АБРАЗИВНО-АЛМАЗНАЯ ОБРАБОТКА

ЭЛЕКТРОКОРУНД

Химически чистый корунд представляет собой кристалличе­скую окись алюминия (А1₂0₃), получаемую в результате плавки химически чистой окиси алюминия (глинозема). При переходе из расплавленного в твердое состояние окись алюминия кристалли­зуется в а-корунд, чрезвычайно твердое вещество белого цвета, уступающее по твердости только алмазу, кубическому нитриду бора, карбиду бора и карбиду кремния. Микротвердость электро­корунда 1800—2400 кПмм².

При существующих промышленных способах производства электрокорунд выпускается обычно с содержанием 91—99% А1„0₃; плотность электрокорунда равна 3,93—4,01 г/см³-, начало размяг­чения электрокорунда наступает при 1750° С, а точка плавления его 2040—2050° С, модуль упругости электрокорунда 76000 кГ/мм². В зависимости от содержания окиси алюминия и примесей элек­трокорунд имеет различный цвет, структуру и свойства.

Промышленностью выпускаются три разновидности электро­корунда; 1) нормальный электрокорунд содержит 81—96% А1₂0₃ и имеет цвет от розового до темно-коричневого; 2) белый электро­корунд, содержащий 97—99% А1₂0₃; 3) монокорунд, содержащий в зерне 97 - 98% А1₂0₃. Твердость электрокорунда по шкале Мооса 9, микротвердость его разновидностей 1800—2600 кПмм². Плавка электрокорунда ведется в открытых дуговых электриче­ских печах подвижного типа (рис. 1) мощностью 1300—9000 кет и почти не отличается от прочих металлургических процессов, хотя продуктом плавки является не металл, а электрокорунд; образующийся же в процессе плавки ферросплав является побочным продук­том.

Процесс плавки указанных выше раз­новидностей" электрокорунда ведется на блок, или «на слив», или с выпуском в летку. В первом случае продукт (эле­ктрокорунд) остается в печи до конца плавки и затем после некоторого осты­вания извлекается оттуда в виде блока, имеющего форму усеченного конуса ве­сом 20—30 т (рис. 2). Плавка «на слив»    ₇

или на выпуск в летку ведется непре- р_ис. ₂. Блок электрокорунда: рывно и осуществляется только в печах   ^J

« .                                      т->                                                  1—усадочная раковина; 2—шап-

значительной МОЩНОСТИ. В ЭТОМ случае _ка; - иодшапка; 4 - край; Продукт плавки ПО мере наплавления 5-бок; £—центр; 7-низ сливается или выпускается из печи в

изложницы, где и кристаллизуется. В печах мощностью 9000 кет расплав выпускается через две летки: верхняя служит для выпуска электрокорунда, нижняя — для выпуска образующегося в про­цессе плавки ферросплава. При процессе плавки «на слив» или на выпуск в летку получается лучшее разделение расплава на элект­рокорунд и ферросплав, улучшаются условия удаления ферро­сплава и снижается содержание окиси железа в электрокорунде.

Производство электрокорунда является весьма энергоемким, материалоемким и трудоемким процессом. Так, на плавку 1 т электрокорунда затрачивается 2,5—3 гыс. квт-ч электроэнергии и более, в зависимости от качества боксита, мощности печи, требуемого качества электрокор унда и режима плавки. Основным сырьем для плавки электрокорунда является боксит, представ­ляющий собой продукт выветривания глиноземосодержащих мине­ралов Для электрокорунда важное значение имеет качество бок­сита. «Абразивный» боксит должен содержать не менее 50% А1₃0₃; его кремниевый модуль (отношение А1₂0₃ к Si0₂) должен быть не менее 9, желательно 15—20. Боксит не должен содержать таких вредных примесей, как окись кальция; его кальциевый модуль (отношение A1₂O_s к СаО) должен быть не менее 170, т. е. при co­ll
держании в боксите 50% А1₂0₃ допустимо содержание не более 0,3% СаО. Содержание в боксите более 0,5% СаО, как показывает практика, вызывает значительное ухудшение качества электро­корунда.

