[0001] 本发明涉及一种新的方法和设备来生产勃姆石和溶胶-凝胶法磨料，从而使原材料成本大大降低。原材料来自三水氢氧化铝，在一个带搅拌的锆-钢复合板或钛-钢复合板制成的高压反应釜中，在水热条件下转化成高度分散的一水氢氧化铝。高度分散的溶胶再通过发明的或者传统的溶胶-凝胶法工艺转化为高密度微晶陶瓷刚玉磨料。

[0002] 从1980年代早期开始，溶胶-凝胶技术开始用于提高氧化铝磨料的性能，对涂附磨具和固结磨具行业产生了冲击性的影响。溶胶-凝胶法工艺使得氧化铝显微结构的控制程度比电熔法工艺大的多。所以溶胶-凝胶法磨料的晶体尺寸比电熔法小几个数量级，从而韧性提高，磨削性能也得以提高。

[0003] 在过去的几十年中，大量的工作用于如何提高溶胶-凝胶法磨料的磨削性能。这些工作包括探索如改性剂和烧结助剂和晶种的添加剂和优化成型和烧结工艺等生产过程。这些工作在这些专利里都有说明，如美国专利号US 4,314,827，US 4,518,397，US 4,623,364，US 4,770,671，4,799,938，4,848,041，US 4,881,951，US 4,964,883，US 5,034,360，US 5,090,968，US 5,106,791，US 5,190,567，US 5,194,073，US 5,227,104，US 5,244,
477，US 5,431,704，US 5,453,104，US 5,489,204，US 5,531,799，US 5,660,604，US 5,
984,988，US 6,258,141，US 6,802,878等。

[0004] 很少有努力花在如何降低溶胶-凝胶法磨料的成本使之适合大规模生产。溶胶-凝胶法磨料的原材料是高纯度和高度分散的勃姆石(单水氢氧化铝)，通过高纯度的醇铝水解而得。昂贵的原材料成本使得溶胶-凝胶法磨料的成本很高，比电熔刚玉磨料高太多，这限制了溶胶-凝胶法磨料的应用，只适合成本/效益合理的场合。如果由廉价的、高纯度、高分散和纳米尺寸的勃姆石，溶胶-凝胶法磨料的成本将大大降低。

[0005] 美国专利US 3,385,663描述了一种将比表面积5-50平方/克的三水氢氧化铝转化成比表面积大于200平方/克的单水氢氧化铝的工艺，该工艺在水、弱酸(比如醋酸)，水溶性盐类(比如硫酸铝)，也可由少量无机酸如盐酸存在的条件下，将三水氢氧化铝在150到200摄氏度的温度下水热处理三水氢氧化铝。制得的单水氢氧化铝是高度分散的，但是醋酸的浓度很高，添加的盐也使得制得的单水氢氧化铝纯度不适合用于加工溶胶-凝胶法磨料。

[0006] 美国专利US 3,954,957描述了一种工艺，通过将拜耳法三水氢氧化铝磨到1-3微米的中位粒径，再在定量无机酸如硝酸和盐酸存在的条件下水热消解成粒径均匀范围在0.2-0.7微米的单水氢氧化铝晶体。粒径比较大不适合溶胶-凝胶法磨料加工，只适合做纸张、涂料或者油墨的填料。

[0007] 美国专利US 4,117,105描述了一种从三水氢氧化铝制备超细分散的alpha单水氢氧化铝(勃姆石)的工艺。三水氢氧化铝先煅烧通过部分脱水提升比表面积。煅烧中间产物配成水浆料，在水热釜中再结晶和水合。通过传统的干燥方法来制得颗粒。产品的粒径大小比初始原材料小得多。但粒径分布很宽(分散液是白色)，由该工艺制备的单水氢氧化铝不适合做溶胶-凝胶法磨料。

[0008] 美国专利US 4,344,928描述了一种工艺来合成氧化铝颗粒的水分散液，其中部分氧化铝颗粒是超细勃姆石，该工艺通过将结晶较差或者无定形的活性氧化铝的水溶液在PH<9的条件下保持水热反应一段时间，使活性氧化铝粉部分转化为超细勃姆石。因为只有部分转化的超细勃姆石，纯度对于溶胶-凝胶法工艺是不合适的。另外.该工艺制备的勃姆石是针状的，也不适合溶胶-凝胶法工艺。

[0009] 美国专利US 4,534,957描述了一种工艺将三水氢氧化铝转化为勃姆石，该工艺先制备三水氢氧化铝的浆液，以氧化铝干物质算浓度为150-700克/升，然后在200-270摄氏度的温度下高温高压处理，料浆的升温速度最少为1摄氏度/分。在200-270摄氏度的保温区停留1-60分钟。制得的勃姆石颗粒形状和初始的三水氢氧化铝很像，碱性材料的含量也更低。但该工艺制备的勃姆石粒径太大，不适合溶胶-凝胶法磨料加工。

[0010] 美国专利US 4,797,139表述了一种方法来生产适合转化为无水氧化铝产品的微晶勃姆石，通过在特定的PH范围和添加微晶勃姆石晶种，水热处理氧化铝前躯体而得。反应混合物也可包括亚微米晶种，以便后续工艺将微晶勃姆石转换为alpha氧化铝。需要高纯度产品时可以使用离子交换工艺去除金属离子。其它材料也可加到反应混合物中。美国专利US 5,194,243和5,455,807描述了和US 4,797,139相似的工艺.。这3个专利的共同特征是都使用微晶勃姆石作为晶种，使用硝酸来促使三水氢氧化铝水热条件下转化为高分散勃姆石。但是，从这些专利申请以来，没有证据表明该工艺是产业化生产可行的。Sasol公司的Dispersal勃姆石还是溶胶-凝胶法磨料的主要原材料，因为硝酸在高温高压条件(如专利所述，170-200摄氏度和8-15kg/cm2),下对反应釜材料的腐蚀性很大，所以有因为腐蚀产生高压蒸汽爆炸的安全隐患。

