DE1571299B2 - Verfahren zum Herstellen von Magnesiaspinellen - Google Patents

Verfahren zum Herstellen von Magnesiaspinellen

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Magnesiaspinellen hoher Reaktionsfähigkeit nach deutschem Patent 1 275 935, bei welchem eine homogene Mischung einer tonerdehaltigen Komponente mit einer magnesiahaltigen Komponente in praktisch stöchiometrischem Verhältnis hergestellt wird, wobei als tonerdehaltige Komponente Tonerdehydrat, schwach geglühte Tonerde oder Alpha-Tonerde in feinzerteilter Form benutzt wird und als magnesiahaltige Komponente Magnesiumhydroxyd, Magnesiumcarbonat, basisches Magnesiumcarbonat oder schwach geglühtes Magnesiumoxyd in feinzerteilter Form.
Unter dem Ausdruck »Spinell« oder »Magnesiumspinell« soll im folgenden der Magnesium-Aluminat-Spinell MgO · Al2O3 verstanden werden. Die Bezeichnung »hohe Reaktionsfähigkeit« besagt, daß der synthetisch hergestellte Magnesiumspinell nach der Vermahlung und Überführung in die endgültige Form des herzustellenden Teiles bei relativ niedrigen Temperaturen gebrannt werden kann.
Synthetisch hergestellte Spinelle mit hoher Reaktionsfähigkeit werden in der Technik als Bindemittel für hochreine feuerfeste Materialien verwendet. Als solche sind beispielsweise feuerfeste Stoffe, bei denen die Anwesenheit von Magnesiaspinell vorteilhaft für hohe Widerstandsfähigkeit gegen Angriffe durch Metalle ist, z. B. feuerfeste Materialien zur Verwendung in Schmelzöfen zum Schmelzen von Aluminiumlegierungen mit hohem Magnesiumgehalt, zu nennen. Weiterhin werden sie zur Herstellung keramischer Teile eingesetzt. Hierzu wird der Magnesiumspinell gemahlen, in die Endform verpreßt und bei einer bestimmten Temperatur gebrannt. Zu diesem Zweck muß der Magnesiumspinell gut vermahlbar sein. Beim Brennen soll ein Endprodukt mit einer hohen Dichte erhalten werden, welches sich von der theoretischen Dichte des Rohstoffs kaum unterscheidet, wobei die Temperaturen möglichst niedrig liegen sollen.
Zur Herstellung von Magnesiumspinellen bzw. von feuerfesten Produkten auf Spinellbasis sind bereits verschiedene Verfahren bekannt.
In der deutschen Auslegeschrift 1128 352 wird ein von aktiviertem Magnesiumoxyd und Aluminiumoxyd ausgehendes Verfahren zur Herstellung von feuerfesten Massen auf der Basis von Magnesiumaluminat beschrieben. Die nach diesem Verfahren bei Brenntemperaturen von 1450 bis 1550° C erhältlichen feuerfesten Massen stellen dichte, harte, keramische Körper, die nur sehr schwer zu einem pulverförmigen Material vermählen werden können, dar.
Gegenstand der französischen Patentschrift 350 016 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Magnesiumspinellziegels bei erhöhter Temperatur unter Verwendung von Borsäure als Mineralisator. Als Reaktionstemperatur wird 2400° C angegeben.
Bei beiden Verfahren stellt jedoch die hohe Brenntemperatur einen beträchtlichen Nachteil dar.
Gegenstand des Hauptpatents ist ein Verfahren zur Herstellung von Magnesiumspinellen hoher Reaktionsfähigkeit, bei welchem bestimmte spezifische homogene Mischungen bei einer Temperatur im Bereich von etwa 1000 bis 1250° C geglüht werden.
Es hat sich nun herausgestellt, daß Magnesiumspinelle mit hoher Reaktionsfähigkeit durch Glühen dieser Mischungen bei einer Temperatur von nur 850° C erzielt werden können. Die vorliegende Erfindung ist daher dadurch gekennzeichnet, daß eine Mischung verwendet wird, die außerdem eine fluorhaltige Substanz im Mengenverhältnis 0,2 bis 4 Gewichtsprozent (auf Oxyd bezogen) enthält, außer wenn die tonerdehaltige Komponente hauptsächlich aus Alpha-Tonrede besteht, und daß das Gemisch bei einer Temperatur zwischen etwa 850 und etwa 10000C geglüht wird, wobei die fluorhaltige Substanz während des Glühvorganges Fluorwasserstoff zu bilden vermag.
xo Die hohe Reaktionsfähigkeit der gemäß der Erfindung hergestellten Magnesiumspinelle erlaubt die Herstellung keramischer Teile, die bei Brenntemperaturen von nur 1600° C verdichtet werden können, um ein nicht poröses, feuerfestes Magnesiumspinellerzeugnis zu erzielen, das eine Dichte von mehr als 3,45 g/cm3 aufweist, während für die theoretische Dichte des Magnesiumspinells 3,58 g/cm3 angenommen werden.
Das verbesserte erfindungsgemäße Magnesiumerzeugnis ist auch als Bindemittel in feuerfesten Stoffen geeignet, z. B. in feuerfesten Stoffen, bei denen die Anwesenheit von Magnesiumspinell vorteilhaft für hohe Widerstandsfähigkeit gegen Angriffe durch Metall ist, beispielsweise feuerfeste Materialien zur Verwendung in Schmelzöfen zum Schmelzen von Aluminiumlegierungen mit hohem Magnesiumgehalt.
Es hat sich gezeigt, daß eine Mischung aus einer
tonerdehaltigen Komponente und einer magnesiumhaltigen Komponente — wobei die magnesiumhaltige Komponente in mindestens so ausreichender Menge vorhanden ist, um sich stöchiometrisch zu verbinden und dabei MgO ■ Al2O3 zu bilden — in eine reaktionsfähige Form von Magnesiumspinell durch Glühen bei einer Temperatur von etwa 850° C bis etwa 1000° C umgewandelt werden kann, vorausgesetzt, daß die Mischungsbestandteile in bestimmter Weise ausgewählt werden, um einerseits zu sichern, daß eine praktisch vollständige Umwandlung zu Magnesiumspinell stattfindet und zweitens nur geringes oder überhaupt kein Sintern oder Kristallwachstum bei dem erzeugten Spinell eintritt.
Bei der Herstellung von Magnesiumspinellen gemäß der Erfindung ist es wesentlich, daß die tonerdehaltige Komponente und die magnesiumhaltige Komponente gut zerkleinert und gründlich gemischt werden, damit eine innige Mischung dieser Festteile in trockener Form als Preßling oder Aufschlämmung hergestellt ist.
Die magnesiumhaltige Komponente ist für gewohnlich schon durch die Herstellung sehr fein, d. h., die große Masse der Teilchen ist kleiner als 10 μ. Falls Rohmaterial verwendet wird, muß dieses auf eine ähnliche Feinheit gemahlen werden. Die tonerdehaltige Komponente muß für gewöhnlich vermahlen werden, obgleich diese nicht die Feinheit wie die magnesiumhaltige Komponente aufzuweisen braucht. Vorzugsweise ist die magnesiumhaltige Komponente zu zerkleinern, bis 90% aller Teilchen kleiner als 10 μ sind, und die tonerdehaltige Komponente sollte so weit zerkleinert werden, daß wenigstens 4O°/o der Teilchen kleiner als 10 μ sind. Als tonerdehaltige Substanz kann in dem Gemisch Tonerdehydrat benutzt werden, beispielsweise Tonerdetrihydrat, schwach gebrannte Tonerde und a-Aluminiumoxyd oder Mischungen daraus; als magnesiumhaltige Komponente kann Magnesiumhydroxyd, Magnesiumkarbonat, basisches Magnesiumkarbonat und schwach gebranntes Magnesiumoxyd (einschließ-
lieh schwach gebranntem Magnesiumkarbonat, z. B. bei 900° C gebranntem) oder Mischungen aus diesen Bestandteilen verwendet werden.
