PT85707B

PT85707B - Processo para produzir material em alumina virtualmente pura

Info

Publication number: PT85707B
Application number: PT85707A
Authority: PT
Inventors: Marc Stevens Newkirk
Original assignee: Lanxide Technology Co Ltd
Priority date: 1986-09-16
Filing date: 1987-09-15
Publication date: 1990-08-31
Also published as: AU7827287A; ZA876910B; HUT49099A; FI873902A0; AU598586B2; BR8704676A; EP0261061A3; JP2708425B2; KR880003831A; CA1329465C; NZ221740A; US4820498A; EP0261061B1; CZ656887A3; IE872469L; BG60244B2; PL154684B1; CZ279044B6; IE61527B1; IL83809A

Description

PROCESSO PARA PRODUZIR MATERIAL EM ALUMINA VIRTUALMENTE PURA”

Esta invenção refere-se a um processo para produzir alumina virtualmente pura. Mais especificamente, esta invenção diz respeito a um processo para produzir alumina virtualmente pura derivada do produto fragmentado e purificado, de um proces. -so com reacção oxidante, utilizando metal básico em alumínio e gás contendo oxigénio. Refere-se ainda o invento a um processo para melhorar a qualidade da alumina com pureza inferior, de mo do a obter um produto alumina com maior pureza.

Os seguintes Pedidos de Patente em Comum Propriedade descrevem novos métodos para se produzir um corpo de auto-susten. tação, oxidando metal de base para formar um material policristalino do produto da reacção oxidante e, por opção, constituintes metálicos:

(A) ο N2 de Série 818 943 depositado em 1? de Janeiro de 1986, que é uma continuação-em-parte do N° de Série 776 964, de. positado a 17 de Setembro de 1985, o qual é continuação-em-parte do N° de Série 705 787 depositado em 96 de Fevereiro de 1985, e que constitui continuação-em-parte do pedido nos Estados Unidos, N2 de Série 591 392 depositado a 16 de Março de 1984, todos em nome de Marc S. Newkirk et al, e intitulado Novos Materiais Cerâmicos e Processos para Fazê-los, e (B) ο N2 de Série 822 999 depositado em 27 de Janeiro de 1986, que é uma continuação-em-parte do N° de Série 776 965 depo- 2 - ^L/<

sitado a 17 de Setembro de 1985, o qual é continuação-em-parte do N9 de Série 747 788 depositado a 25 de Junho de 1985 e que é uma continuação-em-parte do N^ de Série 632 636 depositado em 20 de Julho de 1984, todos em nome de Marc S. Newkirk et al e intitulado Processos para Fabricar Materiais Cerâmicos Auto -sustentados”; e (C) o NQ de Série 819 397 depositado em 17 de Janeiro de 1986, que é continuação-em-parte do N° de Série 697 876 depositado a 4 de Fevereiro de 1985, ambos em nome de Marc S. Newkirk et al. e intitulado Artigos de Compósito Cerâmico e Processos para a sua Fabricação.

Cujas descrições completas de cada um dos Pedidos de Patente em Propriedade Comum, antes mencionados, são aqui incorporadas por referência.

Como explanado nesses Pedidos de Parente em Comum

Propriedade, novos materiais cerâmicos policristalinos ou materiais de compósito cerâmico e policristalino são produzidos por reacção oxidante entre um metal de base e um oxidante na fase de vapor, ou seja, material vaporizado ou normalmente gasoso, como atmosfera de oxidação. 0 processo encontra-se descrito em linhas gerais nos supra referidos Pedidos de Patente de Comum Propriedade (A). De acordo com este processo.genérico, metal de base, por exemplo, alumínio, é aquecido até uma tempera, tura elevada, acima do seu ponto de fusão porém abaixo do ponto de fusão do produto da reacção oxidante para formar um corpo de metal básico fundido que reage por contacto comum oxidante na fase de vapor, formando o produto da reacção oxidante. Nessa temperatura, o produto da reacção oxidante ou pelo menos uma

sua parcela, permanece em contacto com o corpo de metal básico fundido e o oxidante, e prolonga-se entre ambos; e o metal fun dido é retirado ou transportado através do produto da reacção oxidante e no sentido do oxidante. 0 metal fundido transportado forma ainda mais produto da reacção oxidante, pelo contacto com o oxidante, à superfície do produto da reacção oxidadora anteriormente formado. Â medida que o processo tem continuidade, mais metal será transportado através desta formação do produto de reacção oxidante policristalino, assim continuamente desenvolvendo ou criando uma estrutura cerâmi ca de cristalitos ou cristaloides interconjugados. 0 resultante corpo cerâmico pode conter constituintes metálicos, assim como os constituintes não oxidados do metal de base, e/ou vazios. No caso de um óxido como produto da reacção oxidante, oxigénio ou misturas gasosas contendo oxigénio (inclusive o ar) servem como oxidantes adequados, com o ar merecendo usualmente a preferência por obvias razões de economia. Entretanto, utiliza-se o termo oxidação no seu amplo sentido em todos os pedidos de patente de Comum Propriedade e neste pedido, para designar a perda ou partilha de electrões por um metal em relação a um oxidante o qual poderá ser constituído por um ou mais elementos e/ou compostos.