[0011] 所以，很有必要设计一种可行的方法和设备来生产廉价、高纯度和高度分散的单水氢氧化铝，同时么有安全隐患。这种可行的方法和设备可以大大降低溶胶-凝胶法磨料的原材料(单水氢氧化铝)成本，使溶胶-凝胶法磨料在许多磨削领域和电熔刚玉磨料比，性价比大大提高。

[0012] 本发明的目的之一是提供一种全新的方法和设备来生产勃姆石和溶胶-凝胶法磨料，原材料成本可以大大降低。

[0013] 在本发明中，生产单水氢氧化铝和溶胶-凝胶法磨料的方法和设备描述如下：

[0014] 原材料三水氢氧化铝Al(OH)3在搅拌的锆-钢复合板和钛-钢复合板高压反应釜内水热处理转化为高分散的单水氢氧化铝AlOOH。然后高分散和去离子的溶胶通过传统的或者发明的溶胶-凝胶工艺转化为烧结的高密度微晶陶瓷刚玉磨料。

[0015] 锆和钛金属在高温高压条件下对硝酸的腐蚀性很好，比如，在190摄氏度的硝酸腐蚀测试结果说明，钛和锆比304-347不锈钢和镍基合金的耐腐蚀性好很多。锆在硝酸中的腐蚀速度小于0.13毫米/年，非常适合用作高压反应釜材料来水热处理廉价的Al(OH)3变成用作溶胶-凝胶法磨料原材料的微晶AlOOH。钛也是1个高压反应釜材料的好选项。不过钛和锆金属和合金成本很高，锆-钢复合板或钛-钢复合板从成本角度考虑是更好的反应釜材料选项。

[0016] 因为其它行业有用锆-钢复合板和钛-钢复合板在高温高压条件次啊处理含硝酸化学物质的成功案例，所以没有腐蚀引起的安全隐患。附图说明

[0017] 图1是用作高压反应釜材料锆-钢复合板或钛-钢复合板。

[0018] 图2是用于三水氢氧化铝水热处理的锆-钢复合板或钛-钢复合板制高压反应釜。

[0019] 图3是生产高纯度和高度分散勃姆石的工艺。

[0020] 图4是制造溶胶-凝胶法磨料的工艺。

[0021] 发明的生产勃姆石作为溶胶-凝胶法磨料的设备如图1和2所示。发明的生产高纯高分散勃姆石的方法和工艺如图3所示，发明的生产溶胶-凝胶法磨料的方法如图4所示。

[0022] 图1中，钛-钢和锆-钢复合板水通过爆炸焊接技术生产的。钛或锆金属或合金用作耐腐蚀材料，厚度从3毫米到10毫米，取决于成本和腐蚀考量。碳钢或者不锈钢用作生产水热处理高压反应釜的结构材料，厚度从20到60毫米，取决了反应釜体温度和压力还有釜体大小。

[0023] 图2水热处理高压反应釜设备包括原材料加料口、成品排料口、视孔、维修人孔，或者避免过热引起高压爆炸的安全阀门或蒸汽泄压阀、混合三水氢氧化铝浆料避免结团和促进三水氢氧化铝转化为微晶单水氢氧化铝的分散/搅拌浆叶。加热或者冷却夹套或者盘管在图2没有画出，加热方法可以使蒸汽或者导热油直接或者间接加热。冷却可通过循环冷却水或者其它方法。

[0024] 图3是生产高纯度和高分散勃姆石的方法和工艺，具体工艺步骤如下：

[0025] (1)浆料制备：Al(OH)3粉体，微晶勃姆石或拟薄水铝石晶种，热的去离子水和硝酸用高剪切分散机混合均匀。Al(OH)3固含量是10-30％，粒径是D50＝1-2微米，可方便地从市场上买到。添加的硝酸调整PH到2-5。PH越低越有利于水热转化反应，粒径也更小，但会导致在反应釜中容易凝胶。另外Al(OH)3粉体也可以煅烧增大比表面积促使水热转化反应。

[0026] (2)Al(OH)3粒径磨细：浆料在砂磨机里用细小氧化锆珠磨到粒径大小D50＝0.1-1微米，较好的范围是D50＝0.1-0.5微米。粒径减小有助于促使Al(OH)3转化为微晶、纳米尺寸分散、粒径分布窄的勃姆石颗粒。

[0027] (3)浆料水热处理：磨细的浆料加到锆-钢或钛-钢复合板反应釜里搅拌。升温到170-200摄氏度，保温1-3小时将Al(OH)3转化AlOOH。升温速度可变。

[0028] (4)离子交换：水热转换后，卸料的勃姆石分散液通过电渗析或离子交换树脂或者其它方法除去离子来减少碱金属氧化物得到高纯产物。

[0029] 图4描述了利用发明的勃姆石生产溶胶-凝胶法磨料的工艺，专利权所有人申请了另外一个专利，这里没必要重复细节。

[0030] 上述水热处理工艺在1个10升的钛-钢复合板高压反应釜中进行，制得的勃姆石加1％的纳米级别的alpha氧化铝晶种，凝胶，干燥、煅烧和烧结成磨料，100克压载的Vicker显微硬度是20GPa，密度是3.88,，适合磨料应用。