Unter »schwach gebrannter Tonerde« ist Tonerdehydrat zu verstehen, welches bei einer so hohen Temperatur gebrannt ist, daß im wesentlichen das gesamte Wasser ausgetrieben ist, nicht aber bei einer Temperatur, durch die sie in a-Aluminiumoxyd (Korund) umgewandelt wird.
Es hat sich als wünschenswert erwiesen, daß die magnesiumhaltige Komponente im geringfügigen Überschuß über den zur Bildung von MgO · Al2O3 stöchiometrisch erforderichen Anteil hinaus vorhanden ist, um die zufällige Bildung eines tonerdereichen Spinells zu verhindern. Magnesiumoxyd selbst ist in Magnesiumspinell unlöslich und kann ausgelaugt werden.
Ferner wird, außer wenn die tonerdehaltige Komponente im wesentlichen aus a-Aluminiumoxyd besteht, ein geringer Gewichtsanteil Aluminiumfluorid oder ein gleichwertiger fluorhaltiger Stoff beigegeben, der während des Brennvorgangs, für gewöhnlich in Gegenwart von Wasser, in Fluorwasserstoff umgewandelt werden kann. Der Anteil des Aluminiumfluorids liegt vorzugsweise im Bereich zwischen etwa 0,2 und etwa 4 Gewichtsprozent, auf Oxyd bezogen, und soll vorzugsweise nicht mehr als 2 Gewichtsprozent betragen. Der besonders bevorzugte Bereich für die Aluminiumfluoridzugabe liegt zwischen 0,5 und 1,5%; sie beträgt am zweckmäßigsten mindestens 0,75 Gewichtsprozent.
Es wurde festgestellt, daß der Einfluß der Kristallform der tonerdehaltigen Komponente in der für die Spinellherstellung benutzten Mischung von Bedeutung ist. Wenn die tonerdehaltige Komponente als Tonerdehydrat oder schwach gebrannte Tonerde auftritt, ist die Zugabe von Aluminiumfluorid oder einer gleichwertigen Fluorverbindung erforderlich, um eine ausreichende Umwandlung in Magnesiumspinell bei niedriger Temperatur, wie sie zur Erzielung von Magnesiumspinellen hoher Reaktionsfähigkeit erforderlich ist, zu erreichen. Wenn jedoch die tonerdehaltige Komponente in Form von a-Aluminiumoxyd, auch als Korund bekannt, vorliegt, ist die Gegenwart von Aluminiumfluorid oder seines Äquivalents nicht nur unnötig, sondern sogar störend, weil es das Sintern der Mischung bei relativ niedrigen Temperaturen fördert.
Der Zusatz von Fluoriden beim Brennen von spinellartigen Produkten wird zwar schon in der französischen Patentschrift 350 016 erwähnt. Der Zusatz erfolgt jedoch bei dem aus dieser Patenschrift bekannten Verfahren ausschließlich zu dem Zweck, die als Mineralisator wirkende Borsäure wieder zu entfernen. Eine katalytische Wirkung des Fluorids im Sinne der vorliegenden Erfindung scheidet aus, da selbst, wenn Fluoride dem Ansatz bereits vor dem Brennen zugegeben werden, infolge des niedrigen Anteils von 0,2% dieser Stoffe die Fluoride bei der hohen Verfahrenstemperatur von 2400° C sich sofort mit der Borsäure zu einer flüchtigen Verbindung umsetzen. Eine katalytische Wirkung auf die Umwandlung von je Al2O3, wie sie bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorliegt, kann daher bei dem bekannten Verfahren nicht erwartet werden.
Wie erwähnt, kann die magnesiumhaltige Komponete aus Magnesiumhydroxyd, Magnesiumkarbonat, basischem Magnesiumkarbonat oder schwach gebranntem Magnesiumoxyd bestehen. »Totgebranntes« Magnesiumoxyd ist unerwünscht, v/eil es mit Aluminiumoxyd nur schwach reagiert.
