制造研磨材料的方法

专利名称:制造研磨材料的方法
本发明涉及研磨材料，更具体地讲，涉及烧结铝土研磨材料的制造方法;这种研磨材料可用于制造砂轮之类的产品，也可用于其它的研磨场合。
铝土研磨材料的生产已为公知。最常用的二种生产方法是电弧炉法和烧结法。在电弧炉法中，一般都知道最终产品是熔融的研磨材料。在烧结法中，最终产品是烧结的研磨材料。熔融研磨材料和烧结研磨材料都可以同样的产品类型使用。
在电弧炉法中，因为最终产品的研磨材料来源于熔融操作，故称之为熔融研磨材料。因为典型的熔融操作工艺的高能特性，故其成本太高。由于这种操作工艺产生极高的温度，因此，也有危险。熔融过程一般具有2000℃的高温。在此温度下，由于炉内形成气体的结果，电弧炉易喷涌出大量的融熔氧化铝。另外，用这种工艺生产的研磨材料颗粒是通过碾碎大块固化的炉内产物获得;然后收集，筛出各种粒度。这必然生产出整个粒度范围的颗粒，其中的某些部分比其它部分更满足市场需要。为最大限度地减少不需要的粒度的产生，在破碎操作中可以进行一定程度的控制。但无论如何，对铝土研磨材料的生产厂家，这些问题的出现仍然保留了某些困难，并且使成本高。
在已有的烧结研磨材料生产中，不但要试图降低操作温度，而且也试图消除潜在的危险和减少做成不需要的粒度的花费。这些烧结研磨材料一般都是从预先加工过的铝土矿生产，特别是烧结铝土矿，并且一般包括粉碎过程的加工过程。这种粉碎工序一般使用球磨机，在球磨机内可以破碎24小时，得到细粉末，其典型平均粒度为5微米这些粉末先制成颗粒，然后再经烧结形成基本没有不符合要求的粒度的研磨砂。
本发明为其目的，用改进的方法生产适于商品化的烧结铝土研磨材料，该方法克服了现有技术的上述很多缺点和不足。本发明的方法消除了熔融法使用电弧炉的要求，同时也消除了出现的高温，潜存的爆炸危险，过高的成本。并且更细的颗粒度的特点，使所得粉末比先有技术靠烧结法生产的粉末有大得多的表面积。这种更细的粒度的结果，产生更高的活性和可烧结性的粉末。另外，本方法避免了缓慢的球磨破碎工序，因此，比先有技术的烧结处理先进。与熔融法对比，为了使操作更经济高效，本发明在进一步加工处理中还利用了制造过程中不希望产生的副产物。
前面已概述了本发明的某些确切目的和优点。这些目的和优点应当只构成本发明某些更明显的特征或应用的说明。以不同的方法应用公开的发明或在公开的范围内更改本发明，能得到许多其它有利的结果。因此，参考发明概述，叙述了优先和变换实施方案和实例的详细说明，以及由权利要求
书限定的发明范围并结合附图，就可更充分理解本发明，理解发明目的和优点。
本发明由权利要求
书限定。并有附图所示的具体实施方案和实例。为概括本发明，本发明可合并成为形成烧结铝土磨料的方法。本发明的方法包括混合未焙烧的铝土矿工序，例如表1所示的铝土矿，但不限定于表Ⅰ的铝土矿;用热硫酸溶解铝土矿形成硫酸铝水合物及残余物，如铁、硅、钛的氧化物或氢氧化物。
本发明中，溶解铝土矿时最好用浓度为35%(重量)的硫酸。此处引用了特定的浓度，但限定35%决不是本发明的目的，使用其它浓度的硫酸也很满意。实际上，文献表明30～60%的硫酸都可用于这一过程(Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology，3rd edition，volume2，page 248)。通常在加入硫酸前将铝土矿破碎。这样作是为加快溶解过程的速度和保证最大限度地使铝土矿中的氧化铝溶解。已经发现将铝土矿破碎到都能通过80目筛孔时，一般有满意的结果。铝土矿溶解以后，混合物静置短时间以使未溶解的粗糙残余物沉降。某些细的未溶杂质可在硫酸铝溶液中保持悬浮，并不会因此而遇到麻烦。静置后将热硫酸铝溶液抽出或倾出，与沉降的未溶杂质分离。冷却时，硫酸铝溶液约在80℃固化。这可能是由于在或接近这个温度时形成硫酸铝水合物。此处使用的所谓的“硫酸铝溶液”和“硫酸铝水合物”的术语并不确切。应记住，这两者之中都含有当“硫酸铝溶液”从反应器中抽出时没有除掉的那些杂质。为简便，这些术语在本发明中使用，并不再重复提及杂质。
