Procédé pour la production de cristaux d'alumine de caractère abrasif Le brevet principal concerne un procédé de prépara tion de cristaux d'alumine a abrasifs, ayant la forme de cristaux individuels en plaquettes, non broyés et à pores microsphériques ; ces cristaux sont utilisables en particu lier pour le meulage de précision et pour la fabrication de produits abrasifs appliqués. Ledit procédé consiste à chauffer la solution d'une source d'alumine dans un fondant en fusion, pour faire évaporer le fondant et précipiter les cristaux.
La présente addition apporte des changements et perfectionnements au procédé décrit au brevet principal, et par cela au produit obtenu par ce procédé. L'abrasif obtenu par le procédé faisant l'objet de cette addition et décrit au brevet principal diffère des grains d'alumine cristalline de la technique antérieure en particulier par sa morphologie, sa porosité et son rendement au meulage.
Les techniques perfectionnées qui sont décrites dans la présente addition résolvent des problèmes tels que le temps excessif nécessaire à la production des cristaux, les températures excessivement élevées et les problèmes de pollution de l'atmosphère et d'évacuation ou de récupération de quantités excessives de matières dange reuses, corrosives ou coûteuses.
Le procédé faisant l'objet de ces perfectionnements utilise des matières premières peu coûteuses et peut être appliqué à la production de cristaux d'alumine alpha abrasifs correspondant à une granulométrie donnée (allant par exemple du grain No 8 au grain No 320 grains de 2,38 à 0,044 mm) en un laps de temps plus court et à des températures plus faibles que cela n'était possible jusqu'ici.
Le procédé pour la production de cristaux d'alumine alpha abrasifs et calibrés à partir d'une source d'oxyde d'aluminium consiste en ce qu'on prépare un mélange réactionnel constitué par une composition renfermant une source d'alumine, une source d'oxyde de sodium et une source d'oxyde de titane, le rapport molaire entre l'alumine et l'oxyde de sodium étant compris entre 4 et 9, tandis que le rapport molaire entre l'alumine et l'oxyde de titane est compris entre 4 et 20, on chauffe ensuite cette composition à au moins 14500 C, on main tient cette composition à une température d'au moins 14500 C pendant une à six heures, dans des conditions telles que plus de 95 0/o de la teneur en oxyde de sodium soient éliminés du mélange réactionnel en une à six heures,
on refroidit le mélange réactionnel et on sépare de celui-ci les cristaux d'alumine a, abrasifs calibrés.
Le procédé selon la présente invention permet égale ment d'obtenir des cristaux d'alumine abrasifs et cali brés ayant la forme d'un disque polygonal dans lequel le rapport entre le diamètre et l'épaisseur est au moins égal à 2 : 1.
La description qui va suivre, concernant un mode de fabrication préféré pour la transformation des ma tières premières en cristaux d'alumine a formant pro duit, permettra de mieux comprendre les perfectionne ments du procédé faisant l'objet de cette addition.
La fig. 1 est un schéma opérationnel montrant le mode de mise en aeuvre du processus, selon lequel on mélange une source d'alumine avec une source d'oxyde de sodium et une source d'oxyde de titane, puis com prime le mélange pulvérulent et on le cuit de telle sorte que ce mélange soit exposé à l'effet d'une atmosphère permettant l'élimination de Na2O à partir du mélange pendant un laps de temps au moins égal à une heure à une température supérieure à 1450 C. Après refroi dissement, on récupère le produit par traitement chimi que ou mécanique, afin de débarrasser les cristaux abra sifs des produits non cristallins.
La fig. 2 est un graphique montrant l'effet de l'oxyde de titane TiO2 présent dans le mélange. L'axe des ordon nées indique le rendement relatif en produit servant d'abrasif pour des conditions de cuisson fixes, en forte- Lion du pourcentage en poids d'oxyde de titane dans le mélange. Comme indiqué, aucun effet notable n'est obtenu tant que la teneur en oxyde de titane n'est pas supérieure à 2 0/o sur la base du poids de l'oxyde de sodium et de l'alumine.
Bien que cela ne soit pas indiqué sur le graphique, une augmentation de la teneur en oxyde de titane au-dessus de 8 0/o permet une séparation phis facile du produit par rapport à la phase vitreuse et achève la cristallisation dans une gamme plus large et moins critique de conditions de cuisson.
La fig. 3 est un graphique montrant l'effet de la présence du calcium dans le mélange réactionnel et l'effet du sodium présent dans le mélange. L'axe des abscisses indique la teneur en oxyde de sodium, l'axe des ordonnées représente la grosseur maximum des cristaux pour un groupe donné de conditions de cuisson en utilisant un mélange renfermant 100/o d'oxyde de titane. Comme indiqué, la présence de CaO selon une teneur aussi faible que 1,5 0/0 double au moins la gros seur maximum des cristaux pour toutes les teneurs en oxyde de sodium.
Le premier stade opératoire consiste à mélanger les divers ingrédients pour former un mélange homogène, .71-- telle sorte que les réactions nécessaires puissent se produire. Les particules des divers ingrédients doivent être dispersées de façon homogène dans l'ensemble du mélange et les cristaux de source d'alumine doivent ,Voir une grosseur inférieure à 20 microns environ afin dc pouvoir réagir complètement pendant la période et à la température de mise en oeuvre du processus.
