CZ289604B6

CZ289604B6 - Způsob výbuąného rozmělňování směsi zahrnující sol-gel oxidu hlinitého

Info

Publication number: CZ289604B6
Application number: CZ19973125A
Authority: CZ
Inventors: Ajay K. Garg; Arup K. Khaund; Lawrence E. Orne; Mark R. Young
Original assignee: Saint-Gobain Industrial Ceramics, Inc.
Priority date: 1995-04-05
Filing date: 1996-03-27
Publication date: 2002-03-13
Also published as: DK0819104T3; RU2148567C1; NO974591L; PL322586A1; HUP9801820A2; DE69602434D1; CA2212508A1; HU222600B1; NZ305667A; JP3220159B2; CO4560574A1; US5785722A; WO1996032226A3; NO974591D0; PL182876B1; AU686506B2; ES2134610T3; NO312231B1; EP0819104A2; BR9604913A

Abstract

Sol-gel oxid hlinit², kter² je usu en² av ak nevyp len², se m e v²bu n rozm lnit tak, e se tento vysu en² gel p°ivede do pece udr ovan na teplot ch nad takov²mi teplotami, p°i kter²ch jsou z stic gelu odstra ov ny odpa°iteln materi ly, tedy zejm na 400 a 1650 .degree.C, a ponech se tam do vytvo°en v²bu n rozm ln n²ch stic. P°i vhodn zv² en²ch teplot ch je vypalov n dostate n pro vytvo°en zcela zhutn n²ch stic alfa oxidu hlinit ho o velikosti, kter je vhodn pro p° m pou it jako brusn drti. D le jsou stice z skan t mto procesem u ite n pro aplikaci jako pojen nebo povl kan brusivo.\

Description

Oblast techniky

Tento vynález se týká způsobu výbušného rozmělňování směsí a drtí hliníkových brusiv a zejména pak brusných materiálů ze sol-gel oxidu hlinitého se zlepšeným brusným výkonem.

Dosavadní stav techniky

Brusivá ze sol-gel oxidu hlinitého se běžně vyrábějí sušením hydrosolu nebo gelu prekurzoru alfa oxidu hlinitého, jímž je obvykle, avšak na nezbytně boehmit, přibližně při 125 až 200 °C, aby se odstranila složka vody v gelu, následným rozdrcením vysušeného gelu na částice požadované velikosti pro brusné drti, případným kalcinováním těchto částic, obecně při teplotě přibližně od 400 do 800 °C, aby se vytvořila jakási meziforma oxidu hlinitého, a poté nakonec vypálením těchto kalcinovaných kusů při teplotě dostatečně vysoké pro to, aby se přeměnily z meziformy, jako je gama oxid hlinitý, na formu alfa oxidu hlinitého. Jednoduché sol-gel postupy jsou například popsané v patentových spisech US 4 314 827, 4 518 397, 4 881 951 a v britské patentové přihlášce GB 2 099 012. Sol-gel oxidy hlinité tohoto typu mají sklon vytvářet velikosti krystalů kolem 25 mikrometrů nebo více, ačkoliv byly pro zmenšení velikosti krystalů přibližně na 1 až 10 mikrometrů a zvýšení hodnoty určitých fyzikálních vlastností použity modifikující přísady, jako je oxid křemičitý, spinelové formující činitele, jako je oxid hořečnatý, a přísady oxidů dalších kovů, jako oxid zirkoničitý, oxid yttritý, oxidy kovů vzácných zemin, oxid titaničitý, oxidy přechodných kovů a podobně.

U jedné obzvláště vhodné formy sol-gel postupu je prekurzor alfa oxidu hlinitého naočkovaný materiálem, který má tutéž krystalickou strukturu jako samotný alfa oxid hlinitý a parametry mřížky co možná nejbližší parametrům mřížky alfa oxidu hlinitého. Toto očkovadlo se přidává v co možná nejjemněji rozdělené formě a je stejnoměrně rozptýlené v celém hydrosolu nebo gelu. Může se přidávat ab initio nebo se může vytvářet in šitu. Funkce tohoto očkovadla je vyvolat transformaci na formu alfa tak, aby nastávala v celém prekurzoru při mnohem nižší teplotě, než je teplota potřebná v případě absence tohoto očkovadla. Tento proces vytváří krystalickou strukturu, ve které jsou jednotlivé krystaly alfa oxidu hlinitého, což jsou ty oblasti v podstatě téže krystalografické orientace oddělené od sousedních krystalů hranicemi zrn pod velkým úhlem, velmi stejnoměrné velikosti a všechny mají v podstatě průměr menší než 1 mikrometr, například asi od průměru 0,1 do průměru 0,5 mikrometru. Vhodná očkovadla obsahují samotný alfa oxid hlinitý, avšak také další sloučeniny, jako je alfa oxid železitý, suboxid chrómu, titaničitan niklu a řadu dalších sloučenin, které mají parametry mřížky dostatečně podobné parametrům mřížky alfa oxidu hlinitého, aby byly schopné vyvolat tvorbu alfa oxidu hlinitého z prekurzoru při teplotě, která je pod teplotou, při které konverze nastává normálně při absenci takovéhoto očkovadla. Příklady takovýchto očkovaných sol-gel procesů jsou popsané v patentových spisech US 4 623 364, 4 744 802, 4 964 883, 5 192 339, 5 215 551, 5 219 806 a v mnoha dalších.

Volitelnému kalcinování sušeného sol-gelu se často dává přednost, aby se minimalizovala doba potřebná při zvýšených vypalovacích teplotách. To je proto, že vypalovací operace plní úkoly přeměny přechodných forem oxidu hlinitého na formu alfa a slinování alfa oxidu hlinitého, aby se uzavřela zbytková porózita a zajistilo se, aby částice měly přiměřenou hustotu a tvrdost, aby dobře fungovaly jako brusné drti. Je známo, že nadměrná doba při slinovacích teplotách, které jsou obecně mezi 1300 a 1400 °C pro naočkované sol-gel materiály a asi o 100 °C vyšší než teplota pro nenaočkované sol-gely oxidy hlinité, může vést k růstu krystalů. Protože je růst krystalů obecně brán jako nežádoucí, považuje se za vhodné provádět kalcinování odděleně a tak minimalizovat čas při takovýchto zvýšených teplotách. Tento postup je doprovázen i přes mimořádné náklady zachováním dvou vysokoteplotních operací.