将硫酸铝水合物加热去掉水份，形成硫酸铝。然后煅烧成γ-氧化铝和三氧化硫。
三氧化硫可用已知方法加水形成硫酸循环，用于溶解新的铝土矿。
然后用水和恰当的分散剂，如柠檬酸，与γ-氧化铝混合形成能成形的新浆状物质。将其注入容器加热成坯体。将也称之为坯体的干块破碎并筛分出所要求的颗粒尺寸。为形成坯体，可使用压制或挤压法。破碎干块所产生的粉末可与适量的水和分散剂混合以再制成浆状物，并按上述方法处理。然后按预定的时间加热烧结从坯体得到的其余符合尺寸要求的颗粒。烧结后，经冷却筛分得到各种颗粒尺寸的研磨材料颗粒。
加工过程通常由一定量的未焙烧铝土矿和硫酸混合开始，硫酸的量可近似按铝土矿中氧化铝含量的化学当量计算，并使硫酸过量约20%。从溶解工序得到的水合硫酸铝在大气压力和约205℃的温度下加热以形成无水硫酸铝。下一步是烧结，根据材料在烧结温度保持的时间，烧结一般在900～1010℃进行。在此范围内温度越高烧结时间越短。甚至可把烧结温度降至770℃，但所需要的烧结时间要很长。在氧化条件下，可取的最后烧结温度为1450℃，烧结时间为15～30分钟。也已发现，在1350～1550℃温度下的烧结时间为4小时至10分钟是可取的。
上文已经依序颇为广泛地概括了本发明的更确切更重要的特征，按此顺序的下述详细说明能够更好地被理解，使本发明对本专业的贡献能更充分地被肯定。本发明的另外特征在下面叙述，这些特征构成本发明的权利要求
。有一点应肯定，对于本技术领域：
的技术人员很容易地利用本发明公开的概念及具体实施方案和实施作为基础，修改或设计成为完成本发明相同目的的其他方法。本技术领域：
的人员应当认识到，这种等价的方法并没有超出后面权利要求
书限定的本发明的思想和范围。
为对本发明的目的和特征的更充分地理解，应结合附图参考下面的详细和说明。
图1为表示本发明的各个步骤的工艺流程图。
图2的曲线表示了烧结颗粒密度怎样随烧结温度变化。
基本的实施方案附图1说明了本发明的优选实施方案或实例。在此优选实例中，将50克未烧结的苏里南(Surinam)铝土矿与225毫升35%的硫酸混合。搅动混合物并用电加热器保持约105℃。30分钟后停止搅拌并使溶液静置几分钟以便让未溶解的杂质沉降，如前文所述。将含有悬浮和(或)溶解的杂质的硫酸铝溶液移到另一容器，并使其固化。主要由未溶解的硅土和钛铁沉降泥组成的残渣留在反应器中。依赖于存在于初始未焙烧铝土矿中的外来杂质的作用和溶解步骤后是否将淤渣和上层液体分离，残余物的化学组成将有变化。固化的硫酸铝水合物加热到205℃并在此温度下保持约90分钟。这样足以除去大部分水份。应当理解，对游离和化合的水份去除，在此干燥工序允许有很宽的范围。本专业的技术人员很容易确定时间、压力和温度的变化。
干燥后，将硫酸铝破碎到能通过20目筛孔。此次破碎达到下述目的，1)在以后的煅烧工序中易于除去三氧化硫;2)并能使物料更顺利地通过用于煅烧的管式回转炉。如果在其它类型的煅烧设备中，其煅烧时间超过了很大范围，那么破裂工序并不是总要进行的。
然后将干燥破碎的硫酸铝在1010℃温度下煅烧。煅烧中，硫酸铝这类的物质加热到高温，但并不熔化;从而除掉了不需要的易挥发物质并氧化了余留物料。煅烧对原来的硫酸铝转变成γ-氧化铝也起了作用。
煅烧的主要副产物是三氧化硫，此处生成的三氧代硫最好循环成为用于最初溶解未焙烧铝土矿的硫酸。在此循环中，向三氧化硫中加水以生成新硫酸，这些硫酸可用于另外的加工，并产生另外的水合硫酸铝。
