1.6. Теоретические основы производства

В основе производства электрокорунда белого лежит осуще­ствление фазового перехода γ-глинозема в α-глинозем с достаточ­ной кристаллизацией корунда.

Константа реакции перехода одной разновидности глинозема в другую в зависимости температуры выражается от следующей формулой;

lgKpᵧ-α=2960/T+5,53lgT-16,28

Положительное значение логарифма константы и отрицатель­ная величина свободной энергии реакции позволяют утверждать, что γ -глинозем может рассматриваться как неустойчивая форма глинозема, стремящаяся к переходу в α-глинозем.

Равновесие имеет место при Т = 900° К (по расчету), после чего с дальнейшим повышением температуры должна все более преобладать фаза корунда. Однако для осуществления реакции с достаточной скоростью надо учитывать кинетику процесса, а также необходимость теплового импульса (энергия активации). Получение корунда (с наиболее полным переходом γ -глинозема в корунд) возможно при кристаллизации расплавов окиси алюми­ния.

При проведении процесса перекристаллизации на практике приходится считаться с наличием в сырье (исходном глиноземе) примесных окислов. Поэтому процесс кристаллизации корунда из расплава не может рассматриваться отдельно от кристаллизации других минералов, образование которых может иметь место. По современным представлениям процесс кристаллизации электро­корунда белого из глиноземистых расплавов протекает следующим образом.

Процесс выплавки электрокорунда на блок заключается в по­лучении глыбы-блока весом от 20 до 50 т с весьма характерными разновидностями материала в различных зонах.

Петрографические исследования блоков, выполненные Н. Е. Филоненко и др., показали, что материал слагается в основ­ном изометричными образованиями корунда, которому сопут­ствуют гексагональные и базальные (шестиугольные) пластинки высокоглиноземистого алюмината натрия. В различных зонах блока содержание этого минерала составляет от долей процента в нижней и боковой частях блока до десятков процентов в цен­тральной части.

Многочисленными исследованиями блоков электрокорунда бе­лого установлен рафинирующий характер процесса кристаллиза­ции расплава (от низа и боков к центру и верху блока).

При исследованиях глиноземистой части системы NaО—А1₂О₃—SiO₂, осу­ществленных И. В. Лавровым и др., было установлено, что в этой части рас­полагаются поля первичной кристалли­зации трех соединений: корунда, мул­лита и высокоглиноземистого алюми­ната натрия .

Если для муллита и корунда понятия «поле первичной кристаллиза­ции» и «поле устойчиво­сти» являются синонима­ми, то для β-глинозема их содержание различно. Бе­та-глинозем имеет поле своей первичной кристал­лизации, но не имеет поля устойчивости на диаграм­ме. Эта особенность системы объясняется своеобразным харак­тером превращения в процессе нагревания β-глинозема в корунд. Ранее было сказано, что β-глинозем превращается (переро­ждается) в корунд при температуре 1300—1700° С, теряя со­держащуюся в нем окись натрия. Поле первичной кристаллиза­ции β-глинозема в системе граничит с полями устойчивости мо­ноалюмината натрия, карнегиита, нефелина и альбита. Введение двуокиси кремния в шихту позволило связать окись натрия в стекла нефелинового состава и тем самым создать равновесные условия кристаллизации расплава.

Исследования блокового материала подтвердили это, а также позволили установить оптимальность состава продукта и некото­рое уменьшение механической прочности шлифовального зерна, что определяется дендритным характером кристаллизации элек­трокорунда белого. Это вызвало необходимость поиска путей уменьшения содержания окиси натрия. Как указано выше, успеш­ное решение данной задачи осуществлялось с помощью добавки хлористого аммония.

Прочностные характеристики зерен электрокорунда белого и характер их изнашивания при шлифовании во многом зависят от микроструктуры материала, что заставило детально исследо­вать с помощью микроскопического анализа структуру материала в отливках, полученных плавкой на выпуск или на слив.

В результате было установлено, что основным материалом элек­трокорунда является корунд, представленный от дендритных об­разований до так называемых полей. Под полями понимают относительно монолитные уча­стки корунда с поперечником в несколько миллиметров, веду­щие себя в скрещенных николях как монокристаллы. Но основная масса материала —дендритные образования — близки по характеру.

Для наиболее плотных зон слитка (низа и боков) типично значительное количество пустот.

Таким образом, электрокорунд белый в блоках имеет не­которые преимущества перед материалом в слитках: большая монолитность и большой размер кристаллических образований.

Все вышеизложенные соображения заставили совершенство­вать процесс плавки электрокорунда белого. Во ВНИИАШе был разработан метод плавки со вторичным электрическим подогревом расплава в изложнице, позволившим несколько улучшить микро­структуру материала в слитке и приблизить ее к микроструктуре материала в блоках.