棕刚玉是磨料磨具和耐火材料行业必需的材料

【背景及概况】^[1][2]

磨料是基础工业的原材料，被称为工业的牙齿，以其尖锐边角的颗粒和硬度高等特性，广泛应用于机械加工、电子、轻工、化工、建材、冶金、陶瓷、航空航天、军事及产业等领域。人造刚玉属于普通磨料，是应用最广泛，用量，生命力最强的磨料产品，是炼钢炼铁等行业不可替代的耐火材料。磨料磨具产业是国家的战略性产业，磨料产品是国家的战略物资。我国对发展磨料磨具行业特别重视，改革开放以来，抓住国际良机，利用资源优势等条件，在全国分布建起了一砂至七砂个大型磨料磨具企业，并在郑州建立了中国磨料磨具研究所和磨料磨具专业大学，成立了中国磨料磨具进出口经营公司和全国磨料磨具协会，设立了磨料磨具刚玉理事会。现在，二砂、四砂、七砂、太原刚玉等企业均已发展成为上市公司。目前，我国磨料磨具年产量达110余万吨，占世界磨料产品总量的左右，以上出口。随着全球经济一体化进程的不断加快，世界制造业加速向发展中国家转移，我国正在成为世界制造业的发展中心。作为国民经济中必须的、与制造业密切相关的基础产品，磨料内需和出口将会继续保持快速增长态势，磨料磨具行业具有广阔的发展空间，也将会逐步发展成为具有国际竞争优势的独特产业。

棕刚玉，俗名又称金刚砂，是用矾土、碳素材料、铁屑三种原料在电炉中经过融化还原而制得的棕褐色人造刚玉，故为此名。棕刚玉具有很高的强度、优良的导热性能及良好的抗氧化性能，在高温下不变形。棕刚玉主要有四大应用领域，即功能陶瓷、高级耐火材料、磨料及冶金原料。棕刚玉是磨料磨具和耐火材料行业必需的材料，是国民经济发展不可或缺的产品，其重要性十分突出。棕刚玉以优质铝矾土为原料，无烟煤，铁屑，在电弧炉中经度以上高温熔炼制成，经自磨机粉碎整形，磁选去铁，筛分成多种粒度，其质地致密、硬度高，粒形成球状，适用于制造陶瓷、树脂等固结磨具以及研磨、抛光、喷砂、精密铸造等，还可用于制造高级耐火材料。棕刚玉的等级；棕刚玉主成分是氧化铝，分等级也就用铝含量来区分，铝含量越低也就硬度越低。棕刚玉的生产原理是用矿石与煤和铁在一定的比例下进行反应。煤起着还原的作用，而铁屑则起着除去矿石中的硅的作用，铁与硅形成低硅铁。

【特性】

深棕色，煅烧后深蓝色，三方晶系，硬度（莫氏）≥9.0，熔点为2250℃，最高使用温度为1900℃。

【特点】^[1]

1. 粉尘少。用棕刚玉进行表面喷磨处理，由于它的比重比较高，所以在喷射过程中产生的粉尘比较少。这一点保证了操作员的健康和安全，提高了操作员的能见度。与矿渣相比较矿渣形成过程中是用冷水甚至是海水进行高温冷却，所以形成的是玻璃相结构，具有易碎性，由于矿渣比较脆，在喷磨过程中，易被撞碎形成小颗粒。由于矿渣比重比较小，造成小矿渣颗粒悬浮在空气中，造成对环境的污染。同样地，石英砂也是一种非常易碎的磨料。

2. 高效率。棕刚玉，在一定压力作用下，能够大量的快速地用锋利的棱角撞击物体表面，所以被视作是一种非常快的喷磨方式。在气流中的颗粒的加速度和速度是惯性和颗粒大小产生的作用。越小的颗粒，加速越容易，因此能产生更高的冲击力冲击物体表面，从而产生一个非常高的清洗速度，通常情况下，这个速度比其他常规磨料快两倍。棕刚玉和金刚砂其他磨料的区别分析。

3. 低损耗。棕刚玉独特的颗粒大小，确保了更多有效颗粒撞击物体表面如目砂，每公斤能产生万个颗粒撞击物体表面，而常规矿渣如目，只能产生万个颗粒撞击物体表面，从而使用石榴砂可以很大程度上减少磨料的损耗——通常能节省常规磨料的。

4. 表面处理品质高。棕刚玉在喷磨过程中，能深入到表面的洞穴和凹坑处，到达金属的裸表面，因此它能彻底地除去所有的铁锈，溶水性盐类物质和其他污染物。经过处理的金属表面非常干净无嵌入物，质量轻易地就可以达到标准的级。单位面积上带有均一的微米的峰的光洁的表面轮廓结构可以轻易达到。相对而言，由于矿渣如铜渣、镍渣等粗糙的锋利的棱角在喷磨后极易残留在钢的表面，每平方米大概有粒之多，从而导致初成的涂层失败和涂层效果不佳。棕刚玉和金刚砂其他磨料的区别分析。

5. 环保。不同于常规的喷磨材料棕刚玉是一种纯天然的无毒矿物，内部不含有导致硅肺病的游离硅有害物质，不含有毒的重金属或是放射性污染物在操作过程中，由于产品比重比较大，很少会产生粉尘，有效地保证了操作员的健康。另外，产品低消耗和可循环使用的特性可以大大减少产品使用过后的废物处理量及成本。棕刚玉和金刚砂其他磨料的区别分析。

6. 可循环使用。棕刚玉非常适用于多种领域。常规情况下，它能被重复使用次。如果次过后还没有失去它的切割能力，循环次数可以更多。在没有切割能力后，棕刚玉还可以回收应用到建筑行业，作为水泥添加料。

【应用】^[1][2]

1. 由于有耐高温、耐腐蚀、高强度等性能，故用浇钢滑动水口，冶炼稀贵金属、特种合金、陶瓷、炼铁高炉的内衬（墙和管）；理化器皿、火花塞、耐热抗氧化涂层。

2. 由于有硬度大、耐磨性好、强度高的特点，在化工系统中，用做各种反应器皿和管道，化工泵的部件；做机械零部件、各种模具，如拔丝模、挤铅笔芯模嘴等；做刀具、模具磨料、防弹材料、关节、密封模环等。

3. 刚玉保温材料，如刚玉轻质砖、刚玉空心球和纤维制品，广泛应用于各种高温炉窑的炉墙和炉顶，既耐高温又保温。

4. 棕刚玉粒度砂是由人工精选棕刚玉块采用对辊、球磨、巴马克等设备加工而成，粒度范围为F8-F325，主要用于抛光、研磨、工业磨削等，还可以按客户要求进行水洗、酸洗处理等方法加工，能够满足客户的不同需求。低碳棕刚玉经过炉前和特殊工艺的再处理，降低棕刚玉中残余碳的含量，使产品在使用中不粉化、不爆裂、韧性大是磨料磨具行业，耐火材料行业的首选原料。主要用于陶瓷磨具、高档磨具、有机磨具、砂带、涂附磨具等。

【生产工艺】^[1][3]

从外界运来的铝土矿石中主要成分是一水硬铝石，含有大量水分，要先进行原料预处理。预处理是用低硫煤对矿石进行烧结以除去其中的大部分水分，直至矿石中还含有的结晶水为止。脱水后的矿石堆由于含有部分大块的杂质通过人工篩选除去其中的杂质。筛选后的矿石经鄂式破碎机破碎成小块后，然后根据生产的需要将矿石、铁屑和煤按一定的比例进行混合，所用的煤为低硫无烟煤。一般情况下矿石、铁屑和煤的重量混合比为10：0.7:0.4。混合好的原料通过皮带输送到冶炼炉进行冶炼。由于煤炭燃烧无法使温度达到生产要求的温度，所以需要在冶炼炉中安装三根石墨电极以使其达到冶炼所要求的温度。

冶炼是在2000℃温度下烧结5-6.5小时，冶炼时可通过监控室对冶炼炉中的温度进行监控。冶炼好的熔奖在冷却容器中进行冷却。冷却后沉在容器底部的是低硅铁，上部的则是生产所需产品即棕刚玉。冷却时需要加水以便加速冷水，在旁边修筑的热水冷却池可有效实现水资源的循环复用。刚出炉的棕刚玉块度较大，通过颚式破碎机破碎成较小的小块，再通过对辊或球磨机等破碎成更小的颗粒，破碎后的小颗粒按照国际上通行或客户要求的粒度标准进行筛分后，按客户要求的包装进行包装后放入仓库，等待销售。

整个过程可表示为：①铝矾土脱水预处理；②将矾土，铁屑，无烟煤，按比例混合；③准备石墨电极（产生高温高压的电弧）；④将原材料加入电弧炉中；⑤经过数小时的高温冶炼后，倾倒出棕刚玉；⑥冷却后将底部的低硅铁与棕刚玉分离；⑦将大块棕刚玉破碎成粒度符合要求的产品。

【参考文献】

[1] 耿志坚. 棕刚玉行业发展调研报告[D]. 郑州大学, 2012.

[2] 棕刚玉产业的现状与未来.2011年耐火原料学术交流会论文集

[3] 刘瑞琼, 智利彪, 智国彪. 利用铝灰低温冶炼制备棕刚玉[J]. 耐火材料, 2014, 48(2): 145-146.