DE902731C

DE902731C - Verfahren zur Herstellung von Aluminiumoxyd

Info

Publication number: DE902731C
Application number: DEG5778A
Authority: DE
Inventors: George E Engelson; Charles B Wendell Jun
Original assignee: Godfrey L Cabot Inc
Current assignee: Godfrey L Cabot Inc
Priority date: 1950-04-28
Filing date: 1951-04-26
Publication date: 1954-01-28
Also published as: US2693406A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Aluminiumoxyd, insbesondere ein Verfahren zur Umwandlung von metallischem Aluminium in feines Aluminiumoxydpulver.

Das in der Industrie z. B. als Verstärkungsmittel für Gummi, als Füllmittel für Schutzübeizüge, als Schleifmittel und als basischer Bestandteil von synthetischen Edelsteinen verwendete feinverteilte Aluminiumoxyd wird zur Zeit durch Oxydation oder Hydrolyse von gereinigten Aluminiumsalzen hergestellt. Diese Verfahren sind kostspielig.

Aluminiumoxydpigmente können auch durch Verbrennung von pulverisiertem Al, das durch ein Tyler-Sieb mit 200 Maschen hindurchgeht, in Sauerstoff hergestellt werden. Die Durchführung dieses Verfahrens ist äußerst gefährlich, da schon durch geringe Abweichungen vom Reaktionsgleichgewicht eine heftige Explosion und die völlige Zerstörung der Apparatur ausgelöst werden kann. Auch ist die Lagerung von Al-Pulver wegen der Selbstentzündlichkeit gefährlich. Infolgedessen wird dieses Verfahren betriebsmäßig nicht ausgeübt.

Es wurde auch schon versucht, Aluminiumoxyd durch Oxydation von kompaktem, metallischem Aluminium zu erzeugen; doch war bisher keiner dieser Versuche erfolgreich, da sich Aluminium, wenn es der Atmosphäre ausgesetzt wird, sofort mit einer Oxydschutzschicht überzieht, die, obwohl sie nur dünn ist, undurchlässig wirkt. Sie wird beim Erhitzen dicker und behält ihre Schutzwirkung sogar beim Schmelzpunkt des Metalls.

Es wurde nun gefunden, daß, wenn eine bestimmte kleine Menge Aluminium in einem wärmebeständigen Behälter einer sehr heißen Sauerstoff im Überschuß enthaltenden Flamme unmittelbar ausgesetzt wird, die Oberflächenschutzschicht des Aluminiumoxyds zerrissen wird und das geschmolzene Aluminium unter Flammenbildung verbrennt. Hierauf kann das geschmolzene Aluminium in einem sauerstoffreichen Gasstrom verbrannt werden. Hat die Verbrennung

einmal begonnen, so dauert sie an, solange der geschmolzenen Masse frisches Aluminium zugeführt wird und das richtige Verhältnis von Sauerstoff zu Aluminiumzufuhr aufrechterhalten bleibt. Gemäß der Erfindung wird ein vortreffliches, feinverteiltes Aluminiumoxydpulver durch Verbrennung von geschmolzenem Aluminium hergestellt. Das neue Verfahren ist durch bestimmte Stufen gekennzeichnet, die erforderlich sind, um die Verbrennung des geschmolzenen Aluminiums einzuleiten und aufrechtzuerhalten. Diese Stufen bestehen darin, daß eine sehr heiße, sauerstoffhaltige Flamme auf einen kleinen, in einem wärmebeständigen Behälter enthaltenen Sumpf aus geschmolzenem Aluminium und nach der Entzündung ein sauerstoffreicher Gasstrom in das brennende Aluminium geleitet wird, um eine kontinuierliche Verbrennung zu gewährleisten. Solange Aluminium und Sauerstoff fortlaufend der Verbrennungszone zugeführt werden, hält die Verbrennung an. Es entwickelt sieh ein weißer Rauch aus Aluminiumoxyd in Aerosolform.

