DE965208C - Verfahren zur Herstellung von Schleifmitteln durch Schmelzen von Tonerde oder tonerdehaltigen Stoffen im elektrischen Ofen - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 6. JUNI 1957

M 22410 IVc180b

ist in Anspruch genommen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von tonerdehaltigen Schleifmitteln im elektrischen Ofen und bezweckt, ein einfaches und wirtschaftliches Verfahren für deren Herstellung zu schaffen und gleichzeitig Schleifmittel mit wesentlich verbesserten Schleifeigenschaften zu erzeugen.

Schleifmittel sind bisher hergestellt worden, indem man Tonerde oder tonerdehaltige Stoffe mit oder ohne Zusatz anderer Verbindungen im elektrischen Lichtbogenofen geschmolzen hat. Ein solches Verfahren, in dem Chromoxyd zur Tonerde zugesetzt wurde, ist z. B. im USA.-Patent 2 279 260 beschrieben. In diesem früheren Verfahren wurden Lichtbogenöfen mit Graphit- oder Kohleelektroden benutzt, wobei der Lichtbogen dazu diente, die Schmelzwärme zu erzeugen, während erstrebt wurde, die Einführung von Kohlenstoff in die Schmelzmasse zu vermeiden.

Während des Schmelzens im Lichtbogenofen wird der größte Teil der Masse durch die große Hitze des Lichtbogens im flüssigen Zustand gehalten, was notwendigerweise einen hohen Stromverbrauch verursacht. Am Ende der Schmelze ist

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ein großer Teil der Schmelzmasse noch flüssig, und da unter diesen Bedingungen die Kristallisation nur langsam stattfindet, ist es möglich, daß eine teilweise Trennung der Schmelzbestandteile eintritt, so daß nach Erstarrung der Masse dieselbe eine unregelmäßige Kristallbildung mit uneinheitlicher Verteilung der Bestandteile aufweist.

So wurde beobachtet, daß bei einer Schmelze im Lichtbogenofen von Tonerde mit 2¹Iz^U Chromoxyd ίο das erstarrte Schmelzgut außen eine .Schicht von 4V2% Chromoxyd hatte, während der mittlere Teil etwa 2¹U¹¹Io Chromoxyd und der innere Teil nur etwa I¹^Vo Chromoxyd enthielten. Die Kristallbildung des inneren Teiles, der ungefähr ein Drittel der gesamten Schmelzmasse darstellte, war unterschiedlich zur übrigen erstarrten Masse.

In der USA.-Patentschrift 659 926 wird ein Verfahren zur Herstellung von Schleifmitteln beschrieben,' nach welchem Bauxit in einem Lichtbogenofen geschmolzen wird, dessen Sohle allmählich gehoben oder gesenkt wird, um die Abkühlungsgeschwindigkeit und die Art der Kristallisation der Schmelzmasse zu beeinflussen. Die durch den elektrischen Lichtbogen erzeugte starke Hitze zerstörte den Ofen sehr rasch, und dieser mußte des öfteren nach einer einzigen Schmelze wieder aufgebaut werden. Wegen dieser Schwierigkeiten führte man Öfen ein, deren Wände wassergekühlt waren und deren Sohle nicht vertikal beweglich war. Hierbei' sind die Unterhaltungskosten viel geringer, und öfen dieser Art sind heute allgemein im Gebrauch. Der Stromverbrauch ist hierbei sehr groß und liegt in der Größenordnung von mindestens 2000 bis 3000 kWh für die Tonne geschmolzener Masse.

Es wurde nun gefunden, daß Erzeugnisse mit stark verbesserten Schleifeigenschaften und sehr regelmäßiger Kristallstruktur und mit viel glatterem und wirtschaftlicherem Ofenbetrieb, ganz besonders auch hinsichtlich des Stromverbrauchs, erhalten werden können, wenn an Stelle der Lichtbogenheizung eine Widerstandsheizung benutzt und eine dünne Schicht des geschmolzenen Gutes als Widerstand benutzt wird. Erfindungsgemäß wird daher der Ofen derart benutzt, daß sich ein Lichtbogen nicht bilden kann, und die Hitze wird ausschließlich durch den Strom geliefert, welcher durch eine dünne Schicht von geschmolzenem, flüssigem Material geleitet wird, welches auf einer Schicht von auskühlendem, erstarrtem Material ruht.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Schleifmitteln besteht daher darin, daß man Tonerde oder tonerdehaltige Stoffe in einem elekirischen Ofen schmilzt, in welchem der Strom durch eine dünne, flüssige Schicht geleitet wird, welche auf einer Oberfläche von erstarrtem Material ruht, und wobei die Flüssigkeit durch den elektrischen Kontakt mit den Ofenelektroden auf-60' rechterhalten wird. 'Unter tonerdehaltigen Stoffen sollen Stoffe, wie Bauxit, verstanden werden, die einen hohen Al₂O₃-Gehalt und keine Verunreinigungen, wie z. B. Kalk oder Magnesiumoxyd, in solcher Menge enthalten, die eine Qualitätsminderung des Schleifmittels hervorrufen können.