Ce ri!znge homogène peut être obtenu de deux manières, ,oit pir mélange thermique, soit par mélange mécanique. !_# riélange mécanique est réalisé en introduisant toutes 1>>s m--ttiéres premières dans un broyeur à boulets conve- n-iblL â boulets ou à barreaux et en broyant et en mélan- q.-int intimement les matières de telle sorte que les cristaux d'alumine de la matière formant source aient moins de 20 microns.
Ceci est une opération simple et classique dans l'industrie céramique. Un mélange ther- inique est obtenu en mélangeant d'abord brièvement par Voie mécanique la source d'alumine et la source d'oxyde de sodium. On introduit ensuite ce mélange dans un four convenable et on le chauffe à 1200 C environ pendant environ deux heures, ce qui permet à la totalité de l'oxyde de sodium de réagir avec l'alumine en formant à la fois de l'alumine bêta (une molécule d'oxyde de sodium pour I1 molécules d'alumine) et de l'aluminate de sodium (une molécule d'oxyde de sodium pour une molécule d'alumine).
Si l'on effectue un mélange ther mique, il est préférable d'opérer dans une atmosphère oxydante, étant donné que l'oxyde de sodium semble être moins volatil dans ces conditions.
La matière est ensuite transformée en petites bou lettes ou en granules, de sorte que les ingrédients de départ vont être en contact intime, ce qui est nécessaire pour permettre l'achèvement de la réaction finale de poursuivre jusqu'à ce qu'elle soit complète, et ces gra nules sont exposés à l'effet de l'atmosphère du four. On peut effectuer cette opération de deux manières. La matière brute peut être pressée en agglomérés, puis granulée sur un tamis afin d'obtenir des granules de la grosseur désirée, ou bien cette matière peut être mélan gée avec des plastifiants convenables et extrudée et séchée pour obtenir des granules de la grosseur correcte. La grosseur maximum des granules est déterminée par le mécanisme d'élimination de sodium dans la phase vapeur.
En d'autres termes, des granules de grosseur notable ne permettent pas l'élimination correcte de l'oxyde de sodium, de sorte qu'il ne se forme pas de cristaux d'alumine alpha de grande dimension. La gros seur maximum des granules utilisables économiquement est d'environ 6,35 mm. La forme du corps pressé ou aggloméré n'est pas importante tant que l'une au moins de ses dimensions est égale ou inférieure à 6,35 mm. Quand la plus petite dimension est supérieure à cette valeur, les temps de conversion nécessaires sont plus longs.
Le stade opératoire suivant au cours du processus correspond à la cuisson. Il semble également qu'une température de cuisson raisonnable et économique soit d'environ 1500 C. A des températures inférieures à cette valeur, la réaction est plus lente. A des températures plus élevées, la réaction peut être rendue plus rapide. Toutefois, on aboutit alors à des modèles de four peu économiques et à des problèmes d'entretien, si la tempé rature est beaucoup supérieure à 1700 C. Dans la gamme de températures allant de 1500 à 1550 C, cette réaction peut être poursuivie jusqu'à ce qu'elle soit com plète, en utilisant des granules de 6,35 mm, en un laps de temps raisonnable d'environ une heure. Des tempéra tures plus élevées exigent un laps de temps plus court et des températures plus faibles exigent un laps de temps plus long.
L'atmosphère du four autour des granules est critique. Des cristaux d'alumine alpha très gros, de l'ordre de 2 cm, peuvent être produits en chauffant le mélange dans l'air à 1550 C pendant cent heures, mais on constate qu'une période de maintien à un palier de température voulu pendant cent heures n'est pas écono mique lors de la production de tonnages importants de cette matière, de sorte qu'un tel mode opératoire ne correspond pas aux perfectionnements faisant l'objet de cette addition. Des cristaux abrasifs d'une grosseur de l'ordre de 2000 microns peuvent être produits à 1500 C en une heure, à condition d'utiliser l'atmosphère réduc trice correcte.
Des essais montrent qu'une atmosphère réductrice accélère la formation des cristaux aux dé pens d'une réduction de leur grosseur. Etant donné que des cristaux de 2 cm ne présentent qu'un faible intérêt pour l'industrie des abrasifs, cette réduction de la taille des cristaux ne correspond pas à un inconvénient important. L'accélérateur utilisé de préférence pour le processus de cristallisation est une atmosphère réduc trice sous la forme d'oxyde de carbone. Il semble en théorie que l'oxyde de carbone réagisse avec l'oxyde de sodium pour former du sodium métallique et du gaz carbonique. Ce sodium métallique a une tension de vapeur beaucoup plus élevée que l'oxyde, de sorte que la vaporisation est accélérée.
Des recherches ont montré également que la présence de vapeur d'eau dans l'atmo sphère du four accélère également le processus, probable ment en transformant l'oxyde de sodium en hydroxyde de soude, qui à son tour a une tension de vapeur plus élevée que l'oxyde. Quel que soit le mécanisme de l'élimination du sodium par rapport au mélange réac tionnel, il est clair que les atmosphères de travail pro voquent la réaction du sodium pour former un consti tuant ayant une tension de vapeur élevée, qui se volatilise à partir du mélange en réduisant ou épuisant ainsi la teneur en sodium de ce mélange. Une cristallisation peut également être obtenue avec succès en utilisant de l'hy drogène ou du méthane comme atmosphère réductrice.
