普通磨料磨具

第一篇磨料
第一章磨料通论
§1-1磨料的种类及粒度
1．序论
什么是磨具？凡是在加工工序中起磨削、研磨、抛光作用的工具，都被称为磨具。

磨具是伴随着人类使用工具就产生了，在新石器时代，开始使用经过打磨过的石斧、石针，我国秦汉时期铜镜磨亮，都是采用天然的磨料、磨具进行的。

根据一些资料证明，外国制造人工磨料磨具是在100多年前：1760年，法国出现用天然磨料制造砂纸的作坊；1825年，印度出现用虫胶做结合剂制造磨具；1846年，美国出现第一块用于外圆磨床的砂轮是用天然矿石做成的；1857年，比利时用天然橡胶为结合剂做成砂轮；1877年美国用粘土做结合剂做成天然磨料的陶瓷砂轮；1880年，美国用树脂为结合剂制成树脂砂轮；但是，在1891年之前，人们还是以天然磨料做制造磨具的主要原材料。

1891年，在磨料磨具制造方面出现了较大的变革，这一变革的标志就是出现了人造磨料。

美国卡普伦登公司（Carborundum Co.）生产出碳化硅；1897年，美国诺顿公司（Norton Co.）生产出刚玉磨料；1900年磨床已进入普通加工车间，磨具应用日益广泛。

1901年电弧炉冶炼棕刚玉成功，达到批量生产水平，也标志着人造磨料真正进入工业化生产阶段。

1901年，生产出了白刚玉，使磨料品种日趋完善。

此时，内园磨床、外园磨床、轧辊磨床、万能工具磨床都已相继出现。

1920年，磨床的液压传动已基本成熟，螺纹磨床出现，用陶瓷结合剂制成的磨螺纹砂轮使丝锥、塞规等螺纹工具精度大大提高。

1924年，绿色碳化硅在卡普伦登公司研制成功，为硬质合金的磨加工初奠基础。

1925年，第一台磨齿机制成，出现马克（MAAG）齿轮磨床。

1930年磨具生产开始控制组织，特别是陶瓷磨具开始了组织号的使用选择，同年还生产了天然金刚石的树脂砂轮，并且出现了无心磨床。

1934年美国生产了硬度高于碳化硅的碳化硼（B4C），1936年制成天然金刚石的金属结合剂磨具，1940年出现砂带磨床和陶瓷金刚石砂轮，1946年美国研制成功单晶刚玉，使含有钒、钛、钨、铝等元素的合金钢材磨加工效率得到提高。

此时，陶瓷磨具占磨具生产的主要地位。

1948年生产加强纤维树脂砂轮，树脂磨具在打毛刺、修理焊缝等工序上得到广泛应用。

1953－1954年瑞士和美国分别研制成功人造金刚石，1957年，美国首先工业性生产人造金刚石，同年还研制成立方氮化硼，超硬磨料进入磨加工领域。

1962年出现铬刚玉和烧结刚玉。

1963年制成锆刚玉，到1970年生产三种不同ZrO2含量的锆刚玉系列，钢铁行业的钢坯修磨逐步发展采用高速高负荷树脂磨具，1976年已经使用锆刚玉制成80米/秒，负荷达500公斤的树脂磨钢坯砂轮。

七十年代，陶瓷磨具与树脂磨具产量比例达1:1，七十年代苏联发展钛刚玉，我国生产镨钕刚玉，八十年代初期，陶瓷磨具最高使用速度达125米/秒并用于轴承工业。

磨料磨具的发展，促使一系列磨削加工的迅猛发展，而磨削加工在各个工业领域的广泛应用，又反过来促使磨料磨具品种和质量的不断扩大与提高。

二十世纪五十年代是磨料磨具与磨加工工艺发展最快并达到比较完整的年代，磨床约占金属切削机床20％，六十年代美国约占38％，苏联为25％左右，七十年代期间，磨床占金属切削加工机床仍为25－35％左右，而其间又大量发展了涂层磨具——砂带、磨片、磨圈等，到八十年代初期、美国平均每三台磨床就有一台砂带磨床或砂带抛光机。

