基於熔融氧化鋁的球形剛玉粒料以及生產所述粒料的方法

2023-06-24 19:41:51

專利名稱：：基於熔融氧化鋁的球形剛玉粒料以及生產所述粒料的方法
技術領域：
：本發明涉及基於熔融氧化鋁的球形剛玉粒料，其具有0.001-5mm球直徑、0.5重量％的最大氧化鈉含量、0.5重量％的最大氧化鈦含量，並且涉及其製備方法。
背景技術：
：球形剛玉為人所知已有約75年，並且被商業製造已有約30年。US1，871，792和US1，871，793描述了使用壓縮空氣或蒸汽在還原條件下對液體剛玉的傾注流進行吹制。獲得直徑約0-5mm的中空剛玉球。在上面提到的美國專利中已經在先描述了目前仍在使用的製備方法的所有重要步驟。中空球形剛玉主要用作耐火材料，由於球體中包含的空氣空間因而其具有非常低的導熱率。中空球形剛玉也用作熱、化學腐蝕性氣體和液體的過濾介質。然而，除中空球體以外，對壓力、衝擊和磨損具有高機械抗性的更密實球體在技術上也是令人關注的。主要通過球尺寸(球直徑)、球壁厚度和生產剛玉球的氧化鋁初生晶體的微晶尺寸來表徵球形剛玉的物理性能。根據用途，對球形剛玉的性能具有非常不同的要求。因此，過去已經描述了許多努力用以通過改變使用的原材料或熔體中的添加劑、或通過改變澆注技術(傾注量、傾注流的操作、空氣或蒸汽壓力、噴嘴形狀等)影響球形剛玉的性能。US2,261,639中描述了通過吹制製備密實氧化鋁球，其中通過在熔體中添加1-10%氧化鈉，隨後進行吹制獲得密實的球體。US2，340，194描述了在熔體中添加1-1.5%氧化鈦，產生具有相對厚壁的耐壓中空球。然而，根據這種方法製備的氧化鋁球具有缺點，它們含有作為雜質的外來離子(鈉、鈦)。當使用這些材料作為噴砂磨料時，這可能是明顯不利的，因為外來離子能夠導致與要處理表面的不希望的反應。在氧化鈉作為雜質的情況下，可能形成只具有輕微研磨作用的鋁酸鈉。EP1157077描述了多晶磨料粒料的製備，傾注液體剛玉，並通過使用超聲波將熔融氧化鋁分散為細滴來輔助其冷卻。以這種方式獲得平均直徑小於l咖的密實顆粒。除了顆粒相對小之外(這限制了它們的應用領域)，該方法比較複雜，並且使用超聲波不適於大規模生產。DE69005975T2中描述了球形氧化鋁粒料，其中將由經過超細研磨的oc-氧化鋁和粘土形成的水懸浮液通過噴霧乾燥和隨後的熱處理加工成附聚物。這種球形氧化鋁粒料的製備方式非常費力而且複雜，並且要求昂貴的原料。因此，對於能夠通過容易執行、有效的方法進行製備的更密實氧化鋁球存在持續的需求。
發明內容因此，本發明的目的是提供進一步密實的氧化鋁球，以及所迷氧化鋁球的製備方法，該方法沒有現有技術的缺點。通過具有權利要求1特徵的球形剛玉粒料和通過具有權利要求6特徵的方法實現了這個目的。從屬權利要求2-5的主題是本發明思想的改進。令人驚訝的，已經發現可通過如下方法獲得直徑為0.001-5mm、氧化鈉最大比例為0.5重量％、氧化鈦最大比例也為0.5重量％、氧化鋁含量大於98重量％以及堆積密度為1.5-2.5kg/L的氧化鋁球在電弧爐中在氧化條件下並在添加0.1-1重量％的氧化矽下熔融氧化鋁，然後以小於100kg/分鐘的傾注量傾注熔融的氧化鋁，並用空氣以3-10巴的壓力吹制傾注流。作為比較，市售可獲得的中空球形剛玉的堆積密度為0.5-1.2kg/L。還已經發現在吹制液體剛玉時僅使用空氣而不添加水是有利的。添加Si02主要影響熔體的粘度，Si02作為助熔劑並降低熔體的粘度。還已經發現熔體中的Si02含量也可影響產品的顏色。儘管Si02含量為0.8重量°/。的產品具有純白色外觀，但Si02含量低於0.5重量％的產品顯示出明顯的黃色。Si02對產品密度的影響較不明顯並且僅基於在添加Si02的情況下通過流動性的改善而改善生產條件，因此當Si02比例較大時，也獲得較高的產品密度。然而，Si02含量似乎對球形剛玉的物理性質具有相對大的影響。因此，已經發現Si02平均含量為0.4%時粒料破裂強度最大。這能可歸因於在這些條件下熔融的材料中發現相對高的微孔比例(小於3jLim的孔容積相對於總的孔容積)。這種高比例的均勻分布的微孔，即低比例的大孔，導致可通過粒料破裂強度測量結果以數值表示的相應的球形剛玉強度。與小於3jam^:孔的相對容積約為0.5%的市售中空球形剛玉相比，對於衝艮據本發明的與0.4MSi02—起熔融的球形剛玉，在約40%的總孔容積的情況下，獲得約13%的微孔相對比例。研究表明，小於3pm的微孔的相對容積與粒料破裂強度有關。因此，已經發現對於相同總孔容積具有高微孔比例的材料具有最高的粒料破裂強度。通過數字圖像分析特別清楚地顯示了市售可獲得的中空球形剛玉與根據本發明的球形剛玉粒料的不同。圖l示出了常規中空球形剛玉的顯微照片，具有約90%的孔容積。中空球形剛玉的薄壁非常明顯。作為比較，圖2示出了根據本發明的球形剛玉的顯微照片，具有約40%的孔容積。可容易地看出，孔基本上均勻分布在整個球體中。取決於製備條件，根據本發明的球形剛玉的孔容積為25-50%，而常規球形剛玉的孔容積為85-95%。密實球形剛玉的低比表面特別顯著。因此取決於球形直徑，發現比表面為0.005-0.05m7g。作為比較，常規中空球形剛玉的比表面大約是其10倍，為0.05-0.5mVg，比表面隨著顆粒直徑增大而降低。根據BET方法測量比表面。圖1和2顯示了根據本發明的球形剛玉粒料與常規球形剛玉的結構差異。也可使用物理測量方法證實這種差異。特別適合的測試方法是根據Vollstadt的粒料破裂強度測定。這種方法涉及計算機控制的單個粒料破裂強度測試，具有單個粒料的尺寸和形狀分析。設備的主要部件是施加力的氣動裝置、精確力傳感器、步進電機和具有內置相機和照明的專用顯微鏡及另外的觀測相機。該測量方法的功能原理是將特定數目的粒料置於傳送帶上，然後使傳送帶經過測量儀器。通過使用顯微鏡，測定顆粒的尺寸、形狀和位置參數，然後將顆粒傳送到超硬壓模之間的精確限定的位置。然後對單個粒料施加不斷增加的力直到粒料破裂。測定該破裂力，並添加到粒料先前測量參數的列表中。根據上述方法，對於粒度36的常規球形剛玉，粒料破裂強度為1-5N，而對於根據本發明的密實剛玉粒料，發現粒料破裂強度大於20N,優選大於40N。具體實施方式下面參照幾個選定的實施例說明本發明。實施例1-3在直徑約1.8m、功率1.2MW和電壓172V的帶蓋電弧爐(傾動式爐)中熔融1000kg氧化鋁分別與8kg、4kg或lkg石英砂的混合物。一旦混合物完全成為液體，將爐傾斜並將液體剛玉傾注通過澆注槽口。在傾注過程中，使用吹制裝置吹制傾注流，該吹制裝置主要包括在其尖端提供有噴嘴並提供壓縮空氣供給的噴槍形管，使噴嘴直接對準傾注流，打開壓縮空氣流，並對液體剛玉的傾注流進行分散。使用8巴的空氣壓力。在所謂的吹制室中收集由此獲得的剛玉球，所述吹制室具有由水冷卻鋼板構成的底部。從這裡，將球體空氣傳送到與吹制室連接的冷卻管中。然後將剛玉球輸送到篩分站並根據它們的直徑篩分成各個部分。由此獲得的剛玉球的物理數據匯總在下面的表1中。列出常規的中空球形剛玉用於比較。表1tableseeoriginaldocumentpage7從表1中的實施例可以看出，Si02比例主要影響粒料分布和粒料破裂強度。Si02比例越高，熔體的粘性變得越低，並且在吹制過程中獲得的剛玉顆粒越細。另一方面，堆積密度和比表面相對不受Si02含量影響。微孔相對體積明顯取決於Si02含量，並且粒料破裂強度也明顯受到影響。從表1中還可看出，堆積密度和比表面隨著球尺寸增加而減小。Si02對粒料分布的影響是顯著的。因此，在使用根據本發明的方法製備密實球形剛玉中，對於0.8%的Si02比例，獲得比例大於50%的0-0.5mm粒料部分。實施例4(噴砂測試)對於密實球形剛玉，一個令人感興趣的應用是噴砂處理。為了測試球形剛玉的性能，將實施例1-3的材料與常規的市售可獲得的噴砂磨料進行比較。遵循如下測試條件使用8mm噴嘴、壓力為4.5巴、噴砂角度約60。、距離為25mm，以5kg噴砂材料對鋼板(材料ST37)進行噴砂。測量表面效率(leistung)、粉塵形成、粒料磨損、表面粗糙度以及表面結構。通過對lm2ST37鋼板進行均勻噴砂所需的噴砂磨料的量來表徵表面效率。換句話說，該值越低，所消耗的噴砂材料越少，並且噴砂材料的表面效率越大。在測試中使用0.5-lmm的粒料部分。將該粒料部分與市售可獲得的Zirblast⑧噴珠(31。/。Si02+61。/n氧化鋯，425-500jam部分)和Sovitec玻璃珠(425-800jnm部分)進行比較。測試結果匯總在表2中。表2tableseeoriginaldocumentpage8表2顯示根據本發明的密實剛玉球表現出與玻璃珠相當的表面效率。根據本發明的剛玉球與玻璃珠相比的優點在於，由於使用剛玉球因而沒有對健康有害的含石英粉塵。與包含氧化鋯的球相比，儘管根據本發明的剛玉球表現出低的表面效率，但同時顯示出顯著更高的磨損，在這種情況下，根據本發明的剛玉球的優點主要是顯著更低的成本。密實剛玉球的另一優點是通過根據本發明的密實剛玉球獲得特別的表面結構，特徵在於輕微凹痕和球形壓痕，因此該球形剛玉特別適於表面精加工。權利要求1.基於熔融氧化鋁的球形剛玉粒料，其具有0.001-5mm的球直徑、0.5重量％的最大氧化鈉含量和0.5重量％的最大氧化鈦含量，特徵在於該球形剛玉粒料具有1.5-2.5kg/L的堆積密度。2.根據權利要求1的球形剛玉粒料，特徵在於該球形剛玉粒料具有0.005-0.05m7g的比表面(BET)。3.根據權利要求1或2的球形剛玉粒料，特徵在於該球形剛玉粒料具有》20N,優選〉40N的粒料破裂強度(Vollstadt)。4.根據權利要求1-3中任一項的球形剛玉粒料，特徵在於該球形剛玉粒料具有使用數字圖像分析測量的小於50%,優選小於40%，特別優選小於30%的孔容積。5.根據權利要求1-4中任一項的球形剛玉粒料，特徵在於對於該球形剛玉粒料，相對於30-40%的總孔容積，小於3jam微孔的相對孔容積大於5%，優選大於15%。6.製備根據權利要求1-5中任一項的球形剛玉粒料的方法，其中a)在電弧爐中熔融氧化鋁，並添加相對於原料總重量0.1-1%、優選0.2-0.6%的石英砂，b)以小於100kg/分鐘的傾注量傾注熔體，和c)使用壓縮空氣以3-10巴的壓力對傾注流進行吹制，特徵在於在氧化條件下進行熔融。全文摘要本發明涉及製備具有1.5-2.5kg/L堆積密度的球形剛玉顆粒的方法。根據所述方法，向氧化鋁中添加0.1-1％的石英砂並在電弧爐中熔融該混合物。以小於100kg/分鐘的量傾注所得熔體，並使用壓縮空氣以3-10巴的壓力對傾注流進行吹制。文檔編號C01F7/02GK101268014SQ200680034429公開日2008年9月17日申請日期2006年9月13日優先權日2005年9月21日發明者J-A·艾拉瑞,S·薩奇思申請人:研磨劑與耐火品研究與開發中心C.A.R.R.D.有限公司