On petit également obtenir une conversion raisonnable en soumettant la matière à l'impact direct d'une flamme d'air et de méthane. Etant donné qu'une caractéristique essentielle de ce processus est l'élimination de l'oxyde de sodium, il est important que l'épaisseur de la section à travers laquelle l'oxyde de sodium doit passer demeure faible, c'est-à-dire qu'il est préférable d'utiliser des gra nules ayant une dimension ne dépassant pas 6,35 mm, afin de permettre une conversion complète en un laps de temps raisonnable.
Quand on utilise des matières premières impures comme de la bauxite ou de l'Ilménite, les impuretés en excès comme la silice, le fer et l'oxyde de titane doivent être évacuées, car elles ne pénètrent pas selon des quantités déterminables dans le cristal d'alumine alpha. Lorsque cette réaction se termine, c'est-à-dire lorsque la totalité de l'alumine est en principe transformée en monocristaux, le mélange restant sous forme de matrice est épuisé en ce qui concerne l'alumine, de sorte qu'on peut s'attendre à obtenir pour ce mélange un point de fusion très faible. La pratique montre que ceci est bien le cas et que ce verre à bas point de fusion doit alors être repris par une matière absorbante.
Afin de réduire la quantité d'impuretés qui doit être éliminée au cours de ce processus, il est préférable, bien que cela ne soit pas essentiel, d'utiliser des matières premières aussi pures que cela est économiquement possible. Les matières absorbantes préférées sont formées par un mélange d'environ 80 0/o d'alumine et de 20 0/o de matière du type de l'argile figuline. On peut utiliser de l'alumine pure sans mélange avec de l'argile.
Lorsque le cycle de cuisson a provoqué la formation de gros cristaux d'alumine alpha, les granules peuvent être soumis à un traitement chimique afin de séparer les gros cristaux. Tout d'abord, on traite les granules avec un acide fort, on les lave et on les traite ensuite avec une base forte, par exemple avec de la soude. Après un lavage intime, la matière formant matrice qui retient encore les cristaux ensemble se ramollit et se désagrège aisément. Les granules sont ensuite soumis à une opé ration de broyage assez doux de telle sorte que les cris taux soient séparés. La matière en excès formant la matrice est ensuite séparée des cristaux par lavage, et après séchage ces cristaux peuvent être incorporés à une meule.
Quand on utilise des matières de grande pureté, par exemple de telle sorte qu'un minimum de matière formant matrice soit contenu dans le produit, les cris taux peuvent être récupérés par un broyage doux sans avoir recours à un traitement chimique.
Un cristal d'alumine alpha type produit par ce pro cessus a un diamètre de 1000 à 2000 microns et une épaisseur de 500 à<B>1000</B> microns. Cette grosseur est approximativement équivalente au grain No 8, comme décrit dans la recommandation pratique simplifiée de Granulométrie des grains abrasifs 118.50 publiée par le Ministère du Commerce des Etats-Unis d'Amérique. Les cristaux limpides renferment, comme le montre l'ana lyse, 99 0/0 -i- d'alumine et environ 0,2 0/o de bioxyde de titane. En outre, les cristaux bleus renferment moins de 1 0/o d'oxyde de fer à titre de colorant. Les cristaux ne contenant pas d'oxyde de fer sont fondamentalement du saphir transparent. Toutefois, la plupart d'entre eux ont une porosité interne sphérique d'environ 5 0/o en volume, qui donne au cristal un aspect blanc laiteux.
Le mélange avec de l'oxyde de fer fournit un aspect analogue, sauf qu'une couleur bleu foncé rend les sections épaisses opaques. Occasionnellement, on note à l'intérieur de la porosité interne la présence d'une matrice formant inclu sion ayant la composition suivante : environ 10 0/o d'oxy- de de sodium et 35 0/o de bioxyde de titane, le reste étant formé par de l'alumine. En plus de la porosité interne sphérique, cette forme est connue dans les dis ques abrasifs et constitue une forme faible ou peu résistante, les cristaux les plus gros tendant à présenter une forme plus aplatie.
On peut identifier cet abrasif (1) par la nature aplatie des gros cristaux, (2) par la porosité interne plutôt sphérique et (3) par l'apparition éventuelle de matrice formant inclusion dans les pores internes. Cette porosité interne et cette forme aplatie du cristal contribuent sans aucun doute à la supériorité de cet abrasif pour le meulage de précision. Au cours de tous les essais de meulage effectués jusqu'ici, ce type de cristal s'est révélé supérieur à tous les types connus de grain abrasif du commerce pour le meulage de précision.
On décrira maintenant en détail le processus utilisé. <I>Matières premières</I> Les matières premières requises sont une source d'alumine, une source d'oxyde de sodium et une source d'oxyde de titane.
L'alumine peut être fournie par de la bauxite, de la. bauxite purifiée par voie chimique (par exemple alumine obtenue par le procédé Bayer), de l'aluminate de sodium (par exemple alumine bêta) ou des sources équivalentes ayant une teneur en alumine comparable.