Die erfindungsgemäß auf diese Weise hergestellten Schleifmittel besitzen wesentlich bessere Schleifeigenschaften als die sonst üblicherweise erzeugten, ihre Druckfestigkeit (Härte) ist erhöht, und ihre Schlagfestigkeit (Sprödigkeit) kann je nach der Zusammensetzung der ursprünglichen • Mischung geändert werden.

Schleifscheiben, Schleifsegmente und ähnliche Schleifartikel, Artikel, bei denen Schleifmittel auf biegsamer Unterlage befestigt sind, sowie Schleifpulver und Schleifpasten, die aus Schleifmitteln gemäß vorliegender Erfindung hergestellt werden, besitzen wesentlich verbesserte Schleif eigenschaften dadurch, daß sie eine höhere Widerstandsfähigkeit gegen Abnutzung aufweisen und ein. schnelleres und kühleres Schleifen erlauben. Außerdem kann in einer Schleifscheibe die Struktur durch Vergrößerung ihres Gehaltes an Schleifmitteln (volumenprozentual) wesentlich verbessert werden.

Andere Oxyde sowie auch Chromoxj-'d können erfindungsgemäß verwendet werden, wie z. B. die Oxyde der Elemente Beryllium, Eisen, Vanadium, Mangan, Molybdän, Zirkon, Titan, Bor, Silizium, hauptsächlich Oxyde, deren Elemente ungefähr dieselben Ionenradien haben wie Aluminium, und go die Oxyde des Typs R₂O₃ oder RO₂ bilden, wie auch die genannten Elemente selbst oder/und deren Karbide oder Gemische dieser Oxyde mit ihren Elementen oder/und Karbiden. Auch kann Kohlenstoff zugesetzt werden, wenn es erwünscht ist, eine Reduktion zu erreichen. Wenn ein Element oder die Verbindung eines Elementes — Aluminium ausgenommen -—· der Schmelzmasse zugesetzt wird, so überschreitet dieser Zusatz allgemein nicht 5% und ist im allgemeinen bedeutend geringer. Man kann auch das Hydrat der Tonerde benutzen, und zwar allein oder in Mischung mit irgendeinem der obengenannten Stoffe; diese Gemische werden vorzugsweise getrocknet oder unmittelbar geschmolzen. Letztere Verfahrensweise führt jedoch zu unruhigen Schmelzen.

Zur Durchführung der vorliegenden Erfindung kann ein elektrischer Ofen mit isoliertem Eisenoder Stahlmantel benutzt werden, dessen Boden in senkrechter Richtung verstellbar ist und dessen Elektroden regulierbar sind.

Die Elektroden bestehen vorzugsweise aus Graphit oder Kohle, aber es können auch wassergekühlte Metallelektroden benutzt werden, um Kohlenstoffinfiltration zu vermeiden. Ist eine Kohlenstoffinfiltration erwünscht, so benutzt man Kohle oder Graphitelektroden, und dieselben werden so angeordnet, daß der gewünschte Grad von Kohlenstoffiinfiltration erreicht wird. Werden z. B. die Elektroden vertikal gestellt und solche kleinen Durchmessers benutzt, so ist die Kohlenstoffinfiltration gering. Werden dagegen Elektroden eines größeren Durchmessers verwendet, so vergrößert sich die Kohlenstoffinfiltration entsprechend. Die Infiltration kann jedoch noch weiter gesteigert werden, indem die Elektroden so an-

geordnet werden, daß sie zwischen der Vertikalen und Horizontalen verschwenkt werden können, und zwar bis zu einer fast horizontalen Lage. Folglich kann die Kohlenstoffinfiltration durch die Größe und den Neigungswinkel der Elektroden kontrolliert werden.

Ein derartiger Ofen ist in der Zeichnung in zwei beispielsweisen Ausführungsformen veranschaulicht.