从煅烧工序生成约32克γ-氧化铝。将其制成更细的颗粒。研究发现，γ-氧化铝的最后颗粒尺寸在0.025微米左右。这种颗粒表现出一定的聚结性。先将γ-氧化铝制成烧结以前的坯体。坯体的制造是通过浆化工序，此工序中将γ-氧化铝与水和恰当地分散剂如柠檬酸相混合。柠檬酸在浆状物中的浓度为浆状物总重的1.5%，γ-氧化铝浓度为42%(重量)。将此混合物移入容器并干燥以形成干块坯体。也可用其他的技术制成干块，例如压制或挤出γ-氧化铝。
如果改用压制技术，通过冲压γ-氧化铝形成自立的块状制成坯体。所用压力应足以使相邻的γ-氧化铝颗粒相互紧密地接触，由此在接触的位置促进了晶体的生长，促进后面的烧结。一般每平方英寸5吨的压力就足够了。
再参考浆化技术，可用已有的任意加热手段干燥坯体。然后将坯体破碎成细粒，筛分。考虑烧结时的收缩，筛分的颗粒为24～36目。这是大多数商品应用优选的尺寸范围，但可根据需要更改。筛出的比要求尺寸小的颗粒循环到浆化工序，用于以后制坯工序的原料。大于需要的颗粒再破碎，再筛。
然后将尺寸合格的γ-氧化铝颗粒在约1450℃的温度及氧化条件下烧结15～30分钟。在很宽的温度和时间范围内都能有效地烧结，例如，在1350～1550℃的温度下需烧结约4小时至10分钟。图2曲线表明在1350～1550℃温度范围内，烧结颗粒密度怎样随烧结温度变化。
烧结是加热或烧制材料的过程，此过程中材料的微粒再结晶形成联锁晶体结构，这种结构使烧结后的单个颗粒具有高硬度和高机械强度。烧结过程也重新排列了γ-氧化铝的分子结构，从而形成高密度微晶的α-氧化铝。
烧结期间，颗粒密度的增加是由于伴随着再结晶的固化作用。由于这种固化作用或收缩作用，在烧结前筛选颗粒时应当作到，使烧结前的颗粒比最后所要求的烧结后的颗粒在线性尺寸上大30～40%。因为收缩程度取决于制造坯体的方法，其中包括浆化、压制、挤压等等，所以应根据成形方法，进行烧结前的筛分。本专业技术人员很容易确定收缩程度。
烧结似乎是相当简单的热过程。其实它是个相当复杂的过程，其中既包含同时发生的也包含相继发生的表面能、蒸-凝、表面和体扩散、塑性流动、微孔形成、尺寸和所有微孔的减小的变化;也包含收缩、再结晶、晶粒生长和晶界的移动。在此加热或烧制过程中还可发生固态反应，新相的形成，多晶的转变和晶体化合物分解成新相。
完成烧结的温度、压力和时间等参数取决于几个因素，如，颗粒尺寸、氧气的可及度等。如在固定床中烧结，也应考虑固定床的深度、热的传导速度和空气的供应等因素。烧结中应严格控制各种参数到这种程度，使可能从颗粒内部逸出挥发性物质时，不会产生能使颗粒破裂的不适当压力。对于偏离下面的实例的具体情况，需要用某些实验确定最佳参数。
最后，冷却烧结后的颗粒，选出商业尺寸的研磨颗粒以用于以后的制品生产。
附加实施例1本发明的方法的附加实例包括，将50克未焙烧铝土矿与225毫升35%的硫酸按前面的叙述混合。铝土矿溶解，并将得到的水合硫酸铝按前面所述干燥。在大气压和905℃的温度下煅烧2小时。得到的γ-氧化铝通过挤压工序，γ-氧化铝和水的比例为37∶63的浆料制成坯体。将挤出的坯体干燥、破碎、烧结。烧结在氧化条件下进行。烧结温度为1450℃，时间为4小时，得到颗粒密度为3.76g/cm3的产品。其它工序按前面实施方案叙述的进行，其中包括三氧化硫用于再去溶解铝土矿的循环，以及破碎坯体产生不需要的尺寸的颗粒的循环。
另一附加实施例2在本附加实施例中，用与上例相同数量的未焙烧铝土矿与硫酸混合，形成的硫酸铝水合物按前述实例干燥。干燥后的硫酸铝在大气压力和1010℃温度下煅烧15分钟。用压制法制成坯体。压制操作用从烧结步骤得到的γ-氧化铝填充带活塞的圆筒形钢模的方法进行。将活塞插入钢模并用常规水压机加压。将压力平稳增加，至每平方英寸5吨。保持1分钟后卸压。将圆盘形γ-氧化铝块从钢模中取出、破碎、筛分，并烧结。烧结是在氧化条件下，温度为1550℃进行4小时，得到密度为3.70g/cm3的颗粒。其它工序都按前文中叙述的实施例中的过程进行。
