冶煉棕剛玉的主要原料是輕燒鋁土礦。鋁土礦的主要化學(xué)成分是Al2O3。此外，它還含有一些SiO2、Fe2O3和Ti02，以及微量Cao、MgO、Na20和K2O。可以看出，熔煉后棕剛玉的雜質(zhì)含量顯著降低。根據(jù)剛玉產(chǎn)品的純度要求，除A12O3外，棕剛玉中的所有化合物均應(yīng)視為雜質(zhì)成分。棕剛玉的冶煉實(shí)質(zhì)是以碳為還原劑，還原熟鋁土礦中的雜質(zhì)。主要還原雜質(zhì)包括SiO2、Fe203和TiO2；SiO2是影響冶煉過(guò)程和產(chǎn)品純度的主要雜質(zhì)；還原后生成的鐵元素Fe2O與硅形成硅鐵合金，以達(dá)到脫硅的目的。它是一種可用于冶煉過(guò)程的雜質(zhì)礦物；TiO2是棕剛玉著色的主要原因。加入適量的TiO2可以提高磨料的韌性；盡管其他雜質(zhì)礦物的含量很小，但它們會(huì)與A12O3形成低共熔點(diǎn)和低硬度的化合物，這將影響產(chǎn)品的耐火性和研磨性能。隨著鋁土礦品位的不斷降低，冶煉棕剛玉所用的鋁土礦雜質(zhì)含量越來(lái)越高，冶煉過(guò)程中雜質(zhì)含量的控制不容忽視，由于各種雜質(zhì)礦物在高溫熔煉過(guò)程中的反應(yīng)行為和在剛玉晶體結(jié)構(gòu)中的賦存狀態(tài)不同，有的對(duì)剛玉的熔煉過(guò)程和晶體結(jié)構(gòu)性能影響很大，有的對(duì)產(chǎn)品性能影響不大，它們會(huì)增加電力消耗，增加生產(chǎn)成本。

冶煉棕剛玉的主要目的是減少輕燒鋁土礦中的鈦、硅、鐵等雜質(zhì)氧化物，從而生成密度高、磁化強(qiáng)度好的硅鐵（Ti）合金，從而實(shí)現(xiàn)從剛玉熔體中分離，得到符合質(zhì)量要求的剛玉熔體，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)睦鋮s和結(jié)晶后，生產(chǎn)棕剛玉塊。
為了探索棕剛玉冶煉過(guò)程中雜質(zhì)礦物元素的反應(yīng)行為及其在熔塊不同部位的富集行為，對(duì)棕剛玉傾卸爐進(jìn)行了取樣分析。顯示了同部分中相同熔爐和熔塊對(duì)應(yīng)的鋁土礦熟料的化學(xué)成分。

下文介紹了熔煉過(guò)程中各種雜質(zhì)成分和添加元素的反應(yīng)及其對(duì)熔煉過(guò)程和棕剛玉產(chǎn)品性能的影響。

硅-Si0
當(dāng)Fe203還原到一定濃度時(shí)，SiO2開(kāi)始還原并與元素鐵結(jié)合，形成高比重的硅鐵合金。一些硅礦物被還原成氣態(tài)SiO和Si并揮發(fā)。少量SiO2還會(huì)與剛玉礦物相中的A12O3和Cao結(jié)合，形成硬度較低的礦物雜質(zhì)，如莫來(lái)石、鈣斜長(zhǎng)石和玻璃質(zhì)，這些礦物會(huì)降低棕剛玉的研磨能力，增加棕剛玉的脆性；同時(shí)，SiO2對(duì)棕剛玉的冶煉也有很大影響。有數(shù)據(jù)表明，當(dāng)鋁土礦中SiO2含量增加2%時(shí)，單位電耗可增加8%~16%11I。冶煉生產(chǎn)實(shí)踐表明，當(dāng)SiO2含量增加到5%以上時(shí)，會(huì)造成爐況不穩(wěn)定，易粘結(jié)電極和結(jié)塊，增加操作難度，顯著降低產(chǎn)量和質(zhì)量不穩(wěn)定。剛玉塊的單位電耗較高，各種原輔材料的消耗也會(huì)增加Al2O3。

鐵-Fe203
Fe203是一種可用于冶煉棕剛玉的雜質(zhì)礦物成分，因?yàn)樵谝睙掃^(guò)程中，輕燒鋁土礦中的Fe203被還原為鐵，然后形成硅鐵合金，從而減少了廢鐵添加劑的添加。而在冶煉過(guò)程的還原過(guò)程中，F(xiàn)e203為2。鋁土礦熔化后（一般溫度超過(guò)1850%），F(xiàn)e203首先轉(zhuǎn)化為FeO，然后FeO和SiO2以及溶液中的a12o形成鐵鋁尖晶石和鐵橄欖石。鐵鋁尖晶石在熔化時(shí)分解，而鐵橄欖石被C還原。最終的硅鐵（鈦）合金不同于剛玉熔體，剛玉和雜質(zhì)因熔體密度不同而分離；但仍有極少量的Fe203與氧化鋁形成鐵鋁尖晶石，對(duì)棕剛玉的質(zhì)量有一定影響。如果鋁土礦中Fe2O含量過(guò)高，不僅會(huì)影響棕剛玉的質(zhì)量，而且會(huì)大大增加能耗。

