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高质量的氧化铝空心球是怎么形成的?
2018-11-02

空心球的形成过程是氧化铝熔液在高压空气喷吹下,在很短的时间内(10~30s)完成的。成球过程实际上也是一个快速的冷却、收缩过程。氧化铝的熔点为2050℃,适于吹球的温度应高于熔点200~300℃,即需加热到2200~2300℃。如果熔液的温度低、黏度大,就容易吹成厚壁球或蜂窝状空心球。

吹制氧化铝空心球分3个阶段:

第1是熔化阶段,提高温度、降低熔液黏度;

第二是吹球阶段;

第三是冷却固化阶段。

氧化铝空心球形成的机理是一个氧化铝高温熔液经喷吹后的快速冷却的体积收缩变化过程。这个过程是氧化铝熔液在高压空气的喷吹作用下,被吹散成无数小液滴。这些小液滴在空中,以拋物线的路线落下。在这个运动过程中,小液滴在表面张力和离心力的作用下,首先形成一个小圆球。当小圆球受到骤冷,表面瞬时产生固化,而球体内部仍处于液体状态,在离心力作用下,同时熔液又产生很大的体积收缩,使熔液很快地、很均匀地凝固在空心球外壳上,从而完成了空心球的整个成球过程。

空心球内部缩孔(收缩),是来自氧化铝在加热过程中的体积膨胀。氧化铝虽然在加热到1800℃时只有1.6%~1.8%的线膨胀,但当氧化物加热到熔点温度时,当物质由固相转变为液相时,会产生20%~40%的体积膨胀。这种体积膨胀是与分子的化学键有关。当分子中的化学键如离子键分量越大,熔液的体积与固体的体积差越大,反之共价键分量越大,则体积差越小。氧化铝由固相转变为液相时,摩尔体积约有23.5%的膨胀。所以热胀冷缩是形成氧化铝空心球的根本原因。这与生产熔铸砖易产生缩孔的道理是一样的。

吹制氧化铝空心球时,氧化铝的熔液温度波动在2200?2300℃。髙温液体状态的氧化铝有更大的热膨胀率。高温液体的线膨胀系数一般是固体状态的3倍。

高温液体的内部含有一定的气体分压,这种分压加速高温液体的膨胀,是促进氧化铝空心球形成的重要因素。从电熔刚玉块料中可以看到有大量蜂窝状的气孔。测定颗粒状电熔刚玉砂(3?5mm)的显气孔率也在10%?15%左右。由此,可以说明熔液内部有较大的气体分压存在。

形成高温熔液内部的气体分压主要有两个方面:其一是在电熔过程中,在加入粉状工业氧化铝时,在操作时带入的部分空气,经电熔后仍有部分气体残留在高温熔液内,在冷却过程中形成蜂窝状气孔;其二是在电熔过程中,各种氧化物特别是低熔点氧化物,在电熔过程中,逐渐提高挥发速度。这种熔液的挥发可以增加液体内部的气体分压。如氧化铝在1750℃以上就开始有挥发,到2300℃以上挥发量增大。氧化铝熔体在不同温度下的蒸气压见表1。


表1   氧化铝熔体在不同温度下的蒸气压

在电熔过程中,工业氧化铝中的二氧化硅杂质将有30%~40%被挥发,其他低熔点的杂质如钾、钠、硼等氧化物更有较大的比例被挥发。上述这些气体由于受到高温熔液流动性差的限制,部分气体无法排除,从而使熔液内部的气体分压增加。当吹球时,残留在液滴内部的气体使液滴的体积膨胀,这对空心球形成和薄壁化很有促进作用。测定Ф5mm和Ф0.5mm空心球成球后内部缩孔的体积分别为74.8%和71.1%(相当于体积收缩)。这样大的缩孔形成的根本原因就是物料的加热膨胀和液体内部气体分压增加的结果。各种氧化物的蒸气压如图1所示。


图1    各种氧化物的蒸气压(1大气压≈0.1MPa)


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张刘杰:
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