刚玉质矿物原料课件

1、刚玉质矿物原料1、定义： 指氧化铝含量大于90%、主晶相为刚玉的耐火制品。2、种类： 烧结氧化铝制品、再结合烧结刚玉制品、再结合电熔刚玉制品，刚玉质高温陶瓷，刚玉浇注料。3、基本性能： 刚玉质耐火制品氧化铝含量高、杂质含量低、化学稳定性好，耐高温、硬度大、强度高、抗氧化、耐腐蚀、电绝缘、气密性好等。刚玉质耐火材料4、用途： 刚玉质耐火制品耐高温、耐腐蚀，广泛用于多种高温电炉、窑炉的内衬及制作刚玉炉管、炉芯及高温电炉配件等。 在化工系统，作为反应炉和气化炉的专用炉衬，用作各种反应器皿和管道； 由于硬度大、耐磨性好，用作刀具、模具磨料；利用高温绝缘性，用作热电偶保护管、原子反应堆中的绝缘瓷；利用结

2、构稳定、可在高频、高压下使用的特点，可用于集成电路基板、雷达天线保护罩等； 刚玉保温材料既耐高温又保温，广泛用于炉墙和炉顶。 其他刚玉耐火材料广泛用于钢铁、石化、建材等。刚玉质耐火材料1、背景 1798年将刚玉名称列入矿物学，刚玉是矿物名称，而在以前叫宝石（precious stone），其化学成分主要是Al2O3，为氧化铝晶体，纯净的刚玉晶体是无色透明的。2、化学组成 一般含微量Cr3+、Fe2+、Ti4+、Mn2+、V5+、Ga3+等，常见赤铁矿、钛铁矿、金红石、尖晶石、石榴子石等包裹体。刚 玉 3.晶体结构： 三方晶系刚玉型结构：O2-呈六方最紧密堆积构成氧离子层，Al3+在两层 O2-

3、之间，充填2/3的八面体空隙。 4.形貌特征 晶体常呈完好的腰鼓状、桶状或短柱状。晶面上常见相交的几组条纹。 通常呈 蓝灰、黄灰色，含杂质可呈各种颜色： 红宝石：含Cr，红色；蓝宝石：含Ti 和Fe2+，蓝色； 黑星石：含Fe2+、Fe3+， 黑色、透明；白宝石：纯净无色透明的晶体；含Co、V、Ni呈绿色；含Ni呈黄色； 含Fe3+、Mn2+呈玫瑰红色。 在某些红(蓝)宝石的0001面上可见因含有定向分布的针状金红石包裹体而呈现的六射星光，称为星光红（蓝）宝石。5、来源 自然界存在刚玉矿床，例如国外：哈萨克斯坦、南非、加拿大以及我国的河北、西藏、江苏、江西和山东等。 工业上使用的刚玉原料都是来

4、源于含Al2O3矿物矿石，如铝土矿、霞石KNa3AlSiO44(系K AlSiO4 和NaAlSiO4类质同象形成固溶);明钒石KAl3SO42(OH)6等，其中世界上95%以上的氧化铝是用铝土矿生产。6、应用 1）磨料行业 刚玉晶体的硬度高、耐磨性好，被大量用于磨料行业，占磨料2/3，其他碳化硅磨料； 2）电子行业 刚玉为离子晶体,结构稳定，在高频、高压和较高的温度下使用，其绝缘性优良，损耗不大，介电常数小。集成电路、基板、瓷架、微波窗口、防泄露陶瓷管（罐）；透明刚玉制品可制作灯管、微波整流罩、固体电解质Na-Al2O3钠硫电池隔膜材料； 3）石油、化工行业 刚玉硬度大、耐磨性好、强度高用作

5、反应器皿和管道、化工泵部件； 4）耐火材料 耐高温、耐腐蚀、高强度等性能，冶炼稀贵金属、特种金属、玻璃拉丝、激光玻璃的坩埚及器皿；各种高温炉窑用炉衬；碳黑、硼化工、化肥、合成氨反应炉和气化炉专用炉衬； 从铝土矿或其他含铝原料提取的方法很多，大致有四类： 1）碱法； 2）酸法： 硝酸、盐酸、硫酸等投资大，酸回收复杂； 3）酸碱法； 4）热法（电熔法）氧化铝生产方法A、碱法 生产氧化铝 碱法有拜尔法、烧结法及拜尔-烧结法等；拜尔法 1889-1892年奥地利化学家K.J拜尔(Bayers)发明了生产氧化铝的方法，其原理是：直接用含有大量游离NaOH的循环母液处理铝矿石，以溶出其中的氧化铝，获得Na

