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黑刚玉及其发展应用

磨料磨具研习社2020-07-06 08:49:14

黑刚玉及发展应用

侯永改  邹文俊

河南工业大学材料科学与工程学院

摘要 黑刚玉是利用矿物边角料或尾矿制备而成的,制备过程节能减耗,磨削性能优良。本文首先介绍了黑刚玉的理化性能及化学成分,并详细介绍了黑刚玉的磨削应用范围及发展过程。

关键词 黑刚玉 理化性能 应用范围

一、黑刚玉简介

黑刚玉是以高铁铝矾土或者高铝矾土加高铝铁矿,在电弧炉里经过高温熔融冶炼然后冷却,从而制得的一种以α- Al2O3 和铁尖晶石为主矿相的灰黑色结晶体,其特点是Al2O3 含量适中。黑刚玉生产能耗约为棕刚玉的二分之一,冶炼过程中不需要还原气氛,极少有CO2排放,是一种节能环保的耐磨材料。因而具有硬度适中、韧性自锐性好、使用中产生的磨削热低,不易烧伤工件表面等特点

黑刚玉磨料的基本粒集中磨料中Al2O3 含量较低,并有一定量的Fe2O310%左右)SiO2存在,因而磨料的硬适中、韧性高耐高温、热态性能用于磨削加工时切削能力强耐磨性好,黑刚玉具有很好的自锐性,磨削时发热量少,所以加工效率高加工工件的表面质量好。

二、黑刚玉的制备

黑刚玉是以高铁铝矾土或者高铝矾土加高铝铁矿为主要原料,在电弧炉里经过高温熔融冶炼然后冷却,从而制得的一种以α- Al2O3 和铁尖晶石为主矿相的灰黑色结晶体,其特点是Al2O3 含量适中。

因为黑刚玉使用的是棕刚玉生产的所用的原料铝矾土的下脚料,炼钢厂、炼铁厂保温材料的回收料,也使用氧化铁含量较高的铝矾土,炼铁行业原料铁矿石的下脚料,原料属于废物再利用,属于循环经济,可持续发展。因为黑刚玉生产的能耗只有棕刚玉能耗的二分之一左右,能耗低,冶炼过程中不需要还原气氛,极少有CO2排放,所以黑刚玉是一种节能环保的耐磨材料。

资料显示中国有的铝矾土矿储量中,Al2O360%70%的一级矿石,Al/Si≥12只占1.5%;含Al2O351%71%的二级矿石,Al/Si≥917%;含Al2O362%69%三级矿石,Al/Si≥711.3%;含Al2O3>62%的四级矿石,Al/Si≥527.9%;含Al2O3>58%的五级矿石,Al/Si≥418%;含Al2O3>54%的六级矿石,Al/Si≥38.3%;含Al2O3>48%的七级矿石,Al/Si≥61.5%其余为品级不明的矿石。铝矾土的主要化学成分为Al2O3SiO2H2OFe2O3TiO2,这五种成分占总成分的95%以上,除此以外还有少量的K2ONa2OMgOCaOS、碳质、有机质等,以及微量的CrNi、及稀土元素化合物等。中国铝矾土矿的质量普遍较差,加工困难、耗能大的一水硬铝石型矿石占全国总储量的98%以上。鉴于此我国每年大量进口铝矾土尤其2015年以来进口量国内当年产量相当

目前用于冶炼研磨材料棕刚玉的铝矾土矿,要求Al2O3含量高、铁和钛含量低,一般要求Al2O370%Fe2O35%TiO24.5%CaO+MgO1.0%Al2O3/SiO212。同时棕刚玉磨料的冶炼温度近2300℃,耗能量很大。

由于国内矿产资源日益匮乏、面临的能源危机等问题,开发低品级铝矾土矿的绿色、环保、节能、高效的创新领域应用,合理综合利用,是目前我国铝矾土矿及相关产业所面临的重要问题。

三、 黑刚玉理化指标及化学成分

黑刚玉的理化性能指标如表1所示。

 

颜色

黑色

晶形

三方晶系

硬度(莫氏)

8.0-9.0

硬度(维氏)(kg/ mm2

2000-2200

熔点(

2050

最高使用温度(

1850

真密度(g/cm3

≥3.50


1 黑刚玉的理化性能指标

粒度组成:常见规格为国标F4-F1200,P12-P2500,亦可根据需要生产其它规格。

化学成份 根据其等级不同,化学成分不同,如表所示

 

级别

主要化学成分  %

Al2O3

Fe2O3

SiO2

TiO2

普通

62

6-12

25

2-4

精品

80

4-8

10

2-4

2 黑刚玉的化学成分

 

四、黑钢玉主要用途

现阶段黑刚玉主要用于以下几个方面:

