棕剛玉冶煉生產(chǎn)過程中，原料來源的選擇和原料的質(zhì)量控制是至關(guān)重要的也是必須嚴加控制的一個工藝過程；原料的選擇在一定的程度上決定了其產(chǎn)品的應(yīng)用范圍；原料的質(zhì)量能否得到有效的控制，不僅嚴重的影響產(chǎn)品質(zhì)量和使用性能，同時也直接影響棕剛玉生產(chǎn)的制造成本；所以，在棕剛玉生產(chǎn)過程中必須對主原料鋁礬土、鐵屑、無煙煤進行嚴格的控制，尤其是對SiO2、CaO更應(yīng)該嚴格的控制其原料的涉入量。SiO2、CaO的帶入，不僅給生產(chǎn)帶來了困難、影響了制造成本、降低了AL2O3、 TiO2有價組元的含量，還因為產(chǎn)品質(zhì)量的欠缺影響了產(chǎn)品的商品價格和產(chǎn)品的應(yīng)用范圍。

　　SiO2做為玻璃質(zhì)基體材料，過多的進入剛玉基體中會使剛玉的韌性和顯微硬度指標大幅度下降，嚴重影響剛玉磨料的使用性能；但少量的SiO2與AL2O3生成互溶相，以莫來石（3 AL2O3.2 SiO2）狀態(tài)均勻分散在α-AL2O3晶界處，對磨料的自銳性也是有益的，所以，要求棕剛玉中SiO2的含量要小于1%.CaO對剛玉結(jié)晶的限制作用不大，只要CaO含量不超過8%,在棕剛玉冶煉過程中第一結(jié)晶相都為剛玉，實驗證明，CaO含量達到3%時，剛玉中會生成的CA6（六鋁酸鈣），它的過量存在，不僅會使剛玉顯微硬度下降，所產(chǎn)生的鋁酸鈣低熔物（C3A、CA、熔點1360℃左右）會嚴重地影響剛玉材料的熱學性能，這對做為耐火材料使用的棕剛玉而言是非常有害的，所以，做為耐火材料用棕剛玉CaO含量一般要求小于0.5%,而做為優(yōu)質(zhì)耐火材料則要求CaO含量小0.3%.【原料中的Fe2O3在冶煉棕剛玉中做為有價元素計入；TiO2是棕剛玉著色的主要成分，同時還能促進剛玉的微晶化和增加剛玉的韌性；MgO是微晶剛玉的微晶促進劑，適量MgO（熔點2800℃）的進入，可提高剛玉的韌性，對棕剛玉的綜合性能會有一定的改善】。

　　利用上述原理，我們就可以很好的分別設(shè)計和生產(chǎn)不同用途的棕剛玉了。

　　一、冶煉棕剛玉用主原料技術(shù)條件

　　對生產(chǎn)普通的（用于磨料或高溫耐材）棕剛玉，其主原料的質(zhì)量指標要求如下：

　　 表1熟礬土化學成分應(yīng)符合下表規(guī)定：


　　注：（1）SiO2的含量小于3%時，F(xiàn)e2O3和TiO2的含量可控制在小于6%.

　　（2）在一批熟礬土中，任取一塊，其鋁硅比不得小于10.

　　（3）熟礬土中不得含有生礬土、夾生礬土、石塊、泥土等雜質(zhì)。

　　（4）CaO含量每個礦點每月檢驗一次。

　　（5）尺寸范圍 30-300mm,30mm以下不得超過15%,5 mm以下不得超過5%.

　　剛玉冶煉對鐵屑和無煙煤（焦碳）也有一定的技術(shù)要求，否則，同樣會嚴重地影響棕剛玉的技術(shù)經(jīng)濟指標。冶煉棕剛玉用無煙煤（焦碳）及鐵屑技術(shù)質(zhì)量指標分別如下表

　 　表2無煙煤（焦碳）化學成分應(yīng)符合下表規(guī)定：


　　注：無煙煤（焦碳）里不得混有明顯的煤矸石、木頭、泥土、石塊等雜質(zhì)。

　　 表3、鐵屑化學成分及質(zhì)量應(yīng)符合下表規(guī)定：


　　注：鐵屑內(nèi)不得混入棉紗、木塊、泥土、沙石等雜質(zhì)。

　　二、高硅、鈣鋁礬土原料的成因分析

　　冶煉棕剛玉用鋁礬土熟料與生產(chǎn)金屬鋁和耐火原料用的鋁礬土是不同的，冶煉棕剛玉用的鋁礬土熟料是選用優(yōu)質(zhì)的高AL2O3、 TiO2低SiO2、CaO的鋁礬土，而生產(chǎn)金屬鋁和耐火原料用的鋁礬土對上述指標要求則相對要低一些，就可滿足生產(chǎn)需要。

　　目前，我國剛玉材料的生產(chǎn)制造企業(yè)約有170家左右，其生產(chǎn)能力約在200萬噸左右，按生產(chǎn)能力計算，僅剛玉生產(chǎn)用高鋁優(yōu)質(zhì)熟礬土約在240萬噸左右。由于諸多基礎(chǔ)工業(yè)及剛玉制造業(yè)的快速發(fā)展，鋁礬土需求量迅猛增長，也由于鋁礬土資源的匱乏，再加上有的礬土供應(yīng)商和中間環(huán)節(jié)的不規(guī)范行為，致使棕剛玉冶煉所用的熟鋁礬土數(shù)量保證困難，而且質(zhì)量嚴重下滑；A/S由八十年代的25-30:1,下降到九十年代的15-20:1,而今有的企業(yè)則經(jīng)常使用A/S10-12:1的鋁礬土，甚至有的企業(yè)所用的鋁礬土中有時SiO2的含量竟然超過10%都沒有引起企業(yè)決策者的重視，如何從技術(shù)和經(jīng)濟雙重困境中解脫出來，就更顯無力了。目前，國內(nèi)生產(chǎn)普通的（用于磨料或高溫耐材）棕剛玉所用的鋁礬土原料南、北方的AL2O3、SiO2、Fe2O3含量都差不多，其主原料的質(zhì)量指標狀況數(shù)理分析如下








　　結(jié)論：通過上述數(shù)理統(tǒng)計分析，就其生產(chǎn)棕剛玉用鋁礬土中有害雜質(zhì)SiO2、CaO一是來源鋁礬土中固結(jié)材料本身；二是隨著鋁礬土熟料混入的細土面而帶入。前者是原料本身所含有的，可以在選擇原料來源時酌情控制，或進行選配礦處理予以保障原料質(zhì)量，而后者則是更重要的涉入來源，這就需要棕剛玉制造企業(yè)自己來嚴格控制了。由于鋁礬土資源的日趨緊張，細土面混入鋁礬土熟料中可能將會愈加嚴重，這就使生產(chǎn)企業(yè)處于"棄而不舍，用而無法"的兩難境地，同時也給棕剛玉制造企業(yè)帶來了嚴重的困難和挑戰(zhàn)。另外，從上面原料數(shù)理分析可知，無煙煤、鐵屑中帶入的有害雜質(zhì)SiO2、CaO也應(yīng)該引起足夠重視和嚴格的控制。由于SiO2、CaO過量混入，就導(dǎo)致棕剛玉生產(chǎn)企業(yè)耗電、耗原料使之制造成本升高，更重要的是導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量嚴重失控而使用性能受限，尋找既經(jīng)濟又合理的解決方法勢在必行。

　　三、工藝設(shè)計與控制

　　SiO2、CaO對其棕剛玉的產(chǎn)品質(zhì)量和應(yīng)用范圍是十分有害的，必須在生產(chǎn)及工藝技術(shù)方面加以嚴格控制。在棕剛玉冶煉過程中，SiO2可以通過氣化升華或還原生成低硅鐵除去，而CaO在棕剛玉冶煉過程中是十分難以祛除的，所以必需嚴格控制原料（鋁礬土、無煙煤、鐵屑）中CaO的進入量，并設(shè)計出合理的、與之相適應(yīng)的工藝技術(shù)方案，有目標地對其進行分流與控制。

　　一）高SiO2、CaO粉料的回收與利用

　　1、物料回收：通過數(shù)理分析，過多的礬土劣質(zhì)混合粉進入入爐料是造成原料中SiO2、CaO嚴重超標的主要原因之一，所以，將其這部分劣質(zhì)混合粉祛除或有效地控制加入量是非常必要的。通過收塵或篩分處理可以達到劣質(zhì)粉體和礬土分離的目的。將分離出來的高SiO2、CaO單獨存放，另作它用。

　　2、粉體料的球團化處理

　　為使冶煉過程得以順利的進行，必須保證爐料有一定的粒度，以實現(xiàn)爐料在冶煉過程中有較理想的逸氣效果。將回收粉料進行球團化處理，可達到冶煉用料的目的，同時在球團化處理過程中配以適量的復(fù)合添加劑以保證冶煉過程的順利進行，使之剛玉質(zhì)量做到有目標的合理控制。

　　1）原料制備工裝簡單易保養(yǎng)，選用圓桶式混料機和球團成型機；

　　2）烘干熱能選用剛玉接包熱能綜合利用；

　　3）球團輸送選用立體爬車完成。

　　3、復(fù)合添加劑的選擇原理

　　1）技術(shù)可行，無壞作用，不影響棕剛玉的產(chǎn)品質(zhì)量；

　　2）簡單易得，資源豐富有保障；

　　3）經(jīng)濟合理，有利于目標成本控制；

　　4）固結(jié)強度高，對環(huán)境無影響；

　　5）有利于提高冶煉效率，操作簡單易行。

　　二）工序控制

　　1、對準備購進原料來源進行分類控制，做到源頭受控。冶煉棕剛玉的主原料中 SiO2、正常情況下一般控制在小于6%的范圍內(nèi)，而CaO則應(yīng)控制在小于0.5%的范圍內(nèi)。

　　2、將已經(jīng)購進鋁礬土中夾帶的細土面子進行篩分（或進行粉塵回收）預(yù)處理，以保證冶煉原料的凈化和穩(wěn)定。

　　3、嚴格控制無煙煤（焦碳）和鐵屑中雜質(zhì)含量，從源頭上控制煤矸石、鑄造型砂等雜質(zhì)的涉入量，保證生產(chǎn)原料處于受控狀態(tài)。

　　4、不僅鋁礬土、無煙煤、鐵屑在配料前要進行嚴格挑揀，還要對入爐主原料鋁礬土的化學成分和粒度大小進行合理設(shè)計并加以嚴格控制，分別設(shè)計出冶煉前期、中期、后期用料的合理配比，同時嚴格控制入爐料的粒度范圍，以確保冶煉過程的順利進行。

　　5、對回收的細粉料進行合理設(shè)計與利用，在冶煉過程中，據(jù)其冶煉原理，調(diào)整剛玉熔融液的PH值，按比例配入還原劑、澄清劑、助熔劑、促進劑等原料，通過加工成球狀或有一定塊度的復(fù)合料，再行冶煉，綜合效益更好，這樣不僅經(jīng)濟合理、降低了冶煉難度，更重要的是實現(xiàn)了在冶煉過程中棕剛玉質(zhì)量得到有效控制。

　　三）工藝技術(shù)方案設(shè)計

　　1、工藝流程：

　　鋁礬土（無煙煤、鐵屑）原料入倉檢控→備料（分級控制→球團制備→烘干處理）→配料→冶煉→傾倒→冷卻→碎選→計量與入庫

　　2、冶煉工藝的設(shè)計

　　冶煉是棕剛玉生產(chǎn)的重要工序，通過冶煉，控制適當?shù)囊睙挌夥眨沟\土與還原劑（無煙煤或焦粒）、澄清劑（鐵屑）在高溫狀態(tài)下進行氧化還原反應(yīng)，除去雜質(zhì)，并形成α-Al2O3,從而獲得符合質(zhì)量要求的剛玉塊。

　　1）將爐料進行目標化設(shè)計，以求入爐物料的合理可控制；通過合理調(diào)配爐內(nèi)熔融體的PH值，達到優(yōu)化入爐料設(shè)計，從而得到良好的冶煉指標。

　　2）爐內(nèi)主要化學反應(yīng)：


　　按照爐料成分的熱力學分析，其冶煉爐內(nèi)主要化學反應(yīng)如下：

　　經(jīng)過對除塵粉體成分分析，其中SiO2在40%左右，Al2O3在40%左右，K2O在10%左右，余下的是Fe2O3和碳粉等。

　　在冶煉過程中約有50%TiO2被還原，以單質(zhì)Ti進入低Fe-Si合金中，余下的TiO2以有價成分進入剛玉塊中，而礬土雜質(zhì)中有價MgO和雜質(zhì)CaO基本保留其固有含量進入剛玉塊中 .

　　3）爐料配比計算：


　　式中： SiO2%、Fe2O3%、TiO2%分別表示原料中SiO2、Fe2O3、TiO2的百分含量，C%為無煙煤中固定碳的百分含量，F(xiàn)e%為鐵屑中的鐵含量， K是鐵硅比，（K取值5.5）

　　4）冶煉周期設(shè)計

　　根據(jù)冶煉設(shè)備容量狀況，設(shè)計好爐料分批配制制度，冶煉爐料分前、中、后期分別配入是解決爐料差的合理的優(yōu)化工藝設(shè)計，對其技術(shù)、經(jīng)濟效果非常有益。

　　①冶煉前期：以提高和確保爐溫不散失為目標，以混合料為主，加入量為入爐料總量的60-70%為好。

　　②冶煉中期：為確保整個冶煉過程的順利進行，冶煉中期必須保證爐內(nèi)逸氣效果良好，這是冶煉全過程最重要的環(huán)節(jié)，只有保證爐料有良好的透氣效果，爐內(nèi)過量的SiO2、SiO廢氣才能逸出爐外，才能得到滿意的質(zhì)量和良好的技術(shù)經(jīng)濟指標，冶煉中后期才能得到良好的控制；加入量為入爐料總量的30-20%為好。

　　③冶煉后期：此階段以調(diào)整爐內(nèi)質(zhì)量和提高產(chǎn)量為目標，物料有效的設(shè)計尤為重要。由于爐料進入精煉期，控制爐溫、縮短冶煉時間就顯得至關(guān)重要了，這個期間是技術(shù)經(jīng)濟全過程的關(guān)鍵所在，爐料加入量為入爐料總量的5-10%為好。

　　3、冶煉過程控制

　　1）爐前調(diào)整：在生產(chǎn)過程中，可根據(jù)用戶質(zhì)量指標要求，適當控制冶煉還原程度，來實現(xiàn)質(zhì)量的有效控制，但是，由于進廠礬土礦的批量和數(shù)量及取樣方法和冶煉操作方法等因素的影響，在實際生產(chǎn)過程中，有時需要通過沾棍來進行爐前判斷調(diào)整（待工藝配比和工序操作熟悉后，可取消爐前調(diào)整過程）。

　　2）爐內(nèi)還原控制：由于鋁礬土中Al2O3含量下降和SiO2含量的增高，在冶煉過程中就必須增加C的涉入量，這就使其爐內(nèi)還原氣氛集聚加強，產(chǎn)生大量的高溫氣體，從而加大了冶煉操作和爐況控制難度；在加大C和Fe用量的情況下，可以有效地把SiO2祛除，但是，由于過還原使得礦物中的TiO2等有價成分也被過還原，以金屬Ti的形式進入低硅鐵中，使之棕剛玉的質(zhì)量和性能下降，應(yīng)用領(lǐng)域受限，所以，適當?shù)某ɑ∨艢猓孲iO2、SiO廢氣有效的逸出是必要的。

　　3）冶煉參數(shù)控制：為使之得到良好技術(shù)和經(jīng)濟指標，冶煉過程要隨著物料的變化程度進行必要的工藝技術(shù)調(diào)整，根據(jù)熔池情況，合理調(diào)整冶煉過程的電流、電壓檔位，是必要的控制方法和手段。

　　4、冶煉工藝控制與操作技能

　　冶煉是剛玉生產(chǎn)主要工序，通過冶煉，使礬土與還原劑、澄清劑在高溫下進行氧化還原反應(yīng)，除去雜質(zhì)，并形成α-Al2O3,從而獲得符合質(zhì)量要求的剛玉塊。對于高SiO2、CaO含量的礬土而言，從理論與實踐方面分析，無論是固定爐或傾倒爐其冶煉工藝不同與傳統(tǒng)的棕剛玉冶煉工藝。

　　1）起弧：起弧采用技術(shù)可行、經(jīng)濟合理的碳素起弧塊，不加或盡可能的少加鐵屑，這樣既安全又經(jīng)濟，起弧成本可節(jié)約50%左右；

　　2）分期配料：冶煉前期（第一批）投料在正常配料的基礎(chǔ)上相對地少加鐵屑，在中、后期再逐次配入所需的鐵屑量，這樣可獲得更佳的技術(shù)經(jīng)濟效果；

　　3）爐料控制：冶煉前期采用粗細料結(jié)合的入爐料制度，燜爐冶煉，使之減少爐內(nèi)溫度損失；中期采用透氣性好的塊粒料，使期SiO、SiO2蒸汽能夠順利的從爐內(nèi)逸出，從而保證爐況的穩(wěn)定、節(jié)約鐵屑用量、提高冶煉速率；中期敞弧放氣后，后期加料要考慮適當?shù)牟捎眉氁恍┑臓t料，以保證爐料的快速熔化，減少熱損失，提高冶煉速率；精煉期采用優(yōu)質(zhì)礬土粉料或棕微粉，進行軟蓋保溫工藝，以確保質(zhì)量、提高爐產(chǎn)量；

　　4）冶煉參數(shù)安排：在爐內(nèi)熔池合理的情況下，從安全生產(chǎn)和提高單爐產(chǎn)量的角度考慮，冶煉前期（相對的）易采用高電壓低電流（固定爐更為合理），這樣有益于擴大爐內(nèi)熔池面積，使之既安全又可提高產(chǎn)量，冶煉效果也會更好；冶煉中期應(yīng)根據(jù)爐況適當調(diào)整功率（電流、電壓），以確保爐料逸氣、冶煉順暢；冶煉后期要有效的加大功率輸送，到精煉期尤為重要，同時配以優(yōu)質(zhì)粉料，冶煉經(jīng)濟指標會更佳。


　5）敞弧逸氣：對于高SiO2低Al2O3礬土冶煉而言，適當增加還原劑的配入量和敞弧逸氣的次數(shù)與時間，更有益于爐內(nèi)SiO、SiO2蒸汽的順利逸出，這樣，既可祛除有害的雜質(zhì)又可以節(jié)約鐵屑的配入量，對產(chǎn)品質(zhì)量也有好處。

　　四、高硅、鈣爐料的冶煉過程設(shè)計：

　　冶煉方案一：非分別式冶煉。工藝技術(shù)方案（略）

　　冶煉方案二：分別式單一棕剛玉冶煉。工藝技術(shù)方案（略）

　　冶煉方案三：據(jù)物料化學組元確定，進行其它剛玉或特殊產(chǎn)品生產(chǎn)（SiO21.2-1.5;CaO1%左右），工藝技術(shù)方案需另行設(shè)計。

　　五、經(jīng)濟效益與生產(chǎn)組織可行性分析

　　任何一個企業(yè)的工業(yè)性生產(chǎn)或任何一項工藝技術(shù)方案，都必須是技術(shù)可行、經(jīng)濟合理、生產(chǎn)過程簡潔方便，否則就不是最佳的生產(chǎn)或技術(shù)方案。

　　在棕剛玉生產(chǎn)過程中，一般冶煉工藝要求是：前期為保溫期；中期為質(zhì)量控制期；后期（要在盡量縮短冶煉時間的同時）為質(zhì)量、產(chǎn)量雙保期；以此來實現(xiàn)最佳的技術(shù)經(jīng)濟效果。通過對入爐料的預(yù)處理與工藝技術(shù)方案新的設(shè)計，預(yù)計可實現(xiàn)下述幾方面的技術(shù)經(jīng)濟效果：

　　1、有利于冶煉工藝操作的順利進行，減少爐內(nèi)劇烈反應(yīng)，提高生產(chǎn)效率，預(yù)計同等的冶煉作業(yè)期產(chǎn)能可提高5-10%左右。

　　2、減少或消滅爐內(nèi)因為反應(yīng)而停電時間，可減輕冶煉工勞動強度，降低單耗，縮短冶煉時間。

　　3、可有效的提高或?qū)崿F(xiàn)強化冶煉作業(yè)、強化冶煉速率，提高產(chǎn)能，提高企業(yè)的綜合效益，降低成本；

　　4、可提高產(chǎn)品質(zhì)量，實現(xiàn)質(zhì)量的有效控制，為提高企業(yè)品牌效益打好基礎(chǔ)，有利于創(chuàng)造市場、贏得市場、提高市場占有率，最終實現(xiàn)企業(yè)良好的社會及經(jīng)濟效益。

　　5、冶煉部分直接減少除塵損失鋁礬土約在2%左右，備配料系統(tǒng)可減少鋁礬土損失3%左右，如果將其這部分礬土粉塵回收利用，就按5%計算，以年產(chǎn)一萬噸剛玉為例，所需要約1.2萬噸鋁礬土計，年可以節(jié)約鋁礬土600噸，按900元/噸計，年創(chuàng)效益在54萬元。如果以企業(yè)生產(chǎn)十年計算，這將是一個受益不小的數(shù)字。

　　6、凈化勞動生產(chǎn)環(huán)境，提高員工健康水平。（沈蘭英 行業(yè)資深專家、原七砂總工）