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%。

（一）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，可用通过控制还原剂的数量用还原冶炼的方法使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溶液分离，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棕刚玉，从理论上说，只要加入足够的炭，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。在还原成的金属元素中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。

（二）棕刚玉冶炼用原料

1.高铝矾土

高铝矾土提供刚玉的主要成分Al₂O₃的原料，含Al₂O₃愈高对冶炼棕刚玉的各项技术指标愈有利。随Al₂O₃含量的增加，单位耗电量降低。因此冶炼棕刚玉要求尽可能采用优质高铝矾土原料。

从产品的观点看，高铝矾土中除Al₂O₃以外的氧化物应视为杂质。棕刚玉中的常见杂质及形成原因如下表所示：

常见杂质	形成原因
SiO2	在冶炼中绝大部分被还原生成硅铁合金而除去，仍有少量残留。
Fe2O3	在冶炼过程中被还原生成硅铁合金而除去，仍有少量残留。
TiO2	在冶炼过程中被还原进入硅铁合金而除去，仍有少量残留，是棕刚玉着色的主要因素。
CaO、MgO	冶炼过程中难以还原，绝大部分仍留在棕刚玉中。
Na2O、K2O	在冶炼过程中的高温下挥发一部分，但是不能被还原，仍留在棕刚玉中，对质量影响很大。

高铝矾土煅烧脱水不仅提高了品味，节省能源，更大的好处是熟料能使炉况稳定，提高生产效率，从而获得较好的经济技术指标。

一般要求高铝矾土中含Al₂O₃大于76%，Fe₂O₃小于7.0%，TiO₂小于5.5%，CaO+MgO小于1.2%。

高铝矾土熟料的粒度不宜过大，也不宜过细，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3-7，其灰分的化学成分见表3-8。

表3-7 炭素材料的化学成分（%）

表3-8 焦炭、无烟煤灰分的化学成分（%）

种类	Fe2O3	FeO	SiO2	CaO	MgO	Al2O3	S
焦炭	10～13		35～50	11～15	0～1	25～35
无烟煤	5～8	3～8	38～43	8～12	1～4	18～21	0～4

作还原剂的炭素材料有用成分是固定碳，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。

炭素材料的粒度与电炉容量大小有一定的对应关系，原则上电炉容量大，炭素材料的粒度也大，在2500KV·A电炉上使用5～10mm粒度的炭素材料是可以的。

3.铁屑

铁屑又称稀释剂。因我国高铝矾土中氧化铁含量较低，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3-9。

 

表3-9 铁屑的技术条件

化学成分	含量/%
Fe	≥88
Si	≤2.5
Al	≤0.4

要求铁屑要尺寸小，输送方便，适合刚玉冶炼。对铁屑中铝成分要严格控制。铁屑加入量是根据高铝矾土中SiO₂含量多少而确定的。高铝矾土中FeO含量也影响铁屑用量，FeO被还原生成的铁可以减少部分铁屑用量。

（三）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。

开炉		连接电极，调整电极长度。开炉时要摆好起弧焦，然后送电、起弧。当电极起弧后，待电流上升到负荷的20%～50%时，就可以在弧光区加少量料压住弧光，待电流上升到80%时，就可加料而进入熔炼阶段。
熔炼	焖炉法	两种方法各有优缺点，敞炉法的刚玉质量较均匀，但耗电量较高，生产效率低。熔炼阶段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溶液分离。
	敞炉法
控制		在一定时期内，基本上停止加料，让炉内的料尽量熔融和还原，使熔化面积向外扩大。熔炼期如果炉况“控制”得好，溶液就缓慢上升，整个料面均匀下降，料下得多，熔化得快，即可获得较好的效果。
精炼		目的是使杂质充分还原，硅铁合金较好地沉淀聚集，炉内气体畅通排出，精炼好坏直接影响刚玉质量和产量。

