氧化鋁晶粒度的影響因素探討

洪淑翠

摘要：通過對工業(yè)氫氧化鋁進行煅燒試驗，探討了煅燒溫度、保溫時間及添加的礦化劑對α-Al2O3晶粒度的影響。

關鍵詞： 氧化鋁;高溫煅燒;晶粒度

1 前言

α-Al2O3是制造高純高鋁系列陶瓷、磨料磨具及耐火材料的理想原料，也被廣泛應用于火花塞、絕緣瓷、研磨料及耐火材，高純氧化鋁粉是電子、陶瓷、化工等領域中的基礎材料，據(jù)統(tǒng)計，高溫煅燒氧化鋁用于陶瓷料、耐磨料等的非冶金行業(yè)的市場容量占特種氧化鋁總量的25%左右，應用前景非常廣闊。

α-Al2O3是在原料氫氧化鋁中添加一定的添加劑，在混料機中攪拌15分鐘，然后經(jīng)提升機提到原料倉內(nèi)，從原料倉中把混合好的料放到窯車上的匣缽中，然后將窯車推入隧道窯中，經(jīng)窯爐高溫煅燒后形成。高溫煅燒氧化鋁具有熔點高、硬度大、耐磨性好、機械強度高、電絕緣性好等多種優(yōu)良性能。

在高溫煅燒過程中，各工藝參數(shù)會影響到α-Al2O3的晶粒度。α-Al2O3晶粒度的大小，主要影響α-Al2O3的耐磨性和燒結活性，晶粒度大耐磨性好、燒結活性好; 晶粒度小的耐磨性差、燒結活性差。而磨料時磨同一細度的α-Al2O3 ，晶粒度大的球磨時間長;晶粒度小的球磨時間短。

本文，通過對工業(yè)氫氧化鋁煅燒試驗，探討了煅燒溫度、保溫時間及礦化劑對α-Al2O3晶粒度的影響。

2 試驗部分

2.1 試驗設備

高溫爐、激光粒度分析儀等。

2.2 試驗原料

高溫煅燒氧化鋁的生產(chǎn)原料選用優(yōu)質(zhì)氫氧化鋁。氫氧化鋁分為拜耳法（種分）生產(chǎn)和燒結法（碳分）生產(chǎn)2種。燒結法氫氧化鋁經(jīng)煅燒生成的高溫煅燒氧化鋁，晶型模糊不清，晶體發(fā)育不好，轉(zhuǎn)化率低，真比重低，降鈉效果差于1300-1350℃轉(zhuǎn)化為α-Al2O3 [1];拜耳法氫氧化鋁經(jīng)煅燒生成的高溫煅燒氧化鋁，晶型清晰，轉(zhuǎn)化率高，真比重高，降鈉效果較好于1225-1250℃就開始轉(zhuǎn)化為α-Al2O3。根據(jù)實際情況，原料采用了種分和碳分各占一定比例的混合型氫氧化鋁。

2.3 試驗方法

首先，把氫氧化鋁在低溫下予脫水，選取不同溫度、保溫時間和礦化劑摻加量進行煅燒[2]，然后將煅燒后的試樣制成樣品，用粒度儀測定粒度。D50表示α-Al2O3晶粒度的中位粒徑，用d75/d25的比值表示α-Al2O3晶粒度的分布情況。

3 結果與討論

3.1煅燒溫度對α-Al2O3晶粒度的影響

將預脫水的碳分和種分氫氧化鋁在1300℃、1400℃、1500℃、1600℃下煅燒，得到試樣的晶粒度的中位徑及其分布情況。

從試驗的數(shù)據(jù)結果可以看出，種分氫氧化鋁經(jīng)煅燒后的氧化鋁在小于1400℃時，（1300℃為0.51μm，1400℃ 為0.802μm）主要是由小于1μm的晶粒組成;隨著溫度的升高，晶粒長大，1500℃以上主要由大于1μm的晶粒組成。晶粒度分布范圍隨溫度升高變小而后逐漸變大，這主要是因為煅燒溫度越低時，氧化鋁晶粒度較小，比表面積大，在該檢測方法下樣品磨后易團聚使晶粒范圍變寬;隨溫度的升高，比表面積變小，樣品磨后不易團聚，使晶粒度范圍變寬。當氧化鋁長到一定尺寸，樣品粉磨時易破碎，使其晶粒度范圍變寬。碳分后的氫氧化鋁經(jīng)煅燒后的晶粒度變化情況與種分氫氧化鋁的一致，但同溫度下，以碳分氫氧化鋁為原料的α-Al2O3比種分氫氧化鋁為原料的α-Al2O3的晶粒度細，比表面積高。

