由于對(duì)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(diǎn)的棕剛玉(BFA)。欲使棕剛玉的性能達(dá)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(jiàn)的專(zhuān)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(yùn)到某地的棕剛玉生產(chǎn)者那里。每個(gè)產(chǎn)地的鋁礬土都有其獨(dú)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(lái)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(jì)和實(shí)用方面的優(yōu)勢(shì)，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(fèi)具有地區(qū)性的特點(diǎn)，生產(chǎn)者和消費(fèi)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(lái)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(shí)，中國(guó)成為世界上棕剛玉的主要供應(yīng)國(guó)。
　　棕剛玉的消費(fèi)者們也經(jīng)歷了類(lèi)似的合并，在此過(guò)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(dá)到高的最終產(chǎn)品的質(zhì)量，這就要求對(duì)產(chǎn)品的使用方向及棕剛玉的生產(chǎn)流程(見(jiàn)圖1)有一個(gè)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(guò)還原過(guò)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(guò)程中，煅燒鋁礬土中過(guò)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(guò)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(guò)量的鐵與還原出來(lái)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(duì)棕剛玉的結(jié)構(gòu)作一簡(jiǎn)單的了解，這樣可以避免發(fā)生不測(cè)的質(zhì)量問(wèn)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(jiàn)圖2)粘在一起。滿(mǎn)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(diǎn)，同時(shí)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(duì)滿(mǎn)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(guò)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(lái)石(2SiO2(3Al2O3))，這將會(huì)降低棕剛玉的韌性。
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　　另一方面，如果棕剛玉中有過(guò)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(huì)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(huì)在加熱過(guò)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(guò)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(shí)，不能使棕剛玉中的TiO2過(guò)還原。固溶的Ti2O3的量對(duì)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(duì)棕剛玉的消費(fèi)者和制造者都是一個(gè)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(shí)，TiO2又是鈦的熱動(dòng)力穩(wěn)定性最好的氧化物。在1000℃以上，氧能夠擴(kuò)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(zhǎng)。一旦二氧化鈦晶粒達(dá)到0.01至0.1μ大小，它們就開(kāi)始散射類(lèi)似于膠體懸浮物的光。這種以蘭色光的較短波長(zhǎng)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(chēng)為“坦道爾(Tyndall)效應(yīng)”。如果T iO2的核允許長(zhǎng)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(zhǎng)，經(jīng)過(guò)熱處理的棕剛玉將會(huì)變成淺灰色。
　　只有含固溶氧化鈦(Ti2O3)的棕剛玉才會(huì)出現(xiàn)煅燒蘭色。低Ti2O3含量的棕剛玉不會(huì)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(huì)發(fā)蘭，那是因?yàn)樗鄶?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(cè)這是因?yàn)镸gO抑制了TiO2晶粒的生長(zhǎng)，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(zhǎng)而增強(qiáng)。均勻彌散在α-氧化鋁晶粒內(nèi)部的TiO2相使顆粒增韌(見(jiàn)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(gè)大家熟知的材料增韌的機(jī)理。韌性增強(qiáng)最大的點(diǎn)在棕剛玉發(fā)出蘭色之前。蘭色不僅對(duì)棕剛玉的消費(fèi)者的商品化是重要的，而且它還表明此時(shí)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(bào)告TiO2)的化學(xué)分析，僅僅給出的是氧化鈦的總含量，而沒(méi)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(guò)熱處理棕剛玉樣品來(lái)確定α-氧化鋁晶體中氧化鈦的含量。檢驗(yàn)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(gè)片沒(méi)有變蘭，應(yīng)把同樣粒度號(hào)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(yàn)。
　　未熔材料
　　未熔的爐料在傾倒式熔煉爐傾倒時(shí)，會(huì)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(guò)多的未熔混合物，在傾倒時(shí)它們會(huì)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(lái)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(jiān)韌，可經(jīng)受住破碎，并呈淺棕色顆粒。
　　少量的未熔材料會(huì)在陶瓷件上產(chǎn)生棕色或黑色的斑點(diǎn)。棕剛玉這種形式的污染可以進(jìn)行檢驗(yàn)，即按上一節(jié)講的方法將單粒度棕剛制成片，用此片進(jìn)行斑點(diǎn)的檢驗(yàn)。
