CN101941727A

CN101941727A - 作为焰熔法生产蓝宝石晶体之原料的氧化铝粉末生产方法

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Publication number: CN101941727A
Application number: CN 201010280981
Authority: CN
Inventors: 李振亚
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-09-14
Filing date: 2010-09-14
Publication date: 2011-01-12

Abstract

本发明涉及氧化铝粉末生产方法，它采用熔化高纯铝后经过雾化再经由水解的方式生成高纯氧化铝粉末。该方法制备的氧化铝粉末产品具有极高的纯度，用来作为焰熔法生产蓝宝石晶体的原料，可以有效提高蓝宝石晶体的透明度和颜色纯净度，大幅度地减小蓝宝石晶体的缺陷率，使焰熔法所产蓝宝石晶体的梨晶棒体积得以有效增大。该方法工艺流程简单，不产生废气排放等污染问题，绿色环保。

Description

作为焰熔法生产蓝宝石晶体之原料的氧化铝粉末生产方法

技术领域

本发明涉及氧化铝粉末的生产方法，特别是用来作为焰熔法生产蓝宝石晶体之原料的氧化铝粉末的生产方法，属于氧化铝粉末制备技术。

背景技术

高纯氧化铝具有许多重要的用途，例如用作电子工业领域和光学工业领域的基础和绝缘材料，它通常可从铝土矿中通过拜耳法得到。然而，用拜耳法从铝土矿中提取的氧化铝在许多应用领域中却不能满足质量要求。例如，对于高性能的新型陶瓷，尤其是透明氧化铝，就需要使用高纯氧化铝原料来制备，要求原料纯度达到99.999 ％以上或者更高。

作为高纯氧化铝的一种，蓝宝石晶体，即α- 氧化铝，它的重要用途之一是用作光学工业领域的透明窗口材料。它是一种熔点为2040℃的简单配位型氧化物晶体，属于六方晶系，硬度为9.0Mohs，具有一系列独特的物理、机械和热学特性。蓝宝石晶体在真空中，于紫外光、可见光、近红外光、中红外光下均具有卓越的光学透过率，且与其它的窗口材料相比，具有更好的机械性能和物理性能，被一直广泛应用于红外军事装备、卫星技术和空间技术的仪表和高功率激光器中作为窗口材料。

作为窗口级的蓝宝石，掺杂元素是其不可或缺的性能调节剂。掺杂元素对蓝宝石晶体的主要作用表现为：对晶体实现染色、提高晶体的抗热震性、改善晶体的加工性能等。对于染色特性而言，主要的致色元素有Fe³⁺、Ti⁴⁺、Co²⁺、V⁵⁺、Mn⁴⁺、Cr³⁺等。其中Fe³⁺、Co²⁺是使蓝宝石晶体呈现蓝色的主要离子，Cr³⁺离子则使晶体呈现橙色或绿色，Mn⁴⁺离子可使晶体呈现黄色。

