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α-Al2O3。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α-Al2O3。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

棕刚玉是用高铝矾土熟料、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Al2O3，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矾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、Al2O3含量大于94.5%的棕刚玉。用高铝矾土直接冶炼刚玉，从理论上说，只要加入足够的碳，并将温度控制在1800～1900℃，就可能将矾土中除Al2O3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Al2O3与其他氧化物分离开的目的。其还原反应如下：

3Fe2O3 + C→2Fe 3O4 + CO↑

Fe 3O4 + C→3 FeO + CO↑

FeO + C→Fe + CO↑

SiO2 + Fe +2C→FeSi + 2CO↑

TiO2 + 3C→TiC + 2CO↑

TiO2 + 2C + 3Fe→Fe3Ti + 2CO↑

1.1.2 冶炼棕刚玉用原料

（1）高铝矾土一般要求高铝矾土含Al2O3大于76%，Fe2O3小于7.0%，TiO2小于5.5%，CaO+MgO小于1.2%。高铝矾土的粒度不易过大，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，用来还原高铝矾土中的杂质。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 炭素材料的化学成分（%）

表1.2 焦炭、无烟煤灰分的化学成分（%）

作还原剂的炭素材料的有用成分是固定碳，自然是含量越高越好。挥发分和灰分对刚玉冶炼和产品质量不利，必须控制其含量。挥发分和水分过多，则在冶炼过程中，会产生一定数量的气体，影响炉况的稳定。

（3）铁屑铁屑又称稀释剂。因我国高铝矾土中的氧化铁含量较低，在冶炼刚玉的混合料中往往按比例加入一定数量的铁屑。

刚玉冶炼常用铸铁屑。对铁屑的质量要求是化学成分及粒度。铁屑的技术条件见表1.3。

表1.3 铁屑的技术条件

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

含量多少而确定的。高铝矾土中氧化铁含制。铁屑加入量是根据高铝矾土中SiO

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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

填充料包衬材料

接包铺微粉烘干修补包

翻包

乏料碎选

一级块硅铁合金二级块

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

检选过筛破碎

破碎

混配料

冶炼

冷却

回乏料破碎擂碎

一级块二级块刚玉与硅铁硅铁合金

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矾土，采用还原法冶炼出Al2O3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，冶炼棕刚玉主要将矾土中的SiO2和Fe2O3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，尤其是矾土中的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