鈦-Ti
對(duì)于雜質(zhì)鈦，當(dāng)剛玉熔體冷卻結(jié)晶時(shí)，剛玉熔體中以及剛玉礦物相中存在何種鈦氧化物和鈦離子價(jià)態(tài)，這是一個(gè)值得研究的課題。目前還沒(méi)有一致的結(jié)論。
礦物學(xué)研究結(jié)果表明，鈦在鋁土礦中的賦存形態(tài)主要為銳鈦礦，高溫光燒結(jié)后部分鈦可轉(zhuǎn)化為金紅石。在熔煉過(guò)程中，經(jīng)過(guò)SiO2還原反應(yīng)后，TiO2開(kāi)始部分還原，熔融Ti中有TiO2、TiO和Ti2O，0。在不同價(jià)態(tài)的氧化物中，TiO2和Ti2O最穩(wěn)定。最后一部分被還原成元素鈦，在元素鐵的參與下，形成鐵鈦合金或鐵硅鈦合金。在熔融狀態(tài)下，氧化鈦主要是三價(jià)氧化鈦Ti2O，因?yàn)樽貏傆竦娜蹮捠窃诤歼€原氣氛中進(jìn)行的。在熔融狀態(tài)下，除了還原成金屬鈦之外，沒(méi)有還原或部分還原的最穩(wěn)定氧化物是Ti2O，。在剛玉熔體的冷卻過(guò)程中，熔體冷卻晶體與空氣接觸部分的氧化鈦主要是二氧化鈦和二氧化鈦；非接觸式空氣部分熔融冷卻晶體中的氧化鈦主要是Ti2O，以玻璃態(tài)的形式固溶于剛玉晶體中或存在于剛玉晶界之間。Ti2O固溶會(huì)增加剛玉的硬度，不溶性Ti2O會(huì)增加硬度。TiO2能促進(jìn)棕剛玉晶體的微晶化，提高剛玉的韌性和沖擊強(qiáng)度。氧化鈦的類型、固溶體和結(jié)晶尺寸對(duì)棕剛玉的著色起主要作用。如果鋁土礦中含有過(guò)量的TiO2，會(huì)與a12o反應(yīng)生成鈦酸鋁，從而影響棕剛玉的質(zhì)量。

鈣鎂-Cao和MgO
高品位鋁土礦中Cao和MgO含量較少。前者在冶煉過(guò)程中很難還原，大部分仍存在于棕剛玉中。當(dāng)Cao含量達(dá)到3%時(shí)，Cao和a12o會(huì)形成六鋁酸鈣（Cao），這不僅會(huì)導(dǎo)致部分a12o不形成剛玉，還會(huì)降低棕剛玉的顯微硬度，嚴(yán)重影響棕剛玉材料的熱性能。因此，要求輕燒鋁土礦中Cao的含量；MgO是剛玉的微晶
促進(jìn)劑：生產(chǎn)微晶剛玉時(shí)，要求氧化鎂含量為0.3%～0.8%。如果含量太小，則無(wú)法達(dá)到微晶化效果。當(dāng)含量超過(guò)0.8%時(shí)，剛玉的結(jié)晶受到限制，并與al20形成鎂鋁尖晶石。因此，適當(dāng)添加MgO可以使剛玉微晶化，從而提高剛玉的強(qiáng)度和韌性。高溫還原氣氛下氧化鎂的穩(wěn)定性發(fā)生變化，氧化鎂在棕剛玉熔體中的還原性有待進(jìn)一步研究。3.1.5堿金屬Na、O和K、ona2o和K2O對(duì)棕剛玉的質(zhì)量有害。雖然其中一些在冶煉過(guò)程中會(huì)在高溫下?lián)]發(fā)，但不能還原，會(huì)形成低硬度的礦物，如鋁酸鈉、鋁酸鉀和含a12o的玻璃狀，從而影響棕剛玉的質(zhì)量。

其他附加元素
為了提高剛玉的質(zhì)量，在生產(chǎn)中經(jīng)常添加一些其他礦物元素，以提高剛玉的一些性能指標(biāo)。如果加入Cr20，Cr2O可以在熔煉過(guò)程中與a12o形成連續(xù)固溶體。用Cr3+取代剛玉晶體中的A13+，增加了剛玉晶格的晶面間距，使晶格變形，從而提高了晶體的抗沖擊性，提高了剛玉的韌性；當(dāng)加入鋯英砂時(shí)，鋯英砂中的ZrO2可以與al20相互作用形成a12o。一種ZrO2共晶，其中ZrO2從立方相轉(zhuǎn)變?yōu)閬喎€(wěn)四方相。這些共晶均勻地存在于ol-a1中。O.可以提高剛玉在晶界的韌性和強(qiáng)度。與美國(guó)、俄羅斯等國(guó)家相比，我國(guó)對(duì)棕剛玉冶煉過(guò)程中雜質(zhì)元素反應(yīng)行為的理論研究并不完善，尤其是對(duì)堿金屬等有害雜質(zhì)礦物的行為和賦存狀態(tài)的理論研究，堿土金屬和硫在棕剛玉冶煉過(guò)程中的作用，到目前為止還沒(méi)有明確的研究結(jié)論。面對(duì)我國(guó)棕剛玉工業(yè)主要原料鋁土礦資源短缺、品位不斷降低的現(xiàn)狀，我們不得不研究雜質(zhì)元素的反應(yīng)行為及其對(duì)環(huán)境的影響