Es kann jede geeignete Methode, eine heiße, sauerstoffhaltige Flamme auf den kleinen Aluminiumsumpf zu konzentrieren, angewandt werden. Mit Erfolg wird ein Acetylen-Sauerstoff-Brenner benutzt, der mit mehr Sauerstoff, als zur Verbrennung des Acetylene notwendig ist, beschickt wird.

Wird die Flamme mit ihrer ganzen Intensität auf die kleine Scheibe Aluminiummetall konzentriert, so wird die Oxydhaut von außen durch die Flamme und von innen durch den Druck des sich ausdehnenden Metalls und des beim Siedepunkt gebildeten Metalldampfes angegriffen, so daß die Aluminiumoxydschutzhaut aufbricht und sich bis zur Peripherie der geschmolzenen Masse abschält, so daß das Metall freigelegt wird, das sich nun sofort entzündet und brennt.

Hat das Aluminium angefangen zu brennen, so wird ein Strom von Sauerstoff oder sauerstoffreichem Gas in die brennende Masse geleitet und der Acetylenbrenner entfernt. Die Reaktion dauert ohne Zufuhr äußerer Wärme so lange an, wie zusätzlich festes Metall der Reaktionsmasse zugeführt wird, vorausgesetzt, daß die Zugabe nicht so rasch erfolgt, daß 4-5 dadurch die Temperatur der Aluminiummasse unter den Entzündungspunkt sinkt, wodurch sich wiederum eine Oxydschutzschicht bilden und die Flamme ersticken würde.

Wenn auch die Beziehungen zwischen der Größe der Anfangscharge sowie der zur Einleitung der Reaktion erforderlichen Zeit und der Wärmeintensität noch nicht völlig geklärt sind, so kann doch schon gesagt werden, daß die angewandte Wärme ausreichen muß, um die Aluminiumoxydhaut in verhältnismäßig kurzer Zeit wenigstens auf ihren Schmelzpunkt (2050°) zu bringen. Demgemäß erleichtert eine kleine Anfangscharge die rasche Einleitung der Verbrennungsreaktion, da die Temperaturverluste infolge Ausstrahlung, Übertragung und Konvektion im Verhältnis zur Größe der angewandten Anfangscharge zunehmen. Bei Anwendung eines einfachen Acetylen-Sauerstoff-Handbrenners ist, wie Versuche ergeben haben, ein Aluminiumsumpf von etwa 12 mm Durchmesser geeignet, und die Wärme einer an Sauerstoff reichen Flamme eines Acetylenbrenners leitet die Reaktion innerhalb eines Zeitraumes von weniger als 5 Minuten ein.

Die Energie der Verbrennungsreaktion genügt, um ein weißes Licht von hoher Intensität zu erzeugen, das von der Reaktionszone ausstrahlt. Auf Grund der Beobachtung dieses weißen Lichtes durch ein optisches Pyrometer wurde festgestellt, daß die Reaktionstemperatur über 3000⁰ liegt.

Das erhaltene Produkt ist einzigartig, d. h. Teilchengröße und -form weichen von denen von Aluminiumoxyd ab, das durch Hydrolyse oder Oxydation von Aluminiumsalzen erzeugt wird. Die gemäß der Erfindung erzeugten Teilchen sind einheitlich kugelförmig, haben einen neutralen pn-Wert, sind größer und leichter für Gummi zu verwenden als die seither erzeugten Aluminiumoxyde.

Als Nebenprodukt bildet sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine außerordentlichharte Schlacke im Behälter. Augenscheinlich werden Aluminiumoxydteilchen an den Seiten des geschmolzenen Körpers abgeschleudert und erstarren dort zusammen mit anderen Aluminiumoxydteilchen und/oder mit einem Teil des geschmolzenen Aluminiums der Reaktion. Dieses Material erstarrt an den Seiten und auf dem Boden des Behälters und baut sich wie ein Vulkan auf, so daß der Sumpf von geschmolzenem Aluminium in einen Krater aus sehr hartem, feuerfestem Material eingebettet sein kann. Diese Schlacke hat wertvolle, feuerfeste Eigenschaften und ist auch für Schleifzwecke geeignet.