1. 铺设耐磨防滑路面

黑刚玉主要是以 α- Al2O3 和铁尖晶石为主矿相的灰黑色结晶体,其特点是Al2O3 含量较低,并有一定量的Fe2O310%左右),因而具有硬底适中、韧性高、耐高温、热态性能温定的特点。郑州烨达公司生产的黑刚玉磨料基本粒集中,切削力强,韧性大,刚柔相济,耐磨性好。使用3-5mm1-3mm1-2mm0.4-1mm段砂,铺设耐磨防滑路面、桥面、停车场的的急弯陡坡处,用作塑胶类地板的耐磨骨料,具有很好的耐磨防滑性能,与原先使用高档骨料铺设相比具有极高的性价比优势。现在欧洲国家、香港地区、国内经济发达地区等,黑刚玉都有经常性的使用。

2. 研磨抛光材料

上世纪70年代,随着对黑刚玉磨料性能逐步了解,大家尝试着黑刚玉在抛光研磨其它更多领域的应用,比如抛光不锈钢、普通钢、竹木、玻璃等工件, 金属零件电镀前底面抛光, 铜铝制品和不锈钢抛光的理想磨料, 于自行车缝纫机电风扇、钟表零件和五金工具的抛光, 也适于制造砂布砂纸等。黑刚玉抛磨不锈钢具有独特的优势,使用棕刚玉、白刚玉等磨料抛光不锈钢,抛后不锈钢表面色泽不一致,有的地方会出现发乌发暗变色,而用黑刚玉抛后表面色泽均匀,透出不锈钢本质的均匀范青色,外观效果极佳。上世纪70年代末,国内开始生产黑刚玉产品。

不锈钢具有较高的耐磨性、独特的强度、优越的防腐性能及不易生锈等优良特性而得到广泛应用。尤其是在精密零部件食品机械机电行业家用电器行业及家庭装潢,精饰行业得到广泛的普及与推广。不锈钢的运用发展前景会越来越好,但不锈钢的运用与发展很大程度上决定于它的表面处理技术发展水平过去处理方法中存在的问题是划痕难除去酸洗钝化处理,对面积较大的工件,很难达到均匀一致处理效果人为因素造成的划伤比较严重等,且酸洗处理对环境污染严重。用黑刚玉磨料磨具进行表面抛光加工压力小,避免钢板表面留下很细的纹路,抛光工件一致性好工件不会产生烧伤且加工效率高

在不锈钢抛光方面,F14-F1000黑刚玉产品常用于各种工件的研磨抛光,特别是不锈钢工件的研磨抛光。F14-F80常用于喷砂,对工件表面进行除锈除杂清理;常将黑刚玉F80-F320粒度砂粘接在布轮上对工件进行研磨抛光,或者制成纤维抛光轮进行抛光;F320-F1000常用于制作抛光蜡、树脂磨块等磨具对工件进行精细抛光。

3. 制作树脂磨具

近十年来,F14-F80黑刚玉粒度砂与棕刚玉复合,用于制作树脂砂轮、树脂切割片、树脂磨片、超薄片等树脂磨具,现已成为黑刚玉产品的主要应用领域。多家国际、国内知名树脂磨具公司都在使用30%-50%的黑刚玉与棕刚玉复合,制作树脂磨具,这种复合磨料制作的树脂磨具传统的的树脂磨具相比锋利性明显提高,切口或者磨口光洁度更高,色变更小。由于黑刚玉的成本低,使用复合磨料制作的树脂磨具具有很高的性价比。

4. 制作涂附磨具

近年来,国际著名磨料磨具集团有些工厂一直用黑刚玉磨料制作涂附磨具。郑州烨达公司技术研发中心也在黑刚玉用于涂附磨具领域进行了探索研究。经过几万次的试验,探索出了黑刚玉与棕刚玉复合磨料制作的砂带磨削能力优于其他材料,现在国内处于逐步使用阶段。

郑州烨达公司的黑刚玉产品在树脂磨具、涂附磨具领域的应用是替代部分其他磨料,黑刚玉部分替代其他磨料制成磨具在某些材质的工件上使用性能更优良,某些材质上使用性能跟其它高成本的磨料相当,但都会降低磨具的生产成本,大幅提高性价比,具有良好的发展前景

5. 其他应用

黑刚玉的性能特质,成本优势,使得黑刚玉的应用领域不断扩大。如细粒度黑刚玉用于耐磨防火涂料的添加剂;牛仔服喷砂做旧;制鞋业用于鞋底后跟外侧添加的耐磨防滑材料;制作不定形耐火材料,用于中低温部位的防火隔热;随着更多人对黑刚玉性能的进一步理解,绿色环保,循环再生利用,成本低廉的黑刚玉产品应用领域一定会不断的拓展。

五、黑刚玉的发展

日本是核电发展比较早的国家,核电站蒸汽轮机工作一定时间后,水蒸气中的杂质会在汽轮机复杂的曲面叶片上结垢,杂质会很牢固的粘附在汽轮机叶片上面。随着粘附杂质的逐渐增多,会明显降低汽轮机的出力。所以,汽轮机运行半年至一年,就需要将汽轮机停下来清除叶片上面的结垢。用硬度高的材料,以喷砂的方式除垢,极大提高了效率,但是由于材料硬度太高,常会对叶片造成损伤。为了解决这个问题,上世纪50年代,日本一家公司制作了主要成分为三氧化二铝,含有三氧化二铁、二氧化硅、二氧化钛的柔性耐磨材料(黑刚玉),这种材料软硬适中,韧性好。用于汽轮机叶片喷砂除垢具有效率很高,除垢彻底,又不损伤汽轮机叶片的优异性能。该产品的出现,完美解决了汽轮机叶片除垢的难题。到上世纪70年代,随着军工企业解禁,这种材料进入了民用领域。

上世纪70年代,上海磨料磨具厂开始试验生产黑刚玉产品,80年代初浙江省一家磨料磨具开发公司也开始生产黑刚玉产品,同时,中机六院在海南文昌也建了试验厂,经过多年实践,取得了很大进展。

2005年,郑州烨达公司与日本黑刚玉生产厂家合作并引进技术,由固定炉改为倾倒炉,生产出具有特殊结晶构造,自生发刃,研削力强,耐久性好的黑刚玉产品。

经过十多年的进一步摸索,用炼钢炼铁高炉淘汰的固体废弃物铝矿和铁矿的废弃物做原料,采用专利技术改进设备工艺,生产出了与传统工艺相比内在结晶更加优异的柔性黑刚玉产品。生产能耗仅为棕刚玉的二分之一,成本较低,绿色环保,碳排放少。随着对黑刚玉性能更深入的了解,必将会不断拓宽新的应用领域。

六、黑刚玉产品的市场需量展望

随着人们对黑刚玉产品优良性能的深入了解,这种以边角料、下脚料为主要原料,低能耗,低碳排放生产出的绿色环保,可循环经济型耐磨材料,应该具有有良好的发展空间。下面依据收集到的现有数据对黑刚玉产品市场需量做一下展望。

1. 黑刚玉在抛光及耐磨路面方面

     国内最大的黑刚玉生产基地郑州烨达公司,市场占有率已达70%以上,2016用于抛光及耐磨防滑路面方面的黑刚玉销量为0.62万吨,从2017年上半年的销售情况看,与去年同期相比,抛光及耐磨防滑路面方面综合有22%左右的增长率。依此推算,到2020年,黑刚玉用于抛光及耐磨防滑路面方面的市场需量应为1.4万吨左右。

2. 树脂磨具领域黑刚玉用量分析

 2011-2016年的树脂磨具总产量引用中国机床工业协会磨料磨具分会每年对树脂磨具总产量的测算值,2017-2020年的树脂磨具总产量根据近三年增长率的平均值3.03%计算得出;磨料用量依据树脂磨具中,磨料重量占磨具重量的典型值80%计算;黑刚玉测算用量是按40%树脂磨具产品可以使用部分黑刚玉磨料替代其他磨料用黑刚玉磨料替代其它磨料的比例按照现有成熟技术常用量30%-50%的下限30%计算,可得到树脂磨具领域到2020年黑刚玉产品的用量为5.19万吨。具体分析计算如表3.

年份

树脂模具产量

增长

磨料用量

黑刚玉测算用量


万吨

%

万吨


2011

40.00


32.00

3.84

2012

43.00

7.50

34.40

4.13

2013

44.00

2.33

35.20

4.22

2014

50.00

13.64

40.00

4.80

2015

46.00

-8.00

36.80

4.42

2016

48.00

4.35

38.40

4.61

2017

49.45

3.03

39.56

4.75

2018

50.95

3.03

40.76

4.89

2019

52.50

3.03

42.00

5.04

2020

54.09

3.03

43.27

5.19

3  树脂磨具领域黑刚玉用量分析

 

3. 涂附磨具领域黑刚玉用量分析

2011-2016规模以上涂附磨具产量数据引用涂附磨具协会每年对规模以上企业的产量统计,2017年及以后的数据根据近三年的平均增长率2.50%计算;推算总产量系根据涂附磨具协会测算出规模以上企业的产量占总产量的80%计算;磨料用量系根据每平米涂附磨具一般使用0.4kg磨料的典型值计算黑刚玉测算用量系根据涂附磨具有10%的磨料用量可以使用黑刚玉磨料。据此可得到涂附磨具领域到2020年黑刚玉磨料的用量为2.8万吨。具体分析计算如表4.

 

年份

规模以上产量

折算总产量

增长

磨料用量

黑刚玉测算用量


亿m2

亿m2

%

万吨

万吨

2010

4.06

5.08


20.30

2.03

2011

4.56

5.70

12.32

22.80

2.28

2012

4.60

5.75

0.88

23.00

2.30

2013

4.71

5.89

2.39

23.55

2.36

2014

4.82

6.03

2.34

24.10

2.41

2015

4.77

5.96

-1.04

23.85

2.39

2016

5.07

6.34

6.29

25.35

2.54

2017

5.20

6.50

2.50

25.98

2.60

2018

5.33

6.66

2.50

26.63

2.66

2019

5.46

6.82

2.50

27.30

2.73

2020

5.60

7.00

2.50

27.98

2.80

4   涂附磨具领域黑刚玉用量分析

 

由上述抛光及耐磨路面、树脂磨具、涂附磨具三个领域黑刚玉的保守需量分析来看,到2020年黑刚玉的需量应该在10万吨以上。


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