L'oxyde de sodium peut être fourni par n'importe quel composé de sodium retenant le sodium dans le mélange dans des conditions neutres ou oxydantes jus qu'aux températures de cuisson maxima utilisées. Le carbonate de sodium, le sulfate de sodium, le fluorure de sodium, la cryolithe et l'aluminate de sodium don nent tous satisfaction pour la mise en oeuvre de ce pro cédé. Les sels ayant une tension de vapeur élevée ou favorisant la perte de sodium avant le début de dévelop pement des cristaux, tels que NaNO; et NaCI, ne con viennent pas. Les fluorures conviennent moins que l'oxy de, le carbonate ou le sulfate.
L'oxyde de titane peut être fourni sous forme de titane élémentaire, de TiO, de rutile, de T'203, ou d'un titanate. L'oxyde de titane T'O., est préférable étant donné qu'on le trouve facilement. La teneur en titane est calculée et exprimée dans ce cas sous forme de la teneur équivalente en oxyde de titane T'02.
Les proportions relatives d'alumine (A), d'oxyde de sodium (N) et d'oxyde de titane (T) dans le mélange sont importantes. La quantité de sodium utilisée réelle ment correspond à une teneur en oxyde de sodium (c'est-à-dire que le sodium, quelle que soit sa forme, est calculé sous forme d'une quantité équivalente en fonction de la teneur en sodium de l'oxyde de sodium Na2O) allant de 6 à 12 0/o en poids. Ceci correspond à un rapport molaire entre l'alumine et l'oxyde de sodium <B>(AIN)</B> allant de 4 (12 0/o en poids d'oxyde) à 9 (6 0/o en poids d'oxyde).
La quantité préférée de sodium corres pond à un rapport total A/N égal à 5,5, ce qui co@rres- pond à environ 10,5 0/o en poids d'oxyde de sodium (tous les pourcentages en poids de ce paragraphe sont basés sur les teneurs en alumine plus oxyde de sodium, en négligeant les autres ingrédients). Une réduction importante de l'efficacité de l'oxyde de sodium est notée au-dessous de 8 0/o en poids. Ainsi, la gamme préférée de teneurs en oxyde de sodium va de 8 à 12 0/o en poids, ce qui correspond à un rapport molaire A/N allant de 4à8.
L'oxyde de titane doit être présent selon un rapport molaire A/T (alumine-oxyde de titane) allant de 4 à 20, ce qui correspond à une teneur allant de 4 à 15 % en poids d'oxyde de titane (sur la base de l'oxyde de titane et de l'alumine).
Parmi les autres additifs avantageux, on peut noter la chaux, CaO, qui peut être ajoutée sous forme de carbonate de calcium CaCO3. Une addition de 1,5 % en poids de CaO (ou la quantité équivalente de CaCO3) est capable de produire des cristaux dont la grosseur est au moins le double, dans leur dimension principale, de celle des cristaux produits autrement à la même tempé rature et avec le même temps de maintien au palier de température pour un mélange ne contenant pas de cal cium ou de composé du calcium. Une quantité ne dé passant pas 0,5 % en poids de CaO fournit une augmen tation de 50 % de la taille des cristaux et on ne note aucun avantage dans le cas d'une addition supérieure à 2%.
Pour une addition égale à 3 %. la grosseur maxi- nium des cristaux est la même que celle obtenue dans le cas d'une teneur en CaO égale à 1,5 %.
Au cours d'un essai concernant l'effet des autres sources spécifiques de calcium combiné, CaSO4, Ca(OH)2, CaCl2, CaC2H4, un ciment à base d'aluminate de calcium et CaCN2 sont utilisés pour fournir l'équiva lent de 1.5 % de CaO en poids dans le mélange. L'hy droxyde et l'oxalate sont aussi efficaces que CaO. Le plâtre de Paris et le chlorure de calcium sont efficaces, niais provoquent l'agglomération du mélange sur la ma tière absorbante et ne sont donc pas préférés. Le ciment < i base d'aluminate de calcium et la cyanamide calcique donnent une augmentation importante, mais inférieure toutefois en ce qui concerne la grosseur ou taille maxi mum des cristaux.
Bien qu'il soit désirable de maintenir à une valeur minimum les matières non alumineuses non indispensa bles, afin de réduire également au minimum la formation de sous-produits indésirables qui tendent à rendre moins économique la récupération des cristaux, des impuretés à la teneur selon laquelle on les trouve dans la bauxite sont admissibles. La- silice, bien qu'elle soit également admissible selon les quantités qu'on peut trouver dans la bauxite, est indésirable. La magnésie ou les composés du magnésium ont un effet d'inhibition sur la cristalli sation, de même que le chrome et à un certain degré le fer.
Toutefois, le fer est efficace en combinaison avec l'oxyde de titane et est capable de produire une couleur bleue clans le produit cristallin, ce qui peut être désira ble pour certaines applications.
La -mutilation du mélange peut être réalisée sous l'effet d'une très faible pression. N'importe quelle pres sion suffisante pour produire des granules ayant un caractère autoporteur raisonnable suffit ici. Des pressions plus élevées ne sont pas nécessaires, mais elles peuvent être. utilisées sans qu'il en résulte un inconvénient. Une pression supérieure à 3,5 kg/cm2 est désirable.
