本发明涉及一种冶炼方法，尤其是涉及一种铝矾土冶炼方法。
背景技术：
铝矾土又称为矾土或铝土矿，主要成分为氧化铝，密度为3.9-4.0g/cm3，硬度为1-3，主要用于炼铝、制耐火材料等。铝矾土的组成十分复杂，是多种地质来源极不相同的含水氧化铝矿石的总称，如一水软铝石、一水硬铝石、三水铝石(al2o3·3h2o)等，有的是水铝石和高岭石(2sio2·al2o3·2h2o)相伴构成，有的以高岭石为主。我国高铝矾土储量极为丰富，产地从黄河以北的山西、河北和山东，穿过中部的河南和广西直到西南的贵州和云南。目前，出产高铝矾土熟料的主要产地在山西、河南和贵州。棕刚玉是用高铝矾土熟料、碳素材料和铁屑三种原料混匀加入电弧炉中经过高温熔化和杂质还原后冷却而结晶成的棕褐色熔块，冶炼过程是利用铝对氧的亲和力比铁、硅、钛等的基本原理，通过还原方式使铝矾土中的主要杂质还原，被还原的杂质生成硅铁合金并与刚玉熔液分离，从而得到棕刚玉产品。然而，现有方法制备的棕刚玉产品的磨削效果较差，且使用寿命短，产品质量仍有待进一步提高。有鉴于此，特提出本发明。技术实现要素：本发明提供一种铝矾土冶炼方法，该冶炼方法能够制得高质量的棕刚玉产品，棕刚玉产品的磨削效果好，使用寿命长，应用范围广泛。本发明提供的铝矾土冶炼方法，包括如下步骤：a)将铝矾土、无烟煤和铁屑混合，制得混合料；b)对所述混合料进行冶炼、冷却、粉碎，制得粉料；c)对所述粉料进行球磨、酸洗和热处理，制得棕刚玉产品。本发明的冶炼方法，以无烟煤作为还原剂，以铁屑作为沉降剂，通过无烟煤中的碳将铝矾土中的氧化硅、氧化铁、氧化钛等杂质还原成金属，通过铁屑稀释铁合金的浓度，使炉内化学反应加快，不仅有利于sio2及tio2等杂质的还原，此外还增加了铁合金的比重，使其容易沉于炉底与刚玉熔液分离，进而提高了铁合金的感磁性能，有利于磁选作业；特别是，通过对冶炼后的粉料进行球磨、酸洗和热处理，大大提升了棕刚玉产品的质量。在棕刚玉冶炼过程中，原料的质量控制至关重要，原料的质量不仅影响棕刚玉生产的制造成本，此外还在一定程度上决定了产品的质量、使用性能及应用范围。在本发明中，各原料的质量控制如下：铝矾土的组成为：a12o3≥85％，tio22.5-5.5％，fe2o33-6％，cao≤0.5％，sio2≤6％，铝硅比a/s≥15；无烟煤的组成为：固定炭≥80％，灰分≤12％，挥发分≤7％，cao≤0.5％，s≤2.0％；铁屑的组成为：fe≥88％，si≤3％，有色金属≤0.1％，不吸物≤1.8％。如无特殊说明，本发明中的含量％均指质量含量％。上述质量范围的原料有利于保障棕刚玉产品的质量；其中，原料中sio2、cao的含量过高会影响制造成本、降低有价元素的含量、使刚玉的韧性和显微硬度指标大幅度下降，从而严格影响产品的质量和使用性能。在本发明中，所述混合料中铝矾土、无烟煤和铁屑之间的质量配比可以为1000：(80-120)：(160-230)；上述配比范围经济合理，既降低了冶炼难度，更重要的是使冶炼过程中棕刚玉的质量得到了有效控制。优选地，步骤a)包括：将铝矾土、无烟煤和铁屑按照质量配比1000：(105-120)：(160-190)混合，其中控制铝矾土的粒度≤30mm，制得第一混合料；将铝矾土、无烟煤和铁屑按照质量配比1000：(95-105)：(190-210)混合并加工成球状或块状，制得第二混合料；将铝矾土粉料、无烟煤和铁屑按照质量配比1000：(80-95)：(210-230)混合，制得第三混合料；其中，第一混合料、第二混合料、第三混合料中铁屑的含量依次增加，第一混合料、第二混合料、第三混合料中无烟煤的含量依次降低。