ίο In Fig. ι bezeichnet ι die Ofenwandung, die gegebenenfalls auch gekühlt werden kann, 2 den hydraulisch der Höhe nach verstellbaren Boden und 3 die Elektroden, die gegeneinander verschoben, aber auch im Winkel zur Bodenfläche des Ofens verschwenkt werden können. Mit 4 ist die zu schmelzende Masse, mit 5 die durch Absenken des Bodens 2 fortlaufend verhältnismäßig dünn gehaltene Schmelzschicht und mit 6 die bereits erstarrte oder sich noch in Erstarrung befindende geschmolzene Masse bezeichnet.

Zu Beginn der Schmelze wird der Boden des Ofens zu seiner höchsten Lage gehoben, der Ofen mit Tonerde mit oder ohne Zusatz anderer Stoffe beschickt, wobei die Elektroden so gestellt werden, daß sie nahe zusammen und in Kontakt mit dem Schmelzgut sind. Es werden dann kleine Stücke von Koks oder Graphit zwischen die Enden der Elektroden gelegt und der Stromkreis geschlossen. Sobald die Masse zu schmelzen beginnt, bildet sich eine leitende flüssige Schicht. Der Ofen wird dann mit mehr Schmelzgut beschickt, die Elektroden mit diesem bedeckt, wodurch Hitzeverluste vermieden werden. Während des Schmelzvorganges werden die Spannung und Stromstärke gleichmäßig gehalten, indem man erst den Abstand zwischen den Elektroden vergrößert und, sobald sich die Fläche des geschmolzenen Materials ausbreitet, den Boden des Ofens senkt oder/und indem man die Elektroden hebt. Infolge dieser gegenseitig vertikalen Bewegung beginnt das geschmolzene Material an der unteren Seite der Schicht sich abzukühlen und zu erstarren, und in dem Maße, wie die Bewegung fortschreitet, wächst die erstarrte Schmelze auf dem Ofenboden. Dadurch befindet sich zu jeder Zeit nur eine relativ kleine Menge des Schmelzgutes in einer dünnen Schicht im flüssigen Zustand, und es wird angenommen, daß die wertvollen Eigenschaften des erhaltenen Schleifmittels — gemäß vorliegender Erfindung — das Ergebnis dieser Arbeitsweise sind.

Während des Schmelzprozesses befindet sich jederzeit nur ein relativ kleinerer Teil des Schmelzgutes in flüssigem Zustand, und selbst dieser kleine Anteil ist nur für eine kurze Zeit in flüssigem geschmolzenem Zustand. Daher befindet sich eine relativ dünne Schicht geschmolzener Substanz auf einer kristallisierenden Masse. Folglich kristallisiert der weitaus größte Teil der Mischung aus während der Strom noch eingeschaltet ist und sich noch ungeschmolzenes Gut im Ofen befindet. Die dünne Schicht geschmolzener Substanz, welche auf der Oberfläche der kristallisierenden Masse ruht, leitet den Strom und ist dauernd in Berührung mit den Elektrodenenden. Auf diese Weise erhitzt sich das Schmelzgut nur durch den Widerstand, den die dünne leitende Schicht dem Strom entgegensetzt. Die Temperatur des Schmelzbades kann auf das j zum Schmelzen notwendige Minimum verringert werden. Im Vergleich zum Lichtbogenprozeß sind Hitzeverluste stark verringert, wodurch eine beträchtliche Einsparung des Stromverbrauches erzielt wird. Da fernerhin die Schmelzzone so klein und lokalisiert ist, tritt keine Überhitzung der Ofenwand oder der Ausmauerung ein. Die Instandhaltungskosten sind deshalb sehr niedrig.

Bei einer Anzahl durchgeführter Versuche wurde mit einem ioo-kw-3-Phasen-Wechselstromofen bei konstanter Spannung von no V gearbeitet. Nach wenigen Minuten der Inbetriebnahme wurde die volle Strombelastung (ungefähr 500 Ampere) erreicht. Die Strombelastung wurde konstant gehalten, indem die Elektroden langsam zurückgezogen wurden und hierdurch der Abstand zwischen ihrem benachbarten Ende unter gleichzeitiger Aufrechterhaltung von Spannung und Stromstärke vergrößert wurde. Wenn die Elektroden ihre größte Entfernung, welche 60 bis 75 cm oder sogar mehr beträgt, erreicht haben, wird die Kontrolle des Stromes durch Senken des Ofenbodens und/oder _go Heben der Elektroden erreicht. Hierdurch wird es dem unteren Teil der Flüssigkeit ermöglicht, sich abzukühlen, und die Auskristallisierung beginnt. Mit fortschreitender Schmelze wird dem Ofen weiteres Schmelzgut zugesetzt. Auf diese Weise wird der Strom ausschließlich durch die dünne flüssige Schicht geleitet, die auf der Oberfläche einer sich auskristallisierenden Masse ruht.

