1、电熔刚玉工艺原理电熔刚玉工艺原理、应用及研究现状摘要：电熔刚玉是氧化铝在电弧炉中熔融后冷却固化的产物，具有工艺简单、流 程短、产品成本低等优点，其晶体结构为 a-Al 2O3。电熔刚玉作为一种高档耐火材料，具有优良的性能，原料可作为骨料和基质生产不定形耐火材料，熔铸刚玉砖 广泛应用于高温窑炉和高温冶金设备。根据不同的工艺要求可以得到电熔棕刚玉、 电熔亚白刚玉、电熔白刚玉、电熔致密刚玉、和电熔板状刚玉等不同品种的电熔 刚玉。本论文首先介绍了不同品种电熔刚玉的生产工艺流程，其次概括了不同产 品在各个领域的应用现状，最后简要分析了电熔法目前存在的技术问题。关键词：电熔刚玉生产工艺熔铸刚玉砖应用引言随
2、着近代工业的高速发展，石油、化工、冶金、航天航空等工业对耐火材料（陶 瓷）的技术要求不断提高，其工况要求从原来的高温高强度发展到既要求高温高压 又要求具有高抗震性和高抗蚀性能，因此，制备方法的选择很关键。主要的制备方 法有化学法和电熔法，其中化学法制备的产品具有特别优良的性能，且在生产过 程中产品的性能易于控制，但化学法工艺流程较长，分解试剂消耗量大，产品成 本较高，因此在普通陶瓷、耐火材料和陶瓷色釉料等领域无法得到广泛应用。电 熔法是通过一步电弧炉熔炼而获得产品，其工艺简单、流程短、产品成本低，但 性能次于化学法生产。然而，相信随着对电熔法的深入研究，产品质量的提升、 产品结构的多样化以及在
3、节能方面的突出表现，电熔刚玉将会有很大的发展前景。1电熔刚玉生产工艺原理1电熔刚玉就是氧化铝在电炉中熔融后冷却固化的产物， 其晶体结构为aAl2O3。电熔刚玉按品种可分为电熔棕刚玉、电熔亚白刚玉、电熔白刚玉、电熔致密刚玉、 和电熔板状刚玉。它们的性能根据不同的工艺原理也有所不同。1.1电熔棕刚玉棕刚玉是用高铝矶土熟料、炭素材料、铁屑三种原料经过配料混匀加入电弧 炉中，经过高温熔化和杂质还原后冷却而结晶成的棕褐色熔块。其主要化学成分 是AI2O3,含量为94.5%97%。1.1.1棕刚玉生成原理棕刚玉冶炼是利用铝对氧的亲和力比铁、硅、钛等大的基本原理，可以通过控制还原剂的数量用还原冶炼的方法是铝
4、矶土中的主要杂质还原，被还原的杂质 生成硅铁合金并与刚玉熔液分离，从而获得结晶质量符合要求、 AI2O3含量大于94.5%的棕刚玉。用高铝矶土直接冶炼刚玉，从理论上说，只要加入足够的碳，并 将温度控制在18001900E，就可能将矶土中除 Al 2O3 和 CaO以外其他氧化物还 原成金属而分离出去，并保持Al2O3稳定存在。在还原的金属元素中K、Na和Mg 是以气态形式挥发掉的，而 Fe、Si和Ti等金属则多数形成合金下沉，从而达到 Al 2O3与其他氧化物分离开的目的。其还原反应如下：3Fe2O3 + C2Fe 3O4 + COTFe 3O4 + C3 FeO + COTFeO + C F