Bei dem Vorgang gemäß der Erfindung, in dem das Gemisch der tonerdehaltigen und der magnesiumhaltigen Komponente zur Umwandlung in Magnesiumspinell erhitzt wird, ist die Glühtemperatur zu niedrig, um ein wesentliches Sintern des neugebildeten Magnesiumspinells zu gestatten, mit dem Er-
»o gebnis, daß dieser sehr leicht in Teilchen mit Mikrongröße zerkleinert werden kann. Gesinterter Magnesiumspinell ist schwierig zu zermahlen; für die Verwendung als keramisches Material beim Formgießen (slip casting) oder bei gewissen anderen Herstellungsverfahren ist es jedoch erforderlich, ihn auf Mikrongröße zu zermahlen. Im allgemeinen wurden durch Anwendung einer Glühtemperatur von mindestens 850° C zufriedenstellende Ergebnisse erzielt.
Die Erfindung wird durch das folgende Beispiel veranschaulicht:
Beispiel
Verwendet wurden Mischungen aus hochreinem Magnesiumhydroxyd aus dem Mineral Brucit und nach dem Bayer-Verfahren hergestelltes Tonerdehydrat. Diese Stoffe hatten folgende chemische Zusammensetzung:
Tabelle I
Analyse der verwendeten Rohmaterialien
Oxyd
Al2O3 ....
SiO2
Fe2O3
MgO
Na2O
CaO
Glühverlust
0,2
0,9
68,0
0,9
30,0
0,3
1,3
97,1
1,3
Al2O3 · 3 H2O
"üri^üht
65,6
0,02
0,02
0,36
34
99,35
0,03
0,035
0,55
Das Aluminiumoxyd-Magnesiumoxyd-Verhältnis der Mischung war zur Erzielung eines stöchiometrischen Magnesiumspinells (Al2O3/MgO - Verhältnis 2,55) berechnet. Zur Vermeidung einer zufälligen Bildung eines tonerdereichen Spinells war ein geringfügiger Überschuß an MgO in der Mischung vorhanden. Überschüssiges MgO ist in Magnesiumspinell unlöslich und kann, falls erwünscht, durch Behandlung mit verdünnter HCl nach dem Glühen entfernt werden.
Das Rohmaterialiengemisch wurde in einer Laboratoriumskugelmühle zermahlen. Vor dem Zermahlen wurde 1% AlF3 zugegeben. Die zermahlene Mischung wurde zu Preßlingen in der Größe 100 -25-30 mm bei einem Druck von etwa 280 kg/cm2 verpreßt. Die Preßinee wurden bei Temperaturen zwischen 700 und 1400° C geglüht.
Die erhaltenen Erzeugnisse wurden durch Röntgenbeugungsanalyse auf ihre mineralische Zusam-
mensetzung untersucht. Bei Temperaturen unter 800° C wurden keine merklichen Spinellanteile festgestellt. Zwischen 800 und 900° C war die Umwandlung unvollständig, während bei 900° C und darüber die Umwandlung in Spinell praktisch vollständig war.
Die geglühten Materialien wurden in einer Laboratoriumskugelmühle erneut zermahlen, zu Scheiben mit 25 mm Durchmesser verpreßt und 1 Stunde lang bei 1600° C gebrannt. Die durch das Brennen bei 1600 erzielte Dichte kann als Maß für die Reaktionsfähigkeit des Erzeugnisses dienen. Je höher die durch das Brennen erzielte Dichte ist, desto größer ist die Reaktionsfähigkeit. Tabelle II gibt die Röntgenbeugungswerte und die Werte der Brenndichte der Proben als Funktion der Glühtemperatur wieder.
Aus den in der Tabelle II gegebenen Werten ist klar zu ersehen, daß Magnesiumspinell mit optimalen Eigenschaften durch Glühen eines Gemisches von Tonerdetrihydrat und Magnesiumhydroxyd bei 900° C oder darüber unter Zugabe von 1 °/o AlF3 als Mineralisierungsmittel erzielt werden kann. Die durch Brennen erzielte Dichte von Keramikteilen, welche aus bei Temperaturen unter 900° C geglühten Gemischen hergestellt sind, verringert sich — vermutlich durch die Anwesenheit nicht reagierten Aluminiumoxyds und Magnesiumoxyds im Pulver — mit abnehmender Temperatur. Für bei 850° C geglühten Gemischen beträgt die durch Brennen erzielte Dichte nur noch 3,46 g/cm3, was einen Grenzwert darstellt, während Keramikteile, weiche aus bei 825° C geglühten Gemischen hergestellt sind, nicht mehr zufriedenstellend sind und eine durch Brennen erzielte Dichte von 3,19 g/cm3 aufweisen.