Sobald die Elektroden ihre größere Entfernung erreicht haben, bleibt während des ganzen Schmelz-Vorganges die Größe und Dicke dieser flüssigen Schicht nahezu konstant. Der Stromverbrauch kann unter diesen Verhältnissen bis auf 1200 kwh per Tonne Schleifmittel heruntergedrückt werden.

Hieraus ist ersichtlich, daß, wenn der Arbeits-Vorgang beständig wird, die Menge des kristallisierenden Materials zu jeder gegebenen Zeit'nahezu gleich der Menge des zur selben Zeit schmelzenden Materials ist. Dieser Zustand wird erreicht, sobald die Elektroden ihre größte Entfernung erreicht no haben und die gegenseitig vertikale Bewegung begonnen hat. In diesem Stadium kann die Dicke der geschmolzenen Schicht 1 bis 4 cm betragen, sie wird stets dünner als etwa too cm gehalten. Es ist klar, daß es unter diesen Bedingungen ganz unmöglich wäre, einen Lichtbogen zwischen den Elektroden aufrechtzuerhalten, da jedes Elektrodenpaar 60 bis 75 cm und mehr voneinander entfernt ist. Fernerhin tauchen die Enden der Elektroden in die flüssige Masse hinein, welche auf der Oberfläche des bereits kristallisierenden Materials sich befindet, und werden von der Flüssigkeit benetzt. Die Flüssigkeit ist in ständigem elektrischem Kontakt mit den Elektroden, und der Strom fließt durch die flüssige Schicht. Wenn man das Schmelzgut als Isolator und Futter der Ofenwände benutzt,

hängt die Form des geschmolzenen Blockes von der Anzahl der verwendeten Elektroden ab. So wird bei Verwendung von zwei Elektroden der Block rechteckig oder oval, bei drei Elektroden dagegen dreieckig usw. Wenn man den Ofen dreht, wird der geschmolzene Block rund. Die Bewegung der Elektroden und des Bodens kann automatisch betätigt und kontrolliert werden, um die obengenannten Bedingungen zu erhalten.

ίο An Stelle der Verwendung eines Ofens mit beweglichem Boden kann gemäß Fig. 2 auch mit einem Ofen mit festem Boden (1, 2) gearbeitet werden. Um, auch hier die Maßnahme durchführen zu können, daß fortlaufend jeweils nur ein verhältnismäßig kleiner Teil des Schmelzgutes zum Schmelzen gebracht wird, sind bei dieser Ausführungsform mehrere zusammenarbeitende Elektroden 3 bzw 3a übereinander angeordnet, und es wird dann zunächst mit den oberen Elektroden 3₀ und dann nach dem Erschmelzen des oberen Schmelzgutes mit den unteren Elektroden 3 gearbeitet. Mit 4, 5 und 6 sind wieder die zu schmelzenden Massen, die Schmelzschichten und die erstarrten Massen bezeichnet.

Erfindungsgemäß kann die Zähigkeit der Schleifmittel in weiten Grenzen durch qualitative und quantitative Änderung der Zuschläge zur Tonerde verändert werden. Die Zähigkeit kann experimentell durch Schlagfestigkeitsproben ermittelt werden, indem man z. B. aus einer Höhe von 2,54 cm auf Körnchen, die durch ein Seidensieb mit 42 Maschen je linearer Zoll hindurchgehen und von einem Seidens'ieb mit 46 Maschen zurückgehalten werden, ein Gewicht fallen läßt, und dessen Wert so lange erhöht, bis Zertrümmerung eintritt. Derartige Versuche haben gezeigt, daß spröde Schleifmittel aus einem Gemisch von Tonerde mit 1V2 bis 3% Chromoxyd hergestellt werden können.

