DE69605785T2 - Verfahren zur herstellung von alumina- und zirkoniaenthaltenden werkstoffen - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft gesinterte Aluminiumoxid/Zirkoniumoxid Materialien, welche breite Anwendbarkeit gefunden haben, insbesondere auf dem Gebiet der Schleifmittel. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zur Erzeugung derartiger Materialien, welches bedeutende Kostenvorteile gegenüber den gegenwärtig im Stand der Technik praktizierten Verfahren aufweist.
• Aus Patenten wie etwa US 3,454,385, US 3,891,408. US 4,454,767 und US 5,143,522 ist wohl bekannt, daß Aluminiumoxid und Zirkoniumoxid im gleichen Gefäß zusammengeschmolzen werden können und anschließend in sehr nützliche Schleifmittelkörner geformt werden können, insbesondere wenn das Verfahren so gehandhabt wird, daß sichergestellt wird, daß das Zirkoniumoxid in der tetragonalen Form erhalten wird.
• Aus den britischen Patenten 150,116 und 993,894 ist ebenso bekannt, daß geringe Mengen an Verunreinigungen wie etwa Siliziumdioxid, Eisenoxid und Titaniumoxid durch Zusatz eines Reduktionsmittels wie etwa Kohlenstoff aus Aluminiumoxid enthaltenden Schmelzen entfernt werden können. Das US Patent 4,643,983 lehrt jedoch, daß dieses Verfahren zur Erzeugung gewisser Mengen eines Aluminiumkarbids führen kann, welches sich unter Bedingungen von großer Hitze und Feuchtigkeit zersetzt und zu einer gegensätzlichen Schleifmitteleigenschaft des durch ein derartiges Verfahren hergestellten Aluminiumoxid/Zirkoniumoxid-Schleifmittels führt.
• Die sehr hohen Kosten der Zirkoniumoxidkomponente haben jedoch erschwert, daß das Korn so breit akzeptiert wurde wie dessen unbezweifelte Nützlichkeit als Schleifmittel rechtfertigen würde. Es wurde nun ein Verfahren gefunden, das die Verwendung einer Zikoniumoxid-Quelle mit sehr geringen Kosten ermöglicht, und das daher dieses sehr nützliche Schleifmittelkorn zu einem moderateren Preis zugänglich macht.
• Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung von Aluminiumoxid/Zirkoniumoxid-Schleifmitteln zur Verfügung, welches die Bildung einer Schmelze umfassend Aluminiumoxid/Zirkoniumoxid/Siliziumoxid (AZS)-Reststoffe umfaßt, Zusatz einer Menge an Reduktionsmittel zu der Schmelze, welches ausreicht, den Siliziumoxidanteil bis auf ein Niveau von etwa 0,8 Gew.-% zu reduzieren und anschließendes Bilden von Schleifmittelkörnern aus der Schmelze.
• "AZS-Reststoff" bezieht sich, so wie der Begriff hier verwendet wird, auf Abfallmaterial, das als Ergebnis der Verwendung von großen AZS-Blöcken zum Auskleiden von Glasöfen. Diese Verkleidungen müssen periodisch ersetzt werden und die ausrangierten AZS-Blöcke werden zu Reststoffen, welche so ökonomisch wie möglich entsorgt werden müssen. Die ursprüngliche Zusammensetzung der zum Auskleiden von Glasöfen verwendeten AZS-Blöcke besteht aus von 48 bis 50 Gew.-% Aluminiumoxid; 30 bis 35 Gew.-% Zirkoniumoxid, und von 12 bis 18 Gew.-% Siliziumdioxid. Der bei der Herstellung derartiger Blöcke erzeugte Abfall ist eine bevorzugte Quelle von AZS-Reststoff. Der beim Ersetzen derartiger Blöcke erzeugte Abfall ist eine zweite, jedoch gelegentlich weniger erwünschte Quelle.