В боксите не должны содержаться также такие примеси, как окись магния и сера. Чем выше кремниевый и кальциевый модули бокситов, тем выше получается в электрокорунде содержание глинозема.

Плавка пылевидных бокситов в связи с уменьшением газопро- водности шихты сопровождается весьма опасными выбросами рас­плавленной массы. Поэтому рекомендуется боксит предварительно спекать (агломерировать или кальцинировать).

Для восстановления примесей, содержащихся в боксите, и для рафинирования расплава в шихту для плавки электрокорунда добавляют определяемые расчетом количества углеродистых ма­териалов и железной или чугунной стружки.

Сначала в процессе плавки происходит обезвоживание боксита, потом его расплавление; температура плавления боксита в зави­симости от его качества находится в пределах 1500—1750° С; затем восстанавливаются примеси, образующие ферросплав, и выделяется глинозем. Чем полнее осуществляются в расплаве реакции восстановления, тем меньше в электрокорунде остается примесей Только примеси окиси кальция и магния почти целиком переходят в расплав электрокорунда, ухудшая качество электро­корунда и вызывая брак при изготовлении из этого электрокорунда абразивных инструментов.

Кальций, обладающий значительно более высоким сродством к кислороду, чем алюминий, не восстанавливается в процессе плавки, вследствие чего окись кальция переходит почти целиком в электрокорунд, связывая при этом некоторую часть глинозема в минералы, обладающие резко пониженной абразивной способ­ностью (гексалюминат кальция и анортит). Так как для выплавки 1 т электрокорунда требуется почти 2 т сырого боксита, содержа­ние примесей окиси кальция в электрокорунде также почти удваи­вается. Кристаллизация и количество корунда зависят от времени плавки и охлаждения, а также от содержания глинозема и приме­сей в электрокорунде.

По данным Н. Е. Филоненко, уменьшение содержания глино­зема в электрокорунде с 95 до 93% снижает размеры кристаллов с 1,2 до 0,7 мм, т. е. по 0,25 мм на каждый процент, а дальнейшее уменьшение содержания глинозема до 91% вызывает уменьшение размеров кристаллов до 0,4 мм. На кристаллизацию зерен большое влияние оказывают также время охлаждения и объем массы рас­плава.

При плавке электрокорунда с добавкой окиси титана расплав получается более жидкий и кристаллизация идет лучше, вследствие чего электрокорунд с добавками окислов титана имеет более круп- 12

нокристаллическое строение. Чем крупнее кристаллы, тем лучше качество электрокорунда, так как частицы и сростки кристаллов имеют меньшую механическую прочность. Спайность у кристаллов электрокорунда отсутствует.

Чем больше в электрокорунде примесей кремнезема и карбидов титана и чем меньше содержание глинозема, тем выше его вязкость.

Абразивная способность электрокорунда в большой мере за­висит от содержания в нем «А1₂0₃, часто неправильно называе­мого в производстве «физическим корундом» и представляющего собой кристаллическую форму глинозема.

Минеральный состав электрокорунда неравнозначен его хими­ческому составу. Чем больше в электрокорунде примесей, тем ниже в нем содержание глинозема. Особенно большое влияние на сни­жение содержания а-глинозема оказывает окись кальция, почти целиком переходящая в процессе плавки из боксита в электро­корунд. Соотношения А1₂О_я и а — А1₂0₃, получающиеся при плавке боксита, содержащего удвоенное (против указанных ниже) количество окиси кальция, в процентах приведены в табл. 1.

В электрокорунд, помимо корунда, входит ряд других мине­ралов (гексаалюминат кальция, анартит и др.), снижающих абра­зивную способность электро корунда.

Количество примесей особенно увеличивается в крайних частях блока (см. рис. 2). Для уменьшения их содержания в зерне элек­трокорунда блок после разбивки сортируют и наиболее бедные корундом куски возвращают в плавку. Образующийся в процессе плавки ферросплав оседает в нижней и других частях блока. Этот ферросплав удаляют из электрокорунда в процессе его дробления и магнитной сепарации.