　　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(guò)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(shí)向蘭色的轉(zhuǎn)變。通常，棕剛玉中二氧化鋯含量<0.25%時(shí)，不影響蘭色的煅燒色，但如果ZrO2含量>0.25%時(shí)，就應(yīng)該做煅燒色片進(jìn)行檢驗(yàn)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(diǎn)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(huì)降低玻璃相的熔點(diǎn)，因而導(dǎo)致棕剛玉降低了可承受的工作溫度。在某些樹(shù)脂結(jié)合劑磨具中，令人擔(dān)心的是堿性物質(zhì)經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間庫(kù)存會(huì)腐蝕樹(shù)脂結(jié)合劑系統(tǒng)，引起結(jié)合劑強(qiáng)度的喪失，縮短磨具允許庫(kù)存時(shí)間。
　　CaO存在于鈣質(zhì)鋁礬土和用作棕剛玉冶煉時(shí)還原劑的焦炭和煤中。因此對(duì)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(chǎng)合。在高質(zhì)量的磨具和高級(jí)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(duì)棕剛玉顆粒，通常的需求為CaO含量<0.1%。
　　應(yīng)再次提請(qǐng)注意的是，β-氧化鋁和玻璃熔渣相沒(méi)有棕剛玉中α-氧化鋁晶粒那樣的韌性。由于其在破碎時(shí)易碎且易細(xì)化，故它們的粒度趨于集中在細(xì)粒范圍。
　　硫
　　棕剛玉中的硫一般達(dá)不到引起問(wèn)題的含量水平。硫的來(lái)源通常是用作還原劑的焦炭或煤在熔煉過(guò)程中帶進(jìn)來(lái)的。從環(huán)境及產(chǎn)品質(zhì)量的觀(guān)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，需要使用低硫含量的碳源。在熔煉過(guò)程中，高硫含量的碳源會(huì)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(guò)程中繼續(xù)存在。例如，相信硫會(huì)對(duì)鐵有親合力，在還原條件下會(huì)生成硫化鐵。在氧化氣氛中，溫度升高時(shí)，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(huì)氧化，而硫則變成SOx氣體。硫的氣化并逸出會(huì)引起氣泡的產(chǎn)生，同時(shí)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(diǎn)可能使產(chǎn)品報(bào)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(jìn)行的，可以想象黃鐵礦在熔煉過(guò)程中會(huì)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(wú)妨礙。硫含量應(yīng)使用總碳測(cè)定儀，用燒酌法進(jìn)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?；钚蕴己蛫A雜碳?；钚蕴际卿X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(shí))。
　　活性碳
　　用來(lái)還原鋁礬土的碳源的添加量要通過(guò)計(jì)算以使棕剛玉有理想的化學(xué)組分。添加量是這樣計(jì)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(duì)于焦炭增加量10% 以?xún)?nèi)，對(duì)煤則最高增加25%。
　　這一增量碳目的是補(bǔ)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(huì)導(dǎo)致鋁礬土的過(guò)還原或欠還原，欠還原會(huì)導(dǎo)致高二氧化硅和高二氧化鈦，過(guò)還原會(huì)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(guò)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(mǎn)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(guò)程中過(guò)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(huì)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(huì)在還原過(guò)程消耗完。原封不動(dòng)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(lái)自熔液接包襯上的碳基耐火材料也可能夾雜進(jìn)結(jié)晶塊里或者表面上。
　　在破碎過(guò)程中，這種碳會(huì)散布開(kāi)來(lái)形成游離碳。下面的簡(jiǎn)單試驗(yàn)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(dòng)幾秒鐘，讓其沉降。如果其中有游離碳的話(huà)，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(bào)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(lái)時(shí)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(jī)分離出來(lái)。
　　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(guò)磁選機(jī)，此時(shí)它如果還是熱的話(huà)，則FeSi的磁性會(huì)降低，就不能被去除。黑鐵或金屬鐵是破碎機(jī)和處理設(shè)備磨損帶進(jìn)的鐵，容易用磁選機(jī)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(lái)源，只是這來(lái)源是非磁性的，破碎機(jī)零件運(yùn)輸帶及篩網(wǎng)時(shí)常有非磁性的鋼，最常見(jiàn)的有錳鋼、不銹鋼等。這些鋼的細(xì)粒，以及弱磁或非磁的硅鐵可以用 高強(qiáng)磁選機(jī)去除，然而，使用高強(qiáng)磁選機(jī)會(huì)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(yàn)?zāi)チ霞?jí)的棕剛玉料中Fe2O3的典型技術(shù)條件為≤1.0%，耐火材料級(jí)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(duì)金屬鐵的補(bǔ)充檢驗(yàn)。
　　黑鐵和磁性鐵的檢驗(yàn)方法是將小顆粒的稱(chēng)過(guò)的棕剛玉樣品從小磁鐵下面通過(guò)并稱(chēng)量磁鐵吸上的材料的重量。這個(gè)檢驗(yàn)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(bào)告的鐵的總含量，則需要做進(jìn)一步的檢驗(yàn)。
　　進(jìn)一步酸洗檢驗(yàn)棕剛玉中的鐵是需要的。在這個(gè)檢驗(yàn)中，稱(chēng)取一定量的棕剛玉樣品和鹽酸溶液，放入燒杯放置一定時(shí)間。用某種分析鐵的專(zhuān)用的分析方法，定量地采集溶液進(jìn)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(yǔ)
　　世界各地生產(chǎn)的棕剛玉大部分是具有高質(zhì)量，并能滿(mǎn)足大多數(shù)客戶(hù)的需求的。如果棕剛玉的最終用途對(duì)其質(zhì)量有特殊的要求，供應(yīng)商和客戶(hù)有義務(wù)充分地協(xié)商所有的要求。供應(yīng)商和客戶(hù)的合作已從區(qū)域性的擴(kuò)大到全球性的，并且在本次擴(kuò)大中，合作雙方都必須努力相互了解，即了解客戶(hù)的需求和供應(yīng)商的能力。