制备蓝宝石晶体最常用的方法是焰熔法。其原理是利用氢和氧燃烧的火焰产生高温，使原料粉末通过火焰撒下熔融，并落在一个结晶杆或籽晶的头部，逐渐生长形成蓝宝石晶体。

作为焰熔法生产蓝宝石晶体之原料的氧化铝粉末，其常用的制备方法是硫酸铝铵热解法。例如，制备用来生长蓝宝石晶体的的氧化铝粉末的基本工艺流程为：

首先，将着色剂元素预先配置成溶于水的盐溶液。如用硫酸铁铵溶液作为向蓝宝石晶体中添加Fe³⁺离子的盐溶液，用氟钛酸铵溶液作为向蓝宝石晶体中添加Ti⁴⁺的盐溶液。

接着，将上述用来着色的盐溶液按照一定的体积或重量比加入到称重好的高纯硫酸铝铵粉末中混合搅拌均匀。

随后，将着色盐溶液同硫酸铝铵粉末的混合物加热至200℃左右，保持恒温2～4小时进行脱水处理。

之后，再将脱水所得粉末加热至900～1100℃，煅烧时间2～3小时。

最后，将煅烧后的粉末用120～200目的筛网分级，即可获得用于焰熔法蓝宝石晶体的氧化铝粉末原料。

上述硫酸铝铵热解法制备氧化铝粉末对应的化学反应式分别为：

2NH₄Al(SO₄)₂·12H₂O → Al(SO₄)₃(NH4)₂SO₄ ＋ 24H₂O …………… ⑴

Al(SO₄)₃(NH4)₂SO₄ → Al₂O₃ ＋ SO₃↑ ＋ NH₃↑ ＋ H₂0↑………… ⑵

Fe(SO₄)₃(NH4)₂SO₄→ FeNH₄(SO₄)₂ ＋ 12H₂O ……………………… ⑶

FeNH₄(SO₄)₂→ FeO ＋ 2SO₃↑ ＋ NH₃↑ ＋ H₂0↑………………… ⑷

2FeO ＋ O₂→ Fe₂O₃ ………………………………………………… ⑸

以上传统工艺存在几个缺陷：其一，是在整个掺杂工艺流程中，很难做到掺杂元素在氧化铝粉末中的均匀分布，掺杂元素在氧化铝粉末中的成分偏析较大。在随后的焰熔法生产蓝宝石晶体时，这种成分偏析会导致晶体生长过程中的多种晶体生长缺陷；其二，是硫酸铝铵热解法很难获得真正高纯的氧化铝原料。热解工艺中残存的大量氟、硫离子，以及制备过程中很难排除尽净的钠、钾等离子，均会对蓝宝石晶体的稳定生长造成干扰，以致在最终所得蓝宝石晶体中形成大量晶体缺陷，使晶体品质下降，加工性能劣化，甚至导致晶体爆裂，可用率降低；其三，是热解法生产过程中会有大量的三氧化硫废气排放，这些废气被排入大气中将带来严重的环境污染问题。这一问题已经成为焰熔法蓝宝石原料生产企业背负的巨大包袱，直接影响到这些企业的生存和发展。

发明内容

针对上述问题，本发明目的在于提供一种氧化铝粉末的生产方法。该方法所获氧化铝粉末纯度高，其工艺流程简单，不产生废气排放等污染问题，绿色环保，其所制备的氧化铝粉末可以作为焰熔法生产蓝宝石晶体的原料。

为达至上述本发明目的，对于作为焰熔法生产蓝宝石晶体之原料的氧化铝粉末，本发明采取了包括以下顺序工艺步骤的生产方法：

① 熔化金属铝后将掺杂元素按照预先设定的比例投入熔融态的金属铝中，保持所得熔体温度为830～930℃。随后，

② 将步骤①所得熔体用雾化法进行粉碎，并在雾化过程中用高纯水冷却雾化后的粉末，获得粉浆。其后，

③ 浓缩步骤②所获粉浆至浓度20～30%，随即加热使其保持在沸腾状态至该粉浆转化为氢氧化铝浆体。跟着，

④ 冷却步骤③所得氢氧化铝浆体至温度40℃以下之后，对其进行初步脱水，接着进行烘干脱水。然后，

⑤ 煅烧步骤④所得产物后，冷却并对其进行粒度分级，分级所获粒径较小的粉末即可作为焰熔法生产蓝宝石晶体的氧化铝粉末原料。

上述氧化铝粉末生产方法，其步骤①中的金属铝为铝锭。该铝锭的纯度为99.993%～99.999%。步骤①中盛放金属铝的容器为石墨坩埚。

前述氧化铝粉末生产方法，在其步骤①所言掺杂元素投入熔融态金属铝中之后于830～930℃温度下的保温时间为0.5～2小时。在该保温过程中不断搅拌所得熔体。步骤①中的掺杂元素选自Fe、Ti、Cr、Ni、Mn、Co、V之至少一种。其中，Fe的加入量占金属铝的0.001～0.5at%，Ti的加入量占金属铝的0.001～0.3at%，Cr的加入量占金属铝的0.001～3at%，Ni的加入量占金属铝的0.001～0.5at%，Mn的加入量占金属铝的0.001～0.5at%，Co的加入量占金属铝的0.001～1at%，V的加入量占金属铝的0.001～0.2at%。