未焙烧的苏里南铝土矿的化学分析结果见下表Ⅰ。
表Ⅰ未焙烧铝土矿的化学分析组成成份 苏里南铝土矿的(重量)%SiO21.94TiO22.37Fe2O34.11Na2O 0.01MgO 0.01Cr2O30.05CaO 0.01水份 0.90灼烧损失 32.46Al2O358.14本发明包括附加权利要求
中的内容和以上叙述的说明。尽管如上述实施方案中所述，只是在优先选用的步骤中叙述了本发明，有一定程度的特殊性;但应当明确理解，优先选用形式的本发明的公开只能用实施例的方法，而且不用离开本发明的思想和范围，在详细的方法和步骤中可有很多变化。
权利要求
1.制造烧结铝土研磨材料的工艺方法，其中包括下述步骤将一定数量的未焙烧铝土矿和硫酸混合，以溶解其中可溶于酸的部分，主要形成硫酸铝水合物；加热硫酸铝水合物分别形成γ-氧化铝和三氧化硫；将γ-氧化铝制成未烧结的坯体；将坯体破碎成颗粒；将颗粒烧结使γ-氧化铝颗粒转变成α-氧化铝的烧结研磨材料。
2.根据权利要求
1所述工艺方法，其中还包括下述步骤循环所说的三氧化硫;在循环的三氧化硫中加水以制成另外的硫酸;用这样制得的硫酸去溶解未焙烧的铝土矿。
3.根据权利要求
1所述工艺方法，其中，加热硫酸铝水合物在约为1010℃温度下进行。
4.根据权利要求
1所述工艺方法，其中，烧结在1350～1550℃之间进行，烧结时间为4小时至10分钟。
5.根据权利要求
4所述工艺方法，其中，烧结在约为1450℃下进行，烧结时间为15～30分钟。
6.根据权利要求
1所述工艺方法，其中，未烧结的坯体是由γ-氧化铝，水和分散剂组成的浆状物干燥制得。
7.根据权利要求
6所述工艺方法，其中，还包括向制浆步骤循环从烧结前的未烧坯体得到的过小颗粒的步骤。
8.根据权利要求
6所述工艺方法，其中，还包括进一步破碎烧结前的超过规定尺寸的颗粒的循环步骤。
9.根据权利要求
1所述工艺方法，其中，未烧结坯体是通过压制γ-氧化铝成紧密的块状的方式制成。
10.根据权利要求
1所述工艺方法，其中，未烧结坯体是通过挤压由γ-氧化铝和水组成的膏状物的方式制成。
11.制造烧结铝土研磨颗粒的工艺方法包括下述步骤混合一定数量的未焙烧铝土矿和硫酸，以溶解铝土矿，并形成由铁、硅和钛的氧化物和(或)氢氧化物组成的残留物，同时也形成含有溶解形式的铁、硅和钛的不纯水合硫酸铝;在约205℃的温度下干燥不纯的水合硫酸铝，形成不纯硫酸铝;在1010℃的温度下煅烧不纯的硫酸铝生成不纯的γ-氧化铝和三氧化硫;使三氧化硫循环回到前述硫酸中并向其中加水;使不纯γ-氧化铝与水和分散剂混合形成浆状物，将浆状物移入容器中并干燥制成未烧结坯体;将未烧结坯体破碎，筛分成颗粒;将比所要求粒度更小的颗粒循环到前面的浆化步骤;循环比所要求粒度更大的颗粒，再次破碎;将符合要求的颗粒烧结，使不纯γ-氧化铝转变成密度至少为3.6g/cm3的不纯α-氧化铝;冷却并筛分烧结颗粒使之成为最终的烧结铝土研磨颗粒。
专利摘要
从未烧结铝土矿制作研磨材料的方法。将铝土与硫酸混合，使其溶解，主要产物为水合硫酸铝，然后将其干燥成硫酸铝，再烧结成γ-氧化铝和三氧化硫。三氧化硫再加水制成硫酸循环使用。将γ-氧化铝制浆后干燥，制成所谓的坯体干块。将坯体破碎并过筛，将得到的颗粒烧结。然后冷却，过筛成各种需要的尺寸。另外的制坯方法有1)挤压由γ-氧化铝和水组成的膏状物，然后干燥；2)压制干γ-氧化铝成紧密的干块坯体。
文档编号C08J5/14GK86101013SQ86101013
公开日1986年10月8日 申请日期1986年2月5日
发明者戴维德·兰德·麦露恩 申请人:德勒赛工业公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan