ES2323193T3 - Granos esfericos de corindon sobre la base de oxido de aluminio fundido asi como un procedimiento para su produccion. - Google Patents

Abstract

Granos esféricos de corindón sobre la base de óxido de aluminio fundido con un diámetro de las esferas comprendido entre 0,001 y 5 mm, un contenido máximo de óxido de sodio de 0,5% en peso, un contenido máximo de óxido de titanio de 0,5% en peso y un contenido de SiO2 comprendido entre 0,1 y 0,8% en peso, caracterizados porque ellos tienen una densidad aparente comprendida entre 1,5 kg/l y 2,5 kg/l.

Description

Granos esféricos de corindón sobre la base de óxido de aluminio fundido así como un procedimiento para su producción.

El presente invento se refiere a granos esféricos de corindón sobre la base de óxido de aluminio fundido, que tienen un diámetro de las esferas comprendido entre 0,001 y 5 mm, un contenido máximo de óxido de sodio de 0,5% en peso y un contenido máximo de óxido de titanio de 0,5% en peso, así como a un procedimiento para su producción.

El corindón esférico se conoce ya desde hace aproximadamente 75 años y se produce a gran escala técnica desde hace aproximadamente 30 años. Así, los documentos de patentes de los EE.UU. US 1.871.792 y US 1.871.793 describen la rotura de chorros de colada de corindón líquido en condiciones reductoras mediante aire comprimido o vapor. En este caso resultan unas esferas huecas de corindón con un diámetro de aproximadamente 0 a 5 mm. En los documentos de los EE.UU. antes citados se describen ya todas las etapas esenciales del procedimiento de producción que se aplica todavía hoy en día.

El corindón esférico hueco se utiliza predominantemente como material refractario, puesto que él tiene una conductibilidad térmica muy pequeña debido a los espacios de aire encerrados en las esferas. El corindón esférico hueco encuentra otra aplicación como medio de filtro para gases y líquidos químicamente agresivos y calientes.

No obstante, junto a las esferas huecas, presentan un interés técnico también unas esferas más densas, que tienen una alta capacidad de resistencia mecánica frente a la compresión, los golpes y la abrasión.

Las propiedades físicas del corindón esférico son acentuadas sobre todo por el tamaño de las esferas (el diámetro de las esferas), el espesor de las paredes de las esferas y el tamaño de cristalitos de los cristales primarios de óxido de aluminio, a base de los que está constituido el corindón esférico. Según sea la aplicación, se plantean unos requisitos bastante diferentes a las propiedades del corindón esférico. Así, en el pasado se han descrito numerosos intentos de influir sobre las propiedades del corindón esférico mediante variación de la materia prima empleada, mediante adiciones a la masa fundida o sino mediante una modificación de las propiedades técnicas de procedimientos al realizar la colada (cantidad colada, manipulación de los chorros de colada, la presión del aire o del vapor, la forma de las boquillas, etc.).

La producción de esferas compactas de óxido de aluminio mediante rotura de los chorros de colada se describe en el documento US 2.261.639, obteniéndose unas esferas compactas mediante una adición de 1 a 10% de óxido de sodio a la masa fundida y una subsiguiente rotura de los chorros de colada. El documento US 2.340.194 describe la adición de 1 a 1,5% de óxido de titanio a la masa fundida, que conduce a unas esferas huecas resistentes a la compresión con unas paredes relativamente gruesas. Las esferas de óxido de aluminio, producidas de acuerdo con estos procedimientos, tienen, sin embargo, la desventaja de que ellas están impurificadas con iones ajenos (de sodio, titanio). Este hecho se puede hacer apreciable desventajosamente cuando estos materiales se deben de emplear como agentes de chorreo, puesto que los iones ajenos pueden conducir a unas reacciones indeseadas con la superficie tratada. En el caso del óxido de sodio como impureza se añade a esto el hecho de que se forman aluminatos de sodio, cuyo efecto abrasivo es solamente escaso.

