JP2015501777A - 焼成アルミナを電気アーク炉で溶融させたコランダムをベースとした酸化チタン含有酸化アルミニウム粒子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、焼成アルミナを電気アーク炉で溶融させたコランダムをベースとした酸化チタン含有酸化アルミニウム粒子に関する。前記粒子は、酸化アルミニウム＞９７．０質量％、酸化チタン１．３〜１．８質量％、及び酸化ジルコニウム０．０２〜０．１質量％を含有する。前記酸化アルミニウム粒子の緻密度の算術平均は０．８未満である。【選択図】図２
Description
本発明は、請求項１のプレアンブルの特徴を備える焼成アルミナを電気アーク炉で溶融させたコランダムをベースとした酸化チタン含有酸化アルミニウム粒子及びその製造方法に関する。
硬度が高く、且つ融点が高いことから、溶融コランダムは研磨材及び耐火材料として用いられる。その製造は電気アーク炉で原料を溶融して行われる。使用する原料に応じて、ボーキサイトを原料として電気アーク炉で還元溶融を利用して得られるいわゆるボーキサイトコランダムと、アルミナを原料としてボーキサイトのアルカリ崩壊により化学的に製造されるアルミナコランダムとに区別される。
天然のボーキサイトは、酸化アルミニウムの他に、汚染物質として酸化鉄、酸化チタン及び酸化ケイ素を多く含有し、これらは電気アーク炉での還元溶融で部分的に除去される。研磨及び耐火物産業において知られる通常のコランダムはこのような方法で得られ、ＴｉＯ2を約３質量％含有し、半破砕性コランダムはＴｉＯ2を約１．６質量％含有する。
酸化チタンの含有量は製品の物理的特性に影響を及ぼす。従って、酸化チタン含有ボーキサイトコランダムは粘度の高さを特徴とし、これはその後の温度処理によってさらに向上させることができる。
酸化チタン含有量の分析は、溶融中に品質を管理するための重要な方法である。ボーキサイトコランダムの製造時に、炭素がＴｉＯ2をＴｉ2Ｏ3に還元する。Ｔｉ2Ｏ3はある程度まで酸化アルミニウムに溶解する。
酸素存在下で焼きなましを行うと、Ｔｉ3+／Ｔｉ4+相の形成の結果である特徴的な鋼青色を発する。青色の発色は酸化アルミニウム粒子の粘度の指標とみなされており、固体状で溶解する酸化チタン（Ｔｉ2Ｏ3）の割合に強く依存する。
溶融コランダムの２番目に大きなグループが、いわゆる白色コランダムであり、焼成アルミナをベースに電気アーク炉で製造される。純粋な白色コランダムの他に、酸化クロムを添加した、ピンク色や濃紅色の白色コランダムも知られている。
上述の最新技術は多数の文献で熟考されているが、そのうち２例のみ選択し、以下に引用する。
例えば、米国特許第４，１５７，８９８号明細書は、還元酸化チタンを０．４２〜０．８４質量％含有するアルミナをベースとした溶融酸化アルミニウム砥粒について記述している。ドイツ特許第３４ ０８ ９５２ Ｃ２号明細書は、電気アークでボーキサイトを還元溶融することによってコランダムを製造する方法を記述しており、ボーキサイトは金属アルミニウムを添加することで還元的に溶融される。
電気アーク炉での溶融コランダムの製造がすでに１００年以上前から知られているにもかかわらず、今日もなお、方法や製品をさらに改善する努力がなされており、近年では、原料コストやエネルギーコストが大きな位置を占める生産コストの削減に焦点が当てられることが多い。