5、e + COTSiO2 + Fe +2C FeSi + 2COTTiO2 + 3C TiC + 2CO TTiO2 + 2C + 3Fe FesTi + 2CO T1.1.2冶炼棕刚玉用原料(1) 高铝矶土 一般要求高铝矶土含 AI2O3大于76%，Fe2O3小于7.0%，TiO?小于 5.5%，CaO+MgO小于1.2%。高铝矶土的粒度不易过大，也不易过细，一般控制在 10 25mm。(2)炭素材料 炭素材料作为冶炼刚玉的还原剂，用来还原高铝矶土中的杂质。 刚玉冶炼常用的炭素材料有石油焦、焦炭、无烟煤等。对这些材料的化学成分要 求见表1.1,其灰分的化学成分见表1.2。表1.1炭素材料的化学
6、成分（%）种类固定碳挥发分灰分水分石油焦 88 8 1.5 85 2 10 75 10 15 88Siw 2.5AlW 0.4要求铁屑要尺寸小，输送方便，适合刚玉冶炼。对铁屑中铝的成分要严格控制。铁屑加入量是根据高铝矶土中 SiO2含量多少而确定的。高铝矶土中氧化铁含量也影响铁屑用量，氧化铁被还原生成的铁可以减少部分铁屑用量。1.1.3冶炼工艺棕刚玉冶炼工艺过程主要分为开炉、熔炼、控制、精炼四阶段。熔炼约占全部冶炼时间的80%以上，这个阶段使炉料熔化成液态，杂质进行还原，生成硅铁 合金并和刚玉熔液分离。精炼是最后一个阶段，目的是使杂质充分还原，硅铁合 金较好的沉淀聚集，炉内气体畅通排出。冶炼工
7、艺方法分为倾倒法、熔块法和流放法。倾倒法和熔块法冶炼工艺流程 图分别如图1.1和1.2所示。高铝熟料 铁屑 无烟煤 回炉微粉*料仓 卄 破碎破碎*配料 冶炼 填充料 1 r 包衬材料入半成品库图1.1倾倒法棕刚玉冶炼工艺流程高铝熟料 铁屑 无烟煤乏料*分选1级块 二级块刚玉与硅铁硅铁合金J 合金混合块转刚玉加工图1.2熔块法棕刚玉冶炼工艺流程1.2电熔亚白刚玉近年来，中钢集团洛阳耐火材料研究院等单位，利用我国丰富的高铝矶土， 采用还原法冶炼出AI2O3不小于98.5%的灰白色刚玉，俗称亚白刚玉。1.2 . 1电熔亚白刚玉原理冶炼亚白刚玉与冶炼棕刚玉不同，冶炼棕刚玉主要将矶土中的 SiO2和F6
8、2O3还原生成Si和Fe分离出去。而亚白刚玉不但要将 SiO2和Fe2O3还原生成Si和Fe 分离出去，还要尽可能将 Al2O3以外的其他氧化物，尤其是矶土中的 TiO2还原成 金属Ti分离出去。为了将杂质中相对比较稳定、还原温度较高的 TiO2还原掉，必须加入过量的碳，这样会导致在冶炼成的刚玉熔块中出现 Al4C3, Al4C3是刚玉熔块中有害的杂质。因为Al 4C3遇水或在潮湿的空气中存放会发生水解反应放出甲烷（CH4），从而使刚玉颗粒粉化。因此在冶炼后期必须进行脱碳处理，以排除 AI4C3 的生成。如冶炼后期加入脱碳剂（铁鳞）或吹氧气，使熔体中的碳与脱氧剂反应 生成CO气体逸出，从而消除
9、Al 4C3的生成。也可采取向熔体中吹氧措施，使熔体 中的碳生成CO或CO2逸出，从而排除碳化物的形成。还有的在熔炼后期加入高 纯硅石粉，也能减少和限制碳化物的生成和刚玉中游离碳的含量，其反应式如下：AI4C3 + 3FesO3 2Al 2O3 + 6Fe + 3COTAI4C3 + 9FeO 2AI2O3 + 9 Fe + 3COT2Al 4C3 + 9SiO24 AI2O3 +9Si + 6 COT反应生成的单质铁和硅生成硅铁合金沉于熔液下部与刚玉分离。1.2.2冶炼亚白刚玉的原材料要求冶炼亚白刚玉对原材料的要求比棕刚玉严格。特别是对高铝矶土熟料要求高， 不但要求AI2O3含量高，而难以还