我国解放前，没有磨料磨具工业，只有一个由日本吴制砥所在东北苏家屯遗留下来的砂轮生产作坊。

新中国成立后，磨料磨具随着我国工业的迅速发展而发展起来，首先在东北苏家屯原有的砂轮旧厂上扩建了第一砂轮厂，自行研制并生产了棕刚玉和碳化硅，以后在苏联专家的帮助下陶瓷磨具由水浇铸成型改为半干法机压成型生产，大大提高了生产效率。

1953年，我国筹建综合性的磨料磨具企业，由德意志民主共和国提供成套设备与工艺，1956年厂址在郑州破土动工，1964年建成，是我国规模最大的砂轮厂，命名为第二砂轮厂。

它生产棕刚玉、白刚玉、绿碳化硅、黑炭化硅、陶瓷磨具、树脂磨具、橡胶磨具、涂附磨具、研磨膏，以及后来自行建设并生产的人造金刚石及其制品。

在第一个五年计划期中，还在山东建成第四砂轮厂，以后在贵州新建第三砂轮厂、第七砂轮厂和人造金刚石及其制品的专业化工厂——第六砂轮厂，1958年由第二砂轮厂的中心实验室改为第一机械工业部磨料磨具磨削研究所，同时，第一机械工业部建立了郑州机械专科学校磨料磨具班培养中专人才，到1982年全国除西藏外，各省都建有省、市、县级的磨料或磨具工厂，磨具全国总产量在六万五千吨左右。

磨料磨具品种已能满足国内需要，且由进口转为出口。

陶瓷磨具品种中除通用磨具外，高速砂轮，大气孔砂轮、磨钢球砂轮、磨螺纹砂轮，缓进给强力磨砂轮等均经过我国第一个五年计划成长起来的磨料磨具工程技术人员自行研制成功并达到批量生产，促进了各种专用磨加工工艺的发展。

七十年代末，我国已具备了完整的磨料磨具生产体系。

2．磨料的种类及代号
2．1．碳化物类：
见表1-1。

2．2．刚玉类:
见表1-2。

表1-2 刚玉类磨料
2．3．其它天然磨料
主要包括石榴石、天然刚玉、石英；
2．4．主要厂家
1、2、3、4、5、7砂轮厂，其中七砂产量最大；
国外厂家的人造磨料品种代号杂乱，一般是生产厂家和公司自行规定，如美国的诺顿公司，日本的昭和电工株式会社，美国的卡普伦登公司等；
3．磨料的粒度
3．1．重要性
决定了加工的精度和效率，是磨料的最基本指标；
3．2．意义
即磨料的颗粒尺寸；
3．3．表示方法
⑴．筛分法：＞40μm，以筛号表示，如80＃，还可称“目”；
⑵．水选法：＜40μm，以直接的颗粒尺寸标以“W”表示，如W5，表示5μm；注意：
①．度号不是随意划分的，一般有一定的标准，如我国国家标准有41个粒度号，记作：4#、5#、6#、7#、8#、10#、12#、……220#、240#等，微粉记作：w63、w50、w25……w1、w0.5等；
②．各国的粒度划分不是完全一致的；
表1-3 各国磨料尺寸对照表1
3．4．粒度组成及测定方法
由于事实上实际的粒度是连续分布的，而粒度号是分立的，所以每个粒度号
所对应的磨粒不只是一个同样的尺寸，而是一个粒度群，而且由于实际生产上的原因，这个粒度群的最粗粒和最细粒可能超出相邻的粒度号，如70#，其最粗粒可能通不过60#筛，最细粒可能通过80#筛，但是要限制粒度分布的比率，一个粒度号的粒群可以分成5个粒度群:
表1-4各国磨料尺寸对照表2
即:最粗粒、粗粒、基本粒、混合粒、细粒，列表举例（见表1-5）：
表1-5 粒度群组合
粒度
最粗粒粗粒基本粒混合粒细粒
100%通过下
列筛号
不通过
筛号
重量不大
于％
不通
过筛
号
重量
不少
于%
不通过
筛号
重量
不少
于%
通过下列筛
号重量最多
3%
70# 45# 60# 25 70 40 70/80 65 100 80# 50# 70# 25 80 40 80/100 65 120
磨料粒度的组成要符合国家标准的规定，现行标准为:GB2477-83；
粒度的检查要按国家标准规定的“磨料粒度测定方法”进行检验。