-1 CZ 289604 B6

Protože je sušicí operace následována rozmělňovací a prosévací operací, zrno se redukuje na teplotu místnosti a teplo použité pro sušení zrna je přenecháno okolí. Toto je samozřejmě velmi nevhodné.

Rozmělňovací operace se provádí po sušení, protože v tomto momentě je materiál relativně snadno rozdrtitelný. Pokud by se to ponechalo teprve po vypalovací operaci, byl by materiál tak tvrdý, že by to vyžadovalo nadměrné množství energie. Je tedy společným smyslem provádět rozmělňování ve stavu před vypálením. Navíc se předpokládá, že bude vypalování účinnější, protože částice dosáhnou rychleji vypalovací teplotu v peci, když jsou malé.

Nyní bylo zjištěno, že je možné spotřebu energie vyžadovanou při výrobě oxidu hlinitého značně zredukovat sol-gel procesem. Toho se dosáhne úpravou procesu tím způsobem, který je zcela opačný k intuitativnímu logickému myšlení užívanému při navrhování běžných procesů. Tento nový proces vytváří částice alfa oxidu hlinitého ve velmi žádoucí formě, která je zcela zhutněná a dobře přizpůsobená pro použití u aplikací brusiv. Navíc je tento systém dost flexibilní, aby umožňoval různou formu získaných brusných drtí.

Podstata vynálezu

Shora zmíněné nedostatky stavu techniky tak odstraňuje způsob výbušného rozmělňování směsi, která zahrnuje vysušený, ale nevypálený sol-gel oxidu hlinitého, podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že zahrnuje přivádění suchého avšak nevypáleného sol-gel oxidu hlinitého, který má odpařitelný obsah alespoň 5 % hmotnosti, přímo do pece udržované na teplotě nad 400 °C a regulování teploty a doby pobytu pro vytvoření výbušně rozmělněného oxidu hlinitého. Za určitých podmínek, když je teplota v peci dostatečně vysoká a doba zde je dostatečně dlouhá, se může sol-gel oxid hlinitý přeměnit na alfa formu oxidu hlinitého přímo a slinovat na měrnou hmotnost, která je alespoň 95 % hmotnosti teoretické.

Sol-gel oxid hlinitý obecně vysychá ve formě kousků o velikosti několika milimetrů a toto je v podstatě vysušený boehmit, jehož každá molekula má asociovanou molekulu vody, asi s nějakou zbytkovou vodou, která nebyla při vysoušení odstraněna úplně. Navíc se často přidávají k sol-gelu vhodné modifikátory, jako je oxid hořečnatý, oxid yttritý, oxid rubidný, oxid česný nebo oxidy kovů vzácných zemin nebo oxidy přechodných kovů, ve formě jejich rozpustných dusičnanů a ty budou mít také podíl na vyprchatelných složkách, jako jsou oxidy dusíku, ve vysušeném gelu. Pokud se k rozpouštění sol-gelu použila nějaká kyselina, jako je kyselina dusičná nebo kyselina octová, pak mohou být ve vysušeném sol-gelu také zbytky této kyseliny. Obecně má vysušený gel celkový odpařitelný obsah přibližně od 5 asi do 50 %, s výhodou přibližně od 10 asi do 45 %, a ještě výhodněji asi od 20 do přibližně 40 % hmotnosti. Sušení se obvykle vede při teplotě přibližně pod 200 °C a častěji při teplotách daleko nižších. Z tohoto důvodu obsahuje vysušený gel podstatné objemy odpařitelného materiálu, ještě když se vkládá do pece.

Prudká dehydratace rychlým vystavením vysokým teplotám je zveřejněna vEP-A-0 176 476 a EP-A-0 518 106, avšak je aplikována pro jemné prášky hydrargilitu a je určena jako mezilehlý krok při výrobě boehmitu nebo reaktivně tvářeného tělesa.

Zatímco se vynález primárně zaměřuje na výbušné rozmělňování suchých sol-gel materiálů, mohou tyto materiály také zahrnovat další složky, které samotné nezahrnují jakýkoli vyprchatelný materiál. Tak je možné zahrnout do sol-gel materiálu složky, jako je prášek alfa nebo gama oxidu hlinitého, karbid křemíku jak ve formě částic, tak i jehliček/wiskrů, oxid zirkoničitý, kubický nitrid boru a další brusné materiály za předpokladu, že celkový obsah odpařitelného materiálu ve vysušené směsi zůstane nad 5 % hmotnosti materiálu.

-2CZ 289604 B6

Když se kousky vysušeného gelu umístí do pece, odpařitelný materiál v kouscích výbušně expanduje a způsobuje, že se rozlétnou od sebe a zanechávají menší částice, které jsou nanejvýš vhodné pro použití u brusných aplikací. Pokud je doba pobytu v peci dostatečně dlouhá, přemění se menší částice, která zůstávají, prudce na fázi alfa a velmi rychle se spékají v podstatě do úplně zhutněné formy. Divoký charakter tohoto procesu vedl ktomu, že je neformálně popisován jako „výbušné rozmělňování“, ačkoliv u výhodného provedení se postup provádí mimo rozmělnění a zahrnuje vypalování na fázi alfa a v některých případech slinování v podstatě na teoretickou hustotu. Kde je teplota poněkud nižší, může být míra rozmělnění poněkud zmenšena a může se především projevit v rozbití větších kousků a vytváření linií zeslabení ve zbývajících kusech, které jim skýtají snadné rozbití v následující rozmělňovací operaci. To je však také považováno za výbušné rozmělňování.

Proto se pod výbušně rozmělněným materiálem rozumí materiál, který se má tvářet, když se částice vysušeného sol-gel oxidu hlinitého přivádějí do pece a alespoň částečně se rozbíjejí na menší částice bez použití jakékoli externě zavedené síly.

