1.8.Теоретические основы производства

Основная задача плавки и последующей кристаллизации электро­корунда белого — это создание условий как для фазового перехода β-глипозема в α -глинозем, так и для достаточно полной кристалли­зации корунда. Процессу перехода одной разновидности глинозема в другую соответствует значение АlО₂;

При Т = 900 К,АlО = 0 (по расчету), так что повышение темпера­туры должно сопровождаться увеличением содержания фазы ко­рунда. Однако достаточная скорость реакции зависит также и от кинетики процесса, а в твердой фазе она замедлена. Получение ко­рунда осуществляют путем кристаллизации расплавов оксида алю­миния.

При кристаллизации корунда из расплавов окиси алюминия на практике приходится считаться с наличием в исходном глиноземе примесных окислов, так как одновременно с корундом кристалли­зуются и другие минералы. Кратко процесс кристаллизации электро­корунда белого из глиноземистого расплава протекает следующим образом. Кристаллизация блока, начинающаяся от периферии к центру с выделением кристаллов корунда, протекает с образова­нием многих центров кристаллизации, которые вырастают в зерна изометричной формы. Кристаллизация корунда происходит в среде, содержащей высокоглиноземистый алюминат натрия. В различных зонах блока содержание этого минерала составляет от долей про­цента в нижней и боковой частях блока до процента в центральной части. Изучение глиноземистой части системы Na₂О—А1₂О₃—SiO₂ (рис.) показало, что в этой части располагаются поля первичной кристаллизации трех соединений: корунда, муллита и вы­сокоглиноземистого алюмината натрия (β-глинозема). Если для муллита и корунда понятия «поле первичной кристаллизации» и «поле устойчивости» являются синонимами, то для β -глинозема их содержание различно. β -Глинозем имеет поле первичной кристалли­зации, но у него отсутствует поле устойчивости. Эта особенность системы объясняется своеобразным характером превращения в про­цессе нагревания β -глинозема в корунд. При 1573—1973 К β -глинозем превращается (перерождается) в корунд, теряя содержащуюся окись натрия. Поле первичной кристаллизации β -глинозема в си­стеме граничит с полями устойчивости моноалюмината натрия, карнегиита, нефелина и альбита.

Рис. Диаграмма состоя­ния системы Na₂0—Аl₂Оз— SiО.

Прочностные параметры зерен электрокорунда белого и характер их изнашивания при шлифовании во многом зависят от микрострук­туры материала. Микрокристаллическим анализом установлено, что основным минералом в составе электрокорунда белого является корунд, представленный кристаллическими образованиями от ден­дритных до так называемых «полей». Под «полями» понимают отно­сительно монолитные участки корунда с поперечником в несколько миллиметров в блоке и в долях миллиметра в слитке, ведущие себя в скрещенных николях как монокристаллы. Основная масса мате­риала в блоке — это дендритные образования. В слитке (после об­работки расплава сжатым воздухом) упорядоченная дендритная кристаллизация идет в верхней половине слитка, а в нижней части слитка образуются зерна монокристаллов. Для наиболее плотных зон слитка (низа и боков) типично значительное количество пустот. В состав электрокорунда белого, кроме корунда (α-А1₂О₃) и высокоглиноземистого алюмината натрия — β-глинозема, входят и другие минералы: карнегиит (Nа₂О·А1₂О₃·2SiO₂), кристаллизую­щийся в виде бесцветных зерен и кристаллов сложного строения с плотностью 2,51 г/см³; моноалюминат натрия (Nа₂О-А1₂О₃) — кри­сталлизующийся в виде бесцветных округлых кристаллов; нефелин (Nа₂OА1₂O₃-2SiО₂), кристаллизующийся в гексагональной системе в виде стекла с плотностью 2,61 г/см³. Сопутствуют корунду стекла, в которых в виде включений встречаются группы пластинок β -гли­нозема.

Образование высокоглиноземистого алюмината натрия приводит к значительному уменьшению содержания корунда в продукте, уменьшению абразивной способности шлифматериалов и уменьшению механической прочности абразивных изделий. Абразивная способ­ность и механическая прочность электрокорунда белого находятся в обратной зависимости от содержания в нем высокоглиноземистого алюмината натрия (β -глинозема), который имеет плотность 3,24 г/см³ (против 3,9—4,0 г/см³ для корунда), микротвердость 16,0 ГПа (про­тив 22,0—26,0 ГПа для корунда), а абразивную способность примерно в 2 раза ниже, чем у корунда. При обжиге абразивного инструмента зерна высокоглиноземистого алюмината натрия разрушаются, что приводит к образованию микротрещин в инструменте, к уменьшению их механической прочности.

Для того, что бы при кристаллизации расплава окись натрия, содержащуюся в глиноземе, связать в минералы с меньшим содержа­нием окиси алюминия (например, в нефелиновые стекла типа Nа₂О × А1₂О₃-2SiO₂) и воспрепятствовать образованию β -глинозема, в шихту предложено добавлять кварцевый песок. Образующиеся стекла при дроблении и размоле кусков электрокорунда легко из­мельчаются в пыль, в результате чего содержание физического корунда в шлифматериалах увеличивается, β -глинозема — умень­шается практически до нуля.

Экспериментально установлено, что количество подаваемого квар­цевого песка должно быть в два раза больше, чем суммарное содер­жание окислов натрия, калия и кальция в глиноземе. Минералоги­ческий состав [в % (масс,)] электрокорунда белого (с добавкой и без добавки песка) в разных зонах блоков приведен ниже:

Таблица 5.

SiO_{2 добавлен} SiO_{2отсутств}

Корунд (α-А1₂О)

верх слитка 98,5 95,9

центр слитка 95,5 95,5

низ слитка 99,7 99,4

бок слитка 99,6 98,0

β-Глинозем

верх слитка --- 4,1

центр слитка --- 4,4

низ слитка --- 0,6

бок слитка --- 2,0

Прочие минералы

верх слитка 1,2 ---

центр слитка 4,5 0,1

низ слитка 0,3 ---

бок слитка 0,4 ---

Приведенные данные показывают, что обычная плавка электро­корунда белого без добавки SiO₂ приводила к получению продукта с содержанием значительного количества β-глинозема (0,6—4,4%). Прочие минералы (0,3—4,5%), образующиеся при плавке электро­корунда белого с добавкой SiО₂, — это стекла, легко удаляемые из шлифматериалов при их измельчении. Последующие исследова­ния показали, что при этом, однако, происходит уменьшение меха­нической прочности шлифовального зерна, объясняемое дендритным характером кристаллизации электрокорунда белого. Избежать этого можно уменьшением содержания окиси натрия за счет добавки хло­рида аммония. Приводим данные о влиянии добавок хлорида аммо­ния на строение и форму зерна электрокорунда белого:

Таблица 6.

NН₄С1 добавлен NН₄С1 отсутствует

Монокристаллы

и их осколки 39,5 36,8

Плотные агрегаты 51,0 34,2

Агрегаты 0,6 1,1

Девдриты ----- 2,0

Пластинки 7,0 20,7

Мечевидные образования 1,9 5,2