Em determinados casos, o metal de base talvez requeira existência de um ou mais dopantes, para favoravelmente influen. ciar ou facilitar o desenvolver do produto da reacção oxidante, e sendo os dopantes, fornecidos como constituintes sob a forma de liga do metal básico. Por exemplo, no caso de alumínio ser metal básico e o ar ser o oxidante, dopantes como o magnésio

- 4 e o silício, nomeando-se apenas dois dentre uma extensa classe de materiais dopantes, acham-se sob a forma de liga com alumínio, e são utilizados como o metal de base. 0 produto resultante da reacção oxidante compreende alumina, tipicamente alfa-alumina.

Os supra referidos pedidos de patente em Propriedade Comum (B) descrevem outro desenvolvimento que se baseia na descoberta de que é possível induzir condições apropriadas do desen volvimento, conforme acima descrito, nos metais de base que requerem dopantes, aplicando um ou mais dos materiais dopantes à superfície ou superfícies do metal de base, evitando assim a imprescindível formação de liga do metal de base com os materiais dopantes, ou seja, metais assim como o magnésio, zinco e silício no caso em que se tenha metal de base alumínio e o ar como oxidante. Com este aperfeiçoamento, torna-se possível utilizar metais e ligas existentes no comércio, os quais de outra maneira, não conteriam ou possuiriam composições apropriadamente dopadas. Esta descoberta é vantajosa também pelo facto de que desenvolvimento cerâmico pode ser conseguido em uma ou mais zonas escolhidas, na superfície do metal de base e não indiscriminadamente, tornando assim o processo mais eficientemente aplicado, por exem pio, dopando-se apenas uma superfície ou somente porções ou par celas de uma superfície num metal de base.

Por conseguinte, os pedidos de patente de Propriedade Comum, supra referido, descrevem a produção de alumina como produto da reacção oxidante facilmente desenvolvido até relativamente grandes dimensões, 0 qual depois pode ser uma fonte utilizável de produtos com alumina. O invento em apreço oferece um método para obter alumina virtualmente pura, derivada de

alumina produzida pelo processo antes mencionado, da reacção oxidante, ou seja, metal básico em alumínio reagido com oxidan te contendo oxigénio na fase de vapor.

Novas estruturas em compósitos cerâmicos e os processos para a sua fabricação, encontram-se descritos e reivindicados nos supra referidos Pedidos de Patente de Comum Propriedade (C), os quáis utilizam a reacção oxidante para produzir estrutura de compósito cerâmico que compreende carga virtualmente inerte, infiltrada pela matriz de cerâmica policristalina. Metal básico disposto adjacente a um volume de carga permeável, é aquecido para formar corpo de metal básico fundido o qual será reagido com oxidante na fase de vapor, conforme descrito acima, para formar produto da reacção oxidante. Enquanto o produto da reacção oxidante se desenvolve e infiltra no material de carga adjacente, metal básico fundido será retirado através do produto da reacção oxidante formado anteriromente no volume da carga, e reage com o oxidante para formar ainda mais produto da reacção oxidante à superfície do produto anteriromente formado, segundo o descrito acima. 0 crescimento resultante do produto da reacção oxidante, infiltra e introduz a carga, do que resulta a formação de uma estrutura de compósito cerâmico na matriz cerâmica policristalina, embutindo a carga. Por exem pio, no caso de se utilizar alumínio dopado, como o metal de base, e o ar como oxidante, ou partículas de alumina ou pó co mo a carga permeável, forma-se um compósito, segundo o descri to acima, que tipicamente consiste essencialmente em partículas de alumina numa matriz de alumina que tem vários constituintes metálicos dispersos pela mesma.

- 6 Em um outro aspecto da presente invenção, descrobiu-se que no processo para desenvolver produto alumina da reacção oxidante como a matriz, quando se emprega material alumina de carga em formas relativamente impuras, especialmente as que contêm silicatos, estas reagem com o metal básico alumínio du rante o processo, dando alumina mais pura e constituintes meta licos reduzidos, como o silício. 0 processo, visto isso, pode fornecer uma fonte de alumina com elevada pureza, a partir de uma fonte de alumina menos pura.

Em uma realização deste invento, metal básico de alumínio é aquecido na presença de um oxidante contendo oxigénio em fase de vapor, formando corpo de metal alumínio fundido. À medida que o metal alumínio fundido entra em contacto com o oxi. dante, forma-se alumina como produto da reacção oxidante. Serão mantidas as condições do processo para gradativamente se retirar metal fundido, através do produto da reacção oxidante com alumina formado, e na direçção do oxidante, de modo que se cria continuamente produto alumina da reacção oxidante na entreface entre o oxidante em fase de vapor, contendo oxigénio, e o produto da reacção oxidante com alumina, formado anteriormente. A fase de aquecimento é conduzida a temperaturas acima do ponto de fusão do metal básico alumínio, porém abaixo da temperatura do produto da reacção oxidante com alumina. Continua-se o aquecimento pelo período necessário para produzir corpo cerâmico policristalino de alumina. 0 corpo pode incluir um ou vários materiais metálicos não alumina, assim como metal básico não oxidado, dopantes ou ambos.

Esta invenção baseia-se na descoberta de que virtual

mente todos os materiais não alumina, resultantes no produto cerâmico policristalino produzido segundo se considerou acima, são:

a) acessíveis pelas superfícies, fragmentando-se primeiro o produto cerâmico; e

b) principalmente metálicos so invés de cerâmicos.