前述氧化铝粉末生产方法，其步骤②所言雾化粉碎使用压缩空气。该压缩空气的压力为2～4MPa，流量为3～4m³/min。步骤②所说高纯水的电阻率>10 MΩ·cm。

前述氧化铝粉末生产方法，其盛放步骤③所言粉浆的容器为搪瓷反应釜。步骤③所说沸腾状态的温度为95～100℃，该沸腾状态的持续时间为48～72小时。

前述氧化铝粉末生产方法，其步骤④所说的初步脱水为离心脱水。步骤④所说烘干脱水的温度为280～350℃，该烘干脱水的时间为2～8小时。

前述氧化铝粉末生产方法，其盛放步骤⑤所言产物的容器为刚玉坩埚。步骤⑤所言煅烧的温度为900～1050℃，该煅烧的时间为2～4小时。步骤⑤所说的粒度分级采用100～200目筛网。

前述氧化铝粉末生产方法，其步骤①中的金属铝为铝锭。该铝锭的纯度为99.993%～99.999%。步骤①中盛放金属铝的容器为石墨坩埚。在步骤①所言掺杂元素投入熔融态金属铝中之后于830～930℃温度下的保温时间为0.5～2小时。在该保温过程中不断搅拌所得熔体。步骤①中的掺杂元素选自Fe、Ti、Cr、Ni、Mn、Co、V之至少一种。其中，Fe的加入量占金属铝的0.001～0.5at%，Ti的加入量占金属铝的0.001～0.3at%，Cr的加入量占金属铝的0.001～3at%，Ni的加入量占金属铝的0.001～0.5at%，Mn的加入量占金属铝的0.001～0.5at%，Co的加入量占金属铝的0.001～1at%，V的加入量占金属铝的0.001～0.2at%。步骤②所言雾化粉碎使用压缩空气。该压缩空气的压力为2～4MPa，流量为3～4m³/min。步骤②所说高纯水的电阻率>10 MΩ·cm。盛放步骤③所言粉浆的容器为搪瓷反应釜。步骤③所说沸腾状态的温度为95～100℃，该沸腾状态的持续时间为48～72小时。步骤④所说的初步脱水为离心脱水。步骤④所说烘干脱水的温度为280～350℃，该烘干脱水的时间为2～8小时。步骤⑤所言煅烧的温度为900～1050℃，该煅烧的时间为2～4小时。步骤⑤所说的粒度分级采用100～200目筛网。

本发明的氧化铝粉末生产方法，采用高纯铝直接水解生成高纯氧化铝粉末，其直接水解的化学反应机理表现为下述化学反应式⑹、⑺：

2Al ＋ 6H₂O → 2Al(OH)₃ ＋ 3H₂↑ ……………………………… ⑹

2Al(OH)₃ → Al₂O₃ ＋ 3H₂0↑ …………………………………… ⑺

由于金属态的单质铝很容易在工艺上实现高纯化，同时在高纯铝的水解过程中，无需加入任何催化剂，从而保证了本发明氧化铝粉末生产方法所获氧化铝粉末产品具有极高的纯度。该方法制备的氧化铝粉末可以作为焰熔法生产蓝宝石晶体的原料。作为焰熔法生产蓝宝石晶体的原料，氧化铝粉末中需要加入的掺杂元素在金属铝熔炼阶段便已投放完成，并在该阶段与金属铝形成固溶体，进而参与随后金属铝的水解过程，因而在氧化铝粉末中掺杂元素的成分波动很小，使得掺杂元素在随后的焰熔法生产蓝宝石晶体的生长过程中可以直接进入氧化铝晶格，从而更有利于蓝宝石晶体的稳定生长，使晶体生长时的缺陷明显减少。用该原料以焰熔法生长出的蓝宝石晶体，其透明度更高，晶体颜色更加纯净，且晶体中的气泡、云雾、滑移、孪晶等晶体缺陷率大幅度减少。进一步地，由于蓝宝石晶体生长时晶体缺陷有效减少，生长应力也相应减小，这使得所生长的蓝宝石梨晶棒体积得到有效扩大，其横向尺寸得以有效扩展，其纵向尺寸得以有效加长。本发明生产方法制备的氧化铝粉末，用来制备蓝宝石晶体时，提升蓝宝石晶体的可用率达到85%以上，所生长的蓝宝石梨晶棒尺寸可增大至：直径45 mm，长度100～120mm。本发明的氧化铝粉末生产方法工艺流程简单，不产生废气排放等污染问题，绿色环保。