6、AlO2溶液，并加晶种分解的方法，它使溶液中的氧化铝成为Al(OH)3结晶析出；铝土矿原矿料浆NaOH溶出Al2O3溶液稀释、泥渣分离NaAlO2溶液加晶种，Al(OH)3分离洗涤得到纯净Al(OH)3煅烧得到Al2O3烧结法 生产氧化铝的原理是在铝矿石中配入石灰石（或石灰）、苏打。使原料在高温下烧结，从而获得含固态铝酸钠的熟料，用水或稀碱溶出，得到铝酸钠溶液，对脱硅后的纯净铝酸钠溶液采用碳酸化法（往溶液中通入CO2使溶液中Al2O3成为Al(OH)3析出，后煅烧即为氧化铝）。铝土矿加入（石灰石或苏打） 混合体高温煅烧含铝酸钠的熟料水溶出NaAlO2溶液通入CO2 Al(OH)3 Al2O3

7、一般来讲，拜尔法处理高品位的铝土矿，工艺简单，能耗低，产品质量好。而碱石灰烧结法处理低品位的铝土矿（Al2O3/SiO27-8），工艺复杂，能耗高，产品质量不如拜尔法好。联合法：拜尔法和烧结法并用;B、热法 其原理是将铝矾土熟料与还原剂直接在电炉内熔融制备，棕刚玉和亚白刚玉等， 而用工业氧化铝为原料，采用电熔方法可以得到白刚玉、致密刚玉原料，加入锆英石、氧化锆或氧化铬可以电熔锆刚玉和铬刚玉等；按生产工艺分有三种：1）轻烧氧化铝(calcined alumina)2）烧结刚玉(sintered corundum)包括烧结板状刚玉)3）电熔刚玉(fused corundum)(电熔棕刚玉、电熔亚白

8、刚玉、电熔白刚玉、电熔致密刚玉)氧化铝产品1)轻烧氧化铝(calcined alumina)背景：工业氧化铝属于半成品，来源于煅烧Al(OH)3，煅烧温度1250C，其性能：1）除含有-Al2O3外，还有-Al2O3以及一水软铝石；2）含有0.3-0.4%Na2O杂质，位于多孔集料中。因此进一步煅烧可以减少制品收缩（-Al2O3 -Al2O3体积收缩达14.3%），去除杂质Na2O。制备过程：以工业氧化铝为原料，加入部分外加剂，在较低的温度下，进行煅烧处理，一般煅烧温度不超过1500C，使其中的-Al2O3完全转化为-Al2O3,同时进一步去除Na2O，且保持较大的活性，所以又称活性氧化铝(a

9、ctive alumina)。工艺参数：1）煅烧温度不超过1500C ，最合适温度1400-1450C，有些为了一定活性，控制1300C左右。2）引入矿化剂，促进转化，去除Na2O。一般的矿化剂为硼酸、氯化镁、金属铝和硼镁石Mg2B2O4(OH)22)烧结刚玉 将工业氧化铝或高铝矾土通过煅烧的方法制取刚玉材料称为烧结刚玉。 根据煅烧温度及材料的显微结构、性能的差异，轻烧刚玉（1925 C ）。 用天然高铝矾土煅烧的刚玉材料称为烧结矾土刚玉。 烧结刚玉工艺 烧结刚玉工艺分一步法和二步法。 原料-磨细-混料-成型-干燥-烧成-加工-检验回转窑烧成熟料结晶和气孔都大； 隧道窑烧成依条件不同可得不同质

10、量熟料；竖窑烧成温度最高，可快速烧成，质量最好。 添加TiO2不仅能降低烧结温度，而且能增大刚玉结晶尺寸，但会降低制品强度。 烧结板状刚玉 美国铝业公司(Alcoa)公司于1935年研制成功板状氧化铝(Tabular alumina)，其原料系采用预煅烧的工业氧化铝经细磨成球后在略低于其熔点的温度1925C左右的超高温条件下烧结制备。其优良的体积稳定性和抗热震性归因于低的气孔率和快速烧结条件下再结晶时形成的封闭晶内气孔。 美国先后在德国、荷兰、日本、中国青岛生产烧结刚玉。近年来，我国的江苏、河南和山东等地一些厂家也开始生产烧结刚玉。关键是如何控制板状化。烧结矾土刚玉 烧结矾土刚玉与矾土的化学矿

11、物组成、烧结时间及原料粒度有很大关系。 最主要问题是杂质，有人研究加AF3。 3)电熔刚玉背景: 50年代，开发了电熔棕刚玉(51年)和电熔白刚玉(55年)，当时主要应用领域是磨料行业，国内生产厂家有郑州磨料厂、吉林梅河口砂轮厂、贵州七砂等。 80年代初，建起了专供耐火材料公司使用的刚玉原料如：三门峡电熔刚玉厂、西北耐火材料厂；电熔刚玉由原来的两种发展到电熔亚白刚玉、电熔致密刚玉、电熔板状刚玉等。种类: 电熔棕刚玉、电熔亚白刚玉、电熔白刚玉、电熔致密刚玉、电熔板状刚玉 电熔棕刚玉原理 棕刚玉冶炼是利用铝对氧的亲后力比铁、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，使铝矾土