Os materiais não alumina serão depois extraídos, dissolvidos ou dispersos pelo corpo cerâmico mediante um ou vários lixiviadores, seja gás ou líquido, daqui por diante referidos como agentes lixiviadores” ou lixiviação”. Pode ser desejável uma série de estados lixiviadores, com tipicamente lavagem em água entre cada lixiviação.

material policristalino obtido desta maneira será moído, pulverizado, etc., até um tamanho de partícula adequado, ou faixa dos tamanhos de partícula. 0 material resultante, é depois, posto em contacto com um ou mais lixiviadores, ou série de lixi viadores tais como ácidos, bases e outros solventes utilizáveis, dependendo da impureza, para assim os materiais não alumina, tais como metal alumínio não oxidado, constituintes em forma de liga do metal básico, metais derivados de dopantes, ou combinações de cada um, serem separados do material alumina. Este processo de lixiviação prossegue durante um período suficiente para remover os supra referidos materiais não alumina, do produto policristalino fragmentado, para que o material alumina com pureza não inferior aos 99,9%, em peso, de alumina, possa vir a ser recuperado e, mais preferivelmente, com 99,99% cu ainda mais puro.

Característica que foi descoberta no que diz respeito

âs aluminas produzidas pelo método da presente invenção é que essas aluminas possuem delimitações granulares extremamente lim pas as quais não têm outra fase presente. Este factor resulta na propriedade da fragmentação intragranular nos materiais, característica que frequentemente não existe em muitas aluminas produzidas de modo convencional. Tal propriedade nas aluminas tem acarretado melhores resultados em determinadas aplicações, como sejam nos meios abrasivos ou de polimento.

Em outro aspecto do invento em apreço, proporciona-se meio de formar alumina com grande pureza, não apenas pela reacção oxidante do metal básico em alumínio, mas pelo aperfeiçoamento de um produto específico alumina com nível inferior, por simultânea redução aluminotérmica das outras impurezas de tal produto, durante o processo de desenvolvimento de oxidação. Neste caso, o metei básico em alumínio é posto ou orientado re lativamente a um volume permeável do material de carga baseado na alumina, em presença de um oxidante (tipicamente, ar), de mo do que ocorra formar-se o produto da reacção oxidante na direcção da massa de carga e para dentro dela. Haverá formação do produto da reacção oxidante na direcção da massa de carga e para dentro dela. 0 desenvolver do produto da reacção oxidante infiltra-se ou imbebe-se no volume da carga, formando assim uma estrutura de compósito cerâmico alumina/metálico. A carga com base na alumina possivelmente será um conjunto frouxo ou coligado, caracterizando-se por interstícios, aberturas ou espaços de permeio, e o leito ou volume será permeável ao oxidante na fase de vapor e ao desenvolvimento do produto da reacção oxidante. Como aqui utilizado e nas reivindicações apensas,

carga” ou material de carga pretende significar tanto uma composição homogénea baseada em alumina como uma composição heterogénea baseada em alumina, constituída por dois ou vários materiais.

produto da reacção oxidante, desenvolve-se na carga sem fragmentar ou desalojar os constituintes da carga que for mam um compósito alumina/metálico. Impurezas na carga baseada em alumina, como óxidos, são reduzidas por redução alumino-térmica para dar constituintes de alumina e constituintes meta, licos mais puros. 0 compósito resultante alumina/metálico é depois triturado ou de alguma outra maneira fragmentado, sendo as impurezas metálicas retiradas por lixiviação com lixiviadores que dão um produto alumina em partículas de grande pureza.

Nesta especificação e nas reivindicações apensas, os termos que seguem terão os significados seguintes:

Cerâmico não deve ser tomado como limitado a um corpo cerâmico em acepção clássica, ou seja, no sentido de que consiste inteiramente em materiais inorgânicos e não metálicos, mas sim referido a um corpo predominantemente cerâmico no que diz respeito quer à composição quer às propriedades dominantes, ainda que o corpo possa conter proporções ínfimas ou substanciais de um ou vários constutuintes metálicos derivados de metal básico em alumínio, ou reduzidos a partir do dopante ou da carga, o mais correntemente dentro da faixa de cerca de 1 - 40%, volume, mas pode incluir ainda mais metal.

Produto da reacção oxidante significa um ou vários metais em qualquer estado oxidado, onde o ou _os metais tenham

- 10 cedido electrões a outro elemento, composto ou combinação dos mesmos, ou compartilhando electrões com estes. Visto isso, Produto da reacção oxidante, por esta definição, inclui o pro duto da reacção do metal básico em alumínio com oxigénio.

Oxidante, oxidante na fase de vapor ou análogo, que identifica o oxidante como contendo ou compreendendo um gás ou vapor específico, significa oxidante no qual o gás ou vapor identificado é o único ou predominante, ou pelo menos um oxidante significativo de metal básico, nas condições obtidas no ambiente oxidante utilizado. Por exemplo, ainda que o prin cipal constituinte do ar seja azoto, o teor de oxigénio do ar é o único oxidante para o metal de b?se porque o oxigénio é um oxidante muito mais forte do que o azoto. Por conseguinte, o ar enquadra-se na definição de oxidante gás contendo oxigénio.

Metal básico diz respeito ao metal, por exemplo, alumínio, que é o precursor do produto policristalino da reacção oxidante, e inclui aquele metal como um metal relativamente puro, um metal que existe no comércio com impurezas e/ou constituintes na forma de liga, ou uma liga onde o precursor do metal seja o principal constituinte, e quando se menciona metal alumínio como o metal de base, deve o metal ser considerado com esta definição em mente, a menos que indicado de outro modo no texto.

