耐火原料｜刚玉质耐火原料的分类、性能及生产相关问题

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什么是刚玉?

刚玉是α-氧化铝的结晶矿物。刚玉为耐火原料，其硬度仅次于金刚石。矿物结构为三方晶系，六方底心格子。晶体呈桶状、短柱状，少数为板状或双锥面上有较粗的条纹。集合体呈致密粒状块体。有多种变体。以α刚玉较稳定。化学性质稳定，耐酸、碱侵蚀。体积密度为3.95~4.1g/cm3，莫氏硬度为9，熔点为2050℃，沸点为3400~3700℃，熔化热为246.4kJ/kg，蒸发热6160.7kJ/kg，热导率(1000℃)为21.1W/(m·K)，线膨胀系数(20~1000℃)为8.0×10-6/℃，电导率(567℃)2.71/(Ω·m)、(1230℃)1.96×10-4/(Ω·m)，弹性模量36.3×1010Pa。

刚玉原料的分类

刚玉可分为天然刚玉和人造刚玉两种。

天然刚玉常见有蓝灰色或黄灰色，透明而颜色鲜艳的称为宝石，如有微量铬，呈红色，称为红宝石，含钛呈蓝色为蓝宝石。

人造刚玉有电熔刚玉、烧结刚玉两种。

(1)电熔刚玉有棕刚玉、白刚玉、单晶刚玉、铬刚玉、微晶刚玉、锆刚玉、镨钕刚玉、钒刚玉等。其理化性质是Al2O394%以上，密度为3.65~4.05g/cm3，显微硬度(HV)为17640~24010MPa。

(2)烧结刚玉Al2O3含量在86%以上，密度为3.75g/cm3，显微硬度(HV)16660MPa。

耐火行业使用的比较多的是棕刚玉、白刚玉、致密电熔刚玉、板状刚玉等。刚玉的理化指标见表1所列。

耐火原料-棕刚玉

棕刚玉，俗名又称金刚砂，是用矾土、碳素材料、铁屑三种原料在电弧炉中经过融化还原而制得的棕褐色人造刚玉，故为此名。棕刚玉主要化学成份是AL2O3，其含量在95.00%-97.00%，另含有少量的Fe，Si，Ti等。其主要应用如下：

1、由于有耐高温、耐腐蚀、高强度等性能，故用浇钢滑动水口，冶炼稀有贵金属、特种合金、陶瓷、炼铁高炉的内衬(墙和管);理化器皿、火花塞、耐热抗氧化涂层。

2、由于有硬度大、耐磨性好、强度高的特点，在化工系统中，用做各种反应器皿和管道，化工泵的部件;做机械零部件、各种模具，如拔丝模、挤铅笔芯模嘴等;做刀具、模具磨料、防弹材料、人体关节、密封模环等。

3、刚玉保温材料，如刚玉轻质砖、刚玉空心球和纤维制品，广泛应用于各种高温炉窑的炉墙和炉顶，即耐高温又保温。棕刚玉粒度砂是由人工精选棕刚玉块，采用对辊、环磨等设备加工而成，粒度F8~F325,主要用于抛光、研磨、工业磨削等，还可以按客户要求进行水洗、配洗处理等方法加工，能够.满足客户的不同需求。

低碳棕刚玉经过炉前和特殊工艺的再处理，降低棕刚玉中残余碳的含量，使产品在使用中不粉化、不爆裂、韧性大，是磨料磨具行业、耐火材料行业的首选原料。主要用于陶瓷磨具、高档磨具、有机磨具、砂带、涂附磨具等，根据残碳含量分为：棕刚玉C≤0.05%、低碳棕刚玉≤0.10%、普通棕刚玉C≤0.15%。

棕刚玉以优质铝矾土为原料，由无烟煤、铁屑，在电弧中经2000℃以上高温熔炼制成，经自磨机粉碎整形，磁选去铁，筛分成多种粒度，其质地致密、硬度高，粒形成球状，适用于制造陶瓷、树脂高固结磨具以及研磨、抛光、喷砂、精密铸造等，还可用于制造高级耐火材料，棕刚玉主成分是氧化铝，分等级也就用铝含量来区分。

耐火原料-白刚玉

白刚玉以工业氧化铝粉为原料，于电弧中经2000度以上高温熔炼后冷却制成，经粉碎整形，磁选去铁，筛分成多种粒度，其质地致密、硬度高，粒形成尖角状，适用于制造陶瓷、树脂固结磨具以及研磨、抛光、喷砂、精密铸造(精铸专用刚玉)等，还可用于制造高级耐火材料，代号“WA”于国际通用标准、国家标准一致，多数供出口，也有一定量供应国内用户。

（白刚玉粒度料）

产品粒度按国际标准以及各国标准生产，可按用户要求粒度进行加工。通用粒度号为F4~F220，其化学成份视粒度大小而不同。突出的特点是晶体尺寸小耐冲击，如果用自磨机加工破碎，颗粒多为球状颗粒，表面干洁，易于结合剂结合。

（白刚玉微粉）

白刚玉密度分为两种，一种是白刚玉堆积密度，第二种是白刚玉密度。堆积密度为1.53~1.99g/cm3，磨料的堆积密度与磨料的粒度、粒度的组成、品种、颗粒形状等因素有关。一般来说，粗粒度磨料比细粒度磨料堆积密度大，混合粒度磨料的堆积密度大于单一的粒度密度。

耐火原料-致密电熔刚玉

致密电熔刚玉也称为低气孔率电熔刚玉，它是一种新型的高级耐火材料。主晶相以α-Al2O3为主，其氧化铝含量在98%以上。耐酸、碱，在高温下具有良好的耐磨、抗侵蚀性能及体积稳定性。

（电熔刚玉）

广泛用于冶金、建材等行业。主要用作高炉出铁沟捣打料、挠往料、滑板、铁水预处理及炉外精炼用整体喷枪、连铸用到达塞棒及浸人式水口和各种刚玉砖等。由于纯氧化铝熔液2200℃时比α-Al2O3晶体的密度(真密度)3.99g/cm3小，因而在结晶过程中产生收缩，从而产生气孔，其中气孔少的刚玉为致密刚玉。致密刚玉又分为两种:致密白刚玉(氧化铝基致密刚玉)和致密亚白刚玉(矾土基致密刚玉)。

耐火材料-板状刚玉

板状刚玉是一种纯净的、不添加如MgO、B2O3等任何添加剂而烧成收缩彻底的烧结刚玉，具有结晶粗大、发育良好的α-Al2O3晶体结构。板片状晶体结构，气孔小且闭气孔较多而气孔率与电熔刚玉大体相当，纯度高，体积稳定性好，极小的重烧收缩。体积密度≥3.7g/cm3,Al2O3≥99%,Na2O<0.3%。板状刚玉具有良好的加热体积稳定性和良好的抗热震能力，板状刚玉是一种理想的耐火原料，既可以作为骨料应用在各种铝质耐火材料中，也可以添加到其他铝质不定形耐火材料中，凡是电熔刚玉或白刚玉应用的部位都可用板状刚玉替代，并使耐火材料的性能得到改进。

（板状刚玉）

板状刚玉既可作为主成分用于铝碳质、铝镁碳质、镁铝碳质、镁尖晶石质、铝铬质耐火砖中，也可作为富化氧化铝成分引入到高铝不定形耐火材料中，可以广泛应用于钢铁、铸造、陶瓷等行业，其中在钢铁行业的应用几乎涵盖了炼铁炼钢的全过程。

板状刚玉类耐火材料的应用

电熔刚玉的生产

电熔的生产过程是个还原熔融过程。目的是通过还原作用，去掉杂质成分中的Fe2O3、TiO2和CaO等，以得到完整的结晶体和致密结构组织。熔炼时用含碳物质(无烟煤、焦炭、石油焦等)作为还原剂，反应原理如下：

被还原的铁、硅、钛第二次饪是入硅铁合金中，硅铁合金的密度比三氧化二铝大，沉于炉底，与Al2O3熔液分离。

在还原熔融过程中，部分TiO2被还原成一些含钛矿物，如：γ-TiO2、m-TiO2、TiC等，这些矿物在冷却到400~600℃间产生剧烈膨胀而使熔块出现裂纹，这是由于氧化物形成金红石所致。因此，可以在熔炼结束时，加入氧化物(轧钢皮)，使已被还原的钛及其化合物氧化，以消除这种影响。

生产电熔刚玉应注意

在生产电熔刚玉时，操作控制要严格，使炉内的原料充分熔融和还原。熔液缓慢上升，料面均匀正常下沉，硅铁合金充分下沉，产生的气体均能均匀排出，以免发生喷溅及料层突然下沉或严重烧结从而影响正常的熔炼。

电熔刚玉喷溅原因

喷溅产生的原因主要是生产气体及炉料透气性不好造成的，因此，加放的炉料必须充分干燥和焙烧脱水，炉料粒度一般以10~14为宜。