El documento de patente europea EP 1.157.077 describe la producción de granos abrasivos policristalinos, siendo colado el corindón líquido y apoyándose su enfriamiento por dispersión del óxido de aluminio fundido en gotitas finas mediando utilización de ultrasonidos. En este caso, se obtienen unas partículas densas con un diámetro medio de menos que 1 mm. Dejando aparte el hecho de que las partículas son relativamente pequeñas, con lo que se limita su sector de empleo, el procedimiento es relativamente costoso y el empleo de ultrasonidos no se adecua para una producción a gran escala.

En el documento de patente alemana DE 690 05 975 T2 se describen unas partículas esféricas de óxido de aluminio, siendo tratada una suspensión acuosa de \alpha-óxido de aluminio finísimamente molido y de arcilla mediante una desecación por atomización y un subsiguiente tratamiento térmico para dar aglomerados. Esta modalidad de la producción de partículas esféricas de óxido de aluminio es muy costoso y requiere unas materias primas caras.

Por consiguiente, sigue existiendo la necesidad de unas esferas más densas de óxido de aluminio, que se puedan producir según un procedimiento eficaz y fácil de llevar a cabo.

La misión del invento consiste, por lo tanto, en poner a disposición unas esferas ampliamente compactas de óxido de aluminio, así como un procedimiento para su producción, que no presente las desventajas del estado de la técnica.

El problema planteado por esta misión se resuelve mediante unos granos esféricos de corindón con las características de la reivindicación 1 así como mediante un procedimiento con las características de la reivindicación 6. Ciertos perfeccionamientos del concepto del invento son objeto de las reivindicaciones subordinadas 2 hasta 5.

Sorprendentemente, se comprobó que se pueden obtener unas esferas de óxido de aluminio con un diámetro comprendido entre 0,001 y 5 mm, una proporción máxima de óxido de sodio de 0,5% en peso, una proporción máxima de óxido de titanio asimismo de 0,5% en peso, un contenido de óxido de aluminio de más que 98% en peso, con una densidad aparente comprendida entre 1,5 kg/l y 2,5 kg/l, cuando se funde óxido de aluminio mediando adición de 0,1 a 1% en peso de óxido de silicio en condiciones oxidantes en un horno de arco eléctrico y luego se vierte por colada el óxido de aluminio fundido con una cantidad colada de menos que 100 kg/min y se rompen los chorros de colada con aire a una presión de 3 a 10 bares.

En comparación con esto, la densidad aparente de un corindón esférico hueco obtenible comercialmente se sitúa entre 0,5 y 1,2 kg/l.

Además de esto, se encontró que es ventajoso que, al romper los chorros de colada del corindón líquido, se emplea exclusivamente aire y se prescinde de la adición de agua.

La adición de SiO_{2} influye primeramente sobre la viscosidad de la masa fundida, sirviendo el SiO_{2} como agente fundente, y disminuyendo el SiO_{2} la viscosidad de la masa fundida. Además de esto, se comprobó que por medio del contenido de SiO_{2} en la masa fundida se influye también sobre el color del producto. Mientras que unos productos con un contenido de SiO_{2} de 0,8% en peso tienen un aspecto de color blanco puro, los productos con un contenido de SiO_{2} situado por debajo de 0,5% en peso tienen una manifiesta tinción de color amarillo. La influencia del SiO_{2} sobre la densidad del producto está menos fuertemente acentuada y se basa probablemente tan sólo en el hecho de que las condiciones de producción se mejoran mediante una mejorada capacidad de fluir al efectuar la adición de SiO_{2}, y de esta manera se obtiene también una densidad más alta del producto en el caso de una proporción más alta de
SiO_{2}.