Einzelheiten der Erfindung werden am besten auf Grund der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform des neuen Verfahrens in Verbindung mit der Zeichnung verständlich. In der Abbildung ist schematisch eine Apparatur zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens beispielsweise im Aufriß wiedergegeben.

Die Apparatur besteht aus einer Grundplatte 10, die durch die Schraubenspindeln 11, 12 in der Höhe verstellbar ist. Jeder Spindelständer 12 trägt eine Schraubenmutter 13. Diese Muttern können gleichzeitig durch ein Handrad 14 über eine horizontale Welle 15 und Kegelräder in Umdrehung versetzt werden.

Auf dieser Platte 10 befindet sich ein aufrecht uo stehender Rahmen 16 mit einer Spindel 17, die an ihrem oberen Ende eine Scheibe 18 trägt. Auf dieser Scheibe ist ein Tiegel ig aus Graphit oder anderem feuerfestem Material angebracht. Platte 10 trägt weiterhin einen Motor 20, der über ein Untersetzungsgetriebe 21 und einen Treibriemen 22 die Spindel 17 und den Tiegel zu langsamer Umdrehung bringt, von z. B. 10 bis 50 U/min. Eine Düse 23 sitzt an einem Rohr 24, das von einem Ständer 25 getragen wird, und hat Zuleitungen (auf der Zeichnung nicht siehtbar), durch die Sauerstoff oder ein Sauerstoff-Luft-Gemisch zu der Düse 23 geleitet wird. Daneben ist ein Gestell 26 vorgesehen, auf dem eine Rolle 27 mit einer Spule Aluminiumdraht 28 montiert ist. Das Gestell 26 trägt weiterhin einen Motor 29, der über ein Untersetzungsgetriebe 30 und eine Gelenkkette 31 die

Zuführungswalze 32 in Gang setzt, um den Aluminiumdraht zu dem Tiegel 19 zu leiten. Der Tiegel selbst befindet sich direkt unter der Einlaßöffnung einer Haube oder Röhre 33, welche die gasförmigen Verbrennungsprodukte sammelt und zu einem Beutelfilter oder einer anderen Trennvorrichtung leitet. Tiegel 19 enthält einen Krater aus harter Schlacke 35 und einen Sumpf 34 aus geschmolzenem Aluminium. Zunächst wird ein kleiner Sumpf von geschmolzenem Aluminium im Tiegel 19 gebildet, indem eine sauerstoffreiche Flamme auf das Ende des Aluminiumstabes oder -drahtes 28 gerichtet wird. Der kleine Aluminiumsumpf wird der Flamme ausgesetzt, bis das geschmolzene Aluminium sich entzündet, und dies geschieht dann, wenn das reine Metall der Flamme ausgesetzt ist, und zwar infolge Schmelzens des Oxydüberzuges und gleichzeitiger Erhöhung des Dampfdruckes des geschmolzenen Aluminiums in einem solchen Ausmaß, daß es die Oxydschicht durchbricht.

ao Die hohe Wärmekapazität des Aluminiums und seine Wärmeleitfähigkeit machen es erforderlich, daß bei Beginn der Reaktion nur eine kleine Menge Metall verwendet wird. Die Anwendung einer größeren Metallmenge würde die Verwendung einer über-

«5 mäßigen Sauerstoff- und Acetylenmenge erfordern, die wiederum eine genügende Gasgeschwindigkeit bewirken würde, um das Metall von dem Entzündungspunkt wegzublasen. Fängt einmal ein kleiner Aluminiumsumpf an zu brennen, so kann man ihn in jedem gewünschten Maß vergrößern, indem man vorsichtig frisches Aluminium in einem Verhältnis zuführt, bei dem die durch das zugeführte Metall beim Schmelzen und Verdampfen abgeführte Wärme nicht größer ist als die zur Aufrechterhaltung der Verbrennungsreaktion benötigte Wärmemenge.

Die folgenden Angaben, die aus typischen Betriebsversuchen stammen, erläutern das erfindungsgemäße Verfahren:

Versuchs-Nr.

