NO311944B1 - Slipehjelpemiddel, fremgangsmåte for fremstilling derav, anvendelse derav og abrasivt materiale som inneholder sliktslipehjelpemiddel - Google Patents

Description

Oppfinnelsens bakgrunn

Den foreliggende oppfinnelse vedrører et slipehjelpemiddel som består av fluoridholdige uorganiske forbindelser for anvendelse i et abrasivt materiale som omfatter abrasive korn og slipehjelpemidlet, en fremgangsmåte for fremstilling av slipehjelpemidlet, anvendelse derav og abrasivt materiale som inneholder slikt slipehjelpemiddel.

Det er kjent å anvende kryolitt som et slipehjelpemiddel i abrasive sammensetninger i abrasive materialer, slik som sandpapir, smergelduker og slipeskiver, jf. f.eks. KIRK-OTHMER: ENCYLOPEDIA OF CHEMICAL TECHNOLOGY, 3. utg. 10, 1980, linje 672, og omtalen av kjent teknikk i WO 94/02562.

WO 94/02562 vedrører abrasive korn med en utvendig overflate hvor et slipehjelpemiddelmateriale er bundet via interpartikkeltiltrekking. Et stort antall materialer er nevnt som slipehjelpemidler, blant annet kryolitt, innbefattende syntetisk kryolitt.

US patent nr. 5078753 vedrører et abrasivt materiale som på den abrasive overflate har, i tillegg til abrasive korn, eroderbare aggregater som består av et finmalt fyllmateriale og et harpiksbindemiddel. Fyllmaterialet kan være kalsiumkarbonat, talkum, glass, natriumsulfat, kryolitt, fluorborater etc. I Eksempel V anvendes blant annet natriumkryolitt.

I EP patentsøknad nr. 8868 beskrives abrasive materialer som består av sprø agglomerater av abrasive korn bundet i en uorganisk matriks. Matriksen kan være basert på naturlig kryolitt, f.eks. type S fra KRYOLITSELSKABET ØRESUND A/S, Danmark. Disse abrasive materialer kan fremstilles ved smelting av naturlig kryolitt, tilsetting av abrasive korn, nedkjøling og maling av det nedkjølte materiale.

Slipehjelpemidler anvendes fordi de har en positiv innvirkning på anvendelsesegenskapene til de abrasive materialer, blant annet slipehastighet og produktlevetid. Ingen spesifikk kunnskap er tilgjengelig om mekanismen for produktforbedringen som oppnås. Imidlertid antas det at effekten av å anvende kryolitt som et slipehjelpemiddel kan være den omstendighet at avflakingen som dannes ved sliping lokalt finner sted ved meget høye temperaturer, og at kryolitten virker som et flussmiddel i smeiten som blir produsert ved avflakingen, hvorved viskositeten i smeiten reduseres. Imidlertid kan effekten av kryolitt også være den omstendighet at enhver tendens til å blokkere gapene mellom de abrasive korn reduseres.

I mange år har KRYOLITSELSKABET ØRESUND A/S, Danmark levert et oppmalt naturlig kryolitt for dette formål, og derved har selskapet levert naturlig kryolitt malt til -325 mesh, dvs. mindre enn 45fim, til slipeskiveindustrien.

Etter avslutningen av bergverksdriften av kryolitt på Grønland er naturlig kryolitt i dag ikke lenger tilgjengelig i markedet. Noen få produsenter (fra Russland) selger kvaliteter som de kaller naturlig kryolitt, men tester har vist at dette er utfelte kryolittyper. Det finnes forekomster av naturlig kryolitt i Russland, men så langt det er kjent er disse ikke egnet for bearbeidelse ved flotasjon. Muligens er det russiske "naturlige kryolitt" fremstilt ved ekstraksjon av en slik forekomst med etterfølgende utfelling.

Således er kryolittypene som er tilgjengelige i markedet på midten av 1990-tallet generelt syntetiske, dvs. fremstilt ved en våtutfellingsprosess, og det er funnet at ingen av disse kommersielt tilgjengelige kryolittyper er egnet som er slipehjelpemiddel i abrasive sammensetninger.