按照上述方式进行分期配料，不仅可以获得更佳的技术经济效果，此外能够提高棕刚玉产品的质量和磨削性能。进一步地，在冶炼前期加入所述第一混合料，并且第一混合料加入量为总加料量的60-70％；在冶炼中期加入所述第二混合料，并且第二混合料加入量为总加料量的20-30％；在冶炼后期加入所述第三混合料，并且第三混合料加入量为总加料量的5-15％。上述方式在冶炼前期采用粗细料结合的方式入炉，有利于减少炉内温度损失；冶炼中期采用透气性好的球状或块状物料，有利于使sio2蒸汽能够顺利地从炉内逸出，从而保证炉况的稳定、节约铁屑用量、提高冶炼速率；冶炼后期采用铝矾土粉料，能够保证炉料的快速熔化，既减少了热损失、提高了冶炼速率，此外保证了产品的质量和产量。特别是，分别控制冶炼前、中、后期的加料量，前期加料量控制为60-70％，有利于确保炉温不散失；中期加料量控制为20-30％，有利于保证炉料具有良好的透气效果，既有利于使冶炼中后期得到良好的控制，同时能得到较佳的产品质量和良好的技术经济指标；后期加料量控制为5-15％，有利于保证产品的质量并提高产量。在本发明中，可以控制冶炼前期的功率为2000-2500kva，控制冶炼中期的功率为3000-3500kva，控制冶炼后期的功率为4000-5000kva。上述冶炼参数的控制既能够保证生产的安全性及经济性，此外有利于提高产品的质量和产量。在本发明中，球磨用于改善产品的颗粒形状，进而改善其使用性能。优选地，所述球磨采用第一钢球、第二钢球和第三钢球(即，第一钢球、第二钢球和第三钢球构成球磨的磨料)进行，其中第一钢球的直径为20-50mm，含量为50-60％；第二钢球的直径为60-80mm，含量为30-40％；第三钢球的直径为10-20mm，含量为10-20％；其中，所述含量指的是各钢球在球磨磨料中的质量占比。上述球磨工艺的效率高，颗粒形状好，对产品使用性能的提升效果显著。在本发明中，酸洗用于进一步去除棕刚玉中的杂质，进而保证产品的使用性能。优选地，所述酸洗采用浓度为20-40％的无机酸进行，酸洗时间为10-30min；进一步地，可以在加热和超声波条件下进行所述酸洗，其中加热温度为60-80℃，超声波频率为20-40khz。在上述条件下进行酸洗，能够最大程度地去除棕刚玉中的微小杂质，产品的使用性能更佳，具有更好的磨削效果和更长的使用寿命。在本发明中，热处理用于进一步提高产品质量；优选地，所述热处理分段进行，其中第一段热处理的温度为900-1000℃，时间为1-2h；第二段热处理的温度为1100-1300℃，时间为2-4h。在上述条件下进行热处理，产品的强度更高，磨削效果更好，使用寿命更长。在本发明中，制备的棕刚玉产品的组成为：a12o3≥95％，sio2≤1.0％，tio2≤3.0％，fe2o3≤0.3％，cao≤0.5％，sio2≤1.0％。上述组成的棕刚玉产品具有良好的使用性能；其中，少量的sio2(≤1.0％)可以作为玻璃质基体材料与a12o3生成互溶相，以莫来石状态均匀分散在α-a12o3晶界处，有利于提高磨料的自锐性；然而，过多的sio2会进入刚玉基体中使刚玉产品的韧性和显微硬度大幅度下降，从而严重影响棕刚玉产品的使用性能；过量的cao会使刚玉的显微硬度下降，并严重影响刚玉材料的热学性能；fe2o3在冶炼棕刚玉中作为有价元素计入；tio2是棕刚玉着色的主要成分，同时还能促进刚玉的微晶化和增加刚玉的韧性。本发明的铝矾土冶炼方法，通过对原料的质量以及冶炼工艺过程进行严格控制，既保证了生产的安全性和经济性，同时大大提升了棕刚玉产品的质量，棕刚玉产品的强度高，磨削效果好，使用寿命长，应用范围广泛。