ボーキサイト価格の値上がりを踏まえ、半破砕性コランダム生産の原料としてボーキサイトを焼成アルミナに置き換えることが試みられた。ボーキサイトとアルミナの価格にかなりの差があるため、これは経済的観点から、これまであまり合理的でないと考えられてきた。というのも、それに加え当業者にとっては、原料を置き換えたときに化学組成に大きな変化がないと、品質に大きな差が生じることが期待できなかったからでもある。
驚くべきことに、ボーキサイトを焼成アルミナに置き換えることで、ボーキサイトをベースとした従来の半破砕性コランダムとは異なる、特定の適用において重要な技術的利点をもたらす特徴を有する溶融酸化チタン含有酸化アルミニウム粒子が生成できることが現在わかっている。
以下、例示的な実施態様によって本発明を説明する。
実施例１（半破砕性コランダムの製造）
以下の比較試験に用いられる半破砕性コランダムの製造は、最新技術による標準的な製法に従って行った。この製法は、意図的にその後の生産要求に適合させたため、返品又は試作の廃棄物も使用した。アルミナをベースとした製品ＦＲ（ａｌ）は、通常の標準品のボーキサイトの代わりに、Ｆｅ、Ｔｉ及びＳｉを含有する付加物を含む純アルミナを使用して、半破砕性コランダムの化学組成に調整した。
以下の比較試験に用いられる半破砕性コランダムの製造は、最新技術による標準的な製法に従って行った。この製法は、意図的にその後の生産要求に適合させたため、返品又は試作の廃棄物も使用した。アルミナをベースとした製品ＦＲ（ａｌ）は、通常の標準品のボーキサイトの代わりに、Ｆｅ、Ｔｉ及びＳｉを含有する付加物を含む純アルミナを使用して、半破砕性コランダムの化学組成に調整した。
この製法に基づいて溶融工程で得た、ＦＲ（ｂｘ）及びＦＲ（ａｌ）という名称の半破砕性コランダムは、表１に示す化学組成を有していた。
適用目的に応じて、造粒処理する半破砕性コランダムに１１００℃又は１３００℃で熱による後処理を追加的に行う。同様の後処理を施した製品を同じく化学的に分析し、上の表に示した。上の表から、２種類の半破砕性コランダムＦＲ（ａｌ）とＦＲ（ｂｘ）とに、特にＳｉＯ2、Ｆｅ2Ｏ3、ＺｒＯ2及びＮａ2Ｏの含有量に大きな違いがあることがわかる。
この方法により得られる、アルミナをベースとした酸化チタン含有酸化アルミニウム粒子は、Ｎａ2Ｏの質量百分率に対するＦｅ2Ｏ3、ＳｉＯ2及びＺｒＯ2の質量百分率の合計の比率が１０未満であることを特徴とする。
化学分析におけるこれらの含有量又は特徴的な違いを、それぞれ、図１として添付する図表に示す。Ｎａ2Ｏの質量百分率に対するＦｅ2Ｏ3、ＳｉＯ2及びＺｒＯ2の質量百分率の合計の比率が「ｘ」であるとき、アルミナから得られる本発明による酸化アルミニウム粒子ＦＲ（ａｌ）と、ボーキサイトをベースとした従来の酸化アルミニウム粒子ＦＲ（ｂｘ）との間に大きな違いが存在し、得られた数値にほぼ１０倍の差があることがわかる。標準的な範囲を、それぞれの酸化アルミニウム粒子について境界をつけて示した。
本溶融試験の主な目的は、市販されている標準品の生産に用いられる原料を置き換えることであった。従って、本来の製品規格に相当する化学組成を目指した。しかしながら、原料を変更するため、汚染物質又は付随物質それぞれについて、わずかな変化が生じた。
