RU2742575C1 - Method for producing alpha-aluminium oxide for subsequent growth of single-crystal sapphire - Google Patents
Method for producing alpha-aluminium oxide for subsequent growth of single-crystal sapphire Download PDFInfo
- Publication number
- RU2742575C1 RU2742575C1 RU2020133792A RU2020133792A RU2742575C1 RU 2742575 C1 RU2742575 C1 RU 2742575C1 RU 2020133792 A RU2020133792 A RU 2020133792A RU 2020133792 A RU2020133792 A RU 2020133792A RU 2742575 C1 RU2742575 C1 RU 2742575C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gamma
- aluminum
- powder
- alumina
- aluminum oxide
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J19/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
- B01J19/12—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electromagnetic waves
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01F—COMPOUNDS OF THE METALS BERYLLIUM, MAGNESIUM, ALUMINIUM, CALCIUM, STRONTIUM, BARIUM, RADIUM, THORIUM, OR OF THE RARE-EARTH METALS
- C01F7/00—Compounds of aluminium
- C01F7/02—Aluminium oxide; Aluminium hydroxide; Aluminates
- C01F7/42—Preparation of aluminium oxide or hydroxide from metallic aluminium, e.g. by oxidation
- C01F7/422—Preparation of aluminium oxide or hydroxide from metallic aluminium, e.g. by oxidation by oxidation with a gaseous oxidator at a high temperature
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
- C30B29/16—Oxides
- C30B29/20—Aluminium oxides
Abstract
Description
Изобретение относится к области химии, в частности к способам получения альфа-оксида алюминия, пригодного для изготовления монокристаллических сапфиров. The invention relates to the field of chemistry, in particular to methods for producing alpha-alumina suitable for the manufacture of single crystal sapphires.
Используемые для получения монокристалла сапфира оксиды алюминия должны иметь строго стехиометрический состав, поскольку присутствие нестехиометрических количеств одного из образующих их химических элементов (металла или кислорода), а также наличие одноименных оксидов с другой степенью окисления существенно снижает их качество. Предъявляются очень высокие требования к химической чистоте оксида алюминия (99,99%) и для оптимизации процесса роста кристалла требуется плотность исходного оксида алюминия сопоставимая с плотностью будущего кристалла (3,96 г/см3). Aluminum oxides used to obtain a sapphire single crystal must have a strictly stoichiometric composition, since the presence of non-stoichiometric amounts of one of the chemical elements forming them (metal or oxygen), as well as the presence of the same oxides with a different oxidation state, significantly reduce their quality. Very high requirements are imposed on the chemical purity of aluminum oxide (99.99%), and to optimize the crystal growth process, a density of the initial aluminum oxide is required comparable to the density of the future crystal (3.96 g / cm 3 ).
Для получения монокристаллических сапфиров используют альфа-оксид алюминия. Для этого альфа-оксид алюминия помещают в тигель, который нагревается до точки плавления в диапазоне от 2040°C до 2100°C. Затем с использованием затравки и регулирования температуры осуществляют рост кристалла из расплава альфа-оксида алюминия. Медленно охлаждая расплав, в течение нескольких дней, добиваются роста максимально совершенного монокристалла сапфира. To obtain single crystal sapphires, alpha-alumina is used. For this, alpha-alumina is placed in a crucible that is heated to a melting point in the range of 2040 ° C to 2100 ° C. The crystal is then grown from the alpha-alumina melt using a seed and temperature control. By slowly cooling the melt for several days, the growth of the most perfect single crystal of sapphire is achieved.
Производство оксида алюминия высокой чистоты, осуществляемое классическими технологиями производства глинозема или способами переработки минерального сырья, связано с модернизацией существующих технологических стадий и внедрением дополнительных операций очистки продукта. Способы, обеспечивающие получение оксида алюминия с содержанием примесей до 100 ppm, требуют использования специальных типов исходного алюминийсодержащего сырья. Современные технологии получения оксида алюминия высокой чистоты основаны на окислении металлического алюминия. Эти технологии включают в себя следующие стадии: подготовка исходного сырья; окисление алюминия с получением гидроксид алюминия; обработка гидроксида алюминия; термическая обработка гидроксида алюминия с получением Al2O3. Основное различие современных технологий получения алюминия высокой чистоты заключается именно в стадии окисления алюминия. The production of high-purity aluminum oxide, carried out by classical technologies for the production of alumina or by methods of processing mineral raw materials, is associated with the modernization of existing technological stages and the introduction of additional product purification operations. Methods providing the production of aluminum oxide with impurity content up to 100 ppm require the use of special types of raw materials containing aluminum. Modern technologies for producing high-purity aluminum oxide are based on the oxidation of metallic aluminum. These technologies include the following stages: preparation of feedstock; oxidation of aluminum to obtain aluminum hydroxide; aluminum hydroxide treatment; heat treatment of aluminum hydroxide to obtain Al 2 O 3 . The main difference between modern technologies for producing high-purity aluminum lies precisely in the stage of aluminum oxidation.
