電熔剛玉磚的(de)生産工藝

氧化(huà)鋁(Al₂O₃)在自然界中很少以遊離态出現。,氧化(huà)鋁的(de)同質變體主要有γ-Al₂O₃和(hé)α-Al₂O₃兩種晶型，此外β-Al₂O₃在自然界中很少存在。熔模鑄造常用(yòng)的(de)白剛玉即α-Al₂O₃電熔剛玉。
α-Al₂O₃ (電熔剛玉）的(de)熔點高(gāo)（2050℃)、密度大(dà)、結構緻密、導熱(rè)性好、熱(rè)膨脹小且均勻，從室溫加熱(rè)到2000℃：其膨脹總量約2%。剛玉屬兩性氧化(huà)物(wù)，在高(gāo)溫下(xià)常呈弱堿性或呈中性，抗酸堿的(de)怍用(yòng)能力強，在氧也(yě)劑、還(hái)原劑或各種金屬液的(de)作用(yòng)下(xià)不發也(yě)變化(huà)，鋁、 錳、鐵、錫、矽、鑽、鎳等都不與它發生反應。因此，用(yòng)電熔剛玉制造的(de)型殼，其尺寸穩定 性、熱(rè)穩定性及高(gāo)溫化(huà)學穩定性均優于矽石，是熔模鑄造良好的(de)耐火材料。電熔剛玉價格昂貴、資源短缺，目前僅應用(yòng)于耐熱(rè)高(gāo)合金鋼、不鏽鋼及鎂合金等鑄件的(de)制殼材料，也(yě)可(kě)用(yòng)于 制作陶瓷型芯。
電熔剛玉有白剛玉和(hé)棕剛玉兩種。白剛玉是用(yòng)工業氧化(huà)鋁在電弧爐内經高(gāo)溫熔融、出爐 冷(lěng)卻結晶，再經破碎、篩選而得(de)。電熔剛玉砂(粉）的(de)技術條件，根據國家标準GB/T2479— 1996《白剛玉技術條件》和(hé)GB/T2478—1996《棕剛玉技術條件》規定。

前面已經介紹了(le)什(shén)麽是電熔剛玉，其是生産電熔剛玉磚的(de)重要原料之一。電熔剛玉磚按照(zhào)制造工藝可(kě)分(fēn)爲電熔剛玉磚和(hé)再結合（半再結合）電熔磚。電熔剛玉磚是以工業氧化(huà)鋁及少量純堿和(hé)石英粉在電弧爐内熔融，再經鑄型、退火等工序，最後機械加工成所需的(de)形狀、尺寸。再結合（半結合）電熔剛玉磚使用(yòng)粉碎好的(de)電熔剛玉顆粒及粉料，加入結合劑，經充分(fēn)混煉後，用(yòng)壓磚機成型，磚坯烘幹後高(gāo)溫燒成。
電熔剛玉制品
将氧化(huà)鋁原料配合料在高(gāo)于熔融溫度下(xià)熔化(huà)後，澆注在預制的(de)耐火模型中，經過冷(lěng)卻固化(huà)使結晶發育長(cháng)大(dà)而形成的(de)制品，稱爲電熔剛玉耐火材料。一般采用(yòng)電熔方法熔化(huà)。
以工業氧化(huà)鋁爲主要原料電熔的(de)電熔剛玉磚是經過配合料熔化(huà)、精煉，然後澆鑄到模型中，鑄件經過凝固、退火、切割、磨削和(hé)預組裝，稱爲合格電熔磚。按其化(huà)學礦物(wù)組成主要有三種類型。
1、電熔a-Al₂O₃又稱電熔a-Al₂O₃磚，是以a-Al₂O₃爲主相的(de)電熔耐火材料。a-Al₂O₃約95%，β-Al₂O₃爲5%-10%，玻璃相較少。這(zhè)種磚的(de)結構緻密，耐火度和(hé)高(gāo)溫結構強度較高(gāo)，高(gāo)溫化(huà)學穩定性好，但在堿金屬氧化(huà)物(wù)的(de)作用(yòng)下(xià)，可(kě)能轉化(huà)爲β-Al₂O₃而發生體積增大(dà)，适用(yòng)于砌築玻璃窯冷(lěng)卻池部位上部結構，以及有色金屬冶煉爐及高(gāo)溫隧道窯。
2、電熔β-Al₂O₃磚又稱電熔β-Al₂O₃磚，以β-Al₂O₃爲主晶相的(de)電熔耐火材料，β-Al₂O₃含量約99.5%，玻璃相較少，約占0.5%以下(xià)，對(duì)堿蒸汽呈惰性。在不含堿的(de)氣氛中，易分(fēn)離出堿而轉化(huà)爲a-Al₂O₃，并伴随有體積收縮，而可(kě)能引起磚的(de)碎裂。電熔β-Al₂O₃磚耐熱(rè)震性較好，700度到常溫空氣循環可(kě)達40次左右，一般适用(yòng)于砌築玻璃熔窯的(de)上部結構。
3、電熔a、β-Al₂O₃磚又稱電熔a、β-Al₂O₃磚，是含a-Al₂O₃和(hé)β-Al₂O₃的(de)電熔制品。a-Al₂O₃約占40%-50%，β-Al₂O₃約占45%-60%，玻璃相極少。同β-Al₂O₃型制品相比，抗玻璃液的(de)侵蝕能力較強，高(gāo)溫下(xià)抗堿蒸汽的(de)作用(yòng)也(yě)較好，可(kě)用(yòng)于玻璃窯上部結構，也(yě)可(kě)用(yòng)于直接與玻璃液接觸的(de)低溫部位。
電熔剛玉磚的(de)制造工藝已一般電熔耐火材料的(de)工藝過程大(dà)同小異。隻是由于材質性質的(de)差異，工藝參數略有不同，如熔化(huà)溫度高(gāo)（2300-2500度）、澆注溫度高(gāo)（1960-1980度）。這(zhè)些特點決定了(le)電熔剛玉制品的(de)工藝要點如下(xià)：
1、原料及配合料。電熔剛玉制品用(yòng)的(de)原料主要是工業氧化(huà)鋁和(hé)石英砂。配合料由工業氧化(huà)鋁97%（要求Al₂O₃含量大(dà)于等于98.5%）和(hé)石英砂3%，并加入少量外加劑，在輪碾機上經過30-40min混合而成。
在不加外加劑的(de)情況下(xià)，熔煉爐熔池溫度要達到2200-2300度，在這(zhè)種情況下(xià)熔體有很大(dà)的(de)膨脹，在澆注冷(lěng)卻後必然産生很大(dà)的(de)縮孔，難以獲得(de)緻密均勻地鑄件；同時(shí)由于氧化(huà)鋁熔體的(de)粘度很低，結晶能力很強，來(lái)不及排氣就凝固，也(yě)會使鑄件形成大(dà)量微孔。爲了(le)減少電熔磚的(de)縮孔，需要在配料中加入少量的(de)外加物(wù)，以降低熔化(huà)溫度，進而降低熔體的(de)體積膨脹。根據産品類型别來(lái)添加不同的(de)物(wù)料。
對(duì)于電熔a-Al₂O₃磚，應添加少量的(de)助熔劑，如引入0.25%-1%的(de)B₂O₃，不僅可(kě)以加速熔化(huà)工程，還(hái)能提高(gāo)熔體的(de)粘度。
對(duì)于電熔β-Al₂O₃磚型和(hé)電熔a、β-Al₂O₃磚，應加入Na₂O,一般以碳含量爲5.24%，但實際熔化(huà)過程中由于Na₂O高(gāo)溫蒸發、粉塵飛(fēi)揚造成損失以及操作條件等因素，往往使配料中的(de)Na₂O有較大(dà)的(de)損失，因此在計算(suàn)配料比時(shí)，純堿或Na₂CO₃的(de)加入量應比理(lǐ)論值要高(gāo)一些。電熔β-Al₂O₃磚配料隻能中Na₂O含量應不大(dà)于5.2%，電熔a、β-Al₂O₃磚配料中Na₂O含量控制在3.5%。但還(hái)需控制SiO₂含量在1.1%-1.5%，這(zhè)是因爲SiO₂雖然具有提高(gāo)熔液粘度和(hé)降低Al₂O₃結晶能力的(de)作用(yòng)，但SiO₂若過多(duō)，會增加非晶态玻璃相的(de)含量，對(duì)制品的(de)高(gāo)溫使用(yòng)性能不利。
除配合料外，入爐料還(hái)有回收廢料，如廢鑄件、冒口等，以及外來(lái)的(de)幹淨剛玉碎塊，但其數量不能超過裝料量的(de)30%。
2、熔煉和(hé)電熔磚的(de)澆注。我國生産的(de)電熔氧化(huà)鋁産品中含C0.03%-0.55%，國外同類産品僅爲0.005%，C的(de)存在會降低制品的(de)密度、抗熱(rè)震性和(hé)抗侵蝕性，增加縮孔裂紋以及使玻璃中形成氣泡的(de)傾向增大(dà)，因此需要盡可(kě)能降低低碳含量，同時(shí)還(hái)必須限制染色氧化(huà)物(wù)（Fe₂O₃、TiO₂）及H₂O、SO₂、N₂等含量。所以采用(yòng)氧化(huà)熔融生産工藝量爲合理(lǐ)，同時(shí)還(hái)補加氧化(huà)劑和(hé)吹氧的(de)方法，在熔化(huà)過程中吹氧可(kě)以起到攪拌和(hé)脫碳的(de)雙重作用(yòng)。
氧化(huà)電熔法是法國首先發明(míng)的(de)，其特點是采用(yòng)長(cháng)電弧，石墨電極在物(wù)料的(de)上部利用(yòng)電弧弧光(guāng)的(de)輻射高(gāo)溫熔化(huà)物(wù)料，避免了(le)與熔液接觸，作業空間處于氧化(huà)氛。熔化(huà)過程中要注意氧化(huà)熔融的(de)電弧不能太長(cháng)，一般爲30-50mm,因爲電弧電壓與弧長(cháng)呈線性關系。而随電弧電壓升高(gāo)，剛玉結晶粒度縮小，達到230v時(shí)，鑄件的(de)密度就會降低；同時(shí)把熔煉時(shí)間縮短到最低限度，以免增碳；其次還(hái)應有煙(yān)氣除塵通(tōng)風，以保證爐内的(de)氧化(huà)氣氛。
當所有的(de)配合料都熔化(huà)并達到熔體表面很潔淨時(shí)，就可(kě)以進行澆注。澆注前先做(zuò)好鑄模。熔體澆注時(shí)的(de)溫度要控制在1960-1980度，爲了(le)提高(gāo)澆注密度，可(kě)分(fēn)層澆注，10-20min澆注一層，當前一澆注表面溫度冷(lěng)卻到1680-1700時(shí)澆注下(xià)一層，向熔液中加入與熔體成分(fēn)相近的(de)電熔料塊，可(kě)增大(dà)澆注時(shí)熔流的(de)緻密度。合理(lǐ)設置澆注口，并除去氣孔分(fēn)布多(duō)的(de)鑄件部分(fēn)，都能促進鑄件的(de)密度提高(gāo)。
澆注時(shí)的(de)熔體，既要保證有良好的(de)流動性，又要避免過熱(rè)，因爲過熱(rè)會促使熔體吸收氣體，鑄入模後的(de)收縮率就會相應增大(dà)，鑄件也(yě)就會産生縮孔和(hé)開裂。
鑄件冷(lěng)卻。鑄件的(de)降溫冷(lěng)卻過程大(dà)緻分(fēn)爲熔體的(de)流動（澆注）、散熱(rè)、熔體凝固硬化(huà)（結晶）和(hé)已硬化(huà)的(de)鑄件冷(lěng)卻等4個(gè)階段。在熔體硬化(huà)工程中，它的(de)結構正在形成。初期，鑄件表皮溫度急劇下(xià)降，熔體向模型快(kuài)速散熱(rè)而形成極緻密的(de)部分(fēn)，析出晶相形成鑄件的(de)微晶和(hé)中晶區(qū)域。剩餘的(de)熔體主要集中在靠近澆注面的(de)鑄件中部部位，以後形成粗晶結構。由于結晶是從邊緣開始向中心擴展，當鑄件的(de)周邊結晶硬化(huà)并開始冷(lěng)卻時(shí)，鑄件中心尚屬高(gāo)溫液态熔體，邊緣與中心的(de)溫差相當大(dà)，在鑄件内勢必産生形成裂縫的(de)應力，内外硬化(huà)速度相差越大(dà)，熱(rè)應力也(yě)就越大(dà)。因此，鑄件的(de)冷(lěng)卻過程對(duì)電熔制品的(de)質量及結構有重要意義。
鑄件在脫模後要進行退火，實際上就是控制鑄件的(de)硬化(huà)（結晶吧）和(hé)冷(lěng)卻速度。退火的(de)方式有兩種：自然退火和(hé)可(kě)控退火。自然退火就是依靠鑄件外部的(de)良好隔熱(rè)層，使鑄件平穩緩慢(màn)冷(lěng)卻，冷(lěng)卻速度可(kě)由鑄模外矽藻土或膨脹蛭石層的(de)厚度加以調整。可(kě)控退火是将表皮已經硬化(huà)的(de)鑄件脫去鑄模或帶模放進小型隧道窯中，按規定的(de)退火曲線進行緩慢(màn)冷(lěng)卻。
制品的(de)機械加工。電熔剛玉耐火材料經過退火處理(lǐ)的(de)合格制品在進入倉庫前，必須進行機械加工處理(lǐ)。由于剛玉硬度大(dà)、強度高(gāo)，所以采用(yòng)金剛石工具進行加工處理(lǐ)。鑄件經過切割、研磨、打孔等工序，使制品具有精确地幾何形狀、光(guāng)滑平整的(de)表面和(hé)安裝密配要求精确尺寸。
再結合電熔剛玉制品
以電熔剛玉熟料爲顆粒料，電熔剛玉細粉或燒結剛玉細粉爲基質，配合制成的(de)再結合燒結制品，其生産工藝要點爲：電熔剛玉原料的(de)處理(lǐ)。用(yòng)電熔棕剛玉或白剛玉爲原料時(shí)，需将熔塊砸碎後揀選，除去棕剛玉塊夾帶的(de)矽鐵合金或其他(tā)雜(zá)質成分(fēn)。白剛玉塊應揀除呈片狀結晶的(de)高(gāo)鋁酸鈉，以及其他(tā)低熔物(wù)，這(zhè)些雜(zá)質礦物(wù)由于密度小，通(tōng)常浮于剛玉熔塊的(de)表面，較易鑒别。剛玉中含有少量的(de)有害成分(fēn)，會使制品燒結不良或開裂，故在使用(yòng)前應預先進行煅燒。末揀淨的(de)矽鐵合金在500-1000度時(shí)氧化(huà)分(fēn)解成Fe₂O₃和(hé)SiO₂，含钛礦物(wù)氧化(huà)成TiO₂（金紅石）等，均産生較大(dà)的(de)體積膨脹，經過預燒，使這(zhè)些分(fēn)解、氧化(huà)反應所帶來(lái)的(de)破壞應力消除在預燒過程中，避免在制品燒成時(shí)因爲這(zhè)些雜(zá)質礦物(wù)的(de)反應産生膨脹而引起制品開裂。
電熔剛玉塊體積較大(dà)，需先用(yòng)落錘或其他(tā)方法砸碎，然後進行粉碎，按不同粒度篩分(fēn)儲存。電熔剛玉硬度大(dà)，細磨困難，故應采用(yòng)球磨機或震動球磨機進行濕磨，達到<40um或更細<10um.顆粒料用(yòng)電磁鐵除鐵，細磨粉料則采用(yòng)酸洗除鐵。
3、配料、混合和(hé)成型。顆粒配合應按緊密堆積原則，采用(yòng)多(duō)級配比，減少中間顆粒，增加細粉量（含一定量超微粉），有利于提高(gāo)制品的(de)密度和(hé)燒結。加入一定量的(de)結合劑，主要有磷酸鋁、磷酸、磷酸鋁鉻、纖維素、紙漿廢液等。其中最有前途的(de)是活性磷酸鹽，近年來(lái)試用(yòng)磷酸铵，取得(de)較好的(de)效果。泥料需混合均勻、水(shuǐ)分(fēn)約爲3%-4%。經高(gāo)壓成型，獲得(de)緻密磚坯。
4、燒成。電熔剛玉制品的(de)純度高(gāo)，燒結難，需在高(gāo)于1800度下(xià)燒成。燒成用(yòng)窯視生産規模大(dà)小而定。小批量生産時(shí)，以高(gāo)溫間歇窯爲宜，成批穩定生産時(shí)可(kě)用(yòng)小型高(gāo)溫隧道窯。