Vanskelighetene forbundet med anvendelse av syntetisk kryolitt, frem-kommer som to typer: For det første er det et estetisk problem, ettersom anvendelse av syntetisk kryolitt som et slipehjelpemiddel resulterer i uønskede striper i belegget på sand-papiret, spesielt på de finere typer. Videre er det observert at den syntetiske kryolitt absorberer mer bindemiddel enn den naturlige kryolitt, både på fine og grove sandpapirtyper.

For det andre er det produksjonsmessig uakseptable variasjoner i produk-sjonsgangen av f.eks. sandpapir. Det er således en økende partikkelseparasjon og tendens til partikkelagglomerering under produksjonen.

Sluttelig er det rapportert at brukerne av de abrasive materialer har opplevd uspesifiserte ytelsesproblemer.

Gjennom detaljerte studier har søkerne blitt istand til å demonstrere både kjemiske og morfologiske forskjeller mellom naturlig kryolitt og syntetisk kryolitt,

dvs. kryolitt fremstilt ved en våtutfellingsprosess. Kjemiske forskjeller har som resul-tat at smeltepunktene og smeltesammensetningene vil være forskjellig for de to typer. Dette kan være viktig for eksempel for ytelsen som flussmiddel under slipeprosessen.

Den omtrentlige kjemiske sammensetning av ulike kryolittyper er som følger:

hvor "%" betyr vekt%.

Rent, nøytralt kryolitt har sammensetningen 3 NaF • 1 A1F3, dvs. et molforhold mellom NaF/AlF3på 3.

En kryolitt med overskudd av A1F3, dvs. med et NaF/AlF3-molforhold på under 3, kalles sur kryolitt, mens en kryolitt med et overskudd av NaF, dvs. med en NaF/AlF3-molforhold på over 3, kalles en basisk kryolitt. Naturlig kryolitt er nøytralt, mens alle de syntetiske kryolitter er mer eller mindre sure. Den såkalte "naturlige kryolitt" fra Russland har samme sammensetning som syntetisk kryolitt og en partik-kelform og størrelse som bare kan være blitt tilveiebragt ved utfelling fra en vandig løsning.

Mikroskopiske studier av ulike kryolittyper viser store morfologiske forskjeller. Generelt består alle de studerte syntetiske kryolitter av ekstremt fine krystaller med ganske jevn størrelse, og typisk partikkelstørrelse på 1-2fim, som har agglomerert til partikler med størrelse mindre enn omtrent 25fim, mens de naturlige kryolitter har meget grovkornede individuelle krystaller eller krystallfragmenter med meget forskjellige partikkelstørrelser og med irregulært formede partikler. Angående andre egenskaper, blant annet flytbarhet, forstøvning og evne til klumping, er det bare små forskjeller mellom de ulike kryolittyper.

Således vil det ses at kryolittypene som er egnet som slipehjelpemidler karakteriseres kjemisk ved å være nøytrale, mens de uegnede kvaliteter er mer eller mindre sure.

Problemet som ligger bak oppfinnelsen er å tilveiebringe et slipehjelpemiddel som er egnet som en erstatning for det finmalte, naturlig forekommende, nøytrale kryolitt som tidligere ble anvendt, og som ikke oppviser de ovenfor nevnte ulemper som finnes i forbindelse med anvendelsen av syntetisk kryolitt, en fremgangsmåte for å fremstille det, anvende det ved fremstilling av abrasive materialer, og abrasive materialer som inneholder det.

O ppsummering av oppfinnelsen

Det er nå uventet funnet at dette problem løses med et slipehjelpemiddel bestående av fluoridholdige, uorganiske forbindelser for anvendelse i et abrasivt materiale omfattende abrasive korn og slipehjelpemidlet, og slipehjelpemidlet er særpreget ved at det er fremstilt ved en fremgangsmåte som omfatter de følgende trinn: - en elektrolytisk celle anvendt ved fremstilling av aluminiummetall ved reduksjon av AI2O3i et bad av smeltet natriumaluminiumfluorid avkjøles og brytes opp til stykker som er egnet for midlertidig sortering, hvoretter

