电熔刚玉生产的核心工艺：还原熔融与杂质控制详解

电熔刚玉的制备，其本质是一个在高温电弧炉中进行的还原熔融提纯过程。工艺设计的核心目标，并非简单地将原料熔化，而是通过一系列精准控制的化学反应，系统性地剔除原料中的主要杂质成分，如Fe₂O₃、SiO₂、TiO₂及CaO。唯有如此，才能最终获得具有完整结晶形态和致密结构的高纯度氧化铝熔块。

在整个熔炼体系中，碳质材料（如无烟煤、焦炭或石油焦）扮演着至关重要的还原剂角色。其基本作用原理是在高温下与杂质氧化物发生反应，将其还原。

具体的化学反应路径大致如下：

• 脱硅反应：炉料中的二氧化硅被碳还原为单质硅。 SiO₂ + C → Si + 2CO

• 脱铁反应：氧化铁同样被还原为金属铁。 Fe₂O₃(FeO) + C → 2Fe + 3CO

• 脱钛反应：二氧化钛的还原路径则更为复杂，可能被深度还原为金属钛，或生成低价氧化钛。 TiO₂ + 2C → Ti + 2CO TiO₂ + 2C → Ti₂O₃ + CO TiO₂ + 2C → TiO + CO

• 钙的固定：氧化钙（CaO）在体系中并不以被还原的方式去除，而是与氧化铝和二氧化硅结合，形成稳定的复合氧化物。 CaO → CaO•6Al₂O₃, CaO•Al₂O₃•2SiO₂

反应生成的铁、硅、钛等金属单质会熔合形成硅铁合金。由于硅铁合金的密度显著高于Al₂O₃熔体，它会自然沉降至电弧炉底部，从而实现与上层高纯度氧化铝熔液的有效分离。

然而，工艺控制中的一个棘手问题恰恰与钛元素的行为有关。在还原过程中，部分TiO₂并不会被完全还原，而是会形成一系列中间产物，例如γ-TiO₂、m-TiO₂乃至TiC等含钛矿物。这些矿物相在熔块冷却至400~600°C温区时，会发生向金红石（Rutile）晶型的转变。这一相变伴随着剧烈的体积膨胀，足以在致密的刚玉熔块内部引发应力，导致裂纹的产生，严重影响成品率和产品质量。

要规避这一潜在的质量隐患，需要在生产实践中采取一个看似反直觉的操作：在熔炼过程的末期，有控制地向炉内补加氧化剂（通常是轧钢皮）。这一步骤的目的，是将被还原的钛及其低价化合物重新氧化，从根本上消除形成金红石相变的前提条件，从而确保熔块在冷却后依然保持其结构完整性。

对刚玉熔块中杂质含量、特别是关键元素（如钛）的赋存状态进行精确分析，是优化生产工艺、确保产品质量稳定性的核心环节。这不仅需要解读化学成分，更涉及对微观物相的深入洞察，而这些正是专业材料检测能够提供关键支持的地方。

精工博研测试技术（河南）有限公司（原郑州三磨所国家磨料磨具质量检验检测中心），央企，国字头检测机构，专业的权威第三方检测机构，专业检测电熔刚玉化学成分与物相分析，可靠准确。欢迎沟通交流，电话19939716636