Способ получения корунда
Владельцы патента RU 2750006:
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский горный университет» (RU)
Акционерное общество «СЕФКО» (RU)
Изобретение относится к способам получения корунда. Техническим результатом изобретения является обеспечение стабильного выхода корунда высокой химической чистоты (не менее 99,98 мас.%) и фазовой однородности. Способ получения корунда включает нагрев порошка глинозема до расплавленного состояния с использованием плазменно-дугового нагрева. Глинозем подают в реактор и плавят при плазменно-дуговом нагреве в интервале температур от 2050 до 2500°C в атмосфере смеси газов азота и аргона, а после проведения реакции полученный корунд разливают в изложницы. 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл., 5 пр.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам получения корунда.
Известен способ получения мелкокристаллического корунда (патент РФ № 2229441, опубликован 27.05.2004), при котором гидроксид алюминия или оксигидроксид алюминия предварительно подвергают термообработке на воздухе при температуре от 310 до 1200°С или гидротермальной обработке в автоклаве при температуре от 150 до 300°С и затем подвергают термопаровой обработке при температуре от 380 до 450°С и давлении от 3,0 до 40 МПа.
Недостатком способа является необходимость предварительной подготовки исходных компонентов, а именно, предварительная термообработка на воздухе гидроксида или оксигидроксида алюминия при высоких температурах или гидротермальной обработке в автоклаве.
Известен способ получения корунда высокой чистоты (патент РФ № 2519450, опубл. 10.06.2014), включающий водоподготовку и регулируемое дозирование воды и алюминия в смеситель, разогрев реактора высокого давления до температуры от 200 до 400°С, регулируемую подачу суспензии порошкообразного алюминия из смесителя с помощью регулируемого насоса высокого давления в реактор высокого давления, распыл суспензии в реакторе с помощью распылительных форсунок, отделение пароводородной смеси от бемита, аккумулирование и осушку бемита, причем в предложенном способе дополнительно сепарируют бемит, после чего подают его в термошкаф, где производят его сушку в диапазоне температур от 50 до 200°С в течение от 1 до 5 ч, после чего подают его в муфельную печь, где в диапазоне температур от 400 до 1200°С из него удаляют кристаллизационную воду в течение от 3 до 10 ч, а образовавшийся в муфельной печи продукт затем загружают в вакуумную печь с последующей термообработкой в диапазоне температур от 900 до 1900°С в течение от 3 до 8 ч.
Недостатками известного технического решения являются необходимость предварительной подготовки исходных компонентов, а также длительные технологические операции, необходимые для реализации способа, а именно сушка бемита в термошкафу в течение от 1 до 5 ч, последующая сушка в муфельной печи в течение от 3 до 10 ч и последующая термообработка в вакуумной печи в течение от 3 до 8 часов.
Известен способ получения плавленого корунда (патент РФ № 2620800, опубл. 29.05.2017), включающий смешение исходных компонентов, в качестве которых используют составляющие железо-алюминиевого термита, зажигание шихты и возникновение процесса СВС, охлаждение и его измельчение, причем исходные компоненты вступают в экзотермическую реакцию, в результате которой синтезируется плавленый корунд.
Недостатком известного способа является не стабильный выход корунда высокой химической чистоты и фазовой однородности из-за необходимости поддержания высокой экзотермичности реакции взаимодействия исходных порошковых реагентов для того, чтобы реакция синтеза продуктов прошла в виде явления горения.
Известен способ получения корунда (патент РФ № 2176985, опубл. 20.12.2001), включающий приготовление исходной смеси, содержащей алюминийсодержащий порошок с размерами фракции от 20 до 600 мкм, воду и карбоксиметилцеллюлозу, воспламенение смеси, горение, причем в исходную смесь вводят силикат натрия в количестве от 0,45 до 1,55 мас.ч. на 100 ч. исходной смеси, а массовое соотношение вода/чистый алюминий выдерживают (от 1,05 до 1,25):1.
Недостатками способа являются необходимость предварительной подготовки исходных компонентов, а также не стабильный выход корунда высокой химической чистоты из-за высокой скорости горения смеси, а также рецептуры исходной смеси, что не позволяет продиффундировать кислороду в объем каждой частицы сплава и расширить фронт реакции, в результате чего остается до 35% непрореагировавшего алюминийсодержащего порошка.