8目～240目用筛分法，w63～w0.5用显微镜分析法，目前又有激光粒度分析仪可用；
§1-2 磨料的基本性质和化学性质
1．磨料必须具备的基本性质
1．1．高硬度、高耐磨性
一般认为，只有硬的东西才能磨削软的东西，越硬效率越高；
1．2．有适当的抗破碎性和自锐性
寿命与磨刃更新；决定于韧性，两者是矛盾的，应取适当值；
1．3．高温稳定性和化学稳定性
由于工作区磨削温度高、压力大、所以要求磨料：
⑴．高温条件下的高硬度、高强度；
⑵．高温下不发生反应和分解；
⑶．不与工件发生化学反应；
关于⑶的讨论：
磨削不单纯是机械过程，磨削材料与工件可能发生化学反应：例1：碳化硅不能磨削钢材，从下列反应证实：
Fe+SiC高温→FeSi+Fe
3
C
但可以加工磨削铸铁，原因是其高的Si、C含量；
例2：刚玉不适于磨削玻璃、陶瓷等硅酸盐材料，有如下反应：
3Al
2O
3
+2SiO
2
→3Al2O3•2SiO2 (莫来石)
因此，对不同的加工材料，应选择合适的磨料，避免两者之间较大的化学亲和力，避免形成化学反应使磨料磨具的磨削性能下降；
下表列出了普通磨料与被加工材料之间的反应情况:
表1-6 磨料与被加工材料之间化学反应情况
刚玉系列碳化硅系列
反应粘着磨耗反应粘着磨耗
低合金钢无无小大有小
镍无无小大有特大
不锈钢无无中中有特大
铸铁小小小中无小
钛大大大大大中
2．化学成分
表1-7普通磨料化学成分
化学成分是反应磨料质量、性质的主要指标，一般认为，磨料纯度越高越好，杂质越少其硬度耐磨性越好；
2．1．指标：
见表1-7。

以上均有国家标准限定；
2．2．意义：
化学成分分析可以判定磨料质量的好坏，对刚玉最有意义的是矿物分析，因
为并非所有的Al
2O
3
都形成α－刚玉，即物理刚玉；
2．3．化学成分的变化规律
磨料的化学成分将随磨料的粒度而改变，粒度细，则杂质上升；国家标准也反应了这一特点；
表1-8棕刚玉化学成分随粒度变化情况表1-9 白刚玉化学成分随粒度变化情况表1-10国外刚玉化学成分
Al2O3 SiO2 Fe2O3 TiO2 ZrO2 续表1-10
§1-3 磨料的物理性质
我国目前测定的磨料物理性能有十几项，包括颗粒组成、颗粒密度、抗压强
度、亲水性、堆积密度、磁性物含量、显微硬度、pH值、研磨能力、单颗粒强
度、线膨胀系数、颗粒形状等的测定和磨粒显微结构分析以及岩相分析等；
其中颗粒组成、颗粒密度、磁性物、堆积密度、亲水性及pH值六个项目已
作为磨料技术条件的必检项目列入国家标准，下面分别介绍各项指标的意义及测
定方法。

1．硬度及测定方法
表1-11 莫氏硬度值与部分矿物对应关系
1．1．基本概念
对于硬度，物理上没有明确一致的定义，通常指物体对外来物体侵入的抵抗
能力；主要有刻划法、压入法两大类。

⑴刻划法
莫氏硬度（见表1-11），以后一种物质对前一种物质刻划能产生划痕为依据；
随着新的人造硬质材料的研究应用，在某些标准物之间插入一些物质，使莫氏硬
度细化。

⑵压入法
表征物体发生弹塑性变形的抗力，是综合机械性能指标。

随不同的压头材质、形状、表示方法不同，有不同的硬度，如布氏、络氏、维氏等；
1．2．磨料的硬度
⑴．不同晶面上硬度不同；
⑵．硬度随温度升高而下降；
⑶．杂质对磨料硬度有影响，一般随杂质含量增加而降低，但刚玉中的TiO
2
在
一定范围内可提高硬度，刚玉中加入Cr
2O
3
可同时提高硬度与韧性；
一般用显微硬度测量磨料的硬度；
HV＝1854.4P/d2
其中，p为硬度计载荷，单位为g，d为硬度计压痕对角线长度，单位为
mm；
表1-12 温度对磨料显微硬度的影响
1．3．常用磨料的显微硬度值
表1-13常用磨料的显微硬度值
2．磨料的韧性
磨料的韧性是指磨粒在磨削力的作用下抵抗破碎的能力。