在冶炼过程中，还原反应几乎完全在炉料溶化后产生。

氧化铁的还原反应式如下：

3 Fe₂O₃   +  C  ==  2 Fe₃O₄  +  CO↑

Fe₃O₄   +  C  ==  3FeO  +  CO↑

FeO   +  C  ==  Fe  +  CO↑

实际上，当Fe₂O₃转变为FeO后，并不以自由状态存在，而首先生成2FeO-SiO₂（铁橄榄石）和FeO- Al₂O₃（铁尖晶石），前者非常稳定，后者熔化时分解，因此FeO在溶液中的还原过程如下：

（2FeO·SiO₂）+ C  ==  Fe  +  SiO₂  +  CO↑

氧化硅的还原是当氧化铁达到一定的低浓度时，SiO₂即开始还原，其反应式为：

SiO₂  +  Fe  +  2C  ==  FeSi  +  2CO↑

当铁量充足，FeSi中硅含量不超过饱和浓度时就能顺利进行。

另外，SiO₂还能与其他成分生成铁橄榄石、莫来石及钙斜长石等，其中钙斜长石是个稳定的化合物，熔化时不分解，就使部分SiO₂不能全被还原。

氧化钛的还原过程和氧化硅相似，不能生成自由的钛，而生成碳化钛：

TiO₂  +  3C  ==  TiC +  2CO↑

但由于在金属铁的参与下，促使碳化钛分解并生成Fe₃Ti合金，而实际上氧化钛按下列反应还原：

TiO₂  +  2C  +  3Fe  ==  Fe₃Ti +  2CO↑

在还原过程中生成铁钛硅的合金，因其密度与刚玉不同，在溶液中沉降下来与刚玉分离。但由于杂质没有被完全除掉，与白刚玉及亚白刚玉相比，刚玉的杂质含量较高，呈现出特有的褐色，故称棕刚玉。

3.冶炼工艺方法

冶炼工艺方法分为倾倒法、熔块法和流放法。倾倒法冶炼工艺流程图如图3-5所示；熔块法冶炼工艺流程图如图3-6所示。

倾倒法和熔块法比较，倾倒法具有半连续生产、热能利用率合理、生产效率高、电力和料耗低等优点，并为碎选机械化创造条件。

流放法在国内尚未投入生产。

倾倒法与熔块法技术指标比较见表3-10。

http://s8/mw690/005RRNDJgy6QsbWMfuD67&690

              图3-5  倾倒法棕刚玉冶炼工艺流程

 

图3-6  熔块法棕刚玉冶炼工艺流程

 

表3-10 倾倒法与熔块法技术指标比较

电弧炉容量 /KV·A	工艺方法	单位耗电/KW·h·t-1	产量/kg·t-1	单位料耗/t·t-1
2400	倾倒法	2540	1050	1.4
2400	熔块法	2820	880	2.4

 

（四）棕刚玉碎选

1.熔块法碎选

熔块法碎选一般采用两种方法。一种是将冷却好的刚玉熔块吊运到擂碎场的铁砧座上，用电磁极吸附钢球至一定高度，然后断电使钢球从空中落下，把熔块砸碎。另一种是用吊运工具将整个刚玉熔块直接提升到一定高度，然后落到铁砧上摔碎。

刚玉块擂碎后，得到大小不同的碎块，能适应下道工序加工要求的块，即可就地由人工进行分选，过大的块需再加工后进行分选。

2.倾倒法碎选

倾倒法碎选：清除接包中刚玉表面的杂质，用桥式起重机将刚玉熔块翻到翻包盘中。浇水冷却，清除接包底部的烧结细粉，再用电磁吸盘吸除硅铁合金，用落锤将大块擂碎。吊至六方格筛上，通不过的大块再用落锤或大锤擂碎，使其全部通过六方格筛。将碎块运到料仓中。

要求对擂碎的快料进行分选，并适合下道工序破碎设备的要求。破碎后的料块还要进行化学分析，要选出含杂质高的料块。

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