Des matières inertes peuvent être mélangées avec les ,granules ou incorporées à ceux-ci. Par exemple, du car bone sous la forme de charbon de bois ou de coke peut être employé pour maintenir les granules ou boulettes séparés, comme dans un four vertical à alimentation par gravité, un four rotatif ou un four à lit fluidisé.
On indiquera maintenant les conditions préférées de traitement dans le four. Les variables appliquées lors de ce traitement au four sont le temps, la température et l'atmosphère du four. La température la plus faible à laquelle de bons résultats peuvent être obtenus en un laps de temps raisonnable est de 1450,) C, mais il est préférable d'opérer à 1500-1550 C bien que des tem pératures plus élevées puissent être employées.
L'atmosphère du four doit fournir des conditions réductrices par rapport à Na2O. L'oxyde de carbone, pur ou en mélange avec de l'azote ou avec d'autres gaz non oxydants, est utilisable pour la mise en ouvre du pro cessus, de même que l'hydrogène ou le métal, qui subit un craquage pour fournir de l'hydrogène à la température considérée. La concentration et le débit de l'atmosphère doivent être suffisants pour assurer une élimination quantitative du sodium par rapport au mélange de réactifs pendant le temps choisi de maintien au palier de température, qui peut varier de une à six heures. Des temps plus longs peuvent bien entendu être utilisés, mais ils ont un effet notable sur le caractère économique du processus.
La cristallisation de l'alumine alpha ne com mence que lorsque l'oxyde de sodium a été réduit jus qu'à un rapport A/N inférieur à 11.
Un processus pour la production ou l'obtention de conditions réductrices actives consiste à faire cuire les boulettes au voisinage de la pointe d'une flamme d'un four alimenté au gaz, dans lequel le rapport air-gaz est réglé de façon à fournir des conditions réductrices. Un mélange type est formé par un mélange stochiométrique de gaz naturel et d'air. Des mélanges pauvres en oxygène ont bien entendu également un effet réducteur. En ce qui concerne le gaz naturel type, le rapport stoechiomé- trique est de 10 volumes d'air pour 1 volume de gaz.
A titre d'exemple et à des fins d'essai, on a utilisé un four à tube horizontal contenant une atmosphère contrôlée. On a chauffé le four au moyen d'éléments chauffants à résistance, répartis tout autour de sa péri phérie et parallèles à l'axe du tube, en faisant passer divers gaz et mélanges de gaz à travers le tube au cours d'un même essai. La section droite du tube était égale à 46 cin2. Une charge type de mélange correspondait à 25 g. Le temps de montée en température n'est pas critique, comme le montre l'expérience. Après la réac tion, le contenu peut être évacué ou déchargé immédia tement. Ainsi, le temps de refroidissement n'a aucune influence critique sur le processus.
Les exemples donnés ci-après permettront de mieux comprendre encore comment ce processus peut être mis en ceuvre. On se référera dans ces exemples à des mé langes de diverses matières premières qui ont été utili sées avec succès pour produire des cristaux d'alumine alpha abrasifs et calibrés selon les perfectionnements du procédé faisant l'objet de cette addition.
EMI0004.0020
EMI0005.0000
Désignation <SEP> Source
<tb> du <SEP> mélange <SEP> Source <SEP> de <SEP> A12O3 <SEP> de <SEP> Na2O <SEP> Source <SEP> de <SEP> TiO2 <SEP> Autres <SEP> additifs
<tb> 1525 <SEP> Alumine <SEP> Bayer <SEP> (A-2)
<tb> 80% <SEP> Na2C03 <SEP> 17 <SEP> % <SEP> TiO2 <SEP> 10%
<tb> 1564-1 <SEP> Alumine <SEP> 81% <SEP> Na2C03 <SEP> 16 <SEP> % <SEP> TiO2 <SEP> 10%
<tb> l564-2 <SEP> Alumine <SEP> 78% <SEP> Na2CO3 <SEP> 16 <SEP> % <SEP> TiO2 <SEP> 10% <SEP> Fe2O3 <SEP> 3%
<tb> CaCO3 <SEP> 3%
<tb> 1570 <SEP> Alumine <SEP> 78% <SEP> Na2C03 <SEP> 16 <SEP> % <SEP> TiO2 <SEP> 10% <SEP> Cr203 <SEP> 3 <SEP> %
<tb> CaCO3 <SEP> 3 <SEP> %
<tb> D-20-1 <SEP> B-7 <SEP> 79% <SEP> (B-7) <SEP> FeTiO3 <SEP> 4 <SEP> %
<tb> D-20-2 <SEP> B-7 <SEP> 79% <SEP> (B-7) <SEP> FeTiO3 <SEP> 6%
<tb> D-20-3 <SEP> B-7 <SEP> 79% <SEP> (B-7)
<SEP> FeTiO3 <SEP> 8 <SEP> %
<tb> D-20-5 <SEP> B-7 <SEP> 79% <SEP> (B-7) <SEP> FeTiO3 <SEP> 12%
<tb> D-21 <SEP> B-7 <SEP> 79% <SEP> (B-7) <SEP> TiO2 <SEP> 6%
<tb> D-20-6 <SEP> B-7 <SEP> 79% <SEP> (B-7) <SEP> Ti203 <SEP> 6%
<tb> D-26-1 <SEP> B-7 <SEP> 79 <SEP> parties <SEP> (B-7) <SEP> Ti02 <SEP> 9 <SEP> parties <SEP> Cr203 <SEP> 3 <SEP> parties
<tb> D-26-2 <SEP> B-7 <SEP> 79 <SEP> parties <SEP> (B-7) <SEP> TiO2 <SEP> 9 <SEP> parties <SEP> V205 <SEP> 3 <SEP> parties
<tb> D-26-3 <SEP> B-7 <SEP> 79 <SEP> parties <SEP> (B-7) <SEP> TiO2 <SEP> 9 <SEP> parties <SEP> Ca0 <SEP> 3 <SEP> parties
<tb> D-26-4 <SEP> B-7 <SEP> 79 <SEP> parties <SEP> (B-7) <SEP> TiO2 <SEP> 9 <SEP> parties <SEP> Mn0 <SEP> 3 <SEP> parties
<tb> D-26-5 <SEP> B-7 <SEP> 79 <SEP> parties <SEP> (B-7)
<SEP> TiO2 <SEP> 9 <SEP> parties <SEP> NiO <SEP> 3 <SEP> parties
<tb> D-73 <SEP> B-7 <SEP> <B>890/0</B> <SEP> (B-7) <SEP> Ti <SEP> 60/o
<tb> 52-F <SEP> Bauxite <SEP> Surinam
<tb> 79% <SEP> Na2S04 <SEP> 19% <SEP> TiO2 <SEP> 2% <SEP> Impuretés <SEP> types <SEP> de <SEP> la <SEP> bauxite
<tb> (calcinée)
<tb> 53-N <SEP> Bauxite <SEP> 82% <SEP> Na2C03 <SEP> 16 <SEP> % <SEP> TiO2 <SEP> 2%
<tb> 65-F <SEP> (M) <SEP> Alumine <SEP> Bayer
<tb> 70 <SEP> p <SEP> NaF <SEP> 9 <SEP> p <SEP> TiO2 <SEP> 8 <SEP> p
<tb> 43-S <SEP> Bauxite <SEP> Surinam
<tb> 50% <SEP> Na3AlF6 <SEP> 25 <SEP> % <SEP> Ilmenite <SEP> 25%
<tb> T-1 <SEP> Alumine <SEP> Bayer
<tb> 78% <SEP> Na2O <SEP> 12% <SEP> TiO2 <SEP> 10%
<tb> T-2 <SEP> B-7 <SEP> 87% <SEP> (B-7) <SEP> TiO2 <SEP> 10% <SEP> CaC03 <SEP> 3%
<tb> T-3 <SEP> B-7 <SEP> 83% <SEP> (B-7)
<SEP> TiO2 <SEP> 9% <SEP> CaC03 <SEP> 6 <SEP> %
<tb> T4 <SEP> A12O3 <SEP> 86% <SEP> NaTi03* <SEP> 14% <SEP> (Na2TiO3)
<tb> * <SEP> Mélange <SEP> de <SEP> Na2O <SEP> et <SEP> Na2Ti3O7 <SEP> selon <SEP> un <SEP> rapport <SEP> molaire <SEP> égal <SEP> à <SEP> 2 <SEP> : <SEP> 1. Dans le tableau, B-7 désigne une composition alu mine-oxyde de sodium renfermant 82 % d'alumine obte nue par le procédé Bayer (alumine A-2 de l'Aluminium Company of America) et 18 % de carbonate de sodium, mélangés et cuits pendant deux heures à 1400 C. Le produit est essentiellement formé<I>par</I> de l'alumine bêta (Na2O.11 Al2O3) et par de l'aluminate de sodium (1 : 1).
L'analyse du B-7 donne 9,5 0/o de Na-,O et 90 0/o de AI20.3. On peut utiliser du sulfate de sodium au lieu de carbonate de sodium pour produire le B-7. Avant l'em ploi, la matière est broyée pour réduire sa grosseur de particules à 20 microns ou moins.
Les mélanges ci-dessus permettent tous une produc tion quantitative satisfaisante de cristaux d'alumine alpha en une à six heures dans une atmosphère de CO ou bien d'azote et de CO. Les conditions types de traitement au four pour le tube décrit correspondent à 200 cm2 par minute de CO en mélange avec 3 litres d'azote, qui est de préférence rendu humide par passage à travers de l'eau avant l'injection dans le four. Le mélange, sous la forme de granules ou de boulettes ayant une dimension inférieure à 6,35 mm, est étalé en une couche mince sur une claie (par exemple en alumine) et est maintenu entre 1450 et 1700 C pendant une à six heures, les tempéra tures plus élevées exigeant moins de temps.
On peut rem placer le CO par de l'hydrogène ou du métal, mais des débits plus faibles doivent être utilisés pour empêcher une surréduction du mélange ou même la réduction des matières constituant le four. On constate que l'hydrogène est plusieurs fois plus actif que le CO, et que le CH., est même encore plus actif dans les conditions spécifiées.
La concentration et le débit en gaz réducteur doivent être suffisants pour éliminer la plus grande partie de l'oxyde de sodium du mélange en une à cinq heures à la température de palier utilisée. Dés que l'oxyde de sodium est réduit à moins de 5,5 0/o en poids (N/A =<B>11, 1),</B> le développement des cristaux d'alumine alpha commence. Ainsi, pour une conversion raisonnable, on peut indi- quer qu'au moins 95 % de l'oxyde de sodium initial doivent avoir été éliminés du mélange. En d'autres ter mes, pour des mélanges optima, la teneur en oxyde de sodium doit avoir été réduite à 0,5 % ou moins à la fin Cie la cuisson.
Le produit est, lors de son extraction du four, traité avec de l'acide sulfurique 0,1 N chaud pendant une heure ou plus, puis avec NaOH à 20 % pendant une heure. Dans le cas de mélanges (tels que le mélange 1508-1) qui contiennent de petites quantités d'impuretés, les cristaux peuvent être séparés mécaniquement, par exemple par broyage, ou par traitement chimique. Le traitement chimique est utilisé pour éliminer le laitier en excès (phase non cristalline) et tout traitement chimique ou mécanique permettant de parvenir à ce résultat peut être utilisé.
Broyage Un mélange formé par 90 parties de B-7 et 10 par ties d'oxyde de titane est transformé en boulettes d'une grosseur NT, 16 (0,19 mm) et en granules plus gros, et il est soumis à une cuisson dans un four à gaz, le rapport entre le gaz et l'air étant (en volume) égal à 1 : 10 et la flamme frappant directement les granules, qui reposent sur une claie en alumine sur une épaisseur formant une couche. Les boulettes présentent, après extraction au bout d'un temps de cuisson de cinq heures à 1550 C, un développement excellent des cristaux. Après refroi dissement, les cristaux sont séparés par un traitement -alcalin comme décrit précédemment et les cristaux acide séparés sont criblés.
On obtient un rendement utile inté ressant, dans une gamme allant du No 12 au No 100 (grains de 1,68 à 0,149 mm).
Un grain abrasif tel que celui produit précédemment est transformé en meule en employant du grain No 46 (0,35 mm) et du grain No 60 10,25 mm), avec un agglo mérant vitrifié. Les meules ont un diamètre égal à 190 min environ et une épaisseur égale à 12,5 mm environ et sont adaptées à la spécification standard de la de manderesse J (grade) 8 (structure). Lors du meulage d'un acier type dans des conditions normalisées, le pro duit s'est révélé supérieur à un abrasif du commerce à base d'alumine fondue de grande pureté. Le rapport entre le volume de métal enlevé et le volume d'usure de la meule est de 22 à 36 0/o supérieur pour l'abrasif cor respondant aux perfectionnements faisant l'objet de cette addition.
La forme de l'abrasif mentionné ici convient parti culièrement bien pour la fabrication d'abrasifs appliqués. Au cours d'une comparaison entre des disques de fibres portant un abrasif appliqué avec agglomérant résineux, effectuée en utilisant un abrasif standard No 30 (grain de 0,59 mm) et l'abrasif faisant l'objet de la présente addi tion et correspondant à la même granulométrie, le pour- ccntage de coupe d'acier 1020 est de 28 % supérieur en ce qui concerne le grain abrasif décrit ici.
<I>Description du grain</I> Le grain abrasif produit par le procédé de dévelop pement sans fusion décrit présente des propriétés remar quables, qui le distinguent de l'alumine alpha obtenue par d'autres méthodes.
1) Morphologie Les grains abrasifs décrits sont des monocristaux ayant une grosseur allant du No 8 au No 320 (grain de 2,38 à 0,044 mm). Ils se présentent sous la forme de disques polygonaux plats dont les faces planes sont pa- rallèles à l'axe du cristal et les côtés sont parallèles ou inclinés par rapport à l'axe e du cristal. Un résultat de cette orientation des grains abrasifs est le fait que les faces planes ont une dureté d'environ 1600 à l'échelle Knoop, tandis que les faces latérales ont une dureté d'environ 2200 à l'échelle Knoop. Le diamètre des faces planes est au moins égal au double de l'épaisseur du cristal.
2) Porosité Les cristaux présentent une porosité sphérique allant d'un diamètre égal à 40 microns à des tailles submicro- niques. Le pourcentage en volume de porosité dans les cristaux d'une dimension de 50 microns et moins est en moyenne d'environ 10 0/0, la valeur minimum corres pondant à une porosité de 8 0/o environ. 40 à 60 0/0 de la porosité correspondent à une porosité interne fermée, tandis que le reste est une porosité ouverte accessible depuis la surface du grain. Des mesures de porosité peu vent être obtenues par des méthodes pycnométriques standards et par le porosimètre au mercure.
3) Chimie Le produit renferme au moins 95% d'A#,03 avec certaines inclusions de laitier, mais avec une teneur plus élevée en solution solide de fer et de titane que dans les abrasifs fondus classiques, comme cela est indiqué par des décalages d'espacement d notables, ou comme cela est déterminé par les .résultats d'une radiocristallographie par diffraction d'une poudre. <I>Exemples</I> <I>Exemple A</I> On constate que les cristaux produits par le procédé décrit ci-avant dans le mélange 1508-1 (tableau I) pré sentent une porosité totale de 10 0/o en volume ( 2 0/o) et un rapport moyen entre le diamètre et l'épaisseur égal à 2,5 : 1. La moitié environ des pores sont des pores fermés.