- det tilgjengelige frie aluminium og grafitt sorteres vekk, hvoretter

- det gjenværende materiale, dvs. det kalde bad, utsettes for oppmaling, eventuelt i flere trinn, hvorved partikler av en eventuell aluminiummetallrest valses til flak, hvoretter - det oppmalte materiale siktes for eventuelt å sortere ut de dannede aluminiumflak, hvoretter - det resterende materiale utvinnes som et produkt eller utsettes eventuelt for videre oppmaling og eventuell sikting for å tilveiebringe et materiale med en kornstør-relsesfordeling som svarer til at 100 vekt% av materialet er mindre enn 50/mi og 50 vekt% er mindre enn 20/im.

Som kjent fremstilles aluminiummetall i stor skala industrielt ved reduksjon i elektrolytiske celler av AI2O3som er blitt oppløst i en smelte fremstilt ved å smelte kryolitt sammen med små mengder av kalsiumfluorid og andre fluorider. Ytterligere aluminiumfluorid tilsettes for å justere den kjemiske sammensetning av smeltebadet, og 5-10 vekt% aluminiumoksid, som er det egnede utgangsmaterialet ved aluminiumfremstilling, løses kontinuerlig i smeiten.

Slike elektrolysebad forekommer som avfall ved nedstenging av elek-trolyseceller, for eksempel på grunn av reparasjoner eller på grunn av oppbygde uren-heter i badet etter en lengre driftsperiode. Den faste elektrolysebadmasse kalles van-ligvis "kaldt bad", og den innebærer et resirkuleirngsproblem fordi massebalansen i aluminiumsverk betyr at mengden av badet øker med tiden.

Det kalde bad består av en sur blanding av ulike aluminiumfluorider, små mengder av metallisk aluminium, eventuelt kull fira foringen i elektrolysecellen og keramisk isolasjonsmateriale. Et viktig trekk ved det kalde bad er at det inneholder vesentlige mengder av chiolitt, som har formelen 5 NaF • 3 A1F3, dvs. en forbindelse med et NaF/AlF3-molforhold på 5/3, sammen med kryolitt. For eksempel kan det kalde badet typisk inneholde 40-44 vekt% kryolitt og 40-44 vekt% chiolitt.

Det er uventet funnet at det kalde badmaterialet etter egnet behandling er anvendbart som erstatning for naturlig kryolitt, selv om dette kalde badmaterialet har et NaF/AlF3-forhold som tilsvarer en ekstremt sur kryolitt.

Mulige abrasive korn er partikler av alle de materialer som tidligere er blitt anvendt for dette formål, særlig partikler av materialer med en Mohs hardhet på minst 8, fortrinnsvis minst 9, for eksempel valgt blant sintrede, o;-aluminabaserte keramiske partikler, smeltede aluminapartikler, smeltede aluminazirkoniumoksid-partikler, diamantpartikler, bornitridpartikler, silisiumnitridpartikler, borkarbid-partikler og granatpartikler såvel som kombinasjoner av disse.

Ifølge en foretrukken utførelsesform er innholdet av aluminiummetall i slipehjelpemidlet fortrinnsvis under 0,5 vekt%, særlig under 0,1 vekt%.

Ifølge en annen foretrukken utførelsesform inneholder slipehjelpemidlet kryolitt og chiolitt i en total mengde på minst 75 vekt%, fortrinnsvis minst 80 vekt%.

Slipehjelpemidlet inneholder fortrinnsvis chiolitt i en mengde på 20-60 vekt%, og har fortrinnsvis et NaF/AlF3-molforhold mellom 2,5 og 1,875.

Ifølge en annen foretrukken utførelsesform er et valgfritt innhold av aluminiummetall tilstede i slipehjelpemidlet, i form av partikler med en partikkel-størrelsesfordeling som tilsvarer at 100 % av partiklene er mindre enn 50/-im og 50 vekt% er mindre enn 20 fim.