Чем ниже кремниевый модуль боксита, тем больше ферросплава образуется в электрокорунде. Поэтому применение бокситов с низким кремниевым модулем снижает количество электроко­рунда, получаемого при плавке, и увеличивает удельный расход электроэнергии.

Белый электрокорунд. Сырьем для производства белого элек­трокорунда является глинозем. Белый электрокорунд так же, как и электрокорунд, плавится в дуговых электрических печах на

блок или на «слив» в зависимости от мощности печи. В последнем случае печь можно наклонять под определенным углом и таким образом сливать белый электрокорунд в специальные изложницы. Процесс плавки белого электрокорунда заключается в переплавке глинозема и переводе всех его модификаций в а-модификацию с последующей ее кристаллизацией.

Глинозем должен содержать максимум окиси алюминия, и чем меньше в глиноземе примесей, в особенности окиси натрия, тем лучше качество электрокорунда, получаемого из него. Чем больше в глиноземе примесей окиси натрия (допускается как максимум 0,3%), тем больше в процессе плавки образуется высокоглинозе­мистого алюмината натрия (Р-глинозема), обладающего абразив­ной способностью, в 2 раза меньшей, и снижающего прочность зерен белого электрокорунда.

Повышенное содержание кремнезема в белом электрокорунде также снижает его механическую прочность, что, в свою очередь, уменьшает стойкость абразивного инструмента. В результате плавки белый электрокорунд по своему химическому' и физиче­скому составам получается более однородным, чем нормальный электрокорунд.

Вследствие меньшего количества примесей, содержащихся в белом электрокорунде, хрупкость его выше нормального электро­корунда. Поэтому белый электрокорунд применяют в инструмен­тах для чистового шлифования.

Белый электрокорунд, выплавленный с добавками титана, имеет более высокую (на 15—20%) прочность и потому применяется в производстве абразивных инстру'ментов для резьбо- и зубошли- фования. Добавка хрома в расплав белого электрокорунда при­дает ему большую вязкость и позволяет использовать такой элек­трокорунд при производстве абразивных инструментов для предва­рительного шлифования.

Монокорунд. Сырьем для плавки монокору'нда так же, как и для электрокорунда, являются бокситы и углеродистые мате­риалы. Кроме того, при плавке монокорунда в шихту добавляется пирит (сернистое железо). Боксит, идущий в шихту для производ­ства монокорунда, может содержать до 2% СаО без снижения каче­ства монокорунда, что является преимуществом процесса произ­водства этого вида электрокорунда, позволяющим использовать кальциевые бокситы.

При плавке монокорунда из бокситов, содержащих более 2% СаО, качество монокорунда ухудшается и износ абразивных инструментов, изготовленных из него, увеличивается в 2 раза. Плавка монокорунда, технология которой разработана во ВНИИАШе |М. В. КаменцеЕым], ведется в открытых дуговых элек­трических печах путем наплавления блока или с выпуском рас­плава через летку в изложницы. В результате плавки продолжи- 14

тельностью 40 ч наплавляется блок оксисульфидного шлака, со­стоящий из зерен корунда, сцементированных сульфидами алюми­ния, кальция, железа и частично титана. При последующей обра­ботке кусков блока горячей водой зерна монокорунда освобо­ждаются из сульфидов алюминия и кальция без дробления (шлак разлагается под действием горячен воды) и затем подвергаются обогащению и классификации.

Зерна монокорунда № 40—25 и мельче представляют собой главным образом отдельные кристаллы. Более крупные зерна монокорунда являются агрегатами и сростками нескольких кри­сталлов и потому перед классификацией и передачей в производ­ство абразивных инструментов их подвергают дроблению. Моно­корунд содержит меньше примесей, чем электрокорунд. Зерна мо­нокорунда имеют больше режущих граней, чем зерна электро­корунда; они более прочные, вследствие чего их абразивная спо­собность выше. Монокорунд применяют для обработки деталей из нержавеющих сталей, мягкой бронзы, керамики, пластмасс, особенно при внутреннем шлифовании.