10、原的氧化物含量要尽可能低， 否者难以达到指标 要求，具体要求见表1.4、1.5。表1.4高铝矶土的指标要求W (Al 2O3)/%W (TiO2) /%W (CaO+MgO ) /%投料粒度/mm 85 75v 12v 3510注：澄清剂一铁屑要求： Fe 90%;脱碳剂一铁鳞要求： FeO+Fe2O3 90%。1.2.3 亚白刚玉冶炼工艺亚白刚玉（AI2O398%和Al2O398.5%）的冶炼过程与棕刚玉的冶炼过程不 同。其特点是中期配加过量碳还原，后期为精炼澄清期配加脱碳剂进行脱碳处理。 即前、中期为还原熔炼期，后期为氧化精炼期。吹氧脱碳是比较有效的方法，不会带入任何杂质。但需要增设吹氧装
11、置和吹 氧管（枪）。加脱碳剂的量是根据还原熔炼期结束后的沾棍颜色来判断的，并根据 反应的剧烈程度来控制加脱碳剂（铁鳞）的快慢。一般铁鳞可分若干次加入。亚 白刚玉的生产工艺流程如图1.3所示。高铝矶土 炭素材料 铁屑J 1 1破碎 过筛 过筛V配料!添加剂 冶炼 修炉冷却出炉分级I 1 I二级品 一级品 硅铁破碎 制粒V磁选精筛酸洗水洗煅烧1V检验烘干磁选T1包装入库精:筛精筛1V检验1检验1包装入库T包装入库图1.3亚白刚玉生产工艺流程AI2O3含量，降碳化物也能采用酸洗处理法，可消除机械加工后残余的物质，从而提高低Fe2O3的含量。采用高温氧化法的热处理，游离碳可以与刚玉分离, 被氧化掉。1
12、.3电熔白刚玉电熔白刚玉是以工业氧化铝粉为原料，在电弧炉中熔融后冷却再结晶而成的白色熔块，主要化学成分为 AI2O3,含量在99%以上，杂质含量很少。1.3.1白刚玉生成原理白刚玉的冶炼过程，基本上是工业氧化铝粉熔化再结晶的过程，不存在还原过程。工业氧化铝含 AI 20398.5%以上，还有少量的Na2O、SiO2和微量的Fe?O3等 杂质。电熔处理虽有一定净化提纯作用，但还不能将其完全排除。其中 N&O与AI203在熔融状态中生成 禺AI203 (Na2O?11 AI2O3)，生成量随着N&O含量的增加 而增大。由于 禺AI2O3的熔点低，密度小，因此熔块冷却结晶时，偏析于熔块的上 中部，虽
13、然通过碎选可以剔除，但仍会有少量留在刚玉熔体中，严重影响白刚玉 熔块的耐火性能。因此对工业氧化铝中的 Na2O含量必须严格控制。为了消除或减弱N&O的危害性，加入石英砂或者氟化铝(AIF3)。前者使& AI 2O3成为霞石，后者促进N&O挥发。1.3.2冶炼工艺过程白刚玉的冶炼工艺过程与棕刚玉的基本相同，亦分为开炉、熔炼、控制、精 炼四阶段。其冶炼工艺方法与棕刚玉的类似，分为倾倒法、熔块法和流放法。一 般棕刚玉的冶炼方法比较简单。图1.4为熔块法冶炼白刚玉工艺流程。工业氧化铝粉 氧化铝粉回收冶炼 I冷却 破碎AT禺AI2O3 碎选 二级块一级块T T交库交库 交库图1.4熔块法冶炼白刚玉工艺流程1.4电熔致密刚玉为了适应冶金技术发展对耐火材料质量和品种的要求，利用工业氧化铝做原 料，电熔出致密刚玉。这种刚玉块的外观呈浅灰色，纯度高，气孔率低，密度大。 用它替代进口产品制取铁钩浇注料，在上海宝钢大型高炉上使用，获得了显著的 效果。将工业氧化铝粉与添加剂按比例配料混合，
