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SiO2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Al4C3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Al4C3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Al4C3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：Al4C3 + 3Fe2O3→2Al2O3 + 6Fe + 3CO↑Al4C3 + 9FeO→2Al2O3 + 9 Fe + 3CO↑2Al4C3 + 9SiO2→4 Al2O3 +9Si + 6 CO↑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。
特别是对高铝矾土熟料要求高，不但要求Al2O3含量高，而难以还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 高铝矾土的指标要求表1.5 炭素材料的要求指标注：澄清剂—铁屑要求：Fe≥90%；脱碳剂—铁鳞要求：FeO+Fe2O3＞90%。
1.2.3 亚白刚玉冶炼工艺亚白刚玉（Al2O3≥98%和Al2O3≥98.5%）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。
高铝矾土炭素材料铁屑破碎过筛过筛配料添加剂冶炼修炉冷却出炉分级二级品一级品硅铁破碎制粒磁选精筛酸洗水洗煅烧检验烘干磁选包装入库精筛精筛检验检验包装入库包装入库图1.3 亚白刚玉生产工艺流程采用酸洗处理法，可消除机械加工后残余的物质，从而提高Al2O3含量，降低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，碳化物也能被氧化掉。
1.3 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Al2O3，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Al2O398.5%以上，还有少量的Na2O、SiO2和微量的Fe2O3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Na2O与Al2O3在熔融状态中生成β- Al2O3（Na2O•11 Al2O3），生成量随着Na2O含量的增加而增大。
由于β- Al2O3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Na2O的危害性，加入石英砂或者氟化铝（AlF3）。
前者使β- Al2O3成为霞石，后者促进Na2O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冷却破碎β- Al2O3碎选二级块一级块交库交库交库图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，加入到倾倒式电弧炉内，采用氧化法进行充分熔融。
在有碳存在的条件下，从氧化物标准自由能与温度的关系可知，1000℃以上的Na2O、K2O可以被还原成碱金属蒸气（Na、K）排出。
其反应式如下：Na2O + C→2Na + CO↑K2O + C→2K + CO↑氧化法有利于排除熔液中残留的气体和炭素。
如果熔炼操作技术和精炼时间不合理，则可能使Al2O3过还原，生成铝碳化合物，含铝碳化合物的刚玉，遇水气或水便发生粉化，与酸作用发生酸解，煅烧时会粉化，制成的浇注料、捣打料在烘烤时会开裂。
要在刚玉熔炼中减少或防止Al2O3过还原，在工业氧化铝熔炼时，加入少量SiO2可促使Na2O挥发，同时脱除多余的碳，其反应式为：SiO2 + C→SiO↑+CO↑SiO +C→Si↑+ CO↑因此只有掌握好熔炼致密刚玉操作技术、精炼程度，以及使K、Na碱金属蒸气完全排除，才能获得致密的电熔刚玉。