Из уровня техники известен способ получения оксида алюминия, пригодного для производства искусственных кристаллов корунда, включающий анодное растворение алюминия чистотой 99,950-99,999% в хлоридном растворе, содержащем 5-150 г/л хлорид-ионов при температуре 2095°С и плотности тока 0,045-0,12 А/см2, отделение гидроксида алюминия, отмывку гидроксида алюминия специально подготовленной водой с удельным сопротивлением 0,4-18,0 МОм
Также известен способ получения высокочистого оксида алюминия электролизом, включающий анодное растворение алюминия высокой чистоты в водном растворе хлорида аммония, отделение гидроксильного осадка, его промывку дистиллированной водой при помощи трех вертикально расположенных сит и термическую обработку с получением оксида алюминия. Термическая обработка осуществляется в многостадийном режиме: гидроксид алюминия просушивают при температуре 340-700°С и прокаливают до получения оксида алюминия, который затем подвергается водной обработке и дополнительной сушке в интервале температур 100-300°С (RU 2538606, кл. C01F 7/42, С25В 1/00, 10.01.2015).Also known is a method of obtaining high-purity aluminum oxide by electrolysis, including the anodic dissolution of high-purity aluminum in an aqueous solution of ammonium chloride, separation of the hydroxyl precipitate, washing it with distilled water using three vertically arranged sieves and heat treatment to obtain aluminum oxide. Heat treatment is carried out in a multistage mode: aluminum hydroxide is dried at a temperature of 340-700 ° C and calcined to obtain aluminum oxide, which is then subjected to water treatment and additional drying in the temperature range 100-300 ° C (RU 2538606, class C01F 7/42 , С25В 1/00, 01/10/2015).
Однако для данных способов характерны недостаточность удаления натрий хлора при обработке гидроксида алюминия, что не позволяет получать оксид алюминия с содержанием основного компонента 99,995 мас.%; неоднородность фазового и гранулометрического состава оксида алюминия, что связано с дополнительной стадией водной обработки оксида алюминия и последующей сушкой при низких температурах; непригодность получаемого оксида алюминия высокой чистоты для роста монокристаллического корунда надлежащего качества, поскольку суммарное содержание примесей кремния (Si), калия (K), натрия (Na) и железа (Fe) в оксиде алюминия составляет не менее 50 ppm. However, these methods are characterized by insufficient removal of sodium chlorine when processing aluminum hydroxide, which does not allow obtaining aluminum oxide with a main component content of 99.995 wt.%; inhomogeneity of the phase and granulometric composition of aluminum oxide, which is associated with an additional stage of water treatment of aluminum oxide and subsequent drying at low temperatures; the unsuitability of the obtained high-purity alumina for the growth of monocrystalline corundum of proper quality, since the total content of impurities of silicon (Si), potassium (K), sodium (Na) and iron (Fe) in alumina is at least 50 ppm.
Известен способ, который включает анодное растворение алюминия высокой чистоты в водном растворе нитрата аммония, рафинирование электролита путем удаления 50-100% первой партии гидроксида алюминия с предварительным отстаиванием в электролите в течение 12-24 ч, разделение последующих партий гидроксида алюминия и электролита, промывку последующих партий гидроксида алюминия дистиллированной водой и их термическую обработку, которая осуществляется посредством предварительной сушки в течение 12-24 ч при температуре 200-250°С и окончательного прокаливания в течение 15-18 ч при температуре не менее 1100°С, при этом при прокаливании каждые 3 ч производится перемешивание продукта. Изобретение позволяет получать альфа-оксид алюминия с содержанием основного компонента 99,995-99,998 мас.% и со средней дисперсностью 40-45 мкм (RU 2630212, кл. C25B 1/00, C01F 7/02, C01F 7/42, 06.09.2017). A known method includes the anodic dissolution of high-purity aluminum in an aqueous solution of ammonium nitrate, refining the electrolyte by removing 50-100% of the first batch of aluminum hydroxide with preliminary settling in the electrolyte for 12-24 hours, separating subsequent batches of aluminum hydroxide and electrolyte, washing subsequent batches of aluminum hydroxide with distilled water and their heat treatment, which is carried