Schleifmittel ausKohlenstoffenthaltendenSchmelzmassen oder aus Schmelzmassen, welchen Infiltration von Kohlenstoff ermöglicht worden ist, zeigen im Röntgenbild eine größere oder geringere Menge von Graphit. Bei beträchtlicher Infiltration von Kohlenstoff kann das Produkt Metall oder Metallkarbid enthalten. Es wird angenommen, daß die wertvollen Eigenschaften der erfindungsgemäß erzeugten Schleifmittel zu einem gewissen Grade auf die Anwesenheit von freiem Graphit oder freiem Metall oder Metallkarbid zurückführbar do sein können.

Ein sehr zähes Schleifmittel kann erfindungsgemäß hergestellt werden aus Tonerde mit einem Zusatz von 0,01 bis 1% Chromoxyd und 0,01 bis 1% Titanoxyd. Ein Schleifmittel mittlerer Zähigkeit kann durch Zusatz von 0,01 bis i°/o Zirkonoxyd zur Tonerde erzeugt werden.

Wenn die erfindungsgemäß erzeugten Schleifmittel in die Kornform zerkleinert sind, zeigen sie eine Vielzahl von Schneidflächen und Kanten, und wenn sie bekannter weise zur Herstellung von Schleifscheiben benutzt werden, so zeigen sie verbesserte Schleifeigenschaften insofern, als sie eine höhere Widerstandsfähigkeit gegen Abnutzung aufweisen und ein kühleres 'und schnelleres Schleifen erlauben als mit Schleifscheiben aus bisher bekannten Schleifmitteln. Durch Versuche wurde festgestellt — wie bereits erwähnt —, daß die Struktur der Schleifscheiben (Volumprozent Schleifmittel per Schleifscheibenvolumen) bei solchem Korn wesentlich verbessert werden kann. Als Beispiele werden angeführt: Schleifscheiben in keramischer Bindung für spitzenlosen Rundschliff, Innenschliff und Formschliff. Schleifscheiben für spitzenlosen Rundschliff, Rundschliff und Innenschliff werden mit mindestens 57 Volumprozent Schleifmittel je Schleifscheibe und Formschleifscheiben mit bis zu 61 Volumprozent Schleifmittel hergestellt. Keramische Schleifscheiben normaler Erzeugung weisen jedoch selten mehr als Volumprozent Schleifmittel auf.

Claims (15)

1. PaTENTANSPBÜCHE:

   ι. Verfahren zur Herstellung von Schleifmitteln durch Schmelzen von Tonerde oder/tmd tonerdehaltigen Stoffen in einem elektrischen Ofen, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Strom von einer dünnen, als Widerstand wirkenden flüssigen Schicht geleitet wird. welche auf einer Oberfläche von erstarrtem Material ruht, wobei die flüssige Schicht in Kontakt mit den Ofenelektroden bleibt.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne flüssige Schicht durch Schmelzen von neuem Material unterhalten, Material der Unterseite der Schicht zum Kühlen und Erstarren gebracht und auf diese Weise die Dicke der Schicht nahezu konstant gehalten wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die flüssige Schicht auf einer Dicke unter etwa 10 cm gehalten wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzmasse Chromoxyd zugesetzt wird. ■
5. 5. Verfahren nach' Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der .Schmelzmasse Chromkarbid zugesetzt wird.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß. der Schmelzmasse Kohlenstoff zugesetzt wird.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Graphit- oder Kohlenstoffelektroden verwendet werden.
8. 8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Metallelektrode!! benutzt werden.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzmasse ein Oxyd oder Karbid eines oder mehrerer der Elemente Chrom, Eisen, Vanadium, Beryllium, Mangan, Molybdän, Zirkon, Titan, Bor, Silizium oder/und eines oder mehrere der Elemente selbst zugesetzt wird.
10. 10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden zur

    Infiltration von Kohlenstoff in die Schmelzmasse benutzt werden.
11. 11. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Chromoxyd in Mengen von 1V2 bis 3°/o benutzt wird.
12. 12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schmelzgut ο,οΐ bis 1% Chromoxyd und 0,01 bis 1%» Titanoxyd beigemischt werden.
13. 13. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schmelzgut ο,οΐ bis i°/o Zirkonoxyd beigemischt werden.
14. 14. Ofen zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden und die Elektroden in senkrechter Richtung bewegt und letztere auch im Abstand zueinander und im Winkel zueinander eingestellt werden können.
15. 15. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 13, gekennzeichnet durch mehrere Elektrodensätze, die im Ofen übereinander angeordnet sind und unabhängig voneinander satzweise in den Stromkreis eingeschaltet werden können.

    Hierzu 1 Blatt Zeichnungen