具体实施方式下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。各实施例的原料质量要求见表1-表3。表1铝矾土的化学成分化学成分a12o3tio2fe2o3caosio2a/s合量(％)≥852.5-5.53-6≤0.5≤6≥15表2无烟煤的化学成分化学成分固定炭灰分挥发分caos合量(％)≥80≤12≤7≤0.5≤2.0表3铁屑的化学成分化学成分fesi有色金属不吸物合量(％)≥88≤3≤0.1≤1.8实施例11、备料将粒度≤30mm的铝矾土与无烟煤和铁屑按照质量配比1000：110：170混合，制得第一混合料；将铝矾土、无烟煤和铁屑按照质量配比1000：100：200混合并按常规方式加工成块状，制得第二混合料；将铝矾土粉料、无烟煤和铁屑按照质量配比1000：85：225混合，制得第三混合料。2、冶炼在冶炼前期按照总加料量的65％加入上述第一混合料，控制冶炼前期的功率为2500kva左右；在冶炼中期按照总加料量的20％加入上述第二混合料，控制冶炼中期的功率为3500kva左右；在冶炼后期按照总加料量的15％加入上述第三混合料，控制冶炼后期的功率为4500kva左右。冶炼结束后，按照常规方式进行冷却、粉碎，制得粉料。3、后处理首先，对上述制备的粉料进行球磨，球磨的磨料由第一钢球、第二钢球和第三钢球组成，其中第一钢球的直径为30mm左右，含量占比(即该钢球在球磨磨料中的质量含量)为50％；第二钢球的直径为60mm左右，含量占比为40％；第三钢球的直径为10mm左右，含量占比为10％。接着，在加热和超声波条件下，采用浓度为30wt％左右的硫酸溶液对上述球磨后的粉料进行酸洗，其中控制加热温度为70℃左右，超声波频率为30khz左右，酸洗时间为20min左右，酸洗后常规水洗。最后，对经上述酸洗的粉料进行分段热处理，其中第一段热处理的温度为950℃左右，时间为1.5h；第二段热处理的温度为1200℃左右，时间为3h，即制得棕刚玉产品。4、组成对上述棕刚玉产品的组成进行检测，其满足下述质量要求：棕刚玉产品：a12o3≥95％，sio2≤1.0％，tio2≤3.0％，fe2o3≤0.3％，cao≤0.5％，sio2≤1.0％。实施例21、备料将粒度≤30mm的铝矾土与无烟煤和铁屑按照质量配比1000：105：185混合，制得第一混合料；将铝矾土、无烟煤和铁屑按照质量配比1000：95：190混合并按常规方式加工成块状，制得第二混合料；将铝矾土粉料、无烟煤和铁屑按照质量配比1000：80：210混合，制得第三混合料。2、冶炼在冶炼前期按照总加料量的60％加入上述第一混合料，控制冶炼前期的功率为2000kva左右；在冶炼中期按照总加料量的30％加入上述第二混合料，控制冶炼中期的功率为3000kva左右；在冶炼后期按照总加料量的10％加入上述第三混合料，控制冶炼后期的功率为4000kva左右。冶炼结束后，按照常规方式进行冷却、粉碎，制得粉料。3、后处理首先，对上述制备的粉料进行球磨，球磨的磨料由第一钢球、第二钢球和第三钢球组成，其中第一钢球的直径为50mm左右，含量占比为55％；第二钢球的直径为80mm左右，含量占比为30％；第三钢球的直径为20mm左右，含量占比为15％。接着，在加热和超声波条件下，采用浓度为40wt％左右的硫酸溶液对上述球磨后的粉料进行酸洗，其中控制加热温度为60℃左右，超声波频率为40khz左右，酸洗时间为10min左右，酸洗后常规水洗。最后，对经上述酸洗的粉料进行分段热处理，其中第一段热处理的温度为1000℃左右，时间为1h；第二段热处理的温度为1300℃左右，时间为2h，即制得棕刚玉产品；经检测，制得的棕刚玉产品满足实施例1的质量要求。