Když je doba pobytu v peci relativně krátká nebo je teplota pece relativně nízká, nemůže být proces slinování a dokonce přeměna na alfa fázi dokončená, když materiál vystupuje z pece. V takovémto případě mohou být některé nebo všechny částice do určitého stupně porézní a tyto relativně volně zpevněné větší částice se mohou rozdrtit lehkou rozemílací operací před tím, než se slinují na měrnou hmotnost na míru nad 95 % míry teoretické v oddělené peci, nebo druhým průchodem rotační pecí. Toto je občas výhodné, protože intenzivní výbušné rozmělňování může vést k výrobě značných objemů velmi jemných částeček, které mohou být pro některé brusné aplikace méně užitečné. Méně prudké výbušné rozmělnění má efekt vytvoření dokonce očividně nerozbitých částic, které lze velmi snadno rozmělnit v následující operaci. Případně a někdy s výhodou může být vypalovaný materiál, který se nemá úplně výbušně rozmělnit a který má často určitý stupeň porózity, alespoň zčásti impregnován odpařitelnou kapalinou, jako je voda, a ještě jednou proveden rotační pecí, aby se dokončil proces rozmělnění.

Nastavení podmínek vypalování pro výrobu produktu, který je porézní, jak je popsáno výše, také poskytuje příležitost impregnace tohoto porézního materiálu roztoky modifikujících činidel, jako je například vodný roztok rozpustné soli hořčíku, yttria, nějakého přechodného prvku, rubidia, cesia nebo kovu vzácných zemin. Při slinování těchto materiálů se bude obvykle vytvářet modifikující oxid ve velmi užitečné formě a současně se budou vytvářet další množství těkavého materiálu, který se může využít k tomu, aby vyvolal výbušné rozmělnění.

Je zjištěno, že pokud se gel před tím, než je sušen, protlačuje, je výhodné, je-li protlačovací hrdlo spíše menší než větší. Takto se gel protlačovaný hrdlem o průměru 1,6 mm rozmělní výbušně lépe než gel protlačovaný hrdlem o průměru 6 mm. Navíc jsou kruhové protlačované profily výhodnější než úhelníkové protlačované profily, jako jsou profily získané protlačováním hranatými hrdly.

Brusné zrno připravené výše uvedeným způsobem má často neočekávaně lepší brusný výkon než zrno získané obvyklejšími postupy. Vytváří se teorie, že to může nastat proto, že technika rozmělňování nevyvolává fyzikální namáhání materiálu takového typu, která by mohla dávat vzniknout mikroporuchám ve struktuře brusné drti. Bez ohledu na teorii je toto zlepšení výkonu překvapující a značné.

Vynález tedy také zahrnuje nová hlinitá brusná zrna. Je zjištěno, že zrna získaná výbušným rozmělněním mají jednotné rozložení tvaru a velikosti, a to může být také příčinou vynikajícího brusného výkonu, který je zmiňován výše. Ta jsou odlišná od lisovaných nebo protlačovaných zrn, která mají jako výsledek svého výrobního procesu jednotný tvar příčného řezu. Místo toho mají nepravidelný tvar a obzvláště v příčném řezu podél nejdelšího rozměru, který charakterizuje rozmělněné zrno.

-3CZ 289604 B6

Obecně se brusné drti vyráběné netvářecím procesem získávají rozmělňováním větších kusů materiálu. Existují dvě základní konvenční techniky provádění takového rozmělňování: rázové drcení a válcové drcení. Rázové drcení má sklon dávat hranatější tvar, kde mají jednotlivá zma poměr L/D nebo poměr stran, což je poměr nejdelšího rozměru (L) k největšímu rozměru kolmému k tomuto nejdelšímu rozměru (D), těsně kolem 1. Drti produkované válcovým drcením mají sklon mít slabší tvary a prakticky to znamená průměrný poměr stran, který je větší než 1. Samozřejmě existuje u drtí získaných válcovým drcením určitý rozsah skutečných poměrů stran, avšak většinou jsou v podstatě menší než 2.

Velikost zma se obvykle měří za použití soustavy sít s rozdílnou velikostí otvorů ok. Pokud je zrno charakterizováno třemi vzájemně kolmými rozměry, je kontrolní rozměr pro stanovení velikosti zma druhý největší rozměr, protože ten bude určovat velikost nejmenšího otvoru, jímž může zrno projít, když je orientované podle svého nejdelšího rozměru. Pokud jsou zma podle vynálezu v průměru poněkud delší než běžné zma, budou mít jasně větší průměrný objem na zrno a je skutečně zjištěno, že tomu tak je.

Brusná zma oxidu hlinitého podle vynálezu jsou nesymetrická podle podélného rozměru a, jak jsou vyrobena a v rámci frakce o jakékoli zrnitosti, zahrnují více než 25 %, s výhodou alespoň 30 % a ještě výhodněji alespoň 50 % zrn s poměrem stran alespoň 2:1.

Bylo zjištěno, že běžné brusné drti oxidu hlinitého drcené válcem mají v rámci frakce o jakékoli zrnitosti tak, jak byla vyrobena, ne více než 25 % zrn a obvykle asi od 19 do 25 % s poměrem stran 2:1 nebo více. Zdá se, že to je spíše funkce procesu než specifického oxidu hlinitého, z něhož se drti oxidu hlinitého skládají. Takto jsou zma podle vynálezu identifikovatelně odlišná od zrn podle stavu techniky. Toto se nejjasněji ukazuje na značně zvýšeném brusném výkonu drtí podle vynálezu, jak je ilustrováno níže uvedenými příklady.

Přehled obrázků na výkresech

Obrázek 1 ukazuje nákres diferenciální tepelné analýzy DTA očkovaného sol-gel oxidu hlinitého.

Obrázek 2 ukazuje zjednodušený nárysný pohled na zařízení upravené pro realizaci jednoho provedení procesu podle vynálezu.