De acordo com um aspecto do invento em apreço, o metal básico em alumínio (que está tipicamente dopado, conforme explanado abaixo em mais detalhes) como precursor do produto slumina da reacção oxidante, forma-se dentro de um lingote, tarugo, vergalhão, chapa ou arálogos, e posto em leito inerte,

- 11 cadinho ou outros recipientes refractários. Este recipiente acondicionador, com o seu conteúdo, é levado para uma fornalha que recebe oxidante na fase de vapor contendo oxigénio. Este combinado é aquecido até temperaturas abaixo do ponto de fusão do produto alumine da reacção oxidante, mas acima do ponto de fusão do metal oásico em alumínio,temperaturas que estão o , geralmente entre mais ou menos 850 - 14-50 C e, mais preferível, entre cerca de 900 - 135O°O. Dentro deste intervalo térmico utilizável, cria-se um corpo ou volume de metal fundido, e por contacto com o oxidante na fase de vapor contendo oxigénio, o metal alumínio fundido reagirá formando camada do produto alumina da reacção oxidante. Em determinados casos contudo, quando on de se utiliza material dopante como magnésio, juntamente com o metal básico alumínio, é possível a formação do produto alumi. na da reacção oxidante ser precedida por formação de uma fina camada de espinélio, como espinélio aluminato de magnésio (segun do se irá descrever abaixo com mais detalhes). Prosseguindo a ex posição ao ambiente da oxidação, metal fundido será gradualmente retirado para dentro do produto da reacção oxidante formado anteriormente e através dele, no sentido do oxidante em fase de vapor. No contacto com o oxidante, o metal alumínio fundido reagirá formando mais produto alumina da reacção de oxidação e, por conseguinte, cria um corpo cada vez mais espesso de produto da reacção oxidante, enquanto deixa os constituintes metálicos dispersos através do material policristalino de alumina. A reacção do metal alumínio fundido com o oxidante na fase de vapor contendo oxigénio, continua até o produto alumina da reacção oxidante se ter desenvolvido de maneira a atingir o

o desejado limite ou circunvizinhança, e aconselhavelmente coii tinua por um período suficiente para reagir todo ou virtualmen te todo o metal básico em alumínio, com o oxidante na fase de va por contendo oxigénio. 0 corpo cerâmico resultante de alumina é fragmentado no tamanho de partícula que se desejar, por meio de técnicas convencionais como moagem por impacto, laminação, esmagamento giratório etc.

Segundo explanado acima, o produto cerâmico que se forma possivelmente conterá componentes metálicos tais como metal básico em alumínio não oxidado, constituintes do metal básico formados por liga, ou materiais dopantes. A quantidade do metal pode variar numa extensa gama entre 1 e 40 por cento, em volume, ou âs vezes mais além, dependendo em grande parte do grau de exaustão (conversão) no metal básico alumínio utilizado no pro. cesso e/ou da identidade e quantidade do dopante ou dopantes utilizados. Tipicamente, aconselha-se reagir virtualmente todo o metal básico em alumínio, com o oxidante na fase de vapor contendo oxigénio, para que se reduza ao mínimo a proporção do metal básico alumínio que tenha de ser retirado depois na fase de extracção por meio de solvente. Adicionalmente, o produto da reacção oxidante, será, usualmente, fragmentado com mais facilida. de que os constituintes metálicos, os quais, portanto, talvez permaneçam como partículas de maior tamanho. Visto issõ, limitar o montante de metal incluído no corpo cerâmico, reduz a um mini mo ou diminui o trabalho necessário para fragmentar o corpo cerâmico no processo de extracção com solvente. Em alguns casos, talvez seja desejável separar primeiro fisicamente as partícu-

las metálicas maiores, do produto da reacção oxidante, peneiran do antes da fase extractiva, para aliviar o processamento neces. -sário desta operação.

produto fragmentado da reacção oxidante, será depois posto em contacto com um ou mais lixiviadores apropriados ou série de lixiviadores, para separar, dissolver, dispersar, etc. materiais não alumina resultantes da formação do corpo cerâmico, a partir da alumina. Uma lixívia pode conter um ácido, mistura de ácidos, base ou álcali, mistura de bases ou de outro solvente, a qual sirva para dissolver ou retirar o material específico não alumina, assim como o metal alumínio ou metal dopante, sem virtualmente depreciar o produto alumina. Um lixiviador pode compreender um líquido como uma solução ácida, gás ou vapor como o gás cloro, ou meios fluidos diversos como os sistemas solventes supercríticos. Além disso, pode fazer-se uso de mais de um lixiviador, em série, ao retirar vários mate, riais nao alumina, podendo cada um deles, ser mais fácil e/ou mais eficientemente removido por meio de um lixiviador específico que não adequado ou adequado para retirar outros materiais não alumina existentes. For exemplo, o produto cerâmico policrista. lino fragmentado, contendo alumínio e silício que não reagiram como dopante no processo da reacção oxidante, poderá ser, de início, posto em contacto com um lixiviador ácidc, para retirar determinados metais (por exemplo, alumínio), lavado com água, depois posto em contacto com lixiviador cáutico visando remover outros metais (por exemplo, silício), outra vez lavado com água e sendo recuperado alumina relativamente pura. Adicionalmente,