I	2	3
112	97	Φ
7.1	6,1	6,o
4.25	4.25	4.25
3.4	31.2	2,3
15	15	15
31	32	34
151	124	136
71	68	75

Metall (g) 112 97 96 93

Metallzufuhr (g/Min.) 7,1 6,1 6,0 6,8 Sauerstoffzufuhr

(l/Min.) 4,25 4,25 4,25 6,50

Luftzufuhr (l/Min.).. 3,4 31,2 2,3 keine

Laufzeit (Min.) .... 15 15 15 13

Schlacke (g) 31 32 34 30

Produkt (g) 151 124 136 133

Gesammelte Ausbeute*) (% der
theoret. Ausbeute)
*) Berechnet aus der Gleichung 2 Al + iy₃ O₂-

Die Ausbeute schwankt je nach der Wirksamkeit der verwendeten Sammelapparatur. Während bisher zwischen 65 und 75 % der theoretisch möglichen Aluminiumoxydmenge gewonnen werden konnten, läßt sich bei einer besseren Sammelapparatur eine günstigere Ausbeute erwarten.

Das gemäß der Erfindung hergestellte Aluminiumoxyd besitzt einzigartige Eigenschaften; die einzelnen Teilchen haben eine vollkommen sphärische Form gegenüber den grob runden Partikeln des durch Hydrolyse gewonnenen Oxyds, ihr Durchmesser schwankt zwischen 50 bis 8000 Angström. Ein Elektronenmikrograph zeigt, daß Teilchen etwa gleicher Größe zum Zusammenklumpen neigen. Andere analytische Eigenschaften sind folgende: '70

Ph 6,3

Feuchtigkeit bei 105° 0,64 %

Entzündung (wärme) -Verlust

bei 960⁰ 0,2 ⁰I₀

Oberflächenbereich 12 bis 18 m²/g

scheinbare Dichte .... annähernd 0,8 g/cm³.

Die bisher erhältlichen Aluminiumoxyde lassen sich mit Gummi nur unter großen Schwierigkeiten verarbeiten, wogegen das gemäß der Erfindung hergestellte Oxyd sowohl von Natur- als auch von synthetischem Gummi und Kunstharzen leicht aufgenommen wird und sich in diesen vollständig dispergieren läßt. Mit Kautschuk läßt sich eine weiche, elastische, weiße Kautschukmischung mit guter Zugfestigkeit erhalten.

Das als Rohmaterial verwendete Aluminium kann auch in anderer als in Drahtform, z. B. in Stabform, als Alummiumschrott oder geschmolzenes Aluminium zugeführt werden, vorausgesetzt, daß sich keine Verunreinigungen mit dem Produkt vermischen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zur Verbrennung von Aluminium

in einer sauerstoff haltigen Flamme unter Gewinnung eines feinverteilten Aluminiumoxyds mit einem Teilchendurchmesser von 50 bis 8000 Angström, einem />H-Wert von annähernd 6,3 und einer spezifischen Oberfläche von 12 bis 18 m²/g, das sich vorzugsweise als Pigment oder Füllstoff für Kautschuk, Kunstharz u. dgl. eignet, sowie eines Schlackenkraters aus hartem feuerfestem Material, dadurch gekennzeichnet, daß ein durch kontinuierliches Niederschmelzen von laufend zugeführtem metallischem Aluminium erzeugter Sumpf von flüssigem Metall, von im wesentlichen konstantem Volumen, einer sauerstoffhaltigen Flamme hoher Temperatur, z. B. einer Acetylen-Sauerstoff-Flamme, ausgesetzt und das nach Aufreißen des die Oberfläche des geschmolzenen n° Aluminiums bedeckenden Oxydüberzuges freigelegte Metall durch ein sauerstoffhaltiges Gas unter Gewinnung der Verbrennungsprodukte laufend verbrannt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sumpf aus geschmolzenem Metall einer langsamen Drehung unterworfen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sumpf aus geschmolzenem Metall so klein gehalten wird, daß seine Wärmekapazität geringer ist als die insgesamt verfügbare Wärmemenge.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen