基于在电弧炉中从煅烧铝氧土熔化的刚玉的含氧化钛的氧化铝颗粒及其生产方法

摘要

本发明涉及含氧化钛的氧化铝颗粒，其基于在电弧炉中从煅烧铝氧土熔化的刚玉。所述颗粒具有>97.0重量％的氧化铝含量，1.3至1.8重量％的氧化钛含量和0.02至0.1重量％的氧化锆含量。所述氧化铝颗粒具有<0.8的算术平均致密度。

说明书

本发明涉及含氧化钛的氧化铝颗粒，其基于在电弧炉中从煅烧铝氧 土熔化的刚玉，具有权利要求1的上位概念的特征及其生产方法。

熔化的刚玉由于其高硬度及其高熔点用作磨料和耐火材料。通过在 电弧炉中熔化原料进行生产。按照所用的原料，人们区分所谓的铝土矿 -刚玉和铝氧土-刚玉，铝土矿-刚玉源自作为原料的铝土矿借助在电弧炉 中的还原熔化来获得，而对于铝氧土-刚玉则将通过铝土矿的碱性分解借 助化学途径制备的铝氧土用作原料。

天然发生的铝土矿除了氧化铝还主要包含氧化铁、氧化钛和氧化硅 作为杂质，其在还原熔化的情况下在电弧炉中得以部分清除。以此方式， 获得在磨料和耐火材料工业中熟知的具有约3重量％TiO₂-份额的普通 刚玉和具有约1.6重量％TiO₂-份额的半脆刚玉。

氧化钛含量影响产品的物理特性。由此，含氧化钛的铝土矿刚玉的 突出特征是高韧性，其通过随后的热处理还能得到进一步增加。

氧化钛含量的分析是在熔化期间的质量控制的重要方法。在铝土矿 -刚玉生产期间，碳将TiO₂的一部分还原为在一定程度上可溶于氧化铝 中的Ti₂O₃。

在氧存在下于灼热的情况下形成特征的钢青色，其可归因于 Ti³⁺/Ti⁴⁺-相的形成。被视为氧化铝微粒韧性的指征的钢青色(blauen  Farbe)的形成，强烈取决于以固体形式溶解的氧化钛(Ti₂O₃)的份额。

熔化刚玉(Schmelzkorunde)的第二大类是所谓的白刚玉，其在电弧 炉中基于煅烧铝氧土进行生产。除了纯的白刚玉，还已知氧化铬掺杂的 粉红或深红色的白刚玉。

上文描述的现有技术反映在众多出版物当中，仅从中选出两例进行 描述。

例如，在US4,157,898中描述了基于铝氧土的熔化的氧化铝磨粒， 其具有0.42重量％至0.84重量％的还原氧化钛的内容物。DE3408952 C2描述了通过在电弧中还原熔化铝土矿来生产刚玉的方法，其中添加 金属铝来还原熔化铝土矿。

尽管在电弧炉中生产熔化刚玉已经已知超过100年，当下仍在努力 进行方法和产品的进一步改善，在这方面近来有前景的目标常常是制造 成本主要是原料成本和能源成本的下降。

鉴于增加中的铝土矿价格，曾尝试将用作半脆刚玉生产原料的铝土 矿更换为煅烧铝氧土，这至今由于铝土矿和铝氧土之间的清楚差价被视 为经济上不是很有意义，原因是技术人员也无法预期，通过更换化学组 成基本上不变的原料会发生显著质量差异。

现在令人惊讶地发现，通过用煅烧铝氧土替代铝土矿成功地生产熔 化的含氧化钛的氧化铝颗粒，其具有的特性将其与铝土矿基的常规半脆 刚玉区分开来，并且带来对一些应用的显著技术益处。

下文中根据实施例来解释本发明。

实施例1(半脆刚玉(Halbedelkorund)的生产)

按照根据现有技术的标准配方进行下文用于比较研究的半脆刚玉 的生产，其有意地适于生产的后续要求，从而还使用预生产的循环物 和废料。对于基于铝氧土的产品FR(al)，使用具有含Fe、 Ti和Si的添加剂的铝氧土代替按标准常用的铝土矿，以调节半脆刚玉 的化学组成。

称为FR(bx)和FR(al)的基于这些配方在熔化过程中获得的半脆刚 玉具有表1中总结的化学组成：

表2

按照应用目的，对为粒化准备的半脆刚玉进行1100℃或1300℃的 额外热后处理。对应的后处理产品得以同样地化学分析并描述于上表 中。在上表认识到，特别是在SiO₂-，Fe₂O₃-，ZrO₂-和Na₂O-含量方面 两种不同的半脆刚玉类别FR(al)和FR(bx)存在显著差异。

这样获得的基于铝氧土的含氧化钛的氧化铝颗粒的特征是，Fe₂O₃、 SiO₂和ZrO₂重量份额的总和与Na₂O重量份额的比例是<10。

在作为附图1附上的图中，图示地显示这种相互关系也即化学分析 中的特征差异，从中认识到，对于Fe₂O₃、SiO₂和ZrO₂重量份额的总 和与Na₂O重量份额的比例"x"来说，在根据本发明从铝氧土获得的氧 化铝颗粒FR(al)和基于铝土矿基的常规氧化铝颗粒FR(bx)之间存在显 著差异，其中所得数值的区别接近因子10。这个典型范围表征了各自氧 化铝颗粒的边界(Umrandung)。

熔化试验的首要目标是更换原料用于以引入市场的标准进行的生 产。由此，努力获得对应原始产品规格的化学组成。当然，由于改变的 原料带来杂质或伴随物质的微小变化。

这样获得的氧化铝颗粒的定性研究首先获得的是，铝氧土基半脆刚 玉的"蓝色燃烧(Blaubrennen)"得以缓解，其可能归因于最终产品中氧化 锆的取决于原料的减少的份额。由此，在常规半脆刚玉中发现约0.15 重量％的常见氧化锆份额，其归因于铝土矿中的ZrO₂-杂质。通过原料 的改变和煅烧铝氧土的使用成功地将最终产品中氧化锆份额保持在低 于0.1重量％，优选低于0.05重量％，这带来有关半脆刚玉蓝色燃烧的 上述益处。

在铝氧土基半脆刚玉的研究框架中完成的比较研磨试验得到的是， 对于某些应用观察到用轻微改变的化学组成很难解释的非同寻常高的 性能升高。

实施例2(研磨试验/翼片砂轮)

翼片砂轮中使用的是粒度P40的半脆刚玉-磨料粒度，其中铝土矿 基的标准物质称为BFRPL(bx)，将其与实施例1指定的铝氧土基半脆 刚玉BFRPL(al)进行比较。处理的是尺寸600mm x5mm x60mm的 铁板，其中表面剥蚀60mm x5mm。研磨试验的结果总结于下表2。

表2

半脆刚玉 BFRPL(bx) BFRPL(al) 剥蚀(g) 490g 714g 寿命(min) 14.3 23.0 切削速度(U/min) 34.2 31.0

在铝氧土基半脆刚玉的情况下观察到由于更高寿命的显著性能升 高(更高材料损耗)，此时切削速度(Schnittgeschwindigkeit)进行轻微 受损。

实施例3(研磨试验/切割圆盘)

从粒度P36的半脆刚玉制成直径180mm的树脂粘合的切割圆盘， 用其分离尺寸30.4mm x8.2mm的结构钢ST37。为此，在各自3次粗 切削之后，用8000rpm的旋速0.9cm²/sec的送料完成12次切割。结果 总结于下表3中。

表3

半脆刚玉 BFRPL(bx) BFRPL(al) G-因子(cm²/cm²) 17.5 20.6

实施例4[图像分析ImageJ(版本1.44p)]

由于上文描述的研磨试验发现的性能差异难以用轻微不同的化学 组成来解释，进行铝土矿基半脆刚玉颗粒和铝氧土基的半脆刚玉颗粒之 间的进一步比较研究，其集中于粒形(Kornform)的研究。为此，将铝土 矿基标准物质和氧化铝基半脆刚玉的粒度F36的粒化相互 比较，所述粒化在生产经营中制备且在完全相同的破碎装置上于相同条 件下制备。借助光学显微镜创建粒度F36的填料的图片，并随后通过图 像分析软件ImageJ(版本1.44p)加以分析。

图像分析ImageJ(版本1.44p)

图像分析软件的参数定义如下：

圆度

C＝圆度,

A＝面积,$C=4\pi \frac{A}{P^2}$

P＝周长

拉伸度(长径比)

AR＝拉伸度,

d_max＝最大直径,$\mathrm{AR}=\frac{d_{\max }}{d_{\min }}$

d_min＝最小直径

致密度(密实度)

S＝密实度,

A＝真实颗粒面积,$S=\frac{A}{A+B}$

B＝凸颗粒面积

表4

虽然在圆度和拉伸度方面仅仅观察到两种半脆刚玉类别之间的微 小差异，致密度的差异则视为显著。铝氧土基半脆刚玉具有明显更小的 算术平均致密度，这指出易碎的、锋利的形式，其视为改善研磨功效的 可能原因。

图2并排展示本发明的铝氧土基含氧化钛的氧化铝颗粒和常规铝土 矿基含氧化钛的氧化铝颗粒的粒度F36的放大的光学显微镜照片的各 部分，其中描绘典型颗粒的外形并用白色突出以澄清差别。由此观察到， 铝氧土基含氧化钛的氧化铝颗粒FR(al)，与铝土矿基含氧化钛的氧化铝 颗粒FR(bx)相比，显示更尖锐的边缘且显得有棱角。

因此，本发明的主题是含氧化钛的氧化铝颗粒，其基于在电弧炉中 从煅烧铝氧土熔化的刚玉，具有下述化学组成：Al₂O₃>97.0重量％， Fe₂O₃<0.2重量％，例如0.05至0.2重量％的Fe₂O₃，SiO₂<0.5重量％， 例如0.1至0.5重量％的SiO₂，1.3至1.8重量％的TiO₂，ZrO₂<0.1重 量％，例如0.02至0.1重量％的ZrO₂，0.05至2.0重量％的Na₂O且其 它(CaO，MgO，K₂O)<0.2重量％，各自基于熔化的刚玉的总重量。

含氧化钛的氧化铝颗粒具有<0.8的算术平均致密度，其中致密度的 度量是借助图像分析确定的且作为真实颗粒面积(A)与凸颗粒面积(B)的 比例定义的密实度(S)。

此外，本发明含氧化钛的氧化铝颗粒的特征还是，Fe₂O₃、SiO₂和 ZrO₂重量份额的总和与Na₂O的重量份额的比例是<10。

本发明的有利设计预计，含钛的氧化铝颗粒具有<0.05重量％的 ZrO₂份额。

本发明的主题还是生产基于在电弧炉中从煅烧铝氧土熔化的刚玉 的含氧化钛的氧化铝颗粒的方法。所述方法包括下述步骤：在电弧炉中， 在铁屑和炭存在下，熔化含Al₂O₃、TiO₂、SiO₂和Fe₂O₃的混合物的原 料，冷却熔化的混合物，以获得固态的基本上由刚玉组成的块，并且粉 碎和将如此获得的刚玉块加工为经定义的颗粒尺寸分布。在此，作为原 料加入少量的选自煅烧铝氧土、金红石、钛铁矿和铁矿的含杂质原料， 其用量使得获得具有下述化学组成的含氧化钛的氧化铝颗粒：Al₂O₃> 97.0重量％，Fe₂O₃<0.2重量％，例如0.05至0.2重量％的Fe₂O₃，SiO₂<0.5重量％，例如0.1至0.5重量％的SiO₂，1.3至1.8重量％的TiO₂， ZrO₂<0.1重量％，例如0.02至0.1重量％的ZrO₂，0.05至2.0重量％ 的Na₂O和其它(CaO，MgO，K₂O)<0.2重量％。

如此获得的氧化铝颗粒的致密度的算术平均值<0.8，其中致密度的 度量是借助图像分析确定的且作为真实颗粒面积(A)与凸颗粒面积(B)的 比例定义的密实度(S)。

如此获得的含氧化钛的氧化铝颗粒用于生产磨料和/或耐火材料。