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CN107285747B - 一种锆刚玉磨料的生产工艺 - Google Patents

一种锆刚玉磨料的生产工艺 Download PDF

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Abstract

一种锆刚玉磨料的生产工艺，其工艺步骤为：将锆英砂、含碳材料和粘结剂制成颗粒，将颗粒干燥，再将干燥颗粒和氧化铝混合，然后将上述混合物在电弧炉中熔化后，将剩余的氧化铝或者氧化锆加入电弧炉中，进一步熔炼得到设计的氧化锆含量，快速冷却后再破碎和筛分。本发明有益效果：原材料直接用锆英砂，取代了传统工艺中原材料为二氧化锆，因为二氧化锆熔点很高，约2700°C，但是氧化铝‑氧化锆合金的熔点低，所以将干燥颗粒和部分氧化铝粉混合可以降低熔点，从而减少电能消耗，以降低总电能消耗和原材料成本。

Description

一种锆刚玉磨料的生产工艺
技术领域
本发明属于锆刚玉磨料领域，具体为一种锆刚玉磨料的生产工艺。
背景技术
由于自锐性好和韧性高，锆刚玉磨料广泛应用于涂附和固结磨具产品中，如磨铁轨砂轮，重负荷砂轮，砂带和百叶片等。现有技术中通过改进快速冷却工艺和化学成分等来提升锆钢玉的磨削性能，但是很少有人专注于降低锆刚玉磨料的生产成本。
传统的生产二氧化硅含量小于1%的锆刚玉生产工艺包括两步：1、由锆英砂生产提纯氧化锆。锆英砂先和含碳材料混合，在电弧炉中熔炼除去二氧化硅；提纯的氧化锆熔体用压缩空气冷却凝固成氧化锆空心球。2、制备的氧化锆空心球或氧化锆颗粒（通过破碎氧化锆空心球而得）与氧化铝和其他材料比如碳和其他氧化物混合，在电弧炉中再度熔化。熔体快速冷却，将冷却后的固体破碎筛分。
分析传统的锆刚玉磨料生产工艺可知，其生产成本主要来源于原材料和电能，所以要想降低锆刚玉磨料的生产成本，就要降低原材料成本和降低总的电能消耗。
20世纪80年代时，我国曾有技术人员发明了一种生产锆刚玉磨料（氧化锆含量25%）的工艺，利用熟铝矾土和锆英砂作为原材料在电弧炉里熔炼。原材料的成本很低，但是磨料中的杂质（由铝矾土和锆英砂而来）含量很高，比如氧化钙+二氧化硅（CaO+SiO2）的含量大于1%，不适合用于磨具生产。
美国专利号US5567214描述了一种生产氧化铝、氧化锆材料的工艺，他们用廉价的废弃氧化铝、氧化锆、二氧化硅材料作为原材料加入还原剂将最终产品中二氧化硅的含量降到可接受的水平。他们没有直接使用锆英砂和氧化铝作为原材料，而是使用玻璃窑炉中的AZS衬砖产生的废弃氧化铝、氧化锆、二氧化硅材料。这种材料的供应不如锆英砂和氧化铝供应稳定可靠。并且这种工艺二氧化锆的含量仅为23-34%，而涂附磨具客户更爱用38-45%二氧化锆含量的锆刚玉磨料。
国内在电弧炉中直接熔炼锆英砂和氧化铝生产氧化铝氧化锆材料有一段时间了，如中国专利申请号CN200910172328.0等描述，但由这种工艺制得的材料二氧化硅含量非常高，远远大于1%，不适合做磨料应用，只适合做耐火材料。
所以，很有必要开发出一种新的生产工艺来降低锆刚玉磨料的生产成本，同时维持其磨削性能。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种锆刚玉磨料的生产工艺，采用锆英砂直接作为原材料，取代传统工艺中的全部或者大部分氧化锆，使原材料和总电能成本大大降低，同时通过控制磨料中二氧化硅和氧化钙的重量百分含量小于1%，从而保持磨料的磨削性能。
本发明所采取的技术方案如下：
一种锆刚玉磨料，采用锆英砂直接作为原材料，取代传统工艺中的全部或者大部分氧化锆。锆英砂是所有原材料比重的18-30%，即它相对于所有包括氧化铝、锆英砂、含碳材料、粘结剂和其它添加氧化物如氧化锆、氧化钛等的原材料的重量比例为18-30%。
一种锆刚玉磨料的生产工艺，其工艺步骤如下：
（1）将锆英砂、含碳材料和粘结剂制成颗粒：锆英砂粉和含碳材料在混合机里混合，混合过程中喷洒粘结剂，混合均匀后制成粒径为0.5-1 mm的颗粒；
（2）将颗粒干燥：制粒后，颗粒在100-150°C 干燥设备中去除粘结剂中的水分；
（3）将干燥颗粒和氧化铝混合：将部分氧化铝与上述干燥颗粒混合；纯二氧化锆熔点很高，约2700°C，但是氧化铝-氧化锆合金的熔点低，所以将干燥颗粒和部分氧化铝粉混合可以降低熔点，从而减少电能消耗；
（4）将上述混合物在电弧炉中熔化：将锆英砂、含碳材料、干燥颗粒和氧化铝的混合物置于电弧炉中熔炼，从锆英砂中除去二氧化硅得到纯化的氧化锆和氧化铝熔体；
（5）将剩余的氧化铝或者氧化锆加入电弧炉中，进一步熔炼得到设计的氧化锆含量：待第4步所有加入的颗粒熔化后，再在熔体中加入剩余的氧化铝进一步熔炼，得到设计的氧化锆；为更好地控制二氧化硅含量(SiO2<0.4%)，还可加入氧化锆、氧化钛；
（6）快速冷却：所有加入的材料都熔化后，将得到的熔体倒入快速冷却设备中凝固成固体；
（7）破碎和筛分：凝固后的材料根据FEPA 或者ANSI标准破碎筛分成F8-F120 或者P24-P120粒度的磨料。
优选的，所述锆英砂粉为80-120 目。
优选的，所述含碳材料为80-120 目。
优选的，所述含碳材料包括但不局限于煅烧石油焦和石墨等。
优选的，所述粘结剂为聚乙烯醇水溶液、聚乙二醇水溶液、淀粉或其它天然或者合成的高分子粘结剂。
优选的，所述粘结剂浓度为8%—15%。
通过以上工艺流程，所制得磨料中的氧化锆重量百分含量范围是23%-45%，二氧化硅的重量百分含量小于1%。
本发明有益效果：1、原材料直接用锆英砂，取代了传统工艺中原材料为二氧化锆，因为二氧化锆熔点很高，约2700°C，但是氧化铝-氧化锆合金的熔点低，所以将干燥颗粒和部分氧化铝粉混合可以降低熔点，从而减少电能消耗，以降低总电能消耗和原材料成本；2、制得磨料的二氧化硅和氧化钙(SiO2+CaO)的重量百分比含量控制在1%以下。
附图的简要说
图1是本发明锆刚玉磨料的生产工艺流程图。
具体实施方式
本发明的化学原理描述如下:
ZrO2·SiO2 + C→ZrO2 +SiO↑+ CO
SiO2 + C→SiO↑+ CO
2SiO+ O2→SiO2
所以，除去锆英砂中每5份二氧化硅需要1份碳。100份锆英砂(32.5 % SiO2)中的二氧化硅除去需要6.5份碳。
下面结合实施例和附图对本发明进行进一步详细地说明。
实施例一 (设计制得25% 的ZrO2)
锆英砂100份，煅烧石油焦(94% 碳含量)6.9份，浓度为10%的聚乙烯醇水溶液25份，氧化铝200份
100份锆英砂(ZrO2+HfO2=66.75%,，SiO2=32.39%，Al2O3=0.53%，TiO2=0.15%)和6.9份煅烧石油焦(94% 碳含量)，用10%浓度的聚乙烯醇水溶液制成0.5-1 mm的颗粒。颗粒干燥后和50份氧化铝粉混合，在三相电弧炉中熔炼。氧化铝粉事先也可制粒以减少粉尘，在也更利于释放熔炼时产生的气体。当大部分原料都熔化，覆盖层变得很薄时，加入剩余的150份氧化铝到熔体中继续熔炼过程。所有材料熔化后，倒入快速冷却设备中凝固，然后破碎筛分成F8-F24的磨料。制得磨料的ZrO2含量是25%，CaO含量0.08% ，SiO2含量0.5%，适合做磨料用。锆英砂相对于所有加入电弧炉中的原材料的重量百分比约30%。
实施例二 (设计制得40%的 ZrO2)
锆英砂100份，煅烧石油焦(94% 碳含量)6.9份，浓度为10%聚乙烯醇水溶液7.2份，氧化铝215份，氧化锆80份，二氧化钛7.4份
100份锆英砂和6.9份煅烧石油焦用10%浓度的聚乙烯醇水溶液制成0.5-1 mm的颗粒。颗粒干燥后和100份氧化铝颗粒混合，在三相电弧炉中熔炼。当大部分原料都熔化，覆盖层变得很薄时，加入剩余的115份氧化铝颗粒和80份氧化锆颗粒（粒径大于60目，氧化锆含量大于98%）和7.4份的二氧化钛到熔体中继续熔炼。所有材料熔化后，倒入快速冷却设备中凝固，然后破碎筛分成P24-P120的磨料。制得磨料的ZrO2含量是40%，TiO2含量2% ，SiO2含量0.5%，适合做涂附磨具和固结磨具用。锆英砂相对于所有加入电弧炉中的原材料的重量百分比约24%。
本发明原理：由于氧化锆的熔体温度很高（将近2700度），所以在传统生产工艺的过程中电能消耗非常大。因为需要熔化锆英砂除去二氧化硅来获得提纯的氧化锆熔体，冷却熔体得到氧化锆空心球，再将氧化锆空心球或者颗粒和氧化铝和其它材料再度熔化。如果冷却提纯氧化锆熔体制备氧化锆空心球，然后再度熔化氧化锆空心球、颗粒的步骤可以去除，总的电能消耗将大大降低。该目的可由本发明来实现，我们通过上述工艺由锆英砂得到提纯过的氧化锆熔体，但是我们不通过压缩空气冷却氧化锆熔体得到氧化锆空心球，而是直接在氧化锆熔体中加入氧化铝（省略冷却和再熔化氧化锆工艺），在同一个电弧炉里熔炼混合物，冷却熔体，破碎冷却后的固体并筛分得磨料。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种锆刚玉磨料的生产工艺，其特征在于，其工艺步骤如下：
材料选取和配比：采用锆英砂直接作为原材料，锆英砂是所有原材料重量的18~30%，即锆英砂相对于氧化铝、锆英砂、含碳材料、粘结剂、氧化锆、氧化钛的原材料的重量比例为18~30%；
（1）将锆英砂、含碳材料和粘结剂制成颗粒：锆英砂粉和含碳材料在混合机里混合，混合过程中喷洒粘结剂，混合均匀后制成粒径为0.5~1 mm的颗粒；
（2）将颗粒干燥：制粒后，颗粒在100~150℃干燥设备中去除粘结剂中的水分；
（3）将干燥颗粒和氧化铝混合：将部分氧化铝与干燥颗粒混合；
（4）将混合物在电弧炉中熔化：将锆英砂、含碳材料、干燥颗粒和氧化铝的混合物置于电弧炉中熔炼，从锆英砂中除去二氧化硅得到纯化的氧化锆和氧化铝熔体；
（5）将剩余的氧化铝加入电弧炉中，进一步熔炼得到设计的氧化锆含量：待纯化的氧化锆和氧化铝熔体熔化后，再加入剩余的氧化铝、氧化锆、氧化钛进一步熔炼，得到设计的氧化锆含量；
（6）快速冷却：所有加入的材料都熔化后，将得到的熔体倒入快速冷却设备中凝固成固体；
（7）破碎和筛分：凝固后的材料根据FEPA 或者ANSI标准破碎筛分成F8~F120 或者P24~P120粒度的磨料。
2.根据权利要求1所述的锆刚玉磨料的生产工艺，其特征在于，所述锆英砂粉为80~120目。
3.根据权利要求1所述的锆刚玉磨料的生产工艺，其特征在于，所述含碳材料为80~120目。
4.根据权利要求1所述的锆刚玉磨料的生产工艺，其特征在于，所述含碳材料包括煅烧石油焦和石墨。
5.根据权利要求1所述的锆刚玉磨料的生产工艺，其特征在于，所述粘结剂为聚乙烯醇水溶液、聚乙二醇水溶液或淀粉。
6.根据权利要求1所述的锆刚玉磨料的生产工艺，其特征在于，所述粘结剂浓度为8%~15%。
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