このようにして得られた酸化アルミニウム粒子の定性分析から、アルミナをベースとした半破砕性コランダムの「青色の炎を出す燃焼」が促されることが最初に示された。これは、最終製品における原料に関連した酸化ジルコニウムの割合の減少に起因する可能性がある。一般に、従来の半破砕性コランダムには約０．１５質量％の酸化ジルコニウムが認められる。これはボーキサイト中のＺｒＯ2汚染物質より生じる。原料を変更し、焼成アルミナを使用することにより、最終製品における酸化ジルコニウムの割合を０．１質量％未満に、好ましくは０．０５質量％未満に抑えることが可能となり、半破砕性コランダムが青色の炎を出して燃焼する場合、これにより上述の利点が生じる。
次に、アルミナをベースとした半破砕性コランダムを分析する流れの中で実施した比較研磨試験では、特定の適用について並外れた性能向上が認められることが示された。この性能向上は、化学組成のわずかな変化では説明が難しい。
実施例２（研磨試験／フラップホイール）
粒径がＰ４０の半破砕性コランダム砥粒を用いたフラップホイールを使用し、ＢＦＲＰＬ（ｂｘ）という名称のボーキサイトをベースとした標準的な材料と、実施例１に記載するアルミニウムＢＦＲＰＬ（ａｌ）をベースとした半破砕性コランダムとを比較した。６００ｍｍ×５ｍｍ×６０ｍｍの寸法の鉄板を処理し、表面の６０ｍｍ×５ｍｍを除去した。研磨試験の結果を次の表２にまとめる。
粒径がＰ４０の半破砕性コランダム砥粒を用いたフラップホイールを使用し、ＢＦＲＰＬ（ｂｘ）という名称のボーキサイトをベースとした標準的な材料と、実施例１に記載するアルミニウムＢＦＲＰＬ（ａｌ）をベースとした半破砕性コランダムとを比較した。６００ｍｍ×５ｍｍ×６０ｍｍの寸法の鉄板を処理し、表面の６０ｍｍ×５ｍｍを除去した。研磨試験の結果を次の表２にまとめる。
アルミナをベースとした半破砕性コランダムにおいて、寿命延長による著しい性能向上（材料除去の増大）が認められ、このとき、切削速度はごくわずかしか損なわれない。
実施例３（研磨試験／カットオフホイール）
粒径Ｐ３６の半破砕性コランダムで、直径１８０ｍｍの合成樹脂接合カットオフホイールを作り、これを用いて寸法３０．４ｍｍ×８．２ｍｍの構造用鋼材ＳＴ３７を切断した。このために、そのつど、３回プレカットした後に、送り速度０．９ｃｍ2／秒、８０００ｒｐｍの回転で１２回カットを行った。この結果を表３にまとめる。
粒径Ｐ３６の半破砕性コランダムで、直径１８０ｍｍの合成樹脂接合カットオフホイールを作り、これを用いて寸法３０．４ｍｍ×８．２ｍｍの構造用鋼材ＳＴ３７を切断した。このために、そのつど、３回プレカットした後に、送り速度０．９ｃｍ2／秒、８０００ｒｐｍの回転で１２回カットを行った。この結果を表３にまとめる。
実施例４（画像解析ＩｍａｇｅＪ（バージョン１．４４））
上述の研磨試験で判明した、化学組成のわずかな違いによって性能が異なるという事実の説明が難しかったことから、ボーキサイトをベースとした半破砕性コランダムと、アルミナをベースとした半破砕性コランダムとの追加的な比較解析を行い、粒形を重点的に検討した。このために、製造作業中に処理し、かつ同一条件下で全く同じ粉砕システムで処理した、ボーキサイトをベースとした標準材料及び酸化アルミニウムをベースとした半破砕性コランダムの粒径Ｆ３６の顆粒を互いに比較した。粒径Ｆ３６一盛分を光学顕微鏡で撮影し、次いで画像解析ソフトウェアＩｍａｇｅＪ（バージョン１．４４ｐ）を用いて解析した。
上述の研磨試験で判明した、化学組成のわずかな違いによって性能が異なるという事実の説明が難しかったことから、ボーキサイトをベースとした半破砕性コランダムと、アルミナをベースとした半破砕性コランダムとの追加的な比較解析を行い、粒形を重点的に検討した。このために、製造作業中に処理し、かつ同一条件下で全く同じ粉砕システムで処理した、ボーキサイトをベースとした標準材料及び酸化アルミニウムをベースとした半破砕性コランダムの粒径Ｆ３６の顆粒を互いに比較した。粒径Ｆ３６一盛分を光学顕微鏡で撮影し、次いで画像解析ソフトウェアＩｍａｇｅＪ（バージョン１．４４ｐ）を用いて解析した。
画像解析ＩｍａｇｅＪ（バージョン１．４４ｐ）
画像解析ソフトウェアのパラメータは、以下のように指定した：
円形度
Ｃ＝円形度、
Ａ
＝表面積、
Ｐ＝外周
縦横比
ＡＲ＝縦横比、
ｄmax＝最大直径、
ｄmin＝最小直径
緻密度（立体性）
Ｓ＝立体性、
Ａ＝実際の粒子表面、
Ｂ＝凸状の粒子表面
画像解析ソフトウェアのパラメータは、以下のように指定した：
円形度
Ｃ＝円形度、
Ａ
＝表面積、
Ｐ＝外周
縦横比
ＡＲ＝縦横比、
ｄmax＝最大直径、
ｄmin＝最小直径
緻密度（立体性）
Ｓ＝立体性、
Ａ＝実際の粒子表面、
Ｂ＝凸状の粒子表面
円形度と縦横比に関しては、２種の半破砕性コランダムの間にごくわずかな差しか認められないのに対し、緻密度の差は大きいと考えられる。アルミナをベースとした半破砕性コランダムは緻密度の算術平均がかなり低く、これは裂片状で縁の鋭い形状を示唆しており、これが、研磨力が改善した原因ではないかと思われる。
図２は、アルミナをベースとした本発明による酸化チタン含有酸化アルミニウム粒子及びボーキサイトをベースとした従来の酸化チタン含有酸化アルミニウム粒子の粒径Ｆ３６の光学顕微鏡写真の部分拡大図をそれぞれ並べて示しており、代表的な粒子の輪郭をトレースし、白色にハイライトして違いを明確にしている。それにより、アルミナをベースとした酸化チタン含有酸化アルミニウム粒子ＦＲ（ａｌ）は、ボーキサイトをベースとした酸化チタン含有酸化アルミニウム粒子ＦＲ（ｂｘ）よりも鋭い縁と角が多いことがわかる。
従って、本発明の主題は、以下の化学組成を有する焼成アルミナを電気アーク炉で溶融させたコランダムをベースとした酸化チタン含有酸化アルミニウム粒子である：Ａｌ2Ｏ3＞９７．０質量％、Ｆｅ2Ｏ3＜０．２質量％、例えばＦｅ2Ｏ3 ０．０５〜０．２質量％、ＳｉＯ2＜０．５質量％、例えばＳｉＯ2 ０．１〜０．５質量％、ＴｉＯ2 １．３〜１．８質量％、ＺｒＯ2＜０．１質量％、例えばＺｒＯ2 ０．０２〜０．１質量％、Ｎａ2Ｏ ０．０５〜２．０質量％及びその他（ＣａＯ、ＭｇＯ、Ｋ2Ｏ）＜０．２質量％、いずれも溶融コランダムの総質量に基づく。
酸化チタン含有酸化アルミニウム粒子の緻密度の算術平均が０．８未満であり、緻密度の尺度が、画像解析を用いて決定し、且つ凸状の粒子表面（Ｂ）に対する実際の粒子表面（Ａ）の比率として定義した立体性（Ｓ）である。
本発明による酸化チタン含有酸化アルミニウム粒子は、さらに、Ｎａ2Ｏの質量百分率に対するＦｅ2Ｏ3、ＳｉＯ2及びＺｒＯ2の質量百分率の合計の比率が１０未満であることを特徴とする。
本発明の有利な実施態様は、０．０５質量％未満のＺｒＯ2を含有するチタン含有酸化アルミニウム粒子を提供する。
焼成アルミナを電気アーク炉で溶融させたコランダムをベースとした酸化チタン含有酸化アルミニウム粒子を製造する方法も本発明の主題である。この方法は、Ａｌ2Ｏ3、ＴｉＯ2、ＳｉＯ2及びＦｅＯ3を含有する原料の混合物を、鉄屑及び炭の存在下で、電気アーク炉で溶融させる工程、溶融混合物を冷却し、実質的にコランダムから成る固形ブロックを得る工程、並びに、得られるコランダムブロックを所定の粒度分布に粉砕処理する工程を含む。汚染物質を少量含有する原料が、Ａｌ2Ｏ3＞９７．０質量％、Ｆｅ2Ｏ3＜０．２質量％、例えばＦｅ2Ｏ3 ０．０５〜０．２質量％、ＳｉＯ2＜０．５質量％、例えばＳｉＯ2 ０．１〜０．５質量％、ＴｉＯ2 １．３〜１．８質量％、ＺｒＯ2＜０．１質量％、例えばＺｒＯ2 ０．０２〜０．１質量％、Ｎａ2Ｏ ０．０５〜２．０質量％及びその他（ＣａＯ、ＭｇＯ、Ｋ2Ｏ）＜０．２質量％の化学組成を有する酸化チタン含有酸化アルミニウム粒子が得られる量で、焼成アルミナ、ルチル、チタン鉄鉱及び鉄鉱石からなる群から選択される原料として用いられる。
酸化チタン含有酸化アルミニウム粒子の緻密度の算術平均が０．８未満であり、緻密度の尺度が、画像解析を用いて決定し、且つ実際の粒子表面（Ａ）と凸状の粒子表面（Ｂ）との比率として定義した立体性（Ｓ）である。
このようにして得られる酸化チタン含有酸化アルミニウム粒子は、研磨材及び／又は耐火材料の製造のために用いられる。
Claims (4)
- 以下の化学組成を有する焼成アルミナを電気アーク炉で溶融させたコランダムをベースとした酸化チタン含有酸化アルミニウム粒子であって：
-Ａｌ2Ｏ3＞９７．０質量％、
-Ｆｅ2Ｏ3 ０．０５〜０．２質量％、
-ＳｉＯ2 ０．１〜０．５質量％、
-ＴｉＯ2 １．３〜１．８質量％、
-ＺｒＯ2 ０．０２〜０．１質量％、
-Ｎａ2Ｏ ０．０５〜２．０質量％、及び
-その他（ＣａＯ、ＭｇＯ、Ｋ2Ｏ）＜０．２質量％、
該組成のいずれも溶融コランダムの総質量に基づくものであり、
Ｎａ2Ｏの質量百分率に対するＦｅ2Ｏ3、ＳｉＯ2及びＺｒＯ2の質量百分率の合計の比率が１０未満であることを特徴とする酸化アルミニウム粒子。 - 前記酸化アルミニウム粒子の緻密度の算術平均が０．８未満であり、前記緻密度の尺度が、画像解析を用いて決定され、且つ凸状の粒子表面（Ｂ）に対する実際の粒子表面（Ａ）の比率として定義された立体性（Ｓ）であることを特徴とする、請求項１に記載の酸化アルミニウム粒子。
- アルミナを電気アーク炉で溶融させたコランダムをベースとした酸化チタン含有酸化アルミニウム粒子を製造する方法であって：
-Ａｌ2Ｏ3、ＴｉＯ2、ＳｉＯ2及びＦｅＯ3を含有する原料の混合物を、鉄屑及び炭の存在下で、電気アーク炉で溶融させる工程、
-溶融混合物を冷却し、実質的にコランダムから成る固形ブロックを得る工程、並びに
-得られたコランダムブロックを所定の粒度分布に粉砕処理する工程
を含み、
汚染物質を少量含有する原料が、
-Ａｌ2Ｏ3＞９７．０質量％、
-Ｆｅ2Ｏ3 ０．０５〜０．２質量％、
-ＳｉＯ2 ０．１〜０．５質量％、
-ＴｉＯ2 １．３〜１．８質量％、
-ＺｒＯ2 ０．０２〜０．１質量％、
-Ｎａ2Ｏ ０．０５〜２．０質量％、及び
-その他（ＣａＯ、ＭｇＯ、Ｋ2Ｏ）＜０．２質量％
の化学組成を有し且つ緻密度の算術平均が０．８未満である酸化チタン含有酸化アルミニウム粒子が形成される量で、焼成アルミナ、ルチル、チタン鉄鉱及び鉄鉱石からなる群から選択される原料として用いられ、前記緻密度の尺度が、画像解析を用いて決定され、且つ凸状の粒子表面（Ｂ）に対する実際の粒子表面（Ａ）の比率として定義された立体性（Ｓ）である、方法。 - 研磨材及び／又は耐火材料の製造のための請求項１又は２に記載の酸化アルミニウム粒子の使用。
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