Příklady provedení vynálezu

Z výkresu představeného jako obrázek 1, což je nákrese diferenciální tepelné analýzy sledující naočkovaný sol-gel s růstem jeho teploty, bude vidět, že tam je asi při 400 °C endotermní jev. Toto znamená ztrátu těkavých složek včetně vody a kyseliny a produktů rozpadů solí. Je to tato ztráta těkavých látek, co způsobuje výbušné rozmělňování. Samozřejmě, čím rychleji tato ztráta nastane, tím výbušnější ten rozpad bude. Přibližně při 600 °C se objem těkavých látek, které se mají odstranit, značně zmenšil a přeměna na bezvodné fáze oxidu hlinitého, jako gama oxid hlinitý, je dokončená. Nicméně přeměna na alfa fázi začíná při vyšších teplotách. S naočkovanými sol-gel materiály toto nastává asi při 1150 °C nebo dokonce níže. Toto je vyznačeno vrcholem na obrázku 1. U nenaočkovaného sol-gel bude graf velmi podobný kromě toho, že se vrchol přeměny alfa vyskytne při poměrně vyšší teplotě, asi 1250 °C nebo podobně.

Pro praktické provedení vynálezu je pouze nezbytné ohřívat na teplotu, při které začínají být těkavé látky vypuzovány. Vyšší teploty než minimum samozřejmě podporují velmi rychlý rozklad, který má nejvyšší výbušný účinek. Pokud je však ohřátí dostatečně rychlé, mohou být efektivně použity dokonce mírné teploty na spodním okraji výše uvedených rozsahů.

-4CZ 289604 B6

Pokud se použijí teploty na spodním okraji výše zmíněných rozsahů, to je tam, kde ještě nebyl vytvořen alfa oxid hlinitý, musí být výbušně rozmělněný materiál podroben další vypalovací operaci, aby se přeměna na alfa fázi dokončila a, pokud je to požadováno, materiál se slinoval na v podstatě teoretickou měrnou hmotnost, tedy teoreticky vzato nad 95 %. Zatímco toto vyžaduje další výdaje, dovoluje to použití materiálů z rotační pece, které jsou mnohem odolnější a mnohem méně nákladné než trubky karbidu křemíku, které jsou standardní pro pece, ve kterých se všechny operace provádějí současně.

Před tím, než se podrobí výbušnému rozmělňování, se sol-gel oxid hlinitý typicky suší při teplotách přibližně pod 200 °C a výhodněji při mnohem nižší teplotách, což je asi od 75 do přibližně 175 °C.

Jak bylo naznačeno výše, je nanejvýš žádoucí zajistit, aby byly velké částice suchého sol-gel materiálu ohřívány tak rychle, jak je to možné, aby se dosáhlo maximálního rozpínání a výbušného rozmělnění. Zařízení vyobrazené ve zjednodušeném nárysu a částečném příčném řezu na obrázku 2 je velmi vhodné, aby splňovalo tyto požadavky. Nerozdrcené suché částice sol-gel oxidu hlinitého o průměru asi okolo 0,5 až asi 1 cm se přivádějí do násypky L ze které se podávají vibračním podavačem 2 do sekundárního podavače 3. Tento sekundární podavač vypouští částice do vzduchového ejektoru 4, který naopak urychluje částice za použití proudu stlačeného vzduchu, který vstupuje vstupním otvorem 5, který unáší částice potrubím 6 a do rotační pece 7, které má horní a spodní konec 9, v bodě 8, který sousedí s horkou zónou uvnitř pece 7. Při praktickém použití částice explodují, když vstoupí do horké zóny, a rozmělněné částice opouštějí spodní konec 9 pece.

Při procesu výbušného rozmělňování se dělá ohřátí kousků suchého gelu s výhodou rychle, aby se dosáhlo maximálního výbušného účinku. Přestože se pro to, aby vyhověly tomuto požadavku, může přizpůsobit více pecních konstrukcí, které jsou jiné než ta, která je znázorněná na obrázku 2, je nejvhodnější pec pro provádění tohoto procesu rotační pec 7, která má trubku skloněnou pod úhlem k horizontále a otáčející se kolem své osy, přičemž zmíněná trubka je vyhřívaná teplem přiváděným zvenku. Otáčení trubky pece 7 zajišťuje to, že kusy nebo částice uvnitř trubky jsou v konstantním pohybu, takže ani jedna část nějakého kusu nebo částice není ohřívána stykem s trubkou na úkor jiné části. Rychlost otáčení a úhel sklonu trubky určují dobu pobytu uvnitř pece 7. Tyto parametry jsou s výhodou uzpůsobeny tak, aby zajistily, že odpaření odpařitelných materiálů zevnitř kousků nastane spíše lychle než postupně. Toto umožňuje, aby částice vytvořené po výbušném rozdrcení kousků využily maximální čas vypalování a zhutňování.

Mohou se použít i další konstrukce pecí, jak se požaduje, včetně komorových pecí popřípadě s fluidními loži a pecí s mikrovlnným nebo indukčním ohřevem.

Rotační pec 7 pro použití s vypalovacími teplotami řádově takovými, které jsou potřeba pro slinování oxidu hlinitého má obvykle trubku z karbidu křemíku. To je kvůli její schopnosti vydržet fyzikální požadavky tohoto procesu včetně teplotních změn po délce trubky a rozdílná zatížení v různých bodech podle délky trubky. Karbid křemíku je také schopný odolávat jakýmkoli kyselým plynům, které by se mohly vytvářet, například jako zbytky dusičnanů, které jsou vylučovány. Pokud se však hodlá provádět výbušné rozmělňování a přeměna na formu alfa při teplotách pod těmi teplotami, při kteiých nastává úplné slinování, je možné použít kovové slitiny schopné odolávat teplotám asi kolem 1200 °C, jako je „Inconel“.

Při použití rotační pece 7 vyžaduje proces podle vynálezu dobu pobytu v horké zóně asi od 1 sekundy přibližně do 30 minut a s výhodou asi od 2 sekund přibližně od 20 minut. Aby se takovéto doby pobytu dosáhly, je úhel sklonu trubky s výhodou asi od 1° přibližně do 60° a ještě výhodněji asi od 3° přibližně do 20° a rychlost otáčení je s výhodou kolem 0,5 až asi 20 otáček za minutu a ještě výhodněji asi od 1 přibližně do 15 otáček za minutu.

-5CZ 289604 B6

Když se vypaluje naočkovaný sol-gel oxid hlinitý, je obvykle vypalovací teplota v horké zóně rotační pece 7 asi od 400 °C přibližně do 1500 °C a ještě výhodněji asi od 600 °C přibližně do 1400 °C. Pro neočkovaný sol-gel oxid hlinitý se horká zóna s výhodou udržuje na teplotě asi od 400 °C přibližně do 1650 °C a výhodněji přibližně od 600 °C asi do 1550 °C.

Částice získané procesem výbušného rozmělňování podle vynálezu mají sklon mít výrazné poměry stran, to jest, mají jeden rozměr, který je podstatně delší než kterýkoli další. Takové částice jsou zejména užitečné pro aplikace povlékaného brusivá.

Proces podle vynálezu je aplikovatelný na všechny typy výroby sol-gel částic, zejména tam, kde jsou tyto částice určené pro brusné aplikace. Sol-gel může být naočkovaný nebo neočkovaný. Jediný rozdíl v použitých podmínkách je ten, že pokud je sol-gel neočkovaný, vyžaduje se obecně vyšší slinovací teplota. To se může také aplikovat na slinuté oxidy hlinité, kde jsou jemněji dělené částice alfa oxidu hlinitého vytvarované do bloků částečným spékáním před tím, než se napustí nějakou kapalinou a poté výbušně rozmělní, aby se vyrobily brusné částice.

Protože proces podle vynálezu dovoluje vyřazení stupně fyzického rozmělňování typického pro známý stav techniky, může se vysušený gel přivádět do pece přímo ze sušárny. Toto šetří značně čas a náklady na energii.

Výhodná provedení procesu podle tohoto vynálezu budou nyní popsána na příkladech s částečným odkazem na vypalování naočkovaného sol-gel oxidu hlinitého v rotační peci 7. Tyto příklady jsou pouze pro ilustraci a nejsou určené k tomu, aby znamenaly jakákoli podstatná omezení rozsahu podstaty vynálezu.

Příklad 1

Rossův mísič byl naplněn 74 657 g deionizované vody a řídkou kaší očkovadel alfa oxidu hlinitého, která měla BET specifický povrch asi 120 m².g“' vytvořený přidáním 6000 g 6 % řídké kaše očkovadel v deionizované vodě k 10 000 g deionizované vody. Přidán byl také Boehmit pod obchodním označením Disperal prodávaný firmou Condea GmbH v množství 36,00 kg a tato směs byla zbavena vzduchu a promíchávána po dobu 5 minut. Pak se přidal roztok 1671 g 70 % kyseliny dusičné v 5014 g deionizované vody, zatímco míchaná směs byla uchovávána ve vakuu a míchána po dalších 5 až 10 minut. Vakuum se pak odstranilo a směs byla gelována průchodem směsi řadovým mísičem-homogenizátorem, přičemž se do směsi vstřikuje roztok 1671 g 70 % kyseliny dusičné v 5014 g deionizované vody.

Gel se sušil a rozdrtil na kousky asi od velikosti 0,25 cm do 1 cm a tyto kousky byly zavedeny do pece. Usušené kousky sol-gelu byly přiváděny přímo do rotační pece 7 zahrnující trubku z karbidu křemíku o délce 213 cm a průměru 15 cm s 50 cm horkou zónou udržovanou na teplotě 1405 °C. Trubka byla skloněna pod 6° k horizontále a otáčela se asi 18 otáčkami za minutu.

Tyto kousky byly výbušně rozmělněny na rozsah velikostí částic, z nichž byla vytříděna zrna 50T, tj. >300 pm a <355 pm, oddělena pro fyzikální testování. Čas, aby vypalovaný materiál prošel rotační pecí 7, byl asi 1 až 2 minuty. Vypalovaná zrna měla hustotu větší než 3,8 g.cm^-3a zahrnovala mikrokrystality oxidu hlinitého o průměru kolem 0,2 mikrometru.

Kvůli porovnání bylo totéž složení sol-gel vysušeno tímtéž způsobem, válcově rozdrceno, aby se vytvořily částice o velikosti odpovídající -24 mesh, tj. <710 pm, které pak byly kalcinovány asi při 800 °C před tím, než byly vypalovány běžným způsobem v běžné rotační peci. Tyto drti obsahovaly stejné krystality oxidu hlinitého menší než 1 mikrometr jako drti rozmělněné výbušně podle vynálezu.

CZ 289604 B6

Tyto dva vzorky pak byly použity do brusných pásů využívajících přesně tatáž množství drti, výplně, tvořícího materiálu a formátovacích povlaků. Každý pás měl 590 g drti na 1 čtvereční metr povrchové plochy a byl 6,4 cm široký a 152,4 cm dlouhý. Tyto pásy běžely rychlostí 9000 povrchových metrů za minutu a byly použity pro broušení tyče z nerezavějící oceli 304 po 4 minuty pod vodním chladivém a při aplikované síle 6,8 daN.

Pás vyrobený za použití běžných drtí odbrousil během této doby 74 g, zatímco pás zhotovený s výbušně rozmělněnými zrny odbrousil 94 g, nebo vykazoval 27 % zlepšení oproti běžnému pásu.

Příklad 2

Usušené kousky naočkovaného sol-gel oxidu hlinitého o teplotě místnosti a o velikosti kolem +24T, tj. > 710 pm, byly přiváděny v množství asi 2,25 až asi 4,5 kg.h^_1. Do horké zóny rotační pece 7 udržované na 1000 °C za využití zařízení, jaké je v podstatě popsané na obrázku 2. Pec byla tatáž, jako byla pec použitá v příkladu 1, kromě toho, že se trubka otáčela asi 10 otáčkami za minutu a byla skloněná k horizontále asi pod 7°. Částice gelu byly výbušně rozmělněny v peci a rozmezí velikosti drti bylo takové, jak je popsáno níže v tabulce 1.

Tabulka 1

Rozpětí velikosti +30 (> 600 pm) -30+40 (< 600 pm > 425 pm) -40+50 (< 425 pm > 300 pm) -50+60 (< 300 pm > 250 pm) -60 (<250pm)

Množství výskytu 41 % 31 % 11 % 3% 4%

Výše uvedený výbušně rozmělněný materiál byl v samostatné operaci dále slinován na měrnou hmotnost větší než 3,8 g.cm~³ a rozsah velikosti slinovaného materiálu byl takový, jak je ukázáno níže v tabulce 2.

V případě obou sad drtí byl oxid hlinitý ve formě krystalitů pod jeden mikrometr.

Tabulka 2

Rozpětí velikosti +30 (> 600 pm) -30+40 (< 600 pm > 425 pm) -40+50 (< 425 pm > 300 pm) -50+60 (< 300 pm > 250 pm) -60 (< 250 pm)

Množství výskytu 22% 38 % 23 % 9% 8%

Příklad 3

Tento příklad ilustruje nové brusné drti podle vynálezu a jejich přípravu.

Surový naočkovaný gel oxidu hlinitého byl připraven následovně:

Do Jaygova mísiče velmi tuhých látek vybaveného dvěma sigma břity a výtlačným šnekem bylo umístěno 148 kg boehmitu dostupného u Condea pod registrovanou ochrannou známkou „Disperal“ a 40 kg deionizované vody. Tato směs se promíchávala asi 5 minut šnekem, který běžel v opačném směru. Pak byla přidána řídká vodná kaše alfa oxidu hlinitého, přesněji 29 kg 4% disperze sušiny alfa oxidu hlinitého sBET specifickým povrchem větším než 110m².g~’, a s míšením se pokračovalo po dobu dalších 8 minut. Pak byla přidána dávka 30 kg 22% kyseliny dusičné a vmíšení se pokračovalo po dobu dalších 20minut. Nakonec běžel výtlačný šnek v dopředném směru, aby výsledný gel vytlačoval výtlačnou hubicí o 6,3 mm. Výtlačný gel se pak sušil na obsah vody kolem 30-35 % hmotnosti. Usušený vytlačený gel byl pak rozdělen na dvě části.

První část byla rozdrcena ve válcovém drtiči, kalcinována při 600-800 °C a pak slinována v rotační peci na více než 97 % teoretické měrné hmotnosti. Slinované drti pak byly tříděny, aby se oddělila velikost 50T, tj. > 300 pm a < 355 pm, a pro tyto drti byl vyčíslen poměr stran a jejich brusný výkon. Toto reprezentovalo běžné, válcově drcené, doslaba tvarované brusné drti sol-gel oxidu hlinitého.

Druhá část byla zpracována v souladu s technologií popsanou v příkladu 2 na měrnou hmotnost větší než 97 % teoretické, kromě toho, že materiál, který měl být rozmělněn výbušně, byl nejprve prosát na +10mesh, tj. >2 mm, aby se odstranil jemný materiál. Podobná velikost ŠOT, tj. > 300 pm a < 355 pm, byla vytříděna z produktu rozmělněného výbušně. Tato frakce byla také podrobena rozboru poměru stran a výpočetní brusného výkonu.

Důležitá je analýza poměru stran. Drti, které se mají analyzovat, byly prosévány na -45+50, tj. < 355 pm a > 300 pm, na velikost 50T nebo -30+35, tj. < 600 pm a > 500 pm, na velikost 36T.

Použité vybavení zahrnovalo černobílou kameru s vysokým rozlišením DageMTIO PA-81 vybavenou makročočkami Nikon Micro Nikkor 55 mm a namontovanou na fotografickém stojanu Bencher M2, aby se zachytily obrazy drti. Drti byly rozptýleny na černém papíru, jelikož mají bílá zrna, a byl pořízen fotografický snímek s více zrny v zorném poli.

Osvětlení bylo zajišťováno pouze stropní zářivkou a vyvarovalo se stínů nebo přesvětlení.

Kamera byla namontována na fotografickém stojanu za použití horního vývrtu v montážním držáku a středového otvoru na spodní straně kamery, s vertikálním běžcem na fotografickém stojanu zajištěném asi v poloze 44 cm. Apertura čoček byla nastavena na f-2.8. Systém byl kalibrován umístěním metrického pravítka na základnu fotografického stojanu, zaostřením kamery a nastavením požadované délky přímky, z čehož se prakticky ukázalo, že 10 mm je 10 000 mikrometrů.

Černý papír, který měl na sobě brusná zrna, se pohyboval k různým zorným polím, aby se analyzovala různá zrna.

Snímky byly zachycovány a analyzovány za použití systému software Compix C Imaging 1280/Simple 51. Při způsobu zvyšování kvality snímku se prováděla jedna zaostřovací operace, aby se dále napomohlo synchronizaci okrajů zrna během pátrání. Pak se vytvořil binární snímek a tento snímek byl sestříhán, aby se zajistilo, že se dvě brusná zrna vzájemně nedotýkají, nebo aby se vyřadil běžně zkreslený snímek. Minimální rozsah velikosti pro snímané zrno byl

-8CZ 289604 B6 stanoven na 200 čtverečních mikrometrů, aby se vyřadila jakákoli porucha pozadí na snímku spojená s papírem. Stanovení tohoto minima nebylo přijato proto, aby se vyloučila jakákoli, až potud testovaná zrna.

Na ploše zahrnuté za použití software Simple51 shromažďovala měření maximální délku a maximální šířku pro každé zrno v zorném poli. Praxe byla, změřit tyto parametry alespoň na 200-250 zrnech na vzorek. Sebraný údaj byl pak dodán k software Microsofťs Excel^R(vybavení 5.0) pro stanovení průměrů, směrodatné odchylky, poměrů stran a doprovodných součtových dat.