3.2 添加礦化劑對α-Al2O3晶粒度的影響

添加的礦化劑在高溫煅燒氧化鋁煅燒過程中起著降低煅燒溫度、除雜提純、提高α相轉(zhuǎn)化率、控制晶粒尺寸等作用。通過添加礦化劑來達到煅燒要求的方法簡單易行，氫氧化鋁在1250-1400%煅燒一般可獲得>85%的α-Al2O3，而且可以控制α-Al2O3的晶粒尺寸。轉(zhuǎn)化開始時形成的α-Al2O3，晶粒度通常小于0.5um[3]。通過控制礦化劑的種類及其加入量，即可在較低溫度下獲得晶粒度達2～10μm而且可以控制的高溫煅燒氧化鋁。

鹵化物特別是氟化物、氯化物和硼化物等是非常有效的礦化劑，它們可以促使α-Al2O3，在較低溫度下轉(zhuǎn)化并發(fā)育，從而節(jié)省大量能源;硼化物和氯化物可與原料中的Na20反應生成易于揮發(fā)的化合物，從而降低α-Al2O3，中Na20的含量;硼化物還可有效地提高α-Al2O3的真比重，降低α-Al2O3的收縮率。

通過試驗可知，在1250-1450℃之間。添加硼類礦化劑的α-Al2O3晶粒度比無礦化劑的明顯增大，但是在該度范圍內(nèi)α-Al2O3 晶粒度無明顯增大（種分氫氧化鋁僅從2.889μm增到3.632;碳分氫氧化鋁從2.499-3.087μm）。

添加氟類和氟鎂類礦化劑在1250℃、1300℃、1350℃、1400℃煅燒種分氫氧化鋁樣品，通過測試結果可以看出氟類礦化劑對α-Al2O3晶體發(fā)育影響大。1400℃下α-Al2O3晶粒度幾乎是加硼的α-Al2O33晶粒度的2倍。氟鎂類礦化劑共摻，對α-Al2O33晶粒度影響很小，在1250-1400℃范圍內(nèi)，晶粒度基本不增加。

3.3保溫時間對α-Al2O3晶粒度的影響

把預脫水的種分和碳分氫氧化鋁在1300℃、1400℃、500℃、1600℃下煅燒，保溫時間分別為60min、120min、180min煅燒，得到樣品的α-Al2O3晶粒度。由結果可知，延長保溫時間對α-Al2O33晶粒度在較低溫度（1400℃）下有影響，使d50略有增大，在較高溫度下（1500℃），則幾乎沒有影響。這是因為當α-Al2O33晶粒長到一定尺寸，保溫所提供的熱量不能促進α-Al2O33晶粒進一步生長。

4 結論

通過試驗可知，煅燒溫度、保溫時間及添加的礦化劑對α-Al2O33晶粒度的大小都會產(chǎn)生不同的影響。α-Al2O33晶粒度會隨煅燒溫度升高而增大，在1400℃以下主要由小于1μm的晶粒組成，在相同的溫度下，以碳分氫氧化鋁為原料的α-Al2O33比種分氫氧化鋁為原料的α-Al2O33具有更高的活性和更細的晶粒度。其次，保溫時間對α-Al2O33晶粒影響不大，在1400℃以下時，隨保溫時間的增加α-Al2O33晶粒度略有增大，而在1500℃以上時，則基本沒有影響。另外，添加硼類礦化劑的α-Al2O33晶粒度分布會變窄，活性變小;硼類、氟類礦化劑都能促進α-Al2O33晶粒度的生長，但氟類的影響更為顯著。

參考文獻

[1] 鹿輝耀，史春強.淺析α-氧化鋁生產(chǎn)中各參數(shù)對壓實密度的影響[J].輕金屬文集，2003（5）：8～10.

[2] 孫松林.淺談α-Al2O3微粉細度與原始晶粒尺寸的關系[J].鋁鎂通訊，1999（增刊）：9～12

[3] 欽征騎.新型陶瓷材料手冊[M].南京：科學技術出版社，1995.49～5l