2．1．物理本质:物质抵抗冲击，吸收能量的能力.反意是脆性；
2．2．对磨粒的作用
⑴．一定的韧性，能保证使用寿命；
⑵．影响自锐性，韧性大，不易碎，易钝化；
显然韧性与自锐性是矛盾的，对磨料一般要求适当的韧性值；在磨削过程中，磨料的磨损与磨料的硬度、抗热震能力、抗冲击、抗震动、抗压以及抗磨蚀能力密切相关，所有这些性能综合在一起可用“韧性”来表达。

因此韧性这个概念体现了多项理化性质，对它确切定义是很难的，主要是通过试验进行。

—般来说，磨料的韧性愈高，金属的单位磨下量也越多，但韧性过高会影响磨料的自锐性。

磨料行业检定的韧性，实际上是脆性。

即磨粒在外力作用下的抗破碎能力。

具体测定方法有静压法和球磨法两种。

静压法的测定值比较稳定。

球磨法测定，磨粒的受力方式更接近于磨粒磨削时的受力情况，不少国家已将球磨法列入国家标准中。

2．3．韧性的测定
磨料的韧性值是一个相对值，用百分率表示。

模压法测定韧性是用一定粒度、规格、规定重量的磨粒在压模内承受一定的静压后，以其未破碎颗粒的重量百分数作为磨料的韧性值；球磨法测定韧性是以一定重量、粒度规格的磨料于一定转速的球磨机中(内装一定规格、重量的钢球)转至规定的总转数后，以未经破碎颗
粒的重量与回收样总重之比，作为磨料的韧性值。

⑴．模压法、静压法
取一定重量的20目或46目待测磨料，于压模内承受一定的静压力，其大小以未破碎颗粒的重量百分数表示； ⑵．球磨法
以一定重量的16目磨粒装入一定转速的磨机内，机内置一定规格、质量的磨球，开动设备至规定转数后，筛分，未破碎质量与破碎质量之比，表示球磨韧性值；一般磨机要求容积5升，转数75/min ，转动20min ，装入3/4”磨球1000g ，装入样品100g ；下表为各类磨料的球磨韧性值：
表1-14 各类磨料的球磨韧性值
磨料名称 棕刚玉 白刚玉 单晶刚玉 含Ti 刚玉 TL TH 韧性值% 56.5 60.0 70.0 62.0 61.0 72.0
2．4．影响磨料韧性的因素 影响磨料韧性的因素有：磨料的颗粒形状和尺寸、磨料的显微结构等因素都会影响其韧性，如单晶体磨粒的韧性较集合体磨粒的韧性高。

煅烧处理可弥合磨粒的表面缺陷以及破碎过程产生的应力，因而煅烧处理可提高磨料的韧性。

另外磨料的化学成分及矿物组成也影响其韧性值。

⑴．磨料本身化学成分、矿物组成、晶体结构是根本因素，即磨料的品种不同，决定了它的韧性值，如上表；
表1-15 磨料颗粒形状对其韧性的影响
⑵．杂质对韧性的影响很复杂，如下图，表明了刚玉磨料的杂质对其韧性的影响
从图中可见，MgO 、CaO 、TiO 2、SiO 2均使韧性下降，脆性增加； Fe 3O 4、Cr 2O 3适量可使韧性上升； ⑶．磨料晶体大小、形状的影响
脆
性
含量 MgO CaO TiO 2
SiO 2 Fe 3O 4 Cr 2O 3图1-1 磨料中杂质对其韧性的影响
晶体大小与形状对磨料韧性影响很大，等积形的韧性高于杆状、片状的颗粒，颗粒形状与磨料破碎方法有关，因此不同的破碎方法所得的磨粒韧性不同；
表1-16 不同破碎方法对其韧性的影响
球磨机等轴晶粒多对滚机、颚式破碎机片状多
韧性好韧性差
⑷．煅烧的影响
下表列出了棕刚玉、白刚玉煅烧前后的模压韧性，从中可见煅烧对其韧性的影响。

表1-17 煅烧对刚玉韧性的影响
棕刚玉白刚玉
未煅烧1000℃1350℃未煅烧1000℃1350℃
24目46 63 73 36 44 50
30目56 67 74 38 66 77
关于煅烧提高韧性的原因：
a．消除了制粒过程的应力；
b．弥合磨粒微裂纹和晶体缺陷；
3．磨料的抗压强度
3．1．定义：磨料对承受外来压力发生破裂的抵抗能力，即发生破裂时的临界应力。

注意：是静态的，与韧性的区别。

简介对磨料的意义；
3．2．测定方法：用单颗粒抗压强度测定仪测定磨料的单颗粒抗压强度，简介单颗粒抗压强度测定仪的结构及工作原理：一般测量40粒，取平均值，即磨料的单颗粒抗压强度。

3．3．几种刚玉磨料的单颗粒抗压强度值列于表1-18：
表1-18 部分刚玉单颗粒抗压强度
磨料名称代号单颗粒抗压强度（N）
棕刚玉（30目） A 11．4
白刚玉WA 7．2
微晶刚玉MA 2．2
单晶刚玉SA 12
铬刚玉PA 13．4
3．4．SiC与刚玉抗压强度的对比
一般认为SiC的抗压强度高于刚玉，如：SiC抗压强度224Kg/mm2，刚玉为75.7Kg/mm2，但粗颗粒时可以发现SiC的强度低于刚玉，主要是SiC的缺陷多，尺寸大时更为明显。

4．磨料的研磨性能
4．1．概念
在研磨条件固定的条件下，以一定粒度和重量的磨料，磨去被磨对象重量的多少来衡量，国内多采用AC3-4研磨能力测定仪来测量。

研磨能力
％
强度
4．2．影响研磨能力的因素
研磨能力取决于两方面:
⑴．磨料本身的性质；
⑵．磨料颗粒形状；
如图1-2所示，不同粉碎设备制得的磨粒的研磨能力、强度的关系：
注意：不同的形状有不同的使用性能，对固结磨具用等积形，涂覆磨具用尖角形颗粒。

5．磨料的颗粒密度及测定方法
5．1．概念
磨料的颗粒密度是指单位体积(排除开口气孔的体积)内所含磨料的质量，单位是g／cm3。

5．2．测量方法
见GB304—83《普通磨料颗粒密度测定方法》
颗粒密度是反映磨料结晶完善程度和纯度的重要指标。

刚玉磨料的颗粒密度通常在3.90~4g／cm3范围内，随磨料粒度变化而略有波动。

按照有关标准规定，各种磨料的颗粒密度是以46#作为代表号进行检验。

具体指标见表1-19。

颗粒密度是指排除开口气孔，不排除闭口气孔的密度；
测定方法：颗粒密度D＝颗粒重量/颗粒体积
先称量磨料在空气中的重量G
再称量磨料在介质中的重量M
D＝G/(G-M)×D
介质
对于磨粒，介质用水或煤油；对于微粉，介质用煤油；
表1-19 部分磨料的颗粒密度
磨料名称代号颗粒密度(g/cm3)
棕刚玉 A 3.97
白刚玉WA 3.98
单晶刚玉SA 3.98
微晶刚玉MA 3.94
铬刚玉PA 3.98
锆刚玉ZA 3.98
黑碳化硅TH 3.20
绿碳化硅TL 3.20
6．磨料的堆积密度及测量方法
6．1．基本概念
磨料的堆积密度是指磨料在自然堆积情况下，空气中单位体积内磨料的质量，g/cm 3，是磨具制造的重要工艺参数，涉及制品的强度、气孔率、磨削性能。

6．2．测量方法
磨料自规定高度下落，充满一定体积的容器，称量即可。

采用PDM-1型普通磨料堆积密度测定仪测量。

表1-20部分磨料的堆积密度
磨料名称 代号 堆积密度(g/cm 3
) 棕刚玉 A 1.68~1.95 白刚玉 WA 1.75~1.95 单晶刚玉 SA 1.85~1.91 微晶刚玉 MA 1.64~1.72 铬刚玉 PA 1.79~1.88 黑碳化硅 TH 1.30~1.56 绿碳化硅
TL
1.45~1.56
6．3．影响堆积密度的因素 ⑴．磨料种类，如上表；
⑵．颗粒形状，其堆积密度从等积形→片杆状依次减小； ⑶．粒度号，越细，堆积密度越小，如图1-3。

