后跟外側(cè)添加的耐磨防滑材料；制作不定形耐火材料，用于中低溫部位的防火隔熱；隨著更多人對(duì)黑剛玉性能的進(jìn)一步理解，綠色環(huán)保，循環(huán)再生利用，成本低廉的黑剛玉產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域一定會(huì)不斷的拓展。
       五、黑剛玉的發(fā)展
       日本是核電發(fā)展比較早的國家，核電站的蒸汽輪機(jī)工作一定時(shí)間后，水蒸氣中的雜質(zhì)會(huì)在汽輪機(jī)復(fù)雜的曲面葉片上結(jié)垢，雜質(zhì)會(huì)很牢固的粘附在汽輪機(jī)葉片上面。隨著粘附雜質(zhì)的逐漸增多，會(huì)明顯降低汽輪機(jī)的出力。所以，汽輪機(jī)運(yùn)行半年至一年，就需要將汽輪機(jī)停下來清除葉片上面的結(jié)垢。用硬度高的材料，以噴砂的方式除垢，極大地提高了效率，但是由于材料硬度太高，常會(huì)對(duì)葉片造成損傷。為了解決這個(gè)問題，上世紀(jì)50年代，日本一家公司制作了主要成分為三氧化二鋁，含有三氧化二鐵、二氧化硅、二氧化鈦的柔性耐磨材料（黑剛玉），這種材料軟硬適中，韌性好。用于汽輪機(jī)葉片噴砂除垢具有效率很高，除垢徹底，又不損傷汽輪機(jī)葉片的優(yōu)異性能。該產(chǎn)品的出現(xiàn)，完美地解決了汽輪機(jī)葉片除垢的難題。到上世紀(jì)70年代，隨著軍工企業(yè)解禁，這種材料進(jìn)入了民用領(lǐng)域。
       上世紀(jì)70年代，上海磨料磨具廠開始試驗(yàn)生產(chǎn)黑剛玉產(chǎn)品，80年代初浙江省一家磨料磨具開發(fā)公司也開始生產(chǎn)黑剛玉產(chǎn)品，同時(shí)，中機(jī)六院在海南文昌也建了試驗(yàn)廠，經(jīng)過多年實(shí)踐，取得了很大進(jìn)展。
       2005年，鄭州燁達(dá)公司與日本黑剛玉生產(chǎn)廠家合作并引進(jìn)技術(shù)，由固定爐改為傾倒?fàn)t，生產(chǎn)出具有特殊結(jié)晶構(gòu)造，自生發(fā)刃，研削力強(qiáng)，耐久性好的黑剛玉產(chǎn)品。
       經(jīng)過十多年的進(jìn)一步摸索，用煉鋼煉鐵高爐淘汰的固體廢棄物、鋁礦石和鐵礦石的廢棄物做原料，采用專利技術(shù)改進(jìn)設(shè)備及工藝，生產(chǎn)出了與傳統(tǒng)工藝相比內(nèi)在結(jié)晶更加優(yōu)異的柔性黑剛玉產(chǎn)品。生產(chǎn)能耗僅為棕剛玉的二分之一，成本較低，綠色環(huán)保，碳排放少。隨著對(duì)黑剛玉性能更深入的了解，必將會(huì)不斷拓寬新的應(yīng)用領(lǐng)域。
       六、黑剛玉產(chǎn)品的市場(chǎng)需量展望
       隨著人們對(duì)黑剛玉產(chǎn)品優(yōu)良性能的深入了解，這種以邊角料、下腳料為主要原料，低能耗，低碳排放生產(chǎn)出的綠色環(huán)保，可循環(huán)經(jīng)濟(jì)型耐磨材料，應(yīng)該具有有良好的發(fā)展空間。下面依據(jù)收集到的現(xiàn)有數(shù)據(jù)對(duì)黑剛玉產(chǎn)品市場(chǎng)需量做一下展望。
       1. 黑剛玉在拋光及耐磨路面方面
       國內(nèi)最大的黑剛玉生產(chǎn)基地鄭州燁達(dá)公司，市場(chǎng)占有率已達(dá)70%以上，2016年用于拋光及耐磨防滑路面方面的黑剛玉銷量為0.62萬噸，從2017年上半年的銷售情況看，與去年同期相比，拋光及耐磨防滑路面方面綜合有22%左右的增長(zhǎng)率。依此推算，到2020年，黑剛玉用于拋光及耐磨防滑路面方面的市場(chǎng)需量應(yīng)為1.4萬噸左右。
       2. 樹脂磨具領(lǐng)域黑剛玉用量分析
       2011年-2016年的樹脂磨具總產(chǎn)量是引用中國機(jī)床工業(yè)協(xié)會(huì)磨料磨具分會(huì)每年對(duì)樹脂磨具總產(chǎn)量的測(cè)算值，2017-2020年的樹脂磨具總產(chǎn)量是根據(jù)近三年增長(zhǎng)率的平均值3.03%計(jì)算得出；磨料用量是依據(jù)樹脂磨具中，磨料重量占磨具重量的典型值80%計(jì)算；黑剛玉測(cè)算用量是按40%樹脂磨具產(chǎn)品可以使用部分黑剛玉磨料替代其他磨料，用黑剛玉磨料替代其它磨料的比例按照現(xiàn)有成熟技術(shù)常用量30%-50%的下限30%計(jì)算，可得到樹脂磨具領(lǐng)域到2020年黑剛玉產(chǎn)品的用量為5.19萬噸。具體分析計(jì)算如表3.
       3. 涂附磨具領(lǐng)域黑剛玉用量分析
       2011年-2016年規(guī)模以上涂附磨具產(chǎn)量數(shù)據(jù)引用涂附磨具協(xié)會(huì)每年對(duì)規(guī)模以上企業(yè)的產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)，2017年及以后的數(shù)據(jù)根據(jù)近三年的平均增長(zhǎng)率2.50%計(jì)算；推算總產(chǎn)量系根據(jù)涂附磨具協(xié)會(huì)測(cè)算出規(guī)模以上企業(yè)的產(chǎn)量占總產(chǎn)量的80%計(jì)算；磨料用量系根據(jù)每平米涂附磨具一般使用0.4kg磨料的典型值計(jì)算；黑剛玉測(cè)算用量系根據(jù)涂附磨具有10%的磨料用量可以使用黑剛玉磨料。據(jù)此可得到涂附磨具領(lǐng)域到2020年黑剛玉磨料的用量為2.8萬噸。具體分析計(jì)算如表4.
       由上述拋光及耐磨路面、樹脂磨具、涂附磨具三個(gè)領(lǐng)域黑剛玉的保守需量分析來看，到2020年黑剛玉的需量應(yīng)該在10萬噸以上。
       參考文獻(xiàn)：
       [1] 摘自百度百科--礬土礦
       [2] 茅福根，唐膺. 拋光用磨料一一黑剛玉及其使用效果，金剛石與磨料磨具工程，1983（3）
       [3] 茅福根. 新穎拋光材料——黑剛玉磨料，今日科技，1982（12）
       [4] 呂順川，梁德康. 黑剛玉磨料在拋光中的應(yīng)用，金剛石與磨料磨具工程，1985（3）
       [5] 中國機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會(huì)磨料磨具分會(huì)，中國磨料磨具2011,（1），2012（1），2013（1），2014（1），2015（1），2016（1），2017（1）磨料磨具行業(yè)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析
       [6] 中國機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會(huì)涂附磨具分會(huì)，中國涂附磨具2010（2），2011,（2），2012（2），2013（2），2014（2），2015（2），2016（2），2017（2）中國涂附磨具行業(yè)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行情況分析