Pro vyčíslení brusného výkonu byla brusná zrna elektrostaticky uložena v hmotnosti standardního potahu na tkaninovou podložku, která měla fenolický lepivý potah. Lepidlo pak bylo vytvrzeno. Pak byl na brusná zrna aplikován apretační potah fenolické pryskyřice a tento apretační potah byl vytvrzen. Potažený brusný materiál byl přeměněn na nekonečný pás o délce 152,4 cm a šířce 6,35 cm. Tento pás byl zkoušen postupem konstantní síly zatížení při stejnoměrné rychlosti 914,4 povrchových metrů za minutu a použití vodného chladivá při broušení tyče z nerezavějící oceli 304 bar (30,4 MPa) při síle 6,8 daN. Celkový výbrus oceli v časovém rozmezí 20 minut byl určen jako konec zkoušky.

Všechna vyrobená zrna měla mikrokrystalickou strukturu sestávající zkiystalitů alfa oxidu hlinitého o průměru asi od 0,2 do přibližně 0,4 mikrometru, jak bylo naměřeno způsobem zachycení průměru.

Výsledky vyčíslení

VZOREK	ZRNA/100 S L/D >/=2,0	RELATIVNÍ %	BRUSNÝ VÝKON GMS VÝBRUS/20 min
PŘ.3	54	207	284
POR. 3	25	100	199

Zkratky použité v tabulce znamenají: L - délka zrna, D - průměr respektive největší příčný rozměr zrna, GMS VÝBRUS - výbrus v gramech, PŘ, - příklad a POR. - porovnávací příklad.

Z výše uvedeného je jasné, že výbušně rozmělněná zrna byla absolutně lepší co do brusného výkonu a byla naprosto odlišná od naslabo tvarovaného zrna porovnávacího vzorku v tom, že mají mnohem větší poměr zrn s poměrem L/D větším než nebo rovným 2,0.

Příklad 4

Tento příklad probíhá paralelně s příkladem 3 kromě toho, že byl použit mírně odlišný proces sol-gel. Ve všech dalších ohledech byly příklady shodné.

Proces použitý jak pro výrobu porovnávacích zrn, tak i zrn podle vynálezu, byl následující:

Mísící nádrž byla naplněna 908 kg vody; 118 kg zředěné řídké kaše zárodečných krystalů alfa oxidu hlinitého obsahující 4% hmotnosti zárodečných krystalů alfa oxidu hlinitého se specifickým povrchem větším než 120 m².g^_l vyrobených rozemletím 8% vodné disperze submikroskopického alfa oxidu hlinitého v Swecově mlýnu za použití Diamonitových médií oxidu hlinitého o nízké čistotě, a 41 kg 21 % kyseliny dusičné. Tato směs byla míchána za použití čepele vysokorychlostního dispergátoru a pro odstranění vzduchových bublin byla míchána ve vakuu. Bylo zjištěno, že pH je nad 4. Tato disperze pak byla homogenizována jejím čerpáním řadovým homogenizérem společně s 21% kyselinou dusičnou vnášenou v množství 0,6 litrů za minutu. Výsledný gel byl sušen na obsah vody přibližně 30-35 %.

-9CZ 289604 B6

Vysušený gel pak byl rozdělen na dvě části a dále zpracováván a vyhodnocován, jak bylo popsáno v příkladu 3. Výsledky byly následující:

VZOREK	ZRNA/100 S L/D >/= 2,0	RELATIVNÍ %	BRUSNÝ VÝKON GMS VÝBRUS/20 min
PŘ.4	36	171	281
POR.4	21	100	212

Zkratky použité v tabulce jsou shodné se zkratkami v tabulce předchozí.

Tato data také demonstrují to, že i při procesu s nízkým obsahem suspendované tuhé látky je značný rozdíl mezi zrny vyrobenými běžným postupem a zrny vyrobenými postupem podle vynálezu.

Příklad 5

Tento příklad je tentýž proces, jako je popsaný v příkladu 3 kromě velikosti zm, která jsou vyhodnocována. Namísto zm 50T byla oddělena a vyhodnocována frakce velikosti 36T. Výsledky jsou následující:

VZOREK	ZRNA/100	RELATIVNÍ %	BRUSNÝ VÝKON
PŘ.5	S L/D >/=2,0		GMS VÝBRUS/20 min
27	142	259
POR.5	19	100	149

Význam zkratek je zde opět shodný jako v předchozích tabulkách.

I když je takto relativní počet delších zm pouze 142 % z počtu získaného válcovým drcením u běžného způsobuje pozitivní efekt na brusném výkonu naprosto udivující.

Příklad 6

Tento příklad ukazuje změnu v rozměrech a tíže sedmi materiálů prosátých na tutéž standardní velikost -45+50. Existovaly různé vzorky materiálu naočkovaného sol-gel oxidu hlinitého, z nichž každý byl výbušně rozmělněn způsobem nárokovaným ve vynálezu. Další zahrnovaly tři, které byly vyrobené procesem válcového rozdrcení z očkovaných materiálů sol-gel oxidu hlinitého, které byly podobné těm, z nichž byla vyrobena zrna rozmělněná podle vynálezu. Závěrečný vzorek bylo komerční brusné zrno z oxidu hlinitého volně dostupné u 3M Corporation pod obchodním názvem „321 Cubitron“. Pod tímto zrnem se má rozumět zrno, které se má vyrobit postupem neočkovaného sol-gel oxidu hlinitého, při kterém se oxid hlinitý modifikuje menšími množstvími oxidu yttritého a oxidy kovů vzácných zemin. Zrna jsou považována za zrna vyrobená operací mechanického rozdrcení. Mají krystalovou strukturu, která zahrnuje krystaly oxidu hlinitého o průměru asi od 1 do 7 mikrometrů zjištěném postupem zachycení střední hodnoty.