Dans le cas d'un abrasif N 46 (grain de 0,35 mm) le poids d'un grain est égal à 0,092 mg, par comparaison avec un abrasif fondu à l'état d'agglomérat, dont le poids est de 0,146 mg par grain (en moyenne).
L'analyse chimique à l'état humide des cristaux en excluant le laitier, est la suivante
EMI0006.0017
T'02 <SEP> .. <SEP> ... <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> _. <SEP> 0,32 <SEP> 0/o <SEP> en <SEP> poids
<tb> Fe,03 <SEP> . <SEP> ........... <SEP> 0,05
<tb> Na20 <SEP> .. < <SEP> 0,05
<tb> S'02 <SEP> . <SEP> < <SEP> 0,05
<tb> Cao <SEP> indéterminé
<tb> A103 <SEP> (par <SEP> différence) <SEP> 99,5 Les données d'une radiocristallographie par diffrac tion montrent une présence d'oxyde de titane en solution solide anormalement élevée par rapport aux abrasifs fondus, et ceci est confirmé par l'analyse ci-dessus.
<I>Exemple B</I> On prépare des cristaux à partir du mélange désigné par l508-2 dans le tableau I. La porosité est également de 10<B><I>=A</I></B> 2 0/o (au total), la moitié de cette porosité étant constituée par des pores fermés.
Le rapport entre le diamètre et l'épaisseur est égal à 3,5 : 1 et des grains No 46 (grosseur de 0,35 mm) pèsent 0,090 mg, par comparaison avec 0,146 mg pour des grains fondus à l'état d'agglomérats. L'analyse chi- inique des cristaux à l'état humide, en excluant le laitier (par une lixiviation intense), donne les résultats sui vants
EMI0007.0002
TiO2 <SEP> . <SEP> ...... <SEP> ..__.. <SEP> ...... <SEP> ....... <SEP> 0,28 <SEP> % <SEP> en <SEP> poids
<tb> Fe2O3 <SEP> . <SEP> ............. <SEP> ...... <SEP> 0,70
<tb> Na-,O <SEP> ............ <SEP> .. <SEP> < <SEP> 0,05
<tb> SiO., <SEP> .. <SEP> .. <SEP> . <SEP> - <SEP> .-...... <SEP> ........ <SEP> .. <SEP> ....... <SEP> < <SEP> 0,05
<tb> Ca0 <SEP> - <SEP> . <SEP> ......
<SEP> indéterminé Cette matière présente une teneur très élevée en fer en solution solide, ce qui confirme les résultats d'une radiocristallographie par diffraction mentionnés précé demment. Cette teneur en fer en solution solide n'est pas observée dans des cristaux d'alumine fondue.
<I>Exemple C</I> On prépare des cristaux à partir du mélange désigné par T-2 dans le tableau I: Les résultats concernant la porosité sont les mêmes que pour les exemples A et B. Le rapport entre le dia mètre et l'épaisseur est égal à 2: 1 et les grains sont nettement plus légers que des grains de même grosseur d'une matière fondue prise à titre de comparaison.
L'analyse chimique à l'état humide, en excluant la totalité du laitier sauf 10/o environ (par estimation visuelle), donne les résultats suivants
EMI0007.0005
Si02 <SEP> <B>__ <SEP> .................. <SEP> -------------</B> <SEP> < 0,050/o <SEP> en <SEP> poids
<tb> Fe203 <SEP> . <SEP> . <SEP> -.... <SEP> ..._.<B>---------</B> <SEP> .<B>-----</B> <SEP> .......... <SEP> 0,16
<tb> TiO2 <SEP> - <SEP> ..<B>....... <SEP> ................</B> <SEP> ...... <SEP> 0,64
<tb> Na2O <SEP> . <SEP> .. <SEP> <B>...... <SEP> ..........</B> <SEP> ..-<B>---------</B> <SEP> -.. <SEP> - <SEP> . <SEP> < <SEP> 0,05
<tb> Cao <SEP> indéterminé <I>Exemple D</I> On prépare des cristaux d'alumine comme décrit dans l'exemple No 1 du brevet principal.
La porosité de cette matière est analogue à celle des exemples A, B et C. Le rapport entre le diamètre et l'épaisseur est égal à 3,4 : 1 et le poids par grain pour un grain No 46 est d'environ 0,090 mg. L'analyse chimique indique un taux d'oxyde de titane et de fer en solution solide égal au double de celui obtenu dans les cristaux fondus. Des essais de meulage effectués comme pour les autres exemples révèlent une amélioration de 25 0/o environ du rapport de meulage lors d'une incorporation à des meu les vitrifiées, par rapport aux abrasifs fondus classiques les meilleurs, pour un meulage de précision.
Les abrasifs de tous les exemples présentent une friabilité nettement plus grande des cristaux que celle obtenue pour des cristaux abrasifs d'alumine fondue et le poids moyen de tous les cristaux est en moyenne infé rieur à 0,12 mg pour une granulométrie No 46.