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棕剛玉的物理結(jié)構(gòu)有必要對棕剛玉的結(jié)構(gòu)作一簡單的了解,這樣可以避免發(fā)生不測的質(zhì)量問題。棕剛玉的顯微鏡檢查表明,它是由α-氧化鋁晶粒構(gòu)成的,被少量的玻璃狀熔渣(見圖2)粘在一起。滿足典型的技術(shù)條件的棕剛玉,由95%以上的α-氧化鋁晶體構(gòu)成,是由含Ti2O3的Al2O3固溶體組成的。玻璃狀熔渣絕大部分由二氧化硅、二氧化鈦組成,還有電弧爐中存在的其他微量氧化物。這些氧化物構(gòu)成了玻璃相,它在α-氧化鋁晶粒的晶體結(jié)構(gòu)中只有較低的溶解度。玻璃狀熔渣的多少,及其與α-氧化鋁晶粒間雜質(zhì)的分布是影響棕剛玉性能的主要因素。
α-氧化鋁賦予棕剛玉材料以硬度和高的熔點,同時玻璃相和雜質(zhì)的存在則賦予棕剛玉以韌性或抗破碎性。對滿足典型技術(shù)條件要求的棕剛玉,玻璃相中的二氧化硅和二氧化鈦的混合比例,理論上近于1:1,相中的二氧化硅太多,則過量的二氧化硅則不能保留在玻璃相中,而是與一部分氧化鋁反應(yīng)生成莫來石(2SiO2(3Al2O3)),這將會降低棕剛玉的韌性。
另一方面,如果棕剛玉中有過量的氧化鈦(TiO2),則不能保留在玻璃相中,而是與氧化鋁反應(yīng)生成鈦酸鋁(TiO2(Al2O3))。鈦酸鋁是在α-氧化鋁晶粒和玻璃相界面上的第三相,會造成α-氧化鋁晶粒間玻璃相的弱化。三相之間的熱膨脹系數(shù)的差異也會在加熱過程中引起晶粒間的裂紋。
棕剛玉中的二氧化硅絕大部分是在玻璃相中發(fā)現(xiàn)的。典型的棕剛玉技術(shù)條件可接受的TiO2 :SiO2的比值依次為2.5:1到6:1。二氧化鈦大多作為α-氧化鋁晶粒的固溶體存在。在爐內(nèi)的還原過程中,一部分TiO2被還原成鈦的亞氧化物(Ti2O3)。必須十分關(guān)注二氧化鈦和二氧化鋁熔化混合物中的比例,使其保持在能生成符合技術(shù)條件的棕剛玉。同時,不能使棕剛玉中的TiO2過還原。固溶的Ti2O3的量對棕剛玉的煅燒顏色和韌性是非常重要的。
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