Sin embargo, el contenido de SiO_{2} parece tener una influencia relativamente grande sobre las propiedades físicas del corindón esférico. Así, en el caso de un contenido medio de 0,4% de SiO_{2}, se encuentran los valores más altos para la resistencia a la rotura de los granos. Esto se ha de atribuir posiblemente al hecho de que en el caso de un material, que se había fundido en estas condiciones, se encuentra una proporción relativamente alta de microporos con un volumen de poros situado por debajo de 3 \mum, referido al volumen total de poros. Esta alta proporción de microporos distribuidos uniformemente, o respectivamente la pequeña proporción de poros grandes, da lugar a una correspondiente resistencia mecánica del corindón esférico, que se puede expresar numéricamente con ayuda de la medición de la resistencia a la rotura de los granos.

En comparación con el corindón esférico hueco comercial, que tiene un volumen relativo de microporos con un tamaño situado por debajo de 3 \mum, de aproximadamente 0,5%, el corindón esférico conforme al invento, que se había fundido con 0,4% de SiO_{2}, en el caso de un volumen total de poros de aproximadamente 40 %, alcanza una proporción relativa de microporos de aproximadamente 13%. Dentro del marco de las investigaciones se encontró, que el volumen relativo de microporos con un tamaño situado por debajo de 3 \mum, se correlaciona con la resistencia a la rotura de los granos. Así, en el caso de los materiales que tienen una alta proporción de microporos, a igualdad del volumen total de poros, se encuentra la más alta resistencia a la rotura de los granos.

La diferencia entre el corindón esférico obtenible en el comercio y los granos esféricos de corindón conformes al invento es especialmente evidente en el caso de un análisis digital de imágenes. La Fig. 1 muestra la imagen pulida de un corindón esférico hueco convencional con un volumen de poros de aproximadamente 90%. En este caso se puede reconocer manifiestamente la delgadez de las paredes del corindón esférico hueco. En comparación con esto, la Fig. 2 muestra la sección pulida de un corindón esférico conforme al invento con un volumen de poros de aproximadamente 40%. En este caso, se puede reconocer muy bien que los poros están distribuidos de una manera prácticamente homogénea a lo largo de toda la esfera. Según sean las condiciones de producción, el volumen de poros para el corindón esférico conforme al invento se sitúa entre 25 y 50%, mientras que el volumen de poros del corindón esférico convencional se sitúa entre 85 y 95%.

Es especialmente llamativa la pequeña superficie específica del corindón esférico denso. Así, en dependencia del diámetro de las esferas, se encuentran unas superficies específicas comprendidas entre 0,005 y 0,05 m^{2}/g. En comparación con esto, las superficies específicas para un corindón esférico hueco convencional se sitúan más altas aproximadamente en una potencia de diez y fluctúan dentro del intervalo comprendido entre 0,05 y 0,5 m^{2}/g, disminuyendo la superficie específica al hacerse más grande el diámetro de las partículas. La superficie específica se midió según BET.

Las Figuras Fig. 1 y Fig. 2 explican la diferencia entre la estructura de los granos esféricos de corindón conformes al invento y la del corindón esférico convencional. Esta diferencia se puede documentar también con ayuda de ciertos métodos físicos de medición. Un método especialmente adecuado para la medición es en este caso la determinación de la resistencia a la rotura de los granos según Vollstädt. En el caso de este procedimiento se trata de una comprobación controlada por ordenador de la resistencia mecánica de granos individuales con un análisis de los tamaños y de la forma de los granos individuales.

Los componentes principales del equipo son un dispositivo neumático de aplicación de fuerzas, un sensor de fuerzas de precisión, un motor paso a paso así como un microscopio especial con una cámara y una iluminación incorporadas, así como con una cámara adicional de observación. El principio funcional del método de medición se basa en el hecho de que se coloca un determinado número de partículas sobre una tira de soporte, y esta tira de soporte se hace pasar luego por el aparato de medición. En este caso, con ayuda del microscopio se determinan el tamaño, la forma y los parámetros de posición de las partículas, que luego son transportadas a un sitio exactamente definido situado entre unos troqueles extremadamente duros. Aquí actúa entonces sobre los granos individuales una fuerza que aumenta constantemente, hasta que se llega a la rotura de los granos. Esta fuerza de rotura se registra y se añade a la lista de los parámetros ya medidos para los granos.