Partiklene i slipehjelpemidlet ifølge oppfinnelsen har fortrinnsvis en kornstørrelsesfordeling som tilsvarer at 100 vekt% av partiklene er mindre enn 100fim, fortrinnsvis at 100 vekt% er mindre 75fim, særlig at 100 vekt% er mindre enn 50fim.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører dessuten en fremgangsmåte for fremstilling av slipehjelpemidlet ifølge oppfinnelsen, kjennetegnet ved at den omfatter de følgende trinn: - en elektrolytisk celle anvendt ved fremstilling av metallisk aluminium ved reduksjon av A1203i et bad av smeltet natriumaluminiumfluorid avkjøles og brytes opp til stykker egnet for midlertidig sortering, hvoretter

- det tilgjengelige frie aluminium og grafitt sorteres vekk, hvoretter

- det gjenværende materiale, dvs. det kalde bad, utsettes for oppmaling, eventuelt i flere trinn, hvorved partikler av en eventuell aluminiummetallrest valses til flak, hvoretter - det oppmalte materiale siktes for eventuelt å sortere vekk de dannede aluminiumflak, hvoretter - det gjenværende materiale utvinnes som et produkt eller utsettes eventuelt for videre oppmaling og eventuell sikting for å tilveiebringe et materiale som fortrinnsvis har en kornstørrelsesfordeling som svarer til at 100 vekt% av materialet er mindre enn 100 ( im.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører også anvendelse av et slikt slipehjelpemiddel for fremstilling av abrasivt materiale.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører dessuten et abrasivt materiale som omfatter abrasive korn og et slipehjelpemiddel som består av fluoridholdige, uorganiske forbindelser, kjennetegnet ved at slipehjelpemidlet er et slipehjelpemiddel ifølge den foreliggende oppfinnelse.

Foretrukne utførelsesformer av det abrasive materialet ifølge oppfinnelsen tilsvarer utførelsesformene som er beskrevet ovenfor i forbindelse med beskrivelsen av de foretrukne slipehjelpemidler.

Et viktig trekk med den foreliggende fremgangsmåte er at den kan om-fatte et prosesstrinn hvor aluminiummetallet tilveiebringes i en form som tillater at alt aluminiummetall fjernes ved sikting. Dette kan finne sted ved et antall knuse- og oppmalingsmetoder, som beskrives mer detaljert i de etterfølgende eksempler.

Etter fjerning av aluminiummetall kan det siktede materialet utsettes for videre oppmaling eller anvendes i den form det har, avhengig av hvilken partikkel-størrelse som er fordelaktig for den påtenkte anvendelse.

For slipeskiver og grovt sandpapir kan det fortrinnsvis anvendes et materiale som er blitt knust slik at størstedelen av materialet har en størrelse som er mindre enn 100 ( im.

For finere sandpapir må kornstrørrelsen i materialet være mindre enn 75 /mi.

For de fineste kvaliteter av sandpapir er det funnet at kornstørrelsen må være mindre enn 50 ( im.

En spesielt foretrukken kornstørrelsesfordeling er: 4-20 vekt% mindre enn 5 ( im; 30-70 vekt% mindre enn 15 ( im; 75-97 vekt% mindre enn 30/mi.

Generell del

Oppfinnelsen vil illustreres mer detaljert nedenfor ved et antall eksempler:

Eksempel 1

En prøve av et kaldt bad fra aluminiumverket ISAL på Island ble knust i en steinknuser. Derved fikk partiklene av aluminiummetall tilstede i det kalde badet form av flate, valsede flak som lett kunne sorteres ut ved sikting.

Det resterende materialet ble underkastet kjemisk analyse, som viste: 51,09 vekt% NaOH-løselig F og 15,15 vekt% totalt av Al.

Sammensetning: Kryolitt: 44,9 vekt%; Chiolitt: 46,4 vekt%; CaF2: 4,1 vekt%; A1203: 2,3 vekt%; inaktivt: 2,3 vekt%; Fritt Al: 0 vekt%.