7．磨料的亲水性及测定方法 7．1．基本概念
磨料的亲水性是指磨粒与水分子间的亲和力，润湿性；一般认为离子鍵、原子键的物质亲水，如刚玉，碳化硅等；分子键物质则疏水；因而，测定磨料亲水性的意义在于:⑴决定磨料与结合剂结合的牢固程度，直接影响砂轮强度； ⑵在微粉的生产过程中影响分级沉淀； 7．2．测定方法
利用毛细原理，用毛细现象测定仪，如图示:
以一定时间内玻璃管内水的上升高度表示，越高则亲水性越好。

图1-3粒度对磨料堆积密度的影响
图1-4 磨料亲水性测定示意图
表1-21 部分磨料亲水性数值
磨料名称代号亲水性
棕刚玉 A 155
白刚玉WA 220
黑碳化硅TH 160
绿碳化硅TL 150
7．3．影响因素
⑴．磨料的品种；
⑵．磨料表面的清洁程度，如经酸、碱洗，煅烧等，由于表面净化而使亲水性升高；
⑶．颗粒形状影响亲水性，一般对辊加工的磨料亲水性＜球磨加工的磨料；8．磨料的热学性能
刚玉(α—Al
2O
3
)熔点为2323K；
刚玉在298K的标准生成热：
ΔH
298
=-1673．6J／mol
刚玉在298K的热容
C
P
＝79.04J／(mol．K)
磨料的热学性能包括:热膨胀/导热性/熔点/比热/热稳定性；其中磨料的物理性能相对于普通磨料主要测定线膨胀系数，对超硬磨料，测热稳定性；
8．1膨胀
⑴．意义
主要影响制造过程中磨粒与结合剂的连接；
⑵．一般要求
为使磨粒与结合剂良好粘结，磨料与结合剂原则上应满足如下要求：
①．磨料与结合剂有相近的膨胀系数；
②．两者的膨胀曲线一致；
SiC的热膨胀小于刚玉:
SiC 平均25~1400℃α=4.4×10-6/℃
刚玉平均25~1400℃α=17.8×10-6/℃
表1-22 刚玉的线膨胀系数
8．2导热性
⑴．意义
单位温度梯度下单位时间内通过单位垂直面积的热量；
⑵．磨料的导热性
λ=W/M.S.K(焦耳/米.秒.k)
SiC的导热性比刚玉大的多，如下制品:
一般结合的SiC制品低硅电熔刚玉耐火粘土
13.5 3.0 1.4
表1-23 刚玉的导热系数
8．3．热稳定性
⑴．意义
指材料经剧烈的温度变化而不破坏的性能；
⑵．表示方法
K=R/αE√λ/cd
其中：K，热稳定性；R，材料抗拉强度；α，热膨胀系数；E，弹性模量；λ，导热系数；c，比热；d，密度；
由于SiC低的α和高的λ，热应力小，特别耐热震；
8．4．熔点及分解温度
刚玉于1850~2050℃熔融；
SiC于2200~2500℃分解，无通常意义的熔点；
9．磁性物及其测定
9．1．意义
由于杂质含有铁磁性物质，尽管磁选，仍难以除尽，有必要检定；铁磁性物质有下列害处:
⑴．使磨具产生斑点；
⑵．影响烧结过程；
⑶．影响磨削过程；
刚玉磨料中含有的磁性物质，其成分和来源较为复杂，有冶炼中残存于刚玉中的硅铁、铁合金或包裹体及制粒加工过程中设备磨损的纯铁、铁台金等。

虽然磨料要经过磁选工序处理仍难免混有磁性物，这将使陶瓷磨具产生斑点，尤其影响白刚玉磨具的外观。

因此磨料中的磁性物含量要严格进行控制。

9．2．磁性物的测定
⑴．用标准规定的马蹄铁，于100g物料中吸出的物料的百分比；
⑵．用磁性物测定仪；
10．pH值的测定
10．1．意义
磨料的酸碱性将影响磨具的制造，包括以下3方面:
⑴．与结合剂之间的反应；
⑵．陶瓷坯料的性能；
⑶．最终产品的性能；
10．2测定方法
是将定量的磨料浸没于定量的蒸馏水，煮沸一定时间，冷却后再测浸液的pH值；
第二章刚玉磨料制造
§2~1.棕刚玉制造
1．棕刚玉生产工艺简介
1．1．原料
主要有矾土/无烟煤/铁削。

矾土主要含氧化铝，氧化铁，氧化硅，氧化钛，氧化钙，氧化镁等杂质。

1．2．冶炼方法
三相电弧炉内高温熔炼；1．3．冶炼原理
无烟煤主要含C，做还原剂，使Fe
2O
3
、SiO
2
、TiO
2
还原成金属，铁屑则与还
原出来的金属形成铁合金沉淀，与氧化铝分离，经熔炼后的被清除了大部分杂质
的Al
2O
3
冷却、再结晶即可形成棕刚玉。

1．4．基本成分
棕刚玉的成分：物理刚玉（α－Al
2O
3
）91～97％，TiO
2
1.5~3.3%，呈棕色；
铁合金的成分：Fe，82~83%；Si，14~16%；Ti，2~3%；Al ，1.5~3.0%；1．5．工艺方法
一般按冷凝方式分类，有3类:
⑴．熔块法，熔炼后在炉内冷却，然后扒炉；
⑵．倾倒法，冶炼后倾倒于另一容器中(接包车)冷却；
⑶．流放法，沿一定尺寸的冷却槽流放，可加速冷却；
1．6．简单工艺流程
棕刚玉冶炼工艺流程如下：
图2-1 棕刚玉冶炼用三相电弧炉
2．棕刚玉冶炼的物理化学原理 2．1．主要目的
从矾土原料中冶炼出较纯的氧化铝，再结晶成α-Al 2O 3—物理刚玉； 其中，冶炼部分是达到成分要求，再结晶部分是达到结构要求； 2．2．热力学分析
各种金属氧化物生成反应的ΔF T 线随温度升高而向上倾斜，表明氧化物的稳定性随之下降，下图表明了矾土中各金属氧化物的生成自由能(ΔF T )曲线与CO ΔF T 曲线随温度变化的情况:
Fe 3O 4+O 2→Fe 2O 3 FeO+O 2→Fe 3O 4 Fe+O 2→FeO Cr+O 2→Cr 2O 3
Si+O 2→SiO 2
Ti+O 2→TiO 2
Al+O 2→Al 2O 3 Mg+O 2→MgO 2Ca+O 2→2CaO C+O 2→CO
ΔF
T T
图2-3 金属氧化物的生成自由能(ΔF T )曲线
与CO ΔF T 曲线随温度变化趋势 图2-4 Fe-Si 系部分状态图
表2-1 矾土中各氧化物生成热和最大功
只有CO的生成自由能曲线例外，是随温度升高而下降，即更加稳定；
一个基本原理是: ΔF
T 低的物质可以在同一温度下得到ΔF
T
高的氧化物中的
O，使其还原，由此可以从热力学上得到下列结论:
⑴．在高温CO的ΔF
T
可以低于Fe/Si/Cr/Ti，因此可以从矾土中经过熔炼去除
其中的Fe
2O
3
SiO
2
TiO
2
等杂质；
⑵．Ca/Mg的ΔF
T 低于Al氧化物的ΔF
T
，因而，若还原出Ca/Mg，则氧化铝先被
还原，与棕刚玉的熔炼相违，所以在棕刚玉熔炼中，CaO/MgO不能还原成金属得到去除；
⑶．热力学分析的还原次序为Fe/Si/Ti/Al
注意:以上是指100%氧化物而言，实际上矾土中的氧化物杂质不多，必须考虑ΔF
T
随浓度的变化，实际上随棕刚玉熔炼的进行，氧化物浓度越来越低，使还原反应很难进行，必将有少量的残余.
3．棕刚玉熔炼的基本过程及原理
3．1．氧化铁的还原
⑴．和从矿石中炼铁不一样，熔炼生铁在固态就可以进行了，但由于氧化铁在矾土中浓度低，矾土结晶水分解，阻碍了氧化铁还原，因而固态不能还原氧化铁，只能在熔融后才能进行；
表2-2 刚玉冶炼时铁台金的产量和所用矾土质量的关系
表2-3 氧化铝变体性能
⑵．Fe
2O
3
→1430℃→FeO FeO不能自由存在，则。