Tabelle II
Zusammensetzung und Dichte von Magnesiumspinellteilen vor und nach dem Brennen*
Litiienintensität bei der Röntgenbeugung **
Glüh
tempe
Spinell Periklas Dichte
in g/cm3
Dichte
in g/cm3
nach dem
ratur
in 0C
</=2,86Ä d=2,UÄ vor dem
Brennen
Brennen
bei 16000C
700 2 66 1,41 2,46
800 0 72 1,50 2,97
825 20 58 1,70 3,19
850 64 17 2,05 3,46
900 82 6 2,13 3,50
1000 98 1 2,12 3,50
1050 97 5 2,14 3,51
1100 105 1 2,18 3,49
1200 112 2 2,17 3,50
1400 128 3 2,20 3,30
35
40
45
55
* Spinell hergestellt durch Glühen von Aluminiumhydrat und Magnesiumhydroxyd unter Zugabe von l°/o AIF3 bei den angegebenen Temperaturen.
** Linien/ntens/täten sind bezüglich der Proben, jedoch g0 nicht bezüglich der Mineralien vergleichbar.
Wenn auch die Betonung auf die Verwendung von Aluminiumtrifluorid als Mineralisierungsmittel gelegt worden ist, so sind auch andere fluorhaltige Verbindungen, die sich durch Pyrohydrolyse in Gegenwart von Feuchtigkeit während der Umwandlung oder des Glühvorgangs in Fluorwasserstoff umwandeln lassen, verwendbar. Derartige, im Rahmen der Erfindung verwendbare fluorhaltige Verbindungen sind Fluorwasserstoff, Fluor, Ammoniumfluorid und Calciumfluorid. Fluorwasserstoff oder Fluor können unmittelbar in den Brennofen eingeleitet werden.
Zur Veranschaulichung der Herstellung von Magnesiumspinellpulver aus dem Produkt der Erfindung wurden 500 g gemäß der Erfindung hergestellter Magnesiumspinell mittels 3500 g hochtonerdehaltiger Kugeln in einer 6,11 fassenden Kugelmühle 3 Stunden lang bei 60 UpM zermahlen. Der sich ergebende zermahlene Magnesiumspinell wies folgende Größenverteilung auf:
Gewichtsprozent
Größe in Mikron größer als die angegebene
Größe
10 8
5 26
3 47
2 63
1 87
0,5 97
0,3 100
65 Unabhängig von ihrer Herstellung durch Lichtbogenschmelzen oder durch Sintern in einem oder mehreren Brennöfen sind handelsübliche Magnesiumspinelle dicht und nicht ohne weiteres für die Herstellung von keramischen Präzisionsteilen verwendbar. Um derartige Spinelle für solche Zwecke verwendbar zu machen, müssen diese zerkleinert und gemahlen und oftmals mit Säure behandelt werden, bevor sie gepreßt und bei Temperaturen von mindestens 1800° C gebrannt werden.
Mit dem Verfahren gemäß der Erfindung wird ein Magnesiumspinellpulver hergestellt, das weiter zu einem dichten Spinell durch Brennen bei einer niedrigeren Temperatur von etwa 1600° C verarbeitet werden kann. Als Erläuterung für die besonderen Eigenschaften des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Magnesiumspinells soll ein Vergleich zu den geglühten Tonerden gezogen werden, welche nach dem Bayer-Verfahren hergestellt werden, und den dichten gesinterten Tonerdetabletten, die in der keramischen Industrie Verwendung finden.
Während Tonerdetabletten ein Magerkorn von geeigneter Dichte für feuerfeste Teile darstellen, müssen sie fein vermählen werden, ehe sie gesintert werden können. Die nach Bayer geglühten Tonerden für Keramik bestehen aus Ansammlungen von mikrongroßen Kristalliten, welche durch Vermählen leicht in ein mikronfeines Pulver verwandelt werden können. Dieses kann durch Pressen in die gewünschte Form gebracht werden und bei mindestens 1600° C mit einem Schwund zwischen 11 und 20% zu Null-Porosität gebrannt werden. So wie handelsüblicher dichter Spinell in seinem physikalischen Zustand mit Tonerdetabletten vergleichbar ist, entspricht das Spinellpulver nach der Erfindung der Bayer-Tonerde. Darüber hinaus entspricht es einer sehr reaktionsfähigen Tonerde, das es bei einer niedrigeren Temperatur sintert. Ebenso wie Bayer-Tonerden muß es gemahlen werden, um seine Reaktionsfähigkeit zu entfalten. Dies kann leicht geschehen, weil Spinellpreßlinge gemäß der Erfindung weich und bröckelig
sind. Nach dem Vermählen kann das Pulver verpreßt und bei 1600° C zu Null-Porosität gebrannt werden, und es tritt eine Verdichtung auf 97% der theoretischen Dichte mit einem Schwund von etwa 17% auf.

Claims (10)

5 Patentansprüche:
1. Verfahren zum Herstellen von Magnesiaspinellen hoher Reaktionsfähigkeit nach deutschem Patent 1275 935, bei welchem eine homogene Mischung einer tonerdehaltigen Komponente mit einer magnesiahaltigen Komponente in praktisch stöchiometrischem Verhältnis hergestellt wird, wobei als tonerdehaltige Komponente Tonerdehydrat, schwach geglühte Tonerde oder Alpha-Tonerde in feinzerteilter Form benutzt wild und als magnesiahaltige Komponente Magnesiumhydroxyd, Magnesiumcarbonat, basisches Magnesiumcarbonat oder schwach geglühtes Magnesiumoxyd in feinzerteilter Form, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mischung ver- ao wendet wird, die außerdem eine fluorhaltige Substanz im Mengenverhältnis 0,2 bis 4 Gewichtsprozent (auf Oxyd bezogen) enthält, außer wenn die tonerdehaltige Komponente hauptsächlich aus Alpha-Tonerde besteht, und daß das Gemisch bei »5 einer Temperatur zwischen etwa 850 und etwa 1000° C geglüht wird, wobei die fluorhaltige Substanz während des Glühvorgangs Fluorwasserstoff zu bilden vermag.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung bei einer Temperatur von mindestens 900° C geglüht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die magnesiumhaltige Komponente in leichtem Überschuß über die zur Verbindung im stöchiometrischen Verhältnis erforderliche Menge derselben mit der gesamten vorhandenen, tonerdehaltigen Komponente zur Bildung von MgO · Al2O3 vorhanden ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens 90% der in der Mischung vorhandenen magnesiumhaltigen Komponente eine Teilchengröße von weniger als 10 μ und daß mindestens 40% der tonerdehaltigen Komponente eine Teilchengröße von weniger als 10 μ haben.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die fluorhaltige Substanz Aluminiumfluorid ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminiumfluorid in der Mischung einen Anteil von etwa 0,5 bis 1,5 Gewichtsprozent, auf Oxyd bezogen, ausmacht.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die tonerdehaltige Komponente aus a-Aluminiumoxyd und die magnesiumhaltige Komponente aus schwach geglühtem Magnesiumoxyd besteht.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die tonerdehaltige Komponente aus Tonerdehydrat und die magnesiumhaltige Komponente aus Magnesiumhydroxyd oder schwach geglühtem Magnesiumoxyd besteht.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die tonerdehaltige Komponente aus schwach geglühter Tonerde und die magnesiumhaltige Komponente aus schwach geglühtem Magnesiumoxyd besteht.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die tonerdehaltige Komponente aus schwach geglühter Tonerde und die magnesiumhaltige Komponente aus Magnesiumhydroxyd besteht.
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