- 14 de acordo com o presente invento,a sequência do fragmentado ou lixiviado pode ser repetida uma ou mais vezes com o mesmo produto policristalino, para se obter material alumina, que te-, nha pureza maior.

lixiviador ou série de lixiviadores serão escolhidos principalmente pela sua capacidade para dissolver ou retirar um ou vários dos materiais específicos não alumina, existentes no produto cerâmico policristalino fragmentado. Mais provavelmente, esses materiais não alumina compreendem metais resultantes do metal básico alumínio, não oxidado, impurezas sob a forma de liga, originadas pelo metal básico, metal ou metais dopantes que resultem da redução dos materiais dopantes (per exem pio Si vindo do SiO^). Por conseguinte, deve-se escolher o lixiviador ou série de lixiviadores, tendo em mente os materiais específicos não alumina. Por exemplo, metal alumínio que não entrou em reacção, existente no produto da reacção oxidante, po. de ser efectivamente retirado com ácido como HC1 a 5θ %· Para abreviar o processo ou melhorar a sua eficiência, o combinado lixiviador que compreende o produto cerâmico policristalino em fragmentos e tem contacto com o lixiviador específico, poderá ser agitado e/ou aquecido. Afora o alumínio não oxidado, o pro duto da reacção oxidante em pedacinhos conterá, tipicamente, um ou vários metais resultantes dos materiais que serviram à dopagem. Em determinadas circunstâncias, por exemplo, quando se utiliza um dopante silício, um meio ácido talvez não retire satisfatoriamente o metal não alumina (por exemplo silício). Portanto, será necessário segundo lixiviador, seja um álcali

- 15 (por exemplo solução de soda cáustica) para retirar esses materiais. Entretanto tendo o cuidado ao empregar uma série de lixi viadores distintos, de evitar mistura ou combinação dos lixivia dores que se mostre perigosa ou prejudique a pretendida eficien cia da lixiviação, o que se pode impedir, por exemplo, mediante purga adequada, por exemplo por uma lavagem com solvente ( por exemplo, água desionizada). 0 produto cerâmico e policristalino é posto em contacto com o lixiviador ou série de lixiviadores, por um período suficiente para retirar por dissolução, ou por qualquer outra maneira remover substancialmente todos os materiais não alumina. Por conseguinte, recupera-se o material alu mina com pureza tipicamente não inferior a 99,9 %, em peso, de alumina, e preferivelmente 99,99 %·

Como se explanou nos Pedidos de Patente de Propriedade Comum, a adição de materiais dopantes conjuntamente com o metal básico alumínio, pode influenciar favoravelmente o processo da reacção oxidante. A função ou funções do material dopante podem depender de inúmeros factores que não o material dopante em si mesmo. Incluem tais factores, por exemplo, o produto final dese. jado, a distinta combinação de dopantes quando dois ou mais deles são utilizados, o uso de um dopante aplicado externamente, em combinação com um dopante sob a forma de liga, a concentração do dopante, o ambiente oxidante e as condições do processo.

dopante ou dopantes que servem juntamente com o metal base em alumínio (1) podem ser fornecidos como constituintes sob a forma de liga do metal básico em alumínio, ou (2) podem ser aplicados a, no mínimo, uma parcela da superfície do metal bási.

co em alumínio, ou poderá ser aplicada qualquer combinação das técnicas (1) e (2). For exemplo, é possível utilizar dopante sob a forma de liga em combinação com um dopante aplicado exter namente. Fonte do dopante pode ser proporcionada colocando-se um corpo rígido de dopante, em contacto com no mínimo uma parcela da superfície do metal básico em alumínio. Por exemplo, uma fina lâmina de vidro contendo silício pode ser posta sobre uma superfície do metal básico em alumínio . Quando o metal básico alumínio (que pode ser internamente dopado com Mg.) sobre posto com o material contendo silício se derrete em ambiente oxidante (por exemplo, no caso do alumínio ao ar), entre cerca de 850°C até mais ou menos 1450°C, preferivelmente cerca de 900°G até mais ou menos 155θ°θ) ocorre formação do material cerâmico policristalino. No caso de o dopante ser aplicado exter namente a no mínimo uma parcela da superfície do metal básico em alumínio, a estrutura óxido de alumínio policristalina desen. volve-se geralmente, de modo virtual, para além da camada dopante (por exemplo, além da profundidade na camada dopante que se aplicou). Em qualquer das circustâncias, um ou mais dopantes podem ser aplicados externamente à superfície do metal básico. Além disso, quaisquer deficiências de concentração nos dopantes sob a forma de liga dentro do metal básico, podem ser aumentadas por maior concentração do ou dos respectivos dopantes aplicados externamente ao metal básico em alumínio.

Dopantes utilizáveis para o metal básico alumínio, em especial os que têm o ar como oxidante incluem, por exemplo, me tal magnésio e metal zinco, combinando-se um ao outro ou combi- 17 nados a outros dopantes que se descrevem abaixo. Esses metais ou fonte adequada dos metais, podem estar sob a forma de liga, dentro do metal básico alumínio, em concentrações, para cada um deles, entre mais ou menos 0,1 - 10 %, em peso, com base no peso total do metal dopado resultante. Concentrações dentro des. ta faixa, parece que iniciam o desenvolvimento cerâmico, melhoram o transporte do metal e influenciam favoravelmente o desenvolvimento morfológico no produto da reacção de oxidação resultante. A faixa de concentrações para qualquer um dos dopantes irá depender de factores como os dopantes combinados e a temperatura do processo.

Outros dopantes que se mostram eficazes ao promover desenvolvimento do produto da reacção oxidante policristalino, derivados de sistemas do metal básico em alumínio são, por exem pio, silício,germânio,estanho e chumbo, especialmente se utilizados conjuntamente com magnésio. Um ou mais desses outros dopantes, ou adequada fonte dos mesmos, estarão sob a forma de liga, dentro do sistema de metal básico alumínio, em concentrações, para cada um deles, entre mais ou menos 0,5 até mais ou menos 15%, em peso, de liga total; entretanto, mais desejável cinética do desenvolvimento e crescimento morfológico serão obtidos com concentrações do dopante na faixa entre mais ou menos 1 - 10%, em peso, da liga de metal básico total. Chumbo como dopante geralmente estará sob a forma de liga no metal básico fundamentado em alumínio, a uma temperatura de no mínimo 1000°C de modo a contar com a sua pouca solubilidade no alumínio; entretanto, a adição de outros componentes sob a forma de

- 18 .1 --¹ liga, como estanho, aumentará geralmente a solubilidade do chumbo e permitirá que os materiais sob a forma de liga sejam adicionados a temperatura mais baixa.

Um ou mais dopantes pedem ser utilizados junto com o metal de base. Por exemplo, no caso do metal básico em alumínio, e ar como oxidante, as combinações de dopantes mais especialmente utilizáveis incluem:

a) magnésio e silício; ou

b) magnésio, zinco e silício.

Em tais exemplos, uma concentração preferida do magnésio está na faixa entre mais ou menos 1 até mais ou menos 5%, em peso,; para zinco, na faixa entre mais ou menos 1 até mais ou menos 6%, em peso, e para o silício na faixa entre mais ou menos 1 até mais ou menos 10%, em peso.

Ainda outros exemplos de materiais dopantes utilizáveis com metal básico em alumínio incluem sódio e litio que podem ser utilizados individualmente ou combinados com um ou vários outros dopantes, dependendo das condições do processo. Sódio e litio podem servir em proporções muito pequenas, na gama de partes por milhão, tipicamente cerca de 100 - 200 partes por milhão, e cada um deles pode ser utilizado isolado ou conjuntamente, ou em combinação com outro dopante ou dopantes. Cálcio, boro, fósforo, ítrio e os elementos de terras raras, assim como cério,lantano,praseodímio, neodímio e samário também servem como dopantes e aqui, de novo, especialmente se forem utilizados em combinação com outros dopantes.

Os materiais dopantes, quando usados exterr>a-nente, se- 19

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rão por via de regra aplicados a uma parcela da superfície do metal básico, como revestimento uniforme sobre o mesmo. A quan tidade do dopante mostra-se eficaz numa extensa gama, relativa mente à proporção do metal básico onde esteja aplicado e no ca so do alumínio, as experiências não têm podido identificar limites superior ou inferior utilizáveis. Por exemplo, quando se utiliza o silício na forma do dióxido de silício, externamente aplicado como dopante para um metal básico fundamentado em alumínio, utilizando ar ou oxigénio como oxidante, quantidades mínimas como 0,00003 gramas de silício por grama do metal básico, ou de mais ou menos 0,0001 gramas de silício por centímetro quadrado de superfície do metal básico exposto, juntamente com um segando dopante cue tenha fonte em magnésio e/ou zinco, produzem o fenómeno do desenvolvimento cerâmico policristalino. Constatou-se também que se torna exequível uma estrutura cerâmica a partir de metal básico fundamentado no alumínio, usando ar ou oxigénio como oxidante, utilizando MgO como dopante, em quantidade superior a mais ou menos 0,0008 gramas de Mg por grama do metal básico a ser oxidado e superior a 0,003 gramas de Mg por centímetro quadrado da superfície do metal básico sobre a qual o MgO é aplicado. Parece que até certo ponto, um aumento da quantidade dos materiais dopantes fará decrescer o tempo da reacção necessário para produzir o compósito cerâmico, porém isto depende de factores como o tipo do dopante, o metal de base e as condições da reacção. No entanto,um aumento da quan. tidade do material dopante utilizado resulta tipicamente num

maior período de processamento na fase lixiviadora para retirar o material dopante incluído.

Se o material básico é alumínio dopado internamente com magnésio, e o meio oxidante é ar ou oxigénio, observa-se que o magnésio é pelo menos parcialmente oxidado na liga a uma temperatura entre cerca de 820 e 95O°C. Em tais casos de sistemas dopados com magnésio, este forma um óxido de magnésio e/ou fase espinélio de aluminato de magnésio à superfície da liga de alumínio fundido e durante o processo de formação, tais compostos de magnésio mantêm-se principalmente à superfície do óxido inicial da liga do metal de base ( ou seja, a superfície de iniciação), na estrutura cerâmica em crescimento. Portanto, em tais sistemas dopados com magnésio, produz-se uma estrutura com base no óxido de alumínio além da relativamente fina camada do espinélio em aluminato de magnésio, à superiície da iniciação. Desejando-se, esta superfície de iniciação pode ser facilmente retirada tanto por esmerilamento, usinagem, polimento ou por rajadas de granalha, antes de se fragmentar o produto cerâmico policristalino.

De acordo com o invento em apreço, fabrica-se corpo cerâmico pelo método descrito no Pedido (A) de Patente da Propriedade Comum, referido acima, utilizando silício a 10%, liga de alumínio contendo magnésio a 3 %, aquecido em ar a 1200°C. 0 corpo cerâmico resultante, é fragmentado até aproximadamente o tamanho de partícula da malha menos 5θθ· θ produto da reacção oxidante fragmentado será posto em contacto com uma solução de ácido clorídrico/água desionizada, a 50%, durante vinte e quatro horas, enquanto se mantém agitação. 0 material será purificado com água desionizada e subsequentemente posto em contacto com solução hidróxido de sódio/ água desionizada, a 5θ% durante vin, te e quatro horas. 0 material é depois purificado várias vezes com água desionizada durante vinte e quatro horas, e recupera-se o material resultante alumina com grande pureza.

Em outro aspecto da presente invenção, um corpo ou massa do material de carga baseado em alumina é posto em ambiente con tendo oxigénio, junto a qualquer fonte do metal básico alumínio, com dopantes apropriados segundo descrito acima, de maneira a estar presente no precurso do desenvolvimento subsequente do produto da reacção oxidante. 0 combinado consistira por exemplo, numa barra em liga de alumínio 5052 submersa com bote refra etário contendo um ambiente de pó ou grânulos em partículas, como mistura mulita/alumina. Aquecendo-se o combinado, por exem pio a 1150°C, forma-se um compósito contendo alumina de grande pureza, alumínio, silício e outros metais em quantidade diminuta. Fragmenta-se o compósito resultante, lixivia-se com ácido, elutriando com água e, depois, lixiviando com alcalino e de novo lavando-se com água, para dar grão ou pó de alumina com elevada pureza.

Em mais outro exemplo, um lingote rectangular de liga de alumínio 5052 (tendo composição nominal, em peso, de 2,4% Mg, e não mais de 0,5% em Si e Fe) medindo 228,6x101,6x38,1 mm (9x4x1-72 polegadas), é posto num vaso refractário contendo

2? formação de leito de partículas de alumina refractária, (EI Alundum, produzido por NORTON CO., malha 90), de modo tal que face rectangular de 228,6x101,6mm (9x4 polegadas) permaneça exposta à atmosfera. Fina camada em partícula do dióxido de silício (malha 140), um dop^nte, é dispersa por cima da superfície exposta do lingote. Põe-se este combinado numa fornalha que tenha orifício através do qual passe um ininterrupto fornecimen to de ar, e aquece-se até 1125°θ durante dez horas. Mantém-se a fornalha a 1250°0 durante 165 horas e depois arrefece-se durante dez horas. 0 corpo cerâmico resultante é recuperado e fragmenta, do, esmagando-o entre placas de aço, até uma faixa dos tamanhos de partícula, aproximadamente, de malha -200. Portanto, cerca de 250 gramas do material fragmentado são colocadas numa proveta de 1 litro, contendo 500 mililitros da solução de HC1 a 50%, um adequado lixiviador para alumínio não oxidado e metais ferrosos. Esta solução é aquecida até aproximadamente 85°C e mantida em agitação durante 48 horas. Decanta-se a solução áci da o material é lavado com água desionizada. Subsequentemente, repete-se o processo de extracção descrito acima, mas, com 500 mililitros de NaOH a 50%, lixiviador adequado para 0 silício. Lava-se o material completamente com água desionizada, e recupe. ra-se a alumina.

produto alumina do invento em apreço, pode ser útil para a produção de artigos cerâmicos concrecionados ou como meio de polimento. Para tais artigos, a alumina terá aconselhavelmen, te tamanho de malha cerca da malha 500 ou mais fino, e ainda mais preferivelmente, cerca de um mícron ou inferior.

Claims

1.- Processo para produzir material em alumina constitui, do essencialmente pelo produto da reacção oxidante de um metal básico em alumínio e oxidante na fase de vapor contendo oxigénio, material alumina que tem uma pureza não inferior a 99,9%, em peso, de alumina, sendo o referido processo caracterizado por compreender as fases de:

(A) aquecer o referido metal básico em alumínio até uma temperatura acima do ponto de fusão do referido metal básico alu mínio, mas abaixo do ponto de fusão do referido produto da reacção oxidante, para formar um corpo de metal básico alumínio fundido;

e ã referida temperatura, fazer reagir o referido corpo de metal básico alumínio fundido, com o referido oxidante na fase de vapor contendo oxigénio, para formar alumina como o referido produto da reacção oxidante mantendo pelo menos uma parcela do referido produto da reacção oxidante, em contacto com e entre o referido corpo de metal básico alumínio fundido e o referido oxidante na fase de vapor contendo oxigénio, para extrair metal básico alumínio fundido, através do produto da reacção oxidante em direcção ao referido oxidante na fase de vapor contendo oxigénio, de maneira que o produto da reacção oxidante continua a formar-se na entrefa ce entre o oxidante em fase de vapor contendo oxigénio e o produto previamente formado da reacção oxidante, e continuando-se a referida reacção por um período suficiente para produzir corpo cerâmico que compreende alumina e constituintes metálicos.

(B) fragmentar o referido corpo cerâmico.

(C) proporcionar um ou mais lixiviadores e por em contac to o referido material fragmentado, com os referidos lixiviadores, durante um período suficiente para retirar ou dissolver os materiais não alumina, a partir da referida alumina, e (D) recuperar o referido material alumina virtualmente puro.

2. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por um ou mais dos referidos lixiviadores compreenderem um ou mais ácidos.

3. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por um ou mais dos referidos lixiviadores compreenderem uma ou mais bases.

4. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por um ou mais dos referidos lixiviadores compreenderem um ou mais ácidos e uma ou mais bases, e incluindo ainda pôr em con tacto, sequencialmente, um ou mais dos referidos lixiviadores, com o referido material fragmentado.

5. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por incluir, após recuperar a referida alumina na fase (D), fragmentar a referida alumina recuperada, até um tamanho de partícula menor, seguido por pôr em contacto alumina fragmentada com os referidos lixiviadores, para retirar ainda mais referidos materiais não alumina, e recuperar a alumina resultante.

6. - Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por um ou mais ácidos serem escolhidos no grupo constituído por HF, HC1, HBr, Hl, H₂SO₄, HNO₃ e H₃FO₄·

7. - Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado por uma ou mais das bases referidas serem seleccionadas no grupo NaOH, KOH e NH₄OH.

8. - Processo de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo facto de os referidos ácidos conterem água-régia.

9. - Processo de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por o referido ácido compreender uma mistura de HNO^ e HF.

10. - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracteri zado porque uma camada iniciadora é também produzida sobre uma superfície do referido corpo cerâmico, camada esta que será retirada antes da fase (B).

11. - Processo de acordo com a reivindicação 10, caracteri zado por a referida camada iniciadora compreender um espinélio.

12. - Processo para produzir material em alumina constitui, do essencialmente por (a) produto da reacção oxidante de um metal básico em alumínio, e oxidante na fase de vapor contendo oxigénio, (b) alumina produzida pela redução aluminotérmica de um ou mais constituintes de uma carga e, por opção, (c) alumina que constitui directamente pelo menos uma parte da referida carga, material alu mina que tem uma pureza não inferior a 99,9%, em peso, de alumina, e sendo o referido processo caracterizado por compreender as fases de:

(a) colocar o referido metal básico alumínio adjacente a uma massa permeável da carga de óxido escolhida entre o grupo cons tituído por uma carga por redução aluminotérmica, com alumina a constituir pelo menos uma parcela da referida carga, e suas misturas e orientando o referido metal básico e a referida carga de óxido um em relação ao outro, de modo que se forme o referido pro duto da reacção oxidante, em direcção ã referida massa da referida carga de óxido, e para dentro desta;

(b) aquecer o referido metal básico até uma temperatura acima do seu ponto de fusão, porém abaixo do ponto de fusão do re ferido produto da reacção oxidante, para formar um corpo de metal básico fundido, e fazer reagir o metal básico fundido com o referido oxidante, e à referida temperatura manter ao menos uma parcela do referido produto da reacção oxidante em contacto com e entre o referido corpo de metal fundido e o referido oxidante, e para extrair metal fundido através do produto da reacção oxidante, no sentido do oxidante e em direcção ã massa adjacente da referida carga de óxido, e para dentro desta, de modo que o produto da reacção oxidante continue a formar-se dentro da massa da referida carga de óxido, na entreface entre o oxidante e o produto da reacção oxidante previamente formado; e continuando-se a referida reacção durante um período suficiente para embeber pelo menos uma parcela da referida carga de óxido dentro do referido produto da reacção oxidante produzindo um corpo cerâmico que compreende alumina e constituintes metálicos;

(c) fragmentar o referido corpo cerâmico;

(d) proporcionar um ou mais lixiviadores e pondo em contacto o referido material com os referidos lixiviadores, durante um período suficiente para extrair ou dissolver materiais não alumina, a partir da referida alumina; e (e) recuperar o referido material alumina virtualmente puro.

13. - Processo de acordo com a reivindicação 12, caracteri^ zado por ser também produzido uma camada iniciadora, sobre uma superfície do referido corpo cerâmico, camada esta que será depois retirada antes da fase (c).

14. - Processo de acordo com a reivindicação 13, caracterizado por a referida camada iniciadora compreender um espinélio.

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15. - Processo de acordo com qualquer das reivindicações

1, 10, 11, 12, 13 ou 14, caracterizado por o referido oxidante na fase de vapor que contém oxigénio compreender ar.

16. - Processo de acordo com qualquer das reivindicações

1, 10, 11, 12, 13 ou 14, caracterizado por se utilizar dopante juntamente com o referido metal básico em alumínio.

17. - Processo de acordo com a reivindicação 12, caracterizado por um ou mais lixiviadores referidos compreenderem um ou mais ácidos.

18. - Processo de acordo com a reivindicação 12, caracterizado por um ou mais lixiviadores referidos compreenderem uma ou mais bases.

19. - Processo de acordo com uma qualquer das reivindicações 1, 10, 11, 12, 13 ou 14, caracterizado por o material alumina obtido não ter outra fase presente nas suas delimitações granulares.

20. - Processo de acordo com uma qualquer das reivindicações 1, 10, 11, 12, 13 ou 14, caracterizado por o material alumina obtido apresentar a propriedade da fragmentação intra- granular.

Lisboa, 2 2 de Dezembro de 1987

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RESUMO

Processo para produzir material em alumina virtualmente pura

Processo para produzir alumina com elevada pureza, que compreende a formação de um produto da reacção oxidante de um

I metal básico em alumínio e um oxidante na fase de vapor que contém oxigénio, fragmentar o corpo cerâmico resultante e lixiviar todos os materiais não alumina, a partir do mesmo, e recuperar o referido material alumina virtualmente pura.