Výsledky jsou uvedené v následující tabulce 3:

-10CZ 289604 B6

Tabulka 3

	PRŮM. DÉLKA	PRŮM. ŠÍŘKA	PRŮM. VÝŠKA	PRŮM. OBJEM
VZOREK	pm	pm	pm	pm³
VYN-1	754	400	179	3,95
VYN-2	872	399	269	3,90
VYN-3	673	424	254	3,19
VÁL-1	597	450	299	2,22
VÁL-2	615	414	282	2,92
VÁL-3	601	450	226	2,87
321	649	396	231	2,27

Co znamenají zkratky v tabulce, je vysvětleno v předchozím odstavci popisu.

Techniky měření byly ty, které byly popsané v příkladu 3 nahoře, kromě toho, že měření výšky se provádělo za použití techniky interferometrie bílého světla. Údaje ukazují, že ačkoliv se rozměr určující velikost zrna, tj. šířka, lišil v celém rozsahu vzorků pouze kolem 54 mikrometrů kvůli společné velikostí zrna u všech vzorků (-45+50) a jak průměrné výšky tak i Šířky pokrývaly překrývající se rozsahy, zaujímala průměrná délka a v důsledku toho i průměrná hmotnost jasně odlišné rozsahy u zrn rozmělňovaných podle vynálezu, která jsou delší a těžší než zrna rozmělňovaná válci podle stavu techniky.

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims

1. Způsob výbušného rozmělňování směsi zahrnující usušený ale nevypálený sol-gel oxidu hlinitého, přičemž směs má odpařitelný obsah alespoň 5 % hmotnosti, vyznačující se tím, že se částice směsi přivádějí přímo do pece, která se udržuje na teplotě v rozmezí od 400 °C do 1650 °C a doba pobytu v peci se řídí do vytvoření výbušně rozmělněných částic oxidu hlinitého.

2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že se pec vytvoří jako trubková rotační pec.

3. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že se částice směsi ponechají v zóně maximální teploty v peci, takzvané horké zóně, po dobu od 1 sekundy do 30 minut.

4. Způsob podle nároku 2, vyznačující se tím, že se sklon trubkové rotační pece nastaví na úhel od 1 do 60° k horizontále.

5. Způsob podle nároku 4, vyznačující se tím, že se trubková rotační pec otáčí od 0,5 do 40 otáček za minutu.

6. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že směs, která se přivádí do pece a obsahuje vysušený sol-gel oxid hlinitý, zahrnuje mezi 5 a 60% hmotnosti odpařitelného materiálu.

7. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že se směs obsahující vysušený sol-gel oxid hlinitý přivádí přímo do blízkosti horké zóny pece.

8. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že směs zahrnující naočkovaný sol-gel oxidu hlinitého a od 20 do 40 % hmotnosti odpařitelného materiálu se přivádí do

-11CZ 289604 B6 trubkové rotační pece, jejíž horká zóna se udržuje na teplotě od 600 °C do 1500 °C, která je skloněná k horizontále pod úhlem od 2° do 20° a otáčí se od 2 do 20 otáček za minutu.

9. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že se neočkovaný sol-gel oxidu hlinitého zahrnující od 20 do 40 % odpařitelného materiálu přivádí do trubkové rotační pece, jejíž horká zóna se udržuje na teplotě od 600 °C do 1650 °C, jejíž trubka je skloněná k horizontále pod úhlem od 3° do 20° a která se otáčí od 1 do 20 otáček za minutu.

10. Způsob podle nároků 1,8a 9, vyznačující se tím, že teplota a doba pobytu v peci jsou dostatečné pro vyhoření alfa fáze a slinování na měrnou hmotnost alespoň 95 % hmotnosti teoretické.

11. Způsob podle nároků 1,8a 9, vyznačující se tím, že se pec udržuje pod teplotou požadovanou pro spékání oxidu hlinitého a výbušně rozmělněný materiál se v podstatě na teoretickou měrnou hmotnost spéká následně.

12. Způsob podle nároku 11, vyznačující se tím, že se výbušně rozmělněný materiál podrobuje drtícímu pochodu, aby se velikost částice dále upravila před tím, než se spéká.

13. Způsob podle nároku 11, vyznačující se tím, že se výbušně rozmělněný materiál upravuje před tím, než se podrobí slinovací operaci, roztokem rozpustné soli kovu zvoleného ze skupiny sestávající z kovů vzácných zemin, přechodných kovů, rubidia, cesia a yttria.

14. Brusné drti oxidu hlinitého, vyznačující se tím, že mají zrna nesymetrická kolem svého podélného rozměru a, tak jak jsou vyrobená a v rámci frakce o jakékoli velikosti zrna, zahrnují více než 25 % zrn s poměrem stran alespoň 2:1 a která mají měrnou hmotnost, která je alespoň 95 % měrné hmotnosti teoretické.

15. Brusné drti oxidu hlinitého podle nároku 14, vyznačující se tím, že procentuální obsah zrn s poměrem stran větším než 2:1 je větší než 30 %.

16. Brusné drti oxidu hlinitého podle nároku 14, vyznačující se tím, že jsou složené z krystalů slinutého oxidu hlinitého o velikostech od 0,01 do 10 mikrometrů.

17. Brusné drti oxidu hlinitého podle nároku 16, vyznačující se tím, že krystality oxidu hlinitého jsou submikroskopické velikosti.

18. Brusné drti oxidu hlinitého podle nároku 14, vyznačující se tím, že jsou složené ze slinutého oxidu hlinitého modifikovaného začleněním až 10 % jednoho nebo více oxidů vybraných ze skupiny sestávající z oxidů magnézia, zirkonia, kovů vzácných zemin, přechodných kovů, rubidia, cesia a yttria.

19. Pojené brusivo, vyznačující se tím, že zahrnuje brusné drti podle nároku 14.

20. Pojené brusivo, vyznačující se tím, že zahrnuje brusné drti podle nároku 17.

21. Pojené brusivo, vyznačující se tím, že zahrnuje brusné drti podle nároku 18.

22. Povlékané brusivo, vyznačující se tím, že zahrnuje brusné drti podle nároku 14.

23. Povlékané brusivo, vyznačující se tím, že zahrnuje brusné drti podle nároku 17.

24. Povlékané brusivo, vyznačující se tím, že zahrnuje brusné drti podle nároku 18.