Кроме того, известен способ получения корунда методом плазменной металлургии (Патент Китая № 102627449, опубл. 08.08.2012), принятый за прототип, включающий следующие этапы: укладка алюминиевого блока в нижней части огнеупорного тигля, засыпка порошка оксида железа, нагрев порошка оксида железа до расплавленного состояния с использованием плазменно-дугового нагрева и инициирование реакции между алюминием и оксидом железа для превращения Fe2O3 + 2Al в Al2O3 + 2Fe, нагрев продукта реакции до расплавленного состояния, последующее охлаждение расплава и его кристаллизация.
Недостатком способа является не стабильный выход корунда из-за не полного протекания реакции восстановления железа, кроме того полученный корунд не обладает высокой химической чистотой и фазовой однородностью из-за примесей железа.
Техническим результатом изобретения является обеспечение стабильного выхода корунда высокой химической чистоты.
Технический результат достигается тем, что способ получения корунда включает в себя нагрев порошка до расплавленного состояния с использованием плазменно-дугового нагрева, при этом в качестве порошка используют глинозем, который подают в реактор и плавят при плазменно-дуговом нагреве в интервале температур от 2050 до 2500°C в атмосфере смеси газов азота и аргона, а после проведения реакции полученный корунд разливают в изложницы. Используют смесь газов с концентрацией азота, заданной из диапазона от 25 до 30 % и аргона от 70 до 75 %.
Способ поясняется следующей фигурой
фиг.1 – технологическая схема, где:
1 – бункер для сырья,
2 – патрубок подачи сырья,
3 – плазменный реактор,
4 – изложница,
5 – выталкиватель.
Способ осуществляется следующим образом. В качестве исходного сырья выбран глинозем в виде порошка. В способе могут применяться различные марки глинозема, например, глинозем металлургических марок Г000, Г00, Г0, Г1, Г2, согласно ГОСТ 30558-98 «Глинозем металлургический», поскольку при использовании данного сырья обеспечивается стабильный выход корунда высокой химической чистоты и фазовой однородности. Глинозем подают из бункера для сырья 1 через патрубок подачи сырья 2 в плазменный реактор 3. Плавку ведут в закрытом плазменном реакторе 3 при плазменно-дуговом нагреве в интервале температур от 2050 до 2500°C в атмосфере смеси газов азота и аргона. За счет применения плазменно-дугового нагрева глинозема в интервале температур от 2050 до 2500°C обеспечивается стабильный выход корунда высокой химической чистоты, при этом значительно упрощается способ его получения. При температуре реакции менее 2050°C не достигается стабильно высокий выход корунда, при температуре более 2500°C возрастают потери глинозема, в результате чего снижается выход корунда. Смесь газов азота и аргона выбрана как смесь, имеющая более высокий КПД нагрева поверхности при плазменно-дуговом нагреве по сравнению с чистым аргоном, а в сравнении с чистым азотом более низкое напряжение поджига и горения плазмотрона. Использование смеси газов азота и аргона также позволяет уменьшить эрозию электродов плазмотрона, и получать корунд высокой химической чистоты и фазовой однородности. При использовании предложенной смеси газов достигается высокая эффективность энергообмена между струей газа и глиноземом. Выбор смеси газов с концентрацией азота, заданной из диапазона от 25 до 30 % и аргона от 70 до 75 %, объясняется следующим образом. В плазме смеси аргона с азотом резко возрастает доля атомов азота, что связано с трансформацией функции распределения электронов по энергиям. При этом установлено, что максимум наблюдается при содержании азота от 25 до 30 %. В свою очередь, появление значительного количества атомарного азота приводит к явлению азотирования поверхностей электродов, что ведет к улучшению их твердости и эрозионных свойств, что улучшает качество получаемого корунда. Описанное содержание азота и аргона в газовой смеси является предпочтительное, но не ограничительное, способ может быть реализован и при другом содержании выбранных газов. После проведения реакции полученный корунд разливают в изложницу 4, затем после кристаллизации расплава корунда изложница 4 транспортируется на выталкиватель 5.
Способ поясняется следующими примерами.
Таблица 1 – исходные данные и результаты процесса получения корунда.
| Пример | Температура, °C | Смесь газов азота и аргона, % | Выход корунда, % | Чистота, мас.% |
| 1 | 2050 | 25 и 75 | 99,4 | 99,98 |
| 2 | 2500 | 30 и 70 | 99,3 | 99,99 |
| 3 | 2250 | 28 и 72 | 99,5 | 99,98 |
| 4 | 1950 | 25 и 75 | - | - |
| 5 | 2600 | 30 и 70 | 89,1 | - |
Пример 1. Глинозем подают из бункера сырья 1 через патрубок подачи сырья 2 в плазменный реактор 3. Плавку ведут в закрытом реакторе 3 при плазменно-дуговом нагреве при температуре 2050°C в атмосфере смеси газов азота и аргона. При реализации способа используют смесь газов с концентрацией азота 25%, и аргона 75 %. После проведения реакции полученный корунд разливают в изложницу 4, затем после кристаллизации расплава корунда изложница 4 транспортируется на выталкиватель 5.
Технологические условия обеспечивают стабильный выход корунда – 99,4% высокой химической чистоты (99,98% мас.%) и фазовой однородности.
Пример 2. Глинозем подают из бункера сырья 1 через патрубок подачи сырья 2 в плазменный реактор 3. Плавку ведут в закрытом реакторе 3 при плазменно-дуговом нагреве при температуре 2500°C в атмосфере смеси газов азота и аргона. При реализации способа используют смесь газов с концентрацией азота 30% и аргона 70 %. После проведения реакции полученный корунд разливают в изложницу 4, затем после кристаллизации расплава корунда изложница 4 транспортируется на выталкиватель 5.
Технологические условия обеспечивают стабильный выход корунда - 99,3% высокой химической чистоты (99,99% мас.%) и фазовой однородности.
Пример 3. Глинозем подают из бункера сырья 1 через патрубок подачи сырья 2 в плазменный реактор 3. Плавку ведут в закрытом реакторе 3 при плазменно-дуговом нагреве при температуре 2250°C в атмосфере смеси газов азота и аргона. При реализации способа используют смесь газов с концентрацией азота 28% и аргона 72 %. После проведения реакции полученный корунд разливают в изложницу 4, затем после кристаллизации расплава корунда изложница 4 транспортируется на выталкиватель 5.
Технологические условия обеспечивают стабильный выход корунда - 99,5% высокой химической чистоты (99,98% мас.%) и фазовой однородности.
Пример 4. Глинозем подают из бункера сырья 1 через патрубок подачи сырья 2 в плазменный реактор 3. Плавку ведут в закрытом реакторе 3 при плазменно-дуговом нагреве при температуре 1950°C в атмосфере смеси газов азота и аргона. При реализации способа используют смесь газов с концентрацией азота 25%, и аргона 75 %. После проведения реакции полученный корунд разливают в изложницу 4, затем после кристаллизации расплава корунда изложница 4 транспортируется на выталкиватель 5.
Технологические условия вне заданного диапазона не обеспечивают стабильный выход корунда.
Пример 5. Глинозем подают из бункера сырья 1 через патрубок подачи сырья 2 в плазменный реактор 3. Плавку ведут в закрытом реакторе 3 при плазменно-дуговом нагреве при температуре 2600°C в атмосфере смеси газов азота и аргона. При реализации способа используют смесь газов с концентрацией азота 30%, и аргона 70 %. После проведения реакции полученный корунд разливают в изложницу 4, затем после кристаллизации расплава корунда изложница 4 транспортируется на выталкиватель 5.
Технологические условия вне заданного диапазона не обеспечивают стабильный выход корунда – 89,1%.
Таким образом, как показано в вышеприведённом описании изобретения, достигается технический результат, заключающийся в обеспечении стабильного выхода корунда (более 99%) высокой химической чистоты (не менее 99,98% мас.%).
1. Способ получения корунда, включающий нагрев порошка до расплавленного состояния с использованием плазменно-дугового нагрева, отличающийся тем, что в качестве порошка используют глинозем, который подают в плазменный реактор и плавят при плазменно-дуговом нагреве в интервале температур от 2050 до 2500°C в атмосфере смеси газов азота и аргона, а после проведения реакции полученный корунд разливают в изложницы.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют смесь газов с концентрацией азота, заданной из диапазона от 25 до 30 %, и аргона от 70 до 75 %.