• Während der Verwendung können die AZS-Blöcke mit bis zu 2-3% Glas kontaminiert werden. Bestimmte Bestandteile des Glases wie etwa Siliziumdioxid und Soda können sich recht schädlich auf die Schleifmitteleigenschaften jedweder Körner, die aus derartigen Startmaterialien erzeugt würden auswirken, sofern nicht besondere Vorsichtsmaßnahmen zu deren Ausschluß getroffen werden, oder sie zumindest während des Herstellverfahrens auf akzeptable Niveaus abgesenkt werden. Andere Komponenten wie Blei (sofern das in dem Ofen produzierte Glas ein Bleikristall ist), erzeugen andere sehr bedeutende Umweltprobleme, so daß auf diese Weise kontaminiertes AZS noch viel weniger als Vorrat bevorzugt wird.
• Es wurde nun gefunden, daß AZS-Reststoffmaterialien in effektiver Weise verwendet werden können, entweder allein oder in Mischung mit entsprechenden Mengen von Aluminiumoxid und Zirkoniumoxid, um die endgültige Zusammensetzung auf das gewünschte Aluminiumoxid/Zirkoniumoxid-Verhältnis einzustellen, sofern ein Reduktionsmittel ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kohlenstoff, Aluminium, Magnesium, Zirkonium und Mischungen der obengenannten zu einer Schmelze des AZS zugesetzt wird, sowie irgendwelche anderen Startmaterialien in einer ausreichenden Menge, um den Siliziumoxidgehalt des Endproduktes auf unter 0,8 Gew.-% und besonders bevorzugt unterhalb von 0,4 Gew.-% zu drücken. Diese Menge hängt ab von dem Verunreinigungsgehalt in dem AZS und dem Siliziumoxidgehalt der AZS. Für die meisten Zwecke können jedoch eine Menge, die bei 5 bis 30%, und besonders bevorzugt bei 10 bis 20%, basierend auf dem Gewicht der geschmolzenen Komponenten, vorteilhaft verwendet werden.
• Die bevorzugten Reduktionsmittel sind Kohlenstoff und Aluminium und deren Mischungen. Sowohl Magnesium als auch Zirkonium führen zu Handhabungsproblemen und sind aus diesem Grund weniger bevorzugt. Das am meisten bevorzugte Reduktionsmittel ist eine Mischung aus Kohlenstoff und Aluminium in einem Gewichtsverhältnis von 1 : 0 bis 1 : 2. Die Erfindung wird nun mit genauem Bezug auf die folgenden Beispiele beschrieben, die lediglich für Veranschaulichungszwecke und nicht dazu gedacht sind, irgendeine wesentliche Beschränkung auf den Schutzumfang der Erfindung anzudeuten.
Beispiel 1
• In einem herkömmlichen Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumoxid/Zirkoniumoxid- Schleifmittels unter Verwendung einer Schmelzmischung aus 35 Gew.-% Zirkoniumoxid und 64 Gew.-% Aluminiumoxid wurden unterschiedliche Anteile der herkömmlichen Aluminiumoxid/Zirkoniumoxid-Zufuhr durch AZS-Reststoff ersetzt.
• Das gewählte Reduktionsmittel war eine Mischung aus Kohlenstoff und Aluminiummetall in Form von Chips. Das der Schmelze zugeführte AZS umfaßte etwa 49% Aluminiumoxid, etwa 37% Zirkoniumoxid und etwa 14% Siliziumoxid, wobei alle Anteile gewichtsbezogen sind. Der AZS-Reststoff wies keine Glaskontamination auf. Es wurden fünf Durchläufe ausgeführt, wobei variierende Mengen der gesamten normalen Aluminiumoxid/Zirkoniumoxid-Beladung durch AZS-Reststoff ausgetauscht wurden. Die erhaltenen Schleifmittelkörner wurden analysiert und die zur Verarbeitung der Schmelze aufgewendete Energie (ein Maß für die Effizienz des Verfahrens) wurde gemessen. Die Ergebnisse sind in der unten stehenden Tabelle 1 aufgeführt. Tabelle 1
• * ausgedrückt für jede Komponente in Prozent des Gesamtgewichts des zugeführten Vorrats.
• Aus den obigen Daten ist ersichtlich, daß ein Aluminiumoxid/Zirkoniumoxid-Vorrat, der unreinen AZS-Reststoff enthält, verwendet werden kann, und die kritischen Siliziumoxid- und Soda-Gehalte kontrolliert werden können, vorausgesetzt daß entsprechende Mengen geeigneter Reduktionsmittel verwendet werden.
Beispiel 2
• Der Zirkoniumoxid-Gehalt der Materialien, die in den folgenden Beispielen hergestellt wurden, sollte mindestens 25 Gew.-% betragen. In den Beispielen wurde das gesamte Zirkoniumoxid durch AZS-Reststoff zugeführt, und das verwendete Reduktionsmittel war ausschließlich Kohlenstoff in Form von Petrolkoks. Demzufolge enthielt die Beschickung Aluminiumoxid, AZS-Reststoff und Koks. In diesem Beispiel wurde der gleiche AZS-Reststoff wie in Beispiel 1 verwendet.
• Der Koks wurde in zwei Teilen zugesetzt: Der erste (I) mit dem Beschickungsvorrat, und der zweite (II) während der "Ausschmelz-"Periode (fuseout period), nachdem die geschmolzene Masse sich gebildet hat, jedoch bevor die geschmolzene Masse ausgegossen wurde und der Abkühlungsprozeß begonnen hatte.
• Die Ergebnisse sind in der untenstehenden Tabelle 2 aufgeführt. Tabelle 2
• Der Energieverbrauch für Test A umfaßt die Energie, die zum Anfahren und Aufheizen des Ofens aufgewendet wurde. Der hohe Wert bei Test D resultiert aus der geringen Menge am Produkt, das aus dem Ofen abgestochen wurde, aufgrund der Gegenwart nicht-verbrannten Kohlenstoffes in der Schmelze wegen der kleinen Größe des Ofens. Derartige Bedingungen würden in einem Ofen von Produktionsausmaß nicht erzeugt werden. Es ist zu berücksichtigen, daß bei Fließgleichgewichtsbetrieb ein Energieverbrauch von um die 2 KWH/Pfund hergestellter Körner insgesamt erreichbar ist.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung von Material aus Aluminiumoxid/Zirconiumdioxid, umfassend die Bildung einer AZS-Reststoffschmelze, die 48 bis 50% Aluminiumoxid, 30 bis 35% Zirconiumdioxid und 12 bis 18% Siliciumdioxid umfaßt (alle Prozentangaben sind gewichtsbezogen), und Zugabe einer Menge an Reduktionsmittel zu der Schmelze, ausgewählt aus der Gruppe aus Kohlenstoff, Aluminium, Magnesium, Zirconium und Mischungen davon, in einer ausreichenden Menge, um den Siliciumdioxidgehalt auf unter 1.0 Gew.-% zu reduzieren.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem auch Aluminiumoxid und/oder Zirconiumdioxid zu der Schmelze zugegeben werden, um ein Material aus Aluminiumoxid/ Zirconiumdioxid mit der gewünschten Zusammensetzung herzustellen.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem das Reduktionsmittel in einer Menge zugegeben wird, die bezogen auf die Schmelze 10 bis 20 Gew.-% beträgt.

4. Verfahren zur Herstellung von Schleifkörnern aus Aluminiumoxid/ Zirconiumdioxid, umfassend die Bildung einer AZS-Reststoffschmelze, die 48 bis 50% Aluminiumoxid, 32 bis 37% Zirconiumdioxid und 12 bis 15% Siliciumdioxid umfaßt (alle Prozentangaben sind gewichtsbezogen), und Zugabe einer Menge an Reduktionsmittel zu der Schmelze, ausgewählt aus der Gruppe aus Kohlenstoff, Aluminium, Magnesium, Zirconium und Mischungen davon, in einer ausreichenden Menge, um den Siliciumdioxidgehalt auf unter 1.0 Gew.-% zu reduzieren, und anschließendes Gießen der Schmelze in Blöcke und Zerkleinern dieser Blöcke zur Bildung von Schleifkörnern.

5. Verfahren gemäß Anspruch 4, bei dem das Reduktionsmittel in einer Menge zugegeben wird, die bezogen auf die Schmelze 4 bis 20 Gew.-% beträgt.