Det resterende materiale ble deretter oppmalt i et første oppmalingstrinn i en svingemølle av Siebtechnik-fabrikat, hvoretter det ble oppmalt til en partikkel-størrelse på 100-150/mi. Etter sikting ble produktet oppmalt videre i et andre oppmalingstrinn i en kulemølle, hvorved det ble fremstilt et produkt med 85 vekt% under 45/mi og intet over 100 /im, og et spesifikt overflateareal (bestemt ved BET) på 0,551 m<2>/cm<3>. 18 kg av dette produkt ble anvendt ved pilotproduksjon av et mangfold av sandpapirtyper. Resultatene viste at dette materiale ikke var i besittelse av de ulemper som kjennetegnet syntetisk kryolitt, men isteden hadde samme utmerkede ytelse som den naturlige kryolitt anvendt tidligere.

Eksempel 2

Utgangsmaterialet beskrevet i Eksempel 1 ble behandlet som beskrevet i Eksempel 1, men med det andre oppmalingstrinn utført i en "AFG 400 Jet Mill", hvoretter det oppmalte materiale ble siktet i en "Alpine ATP 100" luftsikt med en materialstrøm på 500-600 kg/time.

Det resulterende produkt, som fremviste like gode anvendelsesegen-skaper som produktet beskrevet i Eksempel 1, hadde et spesifikt overflateareal (bestemt ved BET) på 0,694 m<2>/cm<3>og følgende kornstørrelsesfordeling: Intet større enn 100/im, 50 vekt% mindre enn 15/im.

Eksempel 3

Utgangsmaterialet beskrevet i Eksempel 1 ble behandlet som beskrevet i Eksempel 1, men med det andre oppmålingstrinn utført i en pilotkulemølle av "Alpine"-fabrikat, etterfulgt ved at det oppmålte materiale ble siktet i en "Alpine ATP 100" luftsikt med en materialstrøm på 30 kg/time.

Det resulterende produkt, som fremviste nesten like gode anvendelses-egenskaper som produktene beskrevet i eksemplene 1 og 2, hadde et spesifikt overflateareal (bestemt ved BET) på 0,723 m<2>/cm<3>og følgende kornstørrelses-fordeling: Intet over 100 mikrometer, 50 vekt% mindre enn 16 mikrometer.

Eksempel 4

En prøve av et kaldt bad fra et aluminiumverk i Bahrain ble knust i en ringmølle. Derved forelå aluminiummetallpartiklene tilstede i det kalde badet i form av flate, valsede flak som lett kunne sorteres vekk ved sikting på en 103/im sikt.

Materialet ble underkastet kjemisk analyse, som viste:

46,32 vekt% NaOH-løselig F og 15,61 vekt% totalt av Al før oppmaling.

46,76 vekt% NaOH-løselig F og 14,28 vekt% totalt av Al etter oppmaling og sikting.

Sammensetning før oppmaling: Kryolitt: 42,1 vekt%; Chiolitt: 40,7 vekt%; CaF2: 6,5 vekt%; A1203: 2,9 vekt%; inaktivt: 9,2 vekt%; Fritt Al: 1,5 vekt%.

Sammensetning etter oppmaling og sikting: Kryolitt: 42,5 vekt%; Chiolitt 41,1 vekt%; CaF2: 6,5 vekt%; A1203: 2,9 vekt%; inaktivt: 7,0 vekt%; Fritt Al: 0 vekt%; NaF/AlF3-molforhold: 2,22.

Dette produkt ble anvendt ved pilotfremstilling av et mangfold av sandpapirtyper. Resultatene viste at dette materiale ikke var i besittelse av ulempene som kjennetegner syntetisk kryolitt, men isteden hadde samme utmerkede ytelse som oppmalt, naturlig kryolitt anvendt tidligere.

Eksempel 5

Utgangsmaterialet beskrevet i Eksempel 1 ble behandlet som beskrevet i Eksempel 1, men i det andre oppmalingstrinn ble det anvendt en "Jet mill AJ 100" med en materialstrøm på 48 kg/time. Ved den etterfølgende luftsikting ble overfraksjonen som inneholdt noe fritt aluminiummetall sortert vekk.

Det siktede produkt hadde følgende siktekurve, uttrykt i volum%: 97 % mindre enn 35/im: 50 % mindre enn 14 /im; 10 % mindre enn 5/im.

Dette produkt fremviste akkurat like gode resultater ved produksjon av finkornet sandpapir som produktet beskrevet i Eksempel 1.

Claims (10)

1. Slipehjelpemiddel bestående av fluoridholdige, uorganiske forbindelser for anvendelse i et abrasivt materiale omfattende abrasive korn og slipehjelpemidlet,karakterisert vedat det er fremstilt ved en fremgangsmåte som omfatter de følgende trinn: - en elektrolytisk celle anvendt ved fremstilling av aluminiummetall ved reduksjon av AI2O3i et bad av smeltet natriumaluminiumfluorid avkjøles og brytes opp til stykker som er egnet for midlertidig sortering, hvoretter - det tilgjengelige frie aluminium og grafitt sorteres vekk, hvoretter - det gjenværende materiale, dvs. det kalde bad, utsettes for oppmaling, eventuelt i flere trinn, hvorved partikler av en eventuell aluminiummetallrest valses til flak, hvoretter - det oppmalte materiale siktes for eventuelt å sortere ut de dannede aluminiumflak, hvoretter - det resterende materiale utvinnes som et produkt eller utsettes eventuelt for videre oppmaling og eventuell sikting for å tilveiebringe et materiale med en kornstørrelsesfordeling som svarer til at 100 vekt% av materialet er mindre enn 50 jxm og 50 vekt% er mindre enn 20fim.

2. Slipehjelpemiddel ifølge krav 1, karakterisert vedat innholdet av aluminiummetall i slipehjelpemidlet er mindre enn 0,5 vekt%, fortrinnsvis mindre enn 0,1 vekt%.

3. Slipehjelpemiddel ifølge krav 1-2, karakterisert vedat det inneholder kryolitt og chiolitt i en totalmengde på minst 75 vekt%, fortrinnsvis minst 80 vekt%.

4. Slipehjelpemiddel ifølge krav 1-3, karakterisert vedat det inneholder chiolitt i en mengde på 20-60 vekt%.

5. Slipehjelpemiddel ifølge krav 1-4, karakterisert vedat det har et NaF/AlF3-molforhold på mellom 2,5 og 1,875.

6. Slipehjelpemiddel ifølge krav 1-5, karakterisert vedat et eventuelt innhold av aluminiummetall i slipehjelpemidlet er tilstede som partikler med en partikkelstørrelsesfordeling som tilsvarer at 100 vekt% av partiklene er mindre enn 50/im og 50 vekt% er mindre enn 20 lim.

7. Slipehjelpemiddel ifølge krav 1-6, karakterisert vedat dets partikler har en kornstørrelsesfordeling som tilsvarer at 100 vekt% av partiklene er mindre enn 100/im, fortrinnsvis er 100 vekt% mindre enn 75/im, og særlig er 100 vekt% mindre enn 50/im.

8. Fremgangsmåte for fremstilling av slipehjelpemiddel ifølge krav 1-7,karakterisert vedat den omfatter de følgende trinn: - en elektrolytisk celle anvendt ved fremstilling av metallisk aluminium ved reduksjon av AI2O3 i et bad av smeltet natriumaluminiumfluorid avkjøles og brytes opp til stykker egnet for midlertidig sortering, hvoretter - det tilgjengelige frie aluminium og grafitt sorteres vekk, hvoretter - det gjenværende materiale, dvs. det kalde bad, utsettes for oppmaling, eventuelt i flere trinn, hvorved partikler av en eventuell aluminiummetallrest valses til flak, hvoretter - det oppmalte materiale siktes for eventuelt å sortere vekk de dannede aluminiumflak, hvoretter - det gjenværende materiale utvinnes som et produkt eller utsettes eventuelt for videre oppmaling og eventuell sikting for å tilveiebringe et materiale som fortrinnsvis har en kornstørrelsesfordeling som svarer til at 100 vekt% av materialet er mindre enn 100 /im.

9. Anvendelse av slipehjelpemiddel ifølge krav 1-7 for fremstilling av abrasivt materiale.

10. Abrasivt materiale omfattende abrasive korn og et slipehjelpemiddel bestående av fluoridholdige, uorganiske forbindelser, karakterisert vedat slipehjelpemidlet er et slipehjelpemiddel ifølge hvilket som helst av krav 1-7.