12、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体分离，获得结晶质量符合要求Al2O394.5%的棕刚玉。方法：用高铝矾土熟料、碳素材料、铁屑三种原料，经配料混合加入电弧炉中，经过高温熔化和杂质还原后冷却而结晶成棕褐色熔块。各种原料作用：1）高铝矾土是提供主要成分Al2O3的原料，其含量越高，对冶炼刚玉的各项指标越有利，其他杂质有SiO2 Fe2O3 TiO2 CaO MgO K2O Na2O。2）碳素材料-还原剂，用来还原高铝矾土中的杂质，种类有石油焦、焦碳和无烟煤等3）铁屑-稀释剂因为我国矾土中氧化铁含量低，按高铝矾土中的SiO2 多少引入。反应方程式1) SiO2+CSi+CO 2)

13、 Fe2O3+CFe+CO3)TiO2+C Ti+CO 4) TiO2+C TiC+CO5)SiO2+Fe+CFeSi+CO 6) TiO2+Fe+CFe3Ti+CO7)Na2O+CNa+CO由于杂质没有被完全除去，杂质含量较高，呈现特有的棕色，故称棕刚玉。 电熔亚白刚玉背景： 棕刚玉杂质含量高，会严重影响耐火制品性能，同时工业氧化铝价格昂贵，来源匮乏，耐火材料需要的氧化铝难以得到满足。原理：冶炼亚白刚玉与冶炼棕刚玉不同，冶炼棕刚玉主要是将矾土中的SiO2和Fe2O3还原成Si和Fe分离出去。 而冶炼亚白刚玉不但要将矾土中的SiO2和Fe2O3还原成Si和Fe分离出去，还要尽可能将Al2O3以

14、外的氧化物，尤其是矾土中的TiO2还原成金属Ti分离出去。前期为还原熔融期，主要还原出Fe、Si和Ti。氧化精炼期去掉多余的碳；后期反应方程式主要为Al4C3+Fe2O3Fe+Al2O3+CO Al4C3+FeOFe+Al2O3+CO3)Al4C3+SiO2Si+Al2O3+CO 4)Al4C3+ O2 Al2O3+COAl4C3+H2O Al(OH)3+CH4Al2OC+H2O AlOH)3+CH4原料要求高铝矾土-对高铝矾土熟料要求高，不但要求Al2O3高，而难以还原的氧化物尽可能低， Al2O385%，TiO24.5%， CaO+MgO0.5%。碳素材料-固定碳75%，灰分12%， 水分

15、90%或石英砂SiO2电熔白刚玉比电熔亚白刚玉工艺简单，主要是由于原料采用纯度高工业氧化铝。关键在于去钠元素。电熔致密刚玉 80年代初，为了适应冶金技术发展，对耐火材料质量品种的要求，三门峡电熔刚玉厂、西北耐火材料厂利用工业氧化铝作原料，电熔生产电熔致密刚玉，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沟浇注料，在上海宝钢大型高炉上使用。原料：工业氧化铝、碳素材料、石英、铁屑反应式： Na2O+CNa+CO SiO2+CSiO+COAl2O3+CAl4C3+CO Al2O3+CAl2OC+CO Al4C3+SiO2Si+Al2O3+CO电熔致密刚玉： 由于纯氧化铝

16、熔液2200时比-Al2O3晶体的密度（真密度）3.99 g/cm3小结晶过程中产生收缩气孔气孔少的刚玉为致密刚玉电熔致密刚玉电熔板状刚玉 众所周知，美国铝业公司用烧结法开发生产了板状刚玉，其被认为是由板状晶体构成的刚玉集合体。 天津大学研究了采用电熔工艺生产板状刚玉，获得成功。研究发现用这种板状刚玉作为陶瓷棍棒作为原料，取代原来使用的电熔白刚玉，对提高棍棒的抗热震性十分显著。原理： 板状刚玉的形成温度略低于其熔点，但是工业氧化铝中杂质氧化物的存在，也必然使板状晶体刚玉发育和形成是在有液相的“半熔化”状态下形成。 电熔板状氧化铝在此状态下，刚玉晶粒迅速长大，晶粒晶界移动速度高于闭气孔向晶界移动的速度，导致晶体内部存在较多的闭口气孔。另外，Na2O在这种状态下，存在于氧化铝物料内部挥发，也是电熔板状刚玉内部存在闭口气孔的原因之一。电熔刚玉物理性能项 目电熔棕刚玉电熔