De acuerdo con el procedimiento arriba expuesto, se comprobó para el corindón esférico convencional en la granulación 36 una resistencia a la rotura de los granos comprendida entre 1 y 5 N, mientras que los densos granos de corindón conformes al invento mostraron una resistencia a la rotura de los granos de más que 20 N, de manera preferida de más que 40 N.

A continuación, se explica el invento con ayuda de algunos Ejemplos escogidos.

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Ejemplos 1 - 3

Una mezcla a base de 1.000 kg de tierra arcillosa y en cada caso 8 kg, 4 kg o respectivamente 1 kg de arena de cuarzo se fundió en un horno de arco eléctrico tapado (horno basculante) con un diámetro de aproximadamente 1,8 m, una potencia de 1,2 MW y una tensión eléctrica de 172 V. Tan pronto como la mezcla era totalmente líquida, se volcó el horno y el corindón líquido se vertió por colada a través de un vertedero de colada. Durante el vertimiento por colada se rompieron los chorros de colada con ayuda de un dispositivo de rotura de los chorros de colada, que se componía esencialmente de un tubo en forma de lanza, que estaba provisto de una boquilla junto a su punta y adicionalmente de un dispositivo de aportación de aire comprimido, siendo dirigida la boquilla hacia los chorros de colada, siendo abierto el paso de aire comprimido y siendo desintegrados los chorros de colada del corindón líquido. La presión de aire empleada fue de 8 bares. Las esferas de corindón obtenidas de esta manera, se recogieron en una denominada cámara de rotura de los chorros de colada, cuyo fondo se componía de planchas de acero refrigeradas con agua. Desde allí las esferas se transportaron con ayuda de aire a un tubo de refrigeración, que está situado a continuación de la cámara de rotura de los chorros de colada. A continuación, las esferas de corindón se transportaron a una estación de tamizado y se tamizaron correspondientemente a su diámetro en fracciones individuales. En la siguiente Tabla 1 se recopilan los datos físicos de las esferas de corindón obtenidas de esta manera. Como comparación, se muestra un convencional corindón esférico hueco.

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TABLA 1

1

Como se puede reconocer a partir de los Ejemplos en la Tabla 1, la proporción de SiO_{2} influye ante todo sobre la distribución de granos y sobre la resistencia a la rotura de los granos. Cuanto más alta es la proporción de SiO_{2}, tanto más líquida se vuelve la masa fundida y tanto más finas son las partículas de corindón, que se obtienen al romper los chorros de colada. Por el contrario, la densidad aparente y la superficie específica parecen ser relativamente independientes del contenido de SiO_{2}. Se puede ver manifiestamente la dependencia del volumen relativo de los microporos con respecto del contenido de SiO_{2}, con lo cual es acentuada evidentemente también la resistencia a la rotura de los granos.

Como se puede reconocer adicionalmente a partir de la Tabla 1, la densidad aparente y la superficie específica aumentan con un tamaño creciente de las esferas. Es llamativa la influencia del SiO_{2} sobre la distribución de los tamaños de granos.

Así, en una proporción de SiO_{2} de 0,8%, en el caso de la producción de un corindón esférico denso de acuerdo con el procedimiento conforme al invento, resulta una proporción de más que 50% en la fracción de granos de 0 a 0,5 mm.

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Ejemplo 4 Ensayo de chorreo

Un interesante sector de empleo para un corindón esférico denso es el chorreo con arena. A fin de ensayar la intensidad de rendimiento del corindón esférico, se compararon los materiales de los Ejemplos 1 hasta 3 con agentes de chorreo usuales obtenibles comercialmente. En este caso, se establecieron las siguientes condiciones de ensayo:

Se sometió a chorreo una plancha de acero (material: ST37) con 5 kg de un material de chorreo mediando empleo de una boquilla de 8 mm a una presión de 4,5 bares y con un ángulo de los chorros de aproximadamente 60º a una distancia de 25 mm. Se midieron el rendimiento superficial, la formación de polvo fino, el desgaste de los granos, la aspereza superficial así como la estructura de la superficie.

El rendimiento superficial está caracterizado por la cantidad de agentes de chorreo, que es necesaria para someter a chorreo de una manera homogénea a una plancha de acero ST37 con un área de superficie de 1 m^{2}. Esto quiere decir que cuanto más bajo sea el valor tanto menos material de chorreo se consumió, y tanto más alto es el rendimiento superficial del material de chorreo.

En el ensayo se empleó la fracción de granos de 0,5 a 1 mm. Se comparó con los granos de acero obtenibles comercialmente ZIRBLAST® (31% de SiO_{2} + 61% de óxido de zirconio, fracción de 425 a 500 \mum) y perlas de vidrio SOVITEC (fracción de 425 a 800 \mum). Los resultados del ensayo se recopilan en la Tabla 2.

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TABLA 2

2

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La Tabla 2 pone de manifiesto que las densas esferas de corindón conformes al invento muestran un rendimiento superficial comparable al de las esferas de vidrio. La ventaja de las esferas de corindón conformes al invento frente a las esferas de vidrio se ha de ver en el hecho de que al emplear las esferas de corindón no resultan polvos que contienen cuarzo y que son peligrosos para la salud. En comparación con las esferas que contienen óxido de zirconio, las esferas de corindón conformes al invento muestran ciertamente un rendimiento superficial más pequeño, que va acompañado al mismo tiempo de un desgaste manifiestamente más grande, pero en este caso la ventaja de las esferas de corindón conformes al invento consiste sobre todo en el precio manifiestamente más bajo.

Una ventaja adicional de un corindón esférico denso se ha de ver en el hecho de que con el corindón esférico denso conforme al invento se alcanza una estructuración especial de la superficie, que está caracterizada por unas ligeras huellas y unas ligeras impresiones esféricas, por lo que el corindón esférico se adecua particularmente para el acabado superficial.

Claims (6)

1. Granos esféricos de corindón sobre la base de óxido de aluminio fundido con un diámetro de las esferas comprendido entre 0,001 y 5 mm, un contenido máximo de óxido de sodio de 0,5% en peso, un contenido máximo de óxido de titanio de 0,5% en peso y un contenido de SiO_{2} comprendido entre 0,1 y 0,8% en peso, caracterizados porque ellos tienen una densidad aparente comprendida entre 1,5 kg/l y 2,5 kg/l.

2. Granos esféricos de corindón de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizados porque ellos tienen una superficie específica (según BET) comprendida entre 0,005 y 0,05 m^{2}/g.

3. Granos esféricos de corindón de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizados porque ellos tienen una resistencia a la rotura de los granos (según Vollstädt) de \geq 20 N, de manera preferida de \geq 40 N.

4. Granos esféricos de corindón de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizados porque ellos tienen un volumen de poros, medido mediante un análisis digital de imágenes, de menos que 50%, de manera preferida de menos que 40%, de manera especialmente preferida de menos que 30%.

5. Granos esféricos de corindón de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizados porque ellos tienen un volumen relativo de poros de los microporos, que tienen un tamaño menor que 3 \mum, de más que 5%, de manera preferida de más que 15%, referido a un volumen total de poros de 30-40%.

6. Procedimiento para la producción de granos esféricos de corindón de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5, en el que

a)

una tierra arcillosa se funde mediando adición de 0,1 a 1%, de manera preferida de 0,2 a 0,6%, referido al peso total de los materiales de partida, de una arena de cuarzo en hornos de arco eléctrico,

b)

la masa fundida se vierte por colada con una cantidad de colada de menos que 100 kg/min, y

c)

los chorros de colada se rompen con aire comprimido a una presión comprendida entre 3 y 10 bares,

caracterizado porque la fusión se lleva a cabo en condiciones oxidantes.