Využití petrologie a mineralogie v průmyslu brusiva

Převážná většina produktů vyráběných člověkem má charakter srovnatelný s horninami a minerály, a to i v případě, že analogy sloučenin, tyto produkty tvořící, se v přírodních podmínkách nevyskytují. Pro poznání a vývoj v keramice, sklářství, i brusném průmyslu, je aplikovaná mineralogie významným pomocníkem. Využití jejích klasických metod, počínaje mikroskopickou analýzou, umožňuje řešit mnohé technologické problémy. Názorným příkladem jejich využití jsou zkušenosti získané při výrobě brusiva a brusných nástrojů.

Každý brusný nástroj se skládá z brusných zrn, pojiva a pórů, tedy z fáze pevné a plynné. Podobá se sedimentárním horninám. Brusná zrna jsou specielní minerální fáze syntetické horniny. Pojivo má ve výsledném produktu charakter organolitu, je-li tvořeno syntetickou pryskyřici či materiály na bázi kaučuku. Případně se podobá výlevné nebo kausticky metamorfované hornině, jde li o pojivo keramické či anorganické.
Pestrost jednotlivých složek je veliká. Na jejich vlastnostech a rozložení v brusném nástroji závisí výsledné fyzikálně-mechanické (funkční) vlastnosti. Petrologické a mineralogické postupy se uplatňují při řešení některých technologických problémů a doplňují kontrolní metody pro ověřování kvality brusných zrn i celých nástrojů. Osvědčily se i při hodnocení kvality pojiv a pro úpravu řady technologických postupů v procesu výroby. Podařilo se také definovat jednoznačně kvalitu vyráběných keramicky pojených brusných nástrojů v závislosti na tvaru brusných zrn a poměrech objemu zrn a pojiva.

Definice brusných materiálů a brusných nástrojů
Brusivem je materiál, který vykazuje stejnou nebo větší tvrdost než opracovávaný objekt a je odolný vůči teplotě i chemickým reakcím, a který je dostatečně houževnatý aby odolával mechanické destrukci. Používá se v podobě brusných zrn volných, nebo ve formě brusných nástrojů. Volná zrna jsou oddělené úlomky brusného materiálu. Brusné nástroje lze označit též jako vázaná brusná zrna, jde o zrna spojená v definovaný geometrický tvar, nejčastěji brusný kotouč, nebo segment, kovovým, keramickým, skelným, případně organickým pojivem. Na obr. 1 je ukázka struktury brusného nástroje (jde o zrna SiC – nejtmavší, s keramickou vazbou a světlými póry).
Parametry, které dnes definují kvalitu brusného nástroje jsou: a) druh brusiva; b) druh pojiva; c) zrnitost (velikost) brusiva; d) tvar brusných zrn; e) tvrdost nástroje; což je odolnost proti mechanickému vylomení brusného zrna z kotouče; f) struktura nástroje, vyjádřená objemem pórů nebo objemem použitých brusných zrn.

Druh brusiva
V minulosti byl abrazivem křemenný písek, granát a smirek (přírodní korundem tvořená hornina), ke kterým přibyl časem ještě diamantový prach. Během průmyslové revoluce v 18. a 19. století, v návaznosti na požadavky rozvíjející se techniky se podařila syntéza tvrdých látek a ty, společně s několika klasickými přírodními surovinami, reprezentují dodnes používané druhy brusiva, Baumann (1962), Kamencev (1950), Polubelova et al. (1968), Turnovec, Novotný, Kleandr (1969), Turnovec (1971, 1973b). Přehled hlavních přírodních i syntetických druhů brusiva je uveden v tab. I.

Nejtvrdším brusivem je diamant a nejměkčím křemen. Každý z nich má optimální vlastnosti pro určité opracovávané materiály a také svůj rozsah odolnosti. Metodika studia brusných materiálů je obtížnější než u materiálů běžných, zvláště pokud se jedná o přípravu a zhotovení výbrusů. Proto byla vypracována metodika studia nábrusů. Počátkem studia v odraženém světle byly práce ruských výzkumníků shrnuté v jejich monografii Filonenko, Lavrov (1958). Studium nábrusů se ukázalo jako velice efektivní nejen při identifikaci jednotlivých minerálních fází, ale i při studiu vnitřní stavby brusných nástrojů, textury (slohu) a struktury jak jí popisujeme u přírodních hornin.

Silicium karbid (carborundum) byl nezávisle syntetizován ve stejném roce 1892 Achesonem a Schützenbergerem. Pro brusný a žárovzdorný průmysl je využívána technologie vyvinutá Achesonem (Turnovec a Kleandr 1970; Kleandr 1971). Průmyslový karbid křemíku se vyrábí v elektrických odporových pecích, nesoucích Achesonovo jméno. Výchozí surovinou je křemenný písek a uhlíkaté suroviny na bazi petrolkoksu. Vsázka se k reakci připravuje ve stechiometrickém poměru. Používat lze stejnosměrný i střídavý proud, a dnes, kromě diskontinuálních, existují i kontinuálně pracující pece. Schematický řez Achesonovou odporovou pecí je na obr. 2 a, b, c. Experimentálně bylo prokázáno, že počáteční teplota vzniku SiC je 1200 - 1400° C. K hlavním reakcím a tvorbě α SiC dochází v rozsahu 1700 - 2300° C. Hlavní reakce, které při tavbě probíhají, můžeme vyjádřit rovnicemi:
SiO2 + 2C = Si + 2CO; SiO2 + C = SiO + CO; 2SiO + 3C = 2SiC + CO2 Pokud je vyšší podíl redukčního materiálu dochází až ke vzniku ryzího Si. Na obr. 3 je Achesonova pec se založenou vsázkou před zahájením elektrotermické reakce. Podle čistoty výsledného produktu se určuje kvalita, rozlišujeme SiC zelené, šedé a černé. Černý SiC se využívá hlavně pro žárovzdorné účely.

Elektrotavené korundy jako základní surovina pro výrobu brusných zrn obsahují kromě korundové fáze i řadu doprovodných minerálů. Jejich zastoupení je zachováno i v brusných zrnech (někdy dochází k selekci v závislosti na velikosti zrn), celkový obsah může přesáhnout i 10%. Základními typy korundových brusných materiálů jsou:
monokorund (Alucryst special)
hnědý korund (Normalkorund) a jeho mikrokrystalické modifikace
bílý korund (Elektrit, Alundum atd.)
červený korund (Rubin)
legované korundy (zirkonový, vanadiový, mangan-titanový a další)

Monokorund se získává krystalizací Al2O3 rozpuštěného v sulfidické tavenině tak, že v elektrické peci se taví směs bauxitu či průmyslového oxidu hlinitého s vhodným sulfidem (nejčastěji jde o pyrit). Výroba byla patentována Hagelundem v roce 1922. Technologie je užívána dosud. Při chladnutí taveniny krystaluje jako první korund, jde o klencovými plochami omezené krystaly a jejich dvojčetné srůsty. Velikost krystalů kolísá jen v relativně malém rozmezí. Na rozdíl od ostatních korundových materiálů je monokorund chemicky nejčistší a také jeho řezné vlastnosti jsou nejlepší.

Ostatní syntetické korundové brusné materiály, s výjimkou sintrovaných, se vyrábějí tavením výchozích surovin v elektrických obloukových pecích. Výchozí surovinou pro hnědý korund je bauxit, ostatní druhy jsou vyráběny z průmyslového kysličníku hlinitého, bez přísad vzniká bílý korund, s přísadou Cr2O3 červený, s dalšími přísadami pak ostatní legované korundy.
Schematický řez elektrickou obloukovou pecí je na obr. 4. Pohled na uhlíkové elektrody v peci pro výrobu bílého korundu je na obr. 5. Plášť pece je tepelně izolován grafitovými tvárnicemi a navíc chlazen vodou. Při diskontinuálním, klasickém způsobu tavby (metoda „na blok“) se po odstavení plášť pece chladí ještě asi 10 hodin. Plášť se pak odstraní a korundový blok se dochlazuje na vzduchu. Při kontinuálním způsobu (metoda „na sliv“) se korundová tavenina odlévá do kovových forem, kde se pak chladí podobným způsobem jako při výrobě „na blok“. Způsob tavby a charakter chlazení (především jeho rychlost), ovlivňují krystalizaci taveniny a její rafinaci. Odlitky bývají výrazně menší než bloky, krystaly jsou zde kostrovité a drobnější než v blocích (Turnovec, Černý 1968). Na obr. 6 jsou utuhlé bloky bílého korundu před tříděním a zpracováním na zrna. Na obr. 7 pak odstavený blok hnědého korundu.
Během chladnutí se u každého bloku nebo odlitku vytvoří několik charakteristických zón. Vždy lze odlišit nedokonale protavené partie tzv. „sintr“, dále stropní část, pod kterou se nalézá zbytkové jádro, hutnou střední část, okrajové partie a spodek odlitku. Charakter je zřetelný z obr. 8 a,b jde o řezy blokem bílého a hnědého korundu. Výčet hlavních minerálů vznikajících při výrobě bílého a hnědého korundu je uveden v tab. II. V následující tab. III je přehled struktur, velikosti a tvaru krystalů jednotlivých typů korundů a v tab. IV průměrné chemické složení.

Pro některé speciální brusné operace se vyrábějí brusná zrna definovaného tvaru, většinou jde o válečky, slinováním předem vytvarovaného jemně mletého bauxitu nebo průmyslového oxidu hlinitého s přídavkem katalyticky působících kovových kysličníků titanu, zirkonu, hořčíku a dalších. Jejich výrobcem je firma Norton. Vývoj proběhl i ve Spojených závodech na výrobu Karborunda a elektritu v Benátkách nad Jizerou (Turnovec 1974). Sintrovaná zrna jsou velmi houževnatá. Případné doprovodné složky jsou velmi rovnoměrně rozptýleny. Projevují se pouze pozitivně.

Pro korundy vyráběné tavením průmyslového oxidu hlinitého je hlavní škodlivinou β korund a skelná fáze, vliv ostatních doprovodných složek je zanedbatelný. Na obr. 9 je ukázka krystalů β korundu. U korundů legovaných (Turnovec 1967a) příměsi působí, podobně jako u sintrovaných korundů, jako katalyzátory během krystalizace a příznivě ovlivňují výslednou strukturu, zvyšují houževnatost výsledného brusiva, např baddeleyt v zirkonovém korundu. Pro hnědý korund vyráběný z bauxitů jsou nejnebezpečnějšími doprovodnými složkami karbidy a nitridy titanu vznikající při přeredukování bauxitové taveniny (Turnovec 1968). I stopová množství se při výrobě nástrojů s keramickým pojivem projeví negativně. Zvětšují výrazně svůj objem v kritickém teplotním rozpětí 500-6000 C a způsobují jejich destrukci. Vznik doprovodných složek lze vyčíslit z chemického složení a lze jej ovlivnit v průběhu tavby. Indikátorem je zde, kromě nitridů a karbidů, ve větším množství vznikající anortitová, nebo mullitová skelná fáze. Naopak přítomnost titanu ve strukturní mřížce korundových krystalů je vítaná, protože během výpalu zvyšuje houževnatost brusných zrn.

Korundové bloky získané krystalizací taveniny se rozbijí na menší kusy, ručně se roztřídí podle charakteru a vybrané partie se předávají k dalšímu zpracování na brusná zrna.

Vlastnosti brusných zrn (velikost, tvar, tvrdost atd.)
Funkční vlastnosti korundových brusných zrn jsou ovlivňovány jednak složením a strukturou produktů tavby, jednak technologií jejich výroby, jde zejména o způsob drcení a mletí kusoviny, zrnitostní třídění a další následné úpravy (Turnovec 1970a).
Obecně je kvalita všech, tedy i korundových brusných zrn určována jejich:
A) velikostí a zrnitostí
B) mechanickou pevností
C) tvarem
D) minerálním složením a strukturou
E) obsahem nečistot (kovových a magnetických částic)
Norma ČSN 224012 definuje brusné zrno jako krystal, nebo částici brusné hmoty, jejíž šířka nepřevyšuje 5 mm a poměr největšího rozměru k nejmenšímu nepřesahuje u 90 % zrn poměr 5:1. Rozměry brusných zrn jsou určeny délkovými mírami (délka = l; + šířka = s a výška = v) rovnoběžnostěnu opsaného zrnu. Vztah mezi poměry je: l ≥ s ≥ v
Brusná zrna se vyrábějí z kusového materiálu drcením, mletím a následným tříděním. Drtící linka obvykle začíná soustavou čelisťových a kuželových drtičů. Výsledným produktem jsou úlomky velikosti vlašského ořechu. Ty se dále melou v sérii válcových mlýnů v případě bílého a červeného korundu. Jemný podíl se již třídí na zrna, hrubý jde do tyčových, nebo kolových mlýnů. Získaná směs zrn se třídí na sítových třídičkách. Nejjemnější podíly na cylindrických vysavačích, případně hydrocyklonech. Kovový otěr z drtícího zařízení se odstraňuje magnetickou separací za sucha v bubnových magnetických separátorech (např. Humboldt, nebo Dings). Existuje i mokrá separace, praní v kyselině solné (HCl), ta se praktikuje při vyšších požadavcích na čistotu na hrubě přetříděných zrnech, která se po praní ještě korigují na čtyřsítových třídičkách. Vlastní praní probíhá v kameninových pračkách koncentrovanou kyselinou po dobu 2 – 3 hodin. Poté se zrna promývají až do neutrální reakce čistou vodou a před konečnou korekcí zrnitosti se ještě suší. Jednotlivé technologické linky se mohou lišit, rozdíly ale nejsou významné.
Postup zpracování červeného a některých legovaných korundů je obdobný. Jednodušší je postup zpracování kusového hnědého korundu, zde se musí již během drcení odstraňovat ferrosilicium vzniklé jako redukční odpad během tavby. Směsi zrn se opět třídí na sítových třídičkách.
Mikrozrna se získávají dalším přemletím, praním a tříděním, v sérii hydrocyklonů. Každá výrobní partie všech druhů brusných zrn i mikrozrn je kontrolována zda vyhovuje příslušným normám nebo technickým podmínkám. Sledují se parametry uvedené výše.
Při studiu funkčních vlastností se výzkumníci i výrobci zaměřili hlavně na geometrii brusných zrn, kterou definovali jako poměr úhlů rohů a hran tvořících funkční břity. Vakser (1956); Peklenik (1960) a Li Čan Cze (1961) zjistili, že úhly hran nejsou na velikosti, ani geometrickém tvaru, výrazněji závislé. Pro určování kvality a volbu brusných zrn pro různé operace se stanovuje tzv. sypná váha. Ta ale definuje tvar jen z části, protože je významně ovlivňována zrnitostí, tj. přítomností jemných a hrubých podílů v provozních brusných zrnech. Jde o hmotnost volně nasypaného brusiva vyplňujícího objem 1 dm3. Postupy kdy je třeba měřit všechny rozměry a vyčíslit jejich vzájemný poměr, se ukázaly jako velice náročné již ve fázi měření třetího rozměru. Mgeladze (1965) vyčísloval poměr opsané a vepsané koule. Ukázalo se, že poměrem dvou rozměrů lze definovat i ten třetí. Jako nejvhodnější je stanovení poměru délky ku šířce vyjádřené číslem rovným, nebo větším než 1, viz obr. 10. Tento poměr se označuje jako koeficient izomerie (Ki), teoretické zdůvodnění je v práci (Novotný a Turnovec 1967). O rok později (Černý, Novotný a Turnovec 1968) ověřovali tvar v závislosti na způsobu drcení a mletí, popsali důvody výběru rozměrů i metodiku. Pro měření se osvědčily fotogramy získávané prosvícením zrn rozložených na skleněné desce na fotopapír obr. 11. Podobně jako Rybakov a Drozdova (1963) potvrdili vliv mlecího zařízení na tvar vyráběných zrn a tím i jejich vlastnosti. Porovnávána byla zrna získaná laboratorně z definované korundové kusoviny ve válcovém, kulovém a tyčovém mlýně. Zjištěny byly významné rozdíly v sypné váze i koeficientu izometrie: Hodnoty pro válcový mlýn Ki 1,59 - Sv 1650; koulový mlýn Ki 1,47 – Sv 1715; tyčový mlýn Ki 1,38 – Sv 1840. Časem se ale ukázalo, že v provozních podmínkách dochází ke značnému rozptylu sypné váhy a tím i výsledného tvaru zrn získaných drcením v tyčových mlýnech. Problém byl řešen. Měření Ki bylo zařazeno mezi kontrolní metody kvality brusných zrn, a umožnilo později i kvantitativní definici sypné váhy a na jejím základě vyráběných brusných nástrojů. Současně bylo prokázáno, že pro výsledný tvar zrn je nejdůležitější struktura a velikost krystalů vytvořených během chlazení v korundových blocích nebo odlitcích. Druh drtícího a mlecího zařízení se projevuje až druhotně. Pokud je shodná struktura drceného materiálu, nebo jsou-li drcené krystaly dostatečně velké, je dán výsledný tvar zrn technologií mletí. Vliv Sv a Ki na struktuře kusového hnědého i bílého korundu studoval Turnovec (1967b, 1972). Ukázalo se, že je vhodné kusovinu před drcením a mletím na zrna třídit. Vliv struktur kusového korundu je zřejmý i z přiložených tabulek V a VI. Sama sypná váha tvar zrn dostatečně nedefinuje. Pokud totiž dojde ke špatnému zrnitostnímu třídění a je přítomno větší množství jemných podílů, jeví se sypná váha vyšší i když zrna nejsou izometričtější, dojde jen ke zhutnění z důvodu zrnitostní skladby. Při provozním měření Ki se projevily na fotogramech i závady sítového třídění jednotlivých zrnitostí a bylo možno včas zasáhnout do postupu výroby nástrojů.
Obecně platí, že zrna s nízkým Ki jsou vhodná pro namáhavé brusné operace, zatím co protáhlá s Ki vyšším než 1,6 jsou vhodnější pro opracování dřeva či plastů.
Měření se osvědčilo i při opakovaných reklamacích brusných papírů z důvodu nedostatečné životnosti. Elektrostaticky nanesená zrna zakotvená v syntetické pryskyřici se snadno vylamovala. Správně má být upevnění natolik silné, aby během použití papíru, či plátna, docházelo k rozlamování zrna a tím jejich samoostření během brusné operace. Jako obvyklá závada býval určen zaprášený povrch zrn, respektive jejich nedokonalé praní před nanášením.
Přistoupili jsme k měření smáčivosti což umožnilo eliminovat špatné praní, a pak i k možnostem ovlivnit povrch brusných zrn pro pojení organickými pojivy. Metoda obalení zrn vrstvičkou zvyšující měrný povrch se osvědčila, (Turnovec 1969b, 1970c).
Ukázalo se, že velmi často jde o vliv tvaru zrn na funkční vlastnost nástrojů z nich vyrobených. Plátna a papíry vyžadují zrna plochá, s co největším povrchem, zatím co pro keramicky pojené brusné nástroje jsou vhodnější zrna izometrického tvaru. Výběrem kusového korundu dle jeho struktury ještě před mletím na zrna bylo možno zajistit vhodný materiál. Ukázalo se např., že tříděný korund vyráběný na sliv je zdrojem jak vysoce izometrických, tak i protáhlých zrn (Turnovec 1972).
Vliv minerálního složení
Vliv minerálního složení brusných zrn byl studován při řešení příčin praskání brusných nástrojů s keramickou vazbou během výpalu. Během výpalu dochází nejen k vytvoření keramické pojící hmoty, ale také ke vzájemným reakcím mezi brusnými zrny a kapalnou fází pojiva. Při postupném zahřívání dochází k difúzi Al2O3, (Turnovec 1984). Vyvolána je agresivitou alkalických oxidů pojiva, hlavně Na2O, zastoupených v kongruentně se vytvářející kapalné fázi. V případě úplného zeskelnění pojiva, se mění difúze z povrchových korundových vrstev na korozívní rozpouštění. Pak reaguje i oxid křemičitý. Při mikroskopickém studiu se často setkáváme s projevy koroze korundových zrn. Můžeme rozlišit tři stupně zeskelnění pojiva, podle toho do jaké míry jsou rozpuštěna zrna křemene. V případě nedokonalého jsou zrna prakticky nezměněna. Střední stupeň zeskelnění indikují zrna korodovaná. V případě dokonalého zeskelnění jsou zrna křemene zcela rozpuštěna. Během krystalizace dochází v pojivu, na rozhraní fází zrno – pojivo, ke vzniku nových fází, hlavně mullitu, obr. 12 a 13, jeho jehličkovité krystaly výrazně zvyšují mechanickou pevnost pojiva. Řízené krystalizace lze dosáhnout volbou vhodného taviva (Turnovec 1973a), nebo použitím mineralizátorů (Turnovec, Beránková 1975).
Praskání keramicky pojených brusných kotoučů z hnědého korundu.
Jednalo se o každoročně na podzim se opakující závadu. Na popraskaných kotoučích byla sledována hranice mezi zrny a pojivem. Nejprve pod binokulárem, později na nábrusech v odraženém světle. Ukázalo se, že praskliny jsou nejen na styku zrno – pojivo, ale i uvnitř zrn. V okolí četných trhlin vytvořených během výpalu v kotoučích byly nalezeny na povrchu zrn, i v místech jejich popraskání, ledvinovité útvary, určené později jako anosovit a rutil. Při studiu shodných šarží brusných zrn nebylo nic podobného zjištěno, i když v jiných zrnech se tyto sloučeniny nacházejí. Ve sledovaných byly naopak určeny bezkyslíkaté titanové sloučeniny, karbid a nitrid. Jde o příměsi, které během oxidačního výpalu mezi 500 a 600 o C zvětšují extrémně svůj objem a způsobují anomální roztažnost brusných zrn. Přítomnost bezkyslíkatých titanových sloučenin je důkazem, že během výrobní tavby hnědého korundu došlo k přeredukování použitého bauxitu. Technologické předpisy ale byly dodrženy. Důvod přeredukování byl nakonec zjištěn jako poměrně fatální chyba. Vsádka do pecí podle stávajících technologických předpisů byla ve vahových poměrech. Pro jejich vyčíslení se vycházelo z analytických dat při technické kontrole dodávek bauxitů. Závada byla v podzimním deštivém počasí. Voda, která se vsákla do bauxitů dosahovala až 11 %, a to bylo důvodem, že při použití stejného celkového množství bauxitu a redukčního činidla, došlo k přeredukování bloků. Měření tepelné roztažnosti zrn (obr. 14.) bylo zavedeno jako kontrolní metoda (Turnovec 1969a). Důvodem anomální roztažnosti jsou bezkyslíkaté titanové sloučeniny vznikající při přeredukování během tavby jsou na obr. 15.
Anomálně roztažná zrna se buď dále upravovala přežíháním v oxidační atmosféře, nebo byla zpracována na nástroje s organickými pojivy, které nevyžadují výpal. Technologický postup výroby byl doplněn o vyčíslení aktuální vlhkosti používaného bauxitu. To se ukázalo jako výhodné i při používání bauxitů kalcinovaných, tj. předem přežíhaných a zbavených větší části vázané vody.
Výpočet zastoupení doprovodných složek v umělém korundovém brusivu
Na obsahu doprovodných složek, hlavně β korundu v bílém a hexahlinitanu ve hnědém korundu, případně skelných fází, jsou závislé funkční vlastnosti brusiva. Ukázalo se, že obsah lze odhadovat na základě chemické analýzy. Podobně jako se vyčíslují racionální analýzy keramických surovin (např. výpočty Kollauner-Matějka), lze vyčíslit minerální složení korundů. Jako příklad jsou uvedeny výpočty pro hnědý korund. Podmínky jeho tavby se přibližují rovnovážným. Probíhají v tekuté fázi a následná krystalizace je dostatečně pomalá. Ke krystalizaci dochází v trojném systému CaO – Al2O3 – SiO2, v oblasti blízké vrcholu Al2O3 viz obr. 16. Podle Rankinova diagramu (Filonenko a Lavrov 1958) jsou možné tři konečné produkty krystalizace:
– korund; mullit; anortit;
– korund; anortit;
– korund, hexahlinitan vápenatý; anortit
Jde o zjednodušení, které nebere v úvahu další doprovodné složky, kterými jsou sloučeniny MgO a TiO2, tedy převážně spinelidy a taosit. Zastoupení spinelidů je jen stopové až podřadné a co je důležité, neovlivňuje funkční vlastnosti. Jiná je situace v případě sloučenin titanu. Tento problém byl diskutován výše.
Z prostého poměru oxidů vázaných na jednotlivé složky je zřejmé, že nejvýhodnější je takový produkt tavby, ve kterém se kromě korundu bude vyskytovat pouze anortit. Nejméně výhodná je tavba umožňující vznik hexahlinitanu obr. 17.
Na základě stechiometrických poměrů jednotlivých oxidů, lze z analytických dat vypočítat zastoupení hlavních složek Chemická analýza je součástí kontroly kvality a patří mezi základní kvalitativní parametry a je uvedena i v ČSN 22 4044. Materiál odpovídající ČSN může mít velmi variabilní minerální složení a s tím souvisí i jeho funkční vlastnosti.
Původně navrhovaný postup výpočtu (Turnovec 1970b), byl poměrně pracný. Během praktického používání se jej podařilo zjednodušit a tím zefektivnit (Turnovec 1982a).
Označení proměnných a pomocných proměnných:
– analýzou zjištěný obsah Al2O3
– analýzou zjištěný obsah SiO2
– analýzou zjištěný obsah TiO2;
H 1 – obsah Al2O3 v anortitu; H 2 – obsah Al2O3 v hexahlinitanu vápenatém; H 3 – obsah Al2O3 v mulitu; H 4 – obsah Al2O3 v taoistu.
Výsledné proměnné:
AN = obsah anortitu v %; MUL = obsah mulitu v %; HXL = obsah hexahlinitanu v %; TA = obsah taoistu v %; KO = obsah korundu v %; KF = obsah fyzikálního korundu, tj. včetně taoistu v %; KM = korundový modul, tj. poměr obsahu Al2O3 v korundové fázi k obsahu Al2O3 v doprovodných složkách.

Algoritmus pro vyčíslení minerálního složení:
První krok – alternativní rozhodování D : B (CaO : SiO2), možnosti jsou tři:
a) poměr je větší; b) rovná se 0,467; c) nebo je poměr menší.
Druhý krok alternativa a):
AN = 1,58  B  1,467;
H 1 = AN – B  1,467;
HXL = 11,91  (D – 0,467  B);
H 2 = HXL – (D + 0,467  B).
Alternativa b)
AN = 1,58  (B + D);
H 1 = AN– B  1,467.
Alternativa c)
AN = 1,58  D  3,142;
H 1 = AN – 3,142  D;
MUL = 3,546  (B – 2,141  D);
H 3 = MUL – (B + 2,141  D).
Třetí krok – společné pokračování výpočtu
TA = 2,276  C;
H 4 = TA – C;
KC = A – (H 1 + H 2 + H 4);
KF = KC + TA
Čtvrtý krok – vyčíslení korundového modulu
KM = (KF – C) : (H 1 + H 2 + H 3)
Porovnání výpočtů s mikroskopickou analýzou a základní chemické složení je v tab. VII. Jak je z tabulky zřejmé, rozdíl mezi vyčísleným a mikroskopicky stanoveným složením je jen nepatrný. Přepočtů lze využít při sledování kvality během výzkumných prací, ale také pro statistické hodnocení technické kontroly výroby. Shoda mezi vypočteným a mikroskopicky zjištěným složením je poměrně vysoká.
Obsahy doprovodných složek byly sledovány i v závislosti na velikosti brusných zrn. Ukázalo se, že i zde existuje jistá zákonitost, podmíněná velikostí krystalů a způsobem velikostního třídění. Od největších zrn ke středním obsah příměsí klesá, od středních k jemným pak opět škodlivin přibývá a může dosáhnout v nepříznivém případě až 20 %.

Závěr
Metody i přístup mineralogů mohou významně pomoci při posuzování vlastností brusiva i brusných nástrojů, ale i mnoha dalších technických hmot, a tím i při jejich vývoji. Zrekapitulujeme zde jen některé příklady, kdy k řešení letitých technologických problému přispěla v oboru brusiva právě technická petrologie:
stanovení minerálních fází vznikajících při výrobě brusných materiálů
stanovení struktur a velikosti vznikajících krystalů
vyčíslení minerálního složení z analytických dat
hodnocení tepelné roztažnosti a její odstranění žíháním
hodnocení tvaru brusných zrn a jeho vliv na funkční vlastnosti brusného nástroje
Z výše uvedeného je zřejmé, že technická petrologie je perspektivním oborem

Literatura:

Baumann H. N. (1963): Petrology of fused alumina abrasives; Am. Ceram. Soc. Bull., 35, str. 387-390, New York
Beránková J., Turnovec I. (1969): Sloh keramicky pojených brusných nástrojů; Sklář a keramik XIX, str. 288-292, Praha
Černý V., Novotný P., Turnovec I. (1968): Hodnocení tvaru brusných zrn; Sklář a keramik XVIII, str. 195-198, Praha
Filonenko N. E., Lavrov I. N. (1958): Petrografija isskustvjennych abrazivov; Mašgiz, Leningrad
Hořínek V., Turnovec I. (1970: Rozvoj výroby základních brusných materiálů; Sb. Konference Brusiva a jejich použití v čs. Průmyslu, II, str. 1-13, Benátky n.Jiz.
Hořínek V., Turnovec I. (Rozvoj výroby korundových brusných materiálů; Brusivo a broušení 2/70, str. 1-3, Benátky n.Jiz.
Kamencev M. V. (1950): Isskustvjennyje abrazivnyje materijaly; Mašgiz, Leningrad
Kleandr V. (1971): Výroba karbidu křemíku pro brusné a žárovzdorné účely; Sb. Konf. Elektrotermické procesy, Dom techniky SVTS, str. 22-38, Žilina
Li Čan-cze (1961): Ob opredelenii geometrii abrazivnych zeren, Abrazivy 31, str. 10-18, Leningrad
Mgeladze V. F. (1965): Forma i geometria abrazivnych zeren; Trudy VNIAIAŠ 1, str. 25-27, Leningrad
Novotný P., Turnovec I. (1967): Izomerie brusných zrn; Brusivo a broušení 3, str. 17-21, Benátky n.Jiz.
Peklenik J. (1961): Untersuchung der Härte von Schleifkörpern; Industrie – Anzeiger, 82, 46, str. 705-711, Berlin
Polubelova et al. (1968): Proizvodstvo abrazivnych materialov; Mašinostrojenije, Leningrad
Rybakov V. A., Drozdova O. N. (1963): Vlijanije sposoba izmelčenija abrazivnych materialov na formu i fizikomechaničeskije svojstva polučenych zeren; Abrazivy 4, 36, str. 15-28, Leningrad
Turnovec I. (1967a): Legovaný korund A 98 M; Brusivo a broušení 1, str. 22-26, Benátky n.Jiz.
Turnovec I. (1967b): Vliv struktury kusového hnědého korundu A 96 na tvar vyráběných brusných zrn; Brusivo a broušení 3, str. 7-12, Benátky n.Jiz.
Turnovec I. (1968): Syntetický hnědý korund vyráběný v Benátkách n. Jizerou; Laboires Musei in Benátky n. J., III, 2-3, str. 37-52, Benátky n. Jiz.
Turnovec I., Černý V. (1968): Minerální složení a struktura umělého bílého korundu; Brusivo a broušení 1, str. 5-12, Benátky n.Jiz.
Turnovec I., Novotný P., Kleandr V. (1969): Korundové brusné materiály vyráběné v ČSSR. Sklář a keramik, 19, 6, s. 156-160, Praha
Turnovec I. (1969a): Tepelná roztažnost brusných zrn Elektrik A 96; Sklář a keramik XIX, str. 14- 16, Praha
Turnovec I. (1969b): Nová metoda úpravy povrchu brusných zrn; Slévárenství, 17, 12, str. 496-497, Praha
Turnovec I. (1970a): Fyzikálně mechanické a chemické vlastnosti brusných zrn; Brusivo a broušení 1/70, str. 4-9, Benátky n.Jiz.
Turnovec I. (1970b): Výpočet minerálního složení umělého hnědého korundu; Chemický průmysl, 23/45, str. 76-77, Praha
Turnovec I. (1970c): New Methods of Sureface Handling of Abrasive Grains; Interceram, 3, str. 2017-208, NSR
Turnovec I. (1970d): Složení a vlastnosti brusného nástroje; Slévárenství 18, 5, str. 205-207, Praha
Turnovec I., Kleandr. V. (1970): Karbid křemíku pro brusné a žárovzdorné účely; Sklář a keramik, XX, 11, str. 285-289, Praha
Turnovec I. (1971a): Monokorund a jeho použití v průmyslu; Slévárenství 1, str.14, Praha
Turnovec I. (1971b): Einfluss der Kornform des Edelkorunds auf der Härte von keramisch gebunden Schleifwerkzeugen; Silikattechnik 22, 8, str. 271-273, NDR
Turnovec I. (1972): Wplyw struktury sztucznego bialego korundu na postać produkovaneho ścierniwa; Szklo i Keramika XXIII, str. 207-210, Varšava
Turnovec I. (1973a): Zastosowanie perlitu jako spoiwa ściernic; Szklo i Keramika XXIV, str. 175-176
Turnovec I. (1973b): Brousící materiály na bázi Al2O3; Sklář a keramik XXIII, str. 22-23, Praha
Turnovec I. (1974): Material scierny korundowy spiekany „sinterkorund“. JOTES, referaty i Komunikaty Nr. 9-12, s. 7-13, Varšava
Turnovec I, Beránková J. (1975): Wplyw dodatku fluorkow na termiczne wlasciwosci kaolinu. Szklo i Ceramika, 24, 4, s. 111-114, Varšava
Turnovec I. (1982a): Výpočet minerálního složení umělého hnědého korundu; Sklář a keramik XXXII, str. 255-257, Praha
Turnovec I. (1982b): Mineralogicko-petrologická charakteristika umělého hnědého korundu vyráběného redukčním tavením bauxitů; Acta Universitatis Carolinae – Geologica, 1-2, str. 151-171, Praha
Turnovec I. (1984): Reakce korundových brusných zrn a pojiva během výpalu; Sklář a keramik XXXIV, str. 298-299, Praha
Vakser D. B. (1956): Geometria abrazivnych zeren; Abrazivy 16, str. 3-15, Leningrad

Přehled příloh:

Obrázky –
Struktura karborundového brusného kotouče s keramickým pojivem, jde o nábrus, zvětšení 120 x. Brusná zrna SiC jsou tmavá s výrazným reliefem, pojivo je světle šedé a oválné póry se jeví nejsvětleji. Foto I. Turnovec
2a - Schematizovaný řez Achesonovou pecí na výrobu SiC. Legenda: 1 – dno pece; 2 – čela pece; 3 – elektrody; 4 – koksové reakční jádro; 5 – reakční směs smíchaná ve stechiometrickém poměru před reakcí; 2b – řez pecí před reakcí Legenda: 1 – koksové reakční jádro; 2 – výrobní směs; 2c – řez pecí po výpalu Legenda: 1 - zgrafitizovaný koks; 2 – novotvořený grafit; 3 – hrubě krystalický SiC; 4 – jemně krystalický SiC; 5 – amorfní SiC; 6 – siloxikon (křemitá krusta); 7 – nezreagovaná směs.
Achesonova pec se vsázkou připravenou k reakci. Foto I. Turnovec
Schematizovaný řez elektrickou obloukovou pecí pro výrobu umělých korundů. Legenda: 1 – plášť pece; 2 – podlaha pece; 3 – uhlíkové elektrody; 4 – chlazení pláště; 5 – elektrický oblouk; 6 – neroztavená vsázka; 7 – korundová tavenina.
Horní část pece s elektrodami a kysličníkem hlinitým jako vsázkou pro výrobu bílého korundu. Foto I. Turnovec
Utuhlé bloky bílého korundu před drcením na brusná zrna. Foto L. Abraham
Blok hnědého korundu po ukončení tavby. Foto L. Abraham
8 A) Schematizovaný řez blokem bílého korundu. 1 – neproreagovaný materiál tzv. sintr; 2 – stropní zóna; 3 – zbytkové jádro; 4 – středová zóna; 5 – okrajová zóna; 6 – spodní zóna. 8 B) Schematizovaný řez blokem hnědého korundu. 1 – neproreagovaný materiál; 2 – poloha strusky (vyskytuje se jen někdy); 3 – zbytkové jádro; 4 – středová zóna; 5 – poloha ferroslitiny; 6 – spodní zóna; 7 – dno bloku; 8 – okrajová zóna
Krystaly β korundu tvořící hlavní škodlivinu v bílém korundu
Znázornění brusných zrn s různým koeficientem izometrie (Ki)
Fotogram brusných zrn používaný k měření koeficientu izometrie (Ki)
Krystaly mullitu v keramickém pojivu brusného nástroje. Foto I. Turnovec.
Detail krystalů mullitu v keramickém pojivu. Foto I. Turnovec
Anomální tepelná roztažnost brusných zrn hnědého korundu
Nábrus hnědého korundu, mezi korundovými zrny s výrazným reliefem je šedá skelná fáze anortitového složení s uzavřenými nitridy titanu (v kostrovité linií a podobě maltézského kříže) a anosovitem (rozlehlejší světlá zrna kosočtverečného průřezu, i kostrovitá). Foto I. Turnovec
Část trojného systému CaO – Al2O3– SiO2 který slouží jako krystalizační model pro umělý hnědý korund
Hexahlinitanová zrna v hnědém korundu mají charakteristický čárovaný povrch, jde o nábrus v odraženém světle, zrna korundu jsou šedá, nejsvětleji se jeví kapky redukcí vzniklé feroslitiny. Foto I. Turnovec

Tabulky:

Přehled základních brusných materiálů, přírodních i syntetických
Minerální složky vznikající v umělém bílém a hnědém korundu
Struktura, omezení a velikost krystalů v korundových blocích
Chemické složení průmyslových brusiv na bázi Al2O3
Sypná váha (Sv) vyráběných brusných zrn a rozdíly mezi teoretickým a naměřeným koeficientem izometrie (Ki) byly první indikací vlivu struktury kusoviny
Ověření vlivu struktury na tvar zrn bílého korundu vyráběného kontinuálně v Sokolově v letech 1967 – 1971
Minerální složení hnědého korundu vyčíslené z analytických dat a určené mikroskopicky