具体实施方式

下面结合实施例详细描述本发明作为焰熔法生产蓝宝石晶体之原料的氧化铝粉末生产方法。

实施例1

首先，将纯度为99.993%的高纯重熔精铝锭20公斤放入中频感应电炉的石墨熔炼坩埚内熔化，再将占铝锭重量0.01at%的高纯铁屑（纯度为99.9%）及占铝锭重量0.001at%的高纯钛屑（纯度为99.99%）放入熔炼坩埚内，保持所得熔体温度为830℃，保温2小时。保温过程中不断搅拌该熔体。

之后，将所得熔体导入雾化喷嘴内用压缩空气予以雾化粉碎，在雾化过程中用高纯水冷却雾化后的粉末，获得雾化粉浆。雾化条件为：空气压力2MPa，空气流量为3m³/min。冷却所用高纯水的电阻率为：12 MΩ·cm。

随后，浓缩前述雾化所获的粉浆至浓度20%，随即导入搪瓷反应釜中，加热使其保持在95℃的沸腾状态72小时，直至该粉浆转化为氢氧化铝浆体。

然后，冷却所得氢氧化铝浆体至温度40℃以下之后，将其移出搪瓷反应釜并进行离心脱水，获得潮湿的氢氧化铝浆体，接着对所得氢氧化铝潮湿浆体进行烘干脱水。烘干脱水的温度为280℃，时间为8小时。

最后，将烘干脱水所得产物放入刚玉坩埚内，于900℃温度下煅烧4小时，冷却后对其用200目筛网进行分选，筛下物即为本发明氧化铝粉末。

用该粉末作为焰熔法生产蓝宝石晶体的原料，所得蓝宝石晶体的可用率达到85.5%，所生长的蓝宝石梨晶棒尺寸可增大至：直径44.6mm，等径段长度105mm。

实施例2

首先，将纯度为99.999%的高纯重熔精铝锭20公斤放入中频感应电炉的石墨熔炼坩埚内熔化，再将将占铝锭重量2.5at%的高纯金属铬屑（纯度99.9%）及将占铝锭重量0.008at%的高纯钛屑（纯度99.99%）放入熔炼坩埚内，保持所得熔体温度为930℃，保温0.5小时。保温过程中不断搅拌该熔体。

之后，将所得熔体导入雾化喷嘴内用压缩空气予以雾化粉碎，在雾化过程中用高纯水冷却雾化后的粉末，获得雾化粉浆。雾化条件为：空气压力4MPa，空气流量为4m³/min。冷却所用高纯水的电阻率为：12 MΩ·cm。

随后，浓缩前述雾化所获的粉浆至浓度30%，随即导入搪瓷反应釜中，加热使其保持在100℃的沸腾状态48小时，直至该粉浆转化为氢氧化铝浆体。

然后，冷却所得氢氧化铝浆体至温度40℃以下之后，将其移出搪瓷反应釜并进行离心脱水，获得潮湿的氢氧化铝浆体，接着对所得氢氧化铝潮湿浆体进行烘干脱水。烘干脱水的温度为350℃，时间为2小时。

最后，将烘干脱水所得产物放入刚玉坩埚内，于1050℃温度下煅烧2小时，冷却后对其用200目筛网进行分选，筛下物即为本发明氧化铝粉末。该粉末可作为焰熔法生产深红色刚玉晶体的原料。