实施例31、备料将粒度≤30mm的铝矾土与无烟煤和铁屑按照质量配比1000：120：160混合，制得第一混合料；将铝矾土、无烟煤和铁屑按照质量配比1000：105：220混合并按常规方式加工成块状，制得第二混合料；将铝矾土粉料、无烟煤和铁屑按照质量配比1000：95：230混合，制得第三混合料。2、冶炼在冶炼前期按照总加料量的70％加入上述第一混合料，控制冶炼前期的功率为2250kva左右；在冶炼中期按照总加料量的25％加入上述第二混合料，控制冶炼中期的功率为3500kva左右；在冶炼后期按照总加料量的5％加入上述第三混合料，控制冶炼后期的功率为5000kva左右。冶炼结束后，按照常规方式进行冷却、粉碎，制得粉料。3、后处理首先，对上述制备的粉料进行球磨，球磨的磨料由第一钢球、第二钢球和第三钢球组成，其中第一钢球的直径为20mm左右，含量占比为60％；第二钢球的直径为70mm左右，含量占比为30％；第三钢球的直径为10mm左右，含量占比为10％。接着，在加热和超声波条件下，采用浓度为20wt％左右的硫酸溶液对上述球磨后的粉料进行酸洗，其中控制加热温度为80℃左右，超声波频率为20khz左右，酸洗时间为30min左右，酸洗后常规水洗。最后，对经上述酸洗的粉料进行分段热处理，其中第一段热处理的温度为900℃左右，时间为2h；第二段热处理的温度为1100℃左右，时间为4h，即制得棕刚玉产品；经检测，制得的棕刚玉产品满足实施例1的质量要求。对照例1除采用一次配料之外，其余与实施例1基本相同；具体方法如下：将铝矾土、无烟煤和铁屑按照质量配比1000：100：200混合，制得混合料。在冶炼前、中、后期分别按照总加料量的65％、20％、15％加入上述混合料，其它冶炼条件及后处理与实施例1相同，制得棕刚玉产品。对照例2除球磨条件不同之外，其余与实施例1基本相同；球磨条件如下：对按实施例1方法制备的粉料进行球磨，球磨的磨料由第一钢球和第三钢球组成，其中第一钢球的直径为30mm左右，含量占比为60％；第三钢球的直径为10mm左右，含量占比为40％。对照例3除酸洗条件不同之外，其余与实施例1基本相同；酸洗条件如下：在常温下采用浓度为98wt％左右的硫酸溶液对球磨后的粉料进行酸洗，酸洗时间为20min左右，酸洗后常规水洗。对照例4除热处理条件不同之外，其余与实施例1基本相同；热处理条件如下：对经酸洗的粉料进行热处理，其中控制热处理的温度为1200℃左右，时间为4.5h，即制得棕刚玉产品。对照例5除不进行后处理之外，其余与实施例1基本相同。试验例一、抗压强度测定以一定质量的实施例1-3和对照例1-4的镀衣磨料放入直径20mm的钢模中，在250mpa的条件下受压，计算未被压碎的颗粒百分数，按如下公式计算镀衣磨料的抗压强度：抗压强度＝压后未碎的磨料质量/压前的磨料质量×100％抗压强度测定结果见表1。二、亲水性测定按行业标准jb/t7984.4-2001进行亲水性测定，结果见表1。二、磨削性能实验将实施例1-3和对照例1-4的镀衣磨料分别制成d165磨片，在砂布砂纸磨削性能测试仪上按行业标准jb/t10155-1999进行检测，结果见表1。表1镀衣磨料性能检测结果上述结果表明：本发明的铝矾土冶炼方法，将原料的质量以及冶炼工艺过程严格控制在上述范围，能够显著提高产品的磨削效果和使用寿命，棕刚玉产品的质量好，有利于其广泛应用。最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。当前第1页12