Claims

1.作为焰熔法生产蓝宝石晶体之原料的氧化铝粉末生产方法，包括以下顺序工艺步骤：

① 熔化金属铝后将掺杂元素按照预先设定的比例投入熔融态的金属铝中，保持所得熔体温度为830～930℃；

② 将步骤①所得熔体雾化粉碎，并在雾化过程中用高纯水冷却雾化后的粉末，获得粉浆；

③ 浓缩步骤②所述粉浆至浓度20～30%，随后加热使其保持在沸腾状态至所述粉浆转化为氢氧化铝浆体；

④ 冷却步骤③所述氢氧化铝浆体至温度40℃以下之后，对其进行初步脱水，接着进行烘干脱水；

⑤ 煅烧步骤④所得产物后，冷却并对其进行粒度分级。

2.根据权利要求1所述氧化铝粉末生产方法，其特征在于，步骤①所述金属铝为铝锭，其纯度为99.993%～99.999%，步骤①所述盛放所述金属铝的容器为石墨坩埚。

3.根据权利要求1或2所述氧化铝粉末生产方法，其特征在于，在步骤①所述掺杂元素投入所述熔融态金属铝中之后于所述830～930℃温度下的保温时间为0.5～2小时，保温过程中不断搅拌所得熔体，步骤①所述掺杂元素选自Fe、Ti、Cr、Ni、Mn、Co、V之至少一种，所述Fe的加入量占所述金属铝的0.001～0.5at%，所述Ti的加入量占所述金属铝的0.001～0.3at%，所述Cr的加入量占所述金属铝的0.001～3at%，所述Ni的加入量占所述金属铝的0.001～0.5at%，所述Mn的加入量占所述金属铝的0.001～0.5at%，所述Co的加入量占所述金属铝的0.001～1at%，所述V的加入量占所述金属铝的0.001～0.2at%。

4.根据权利要求1所述氧化铝粉末生产方法，其特征在于，步骤②所述雾化粉碎使用压缩空气，所述压缩空气的压力为2～4MPa，所述压缩空气的流量为3～4m³/min，步骤②所述高纯水的电阻率>10 MΩ·cm。

5.根据权利要求1所述氧化铝粉末生产方法，其特征在于，盛放步骤③所述粉浆的容器为搪瓷反应釜，步骤③所述沸腾状态的温度为95～100℃，步骤③所述沸腾状态的持续时间为48～72小时。

6.根据权利要求1所述氧化铝粉末生产方法，其特征在于，步骤④所述初步脱水为离心脱水，步骤④所述烘干脱水的温度为280～350℃，步骤④所述烘干脱水的时间为2～8小时。

7.根据权利要求1所述氧化铝粉末生产方法，其特征在于，盛放步骤⑤所述产物的容器为刚玉坩埚，步骤⑤所述煅烧的温度为900～1050℃，步骤⑤所述煅烧的时间为2～4小时，步骤⑤所述粒度分级采用100～200目筛网。

8.根据权利要求1所述氧化铝粉末生产方法，其特征在于，

步骤①所述金属铝为铝锭，其纯度为99.993%～99.999%，步骤①所述盛放所述金属铝的容器为石墨坩埚，在步骤①所述掺杂元素投入所述熔融态金属铝中之后于所述830～930℃温度下的保温时间为0.5～2小时，保温过程中不断搅拌所得熔体，步骤①所述掺杂元素选自Fe、Ti、Cr、Ni、Mn、Co、V之至少一种，所述Fe的加入量占所述金属铝的0.001～0.5at%，所述Ti的加入量占所述金属铝的0.001～0.3at%，所述Cr的加入量占所述金属铝的0.001～3at%，所述Ni的加入量占所述金属铝的0.001～0.5at%，所述Mn的加入量占所述金属铝的0.001～0.5at%，所述Co的加入量占所述金属铝的0.001～1at%，所述V的加入量占所述金属铝的0.001～0.2at%；

步骤②所述雾化粉碎使用压缩空气，所述压缩空气的压力为2～4MPa，所述压缩空气的流量3～4m³/min，步骤②所述高纯水的电阻率>10 MΩ·cm；

盛放步骤③所述粉浆的容器为搪瓷反应釜，步骤③所述沸腾状态的温度为95～100℃，步骤③所述沸腾状态的持续时间为48～72小时；

步骤④所述初步脱水为离心脱水，步骤④所述烘干脱水的温度为280～350℃，步骤④所述烘干脱水的时间为2～8小时；

盛放步骤⑤所述产物的容器为刚玉坩埚，步骤⑤所述煅烧的温度为900～1050℃，步骤⑤所述煅烧的时间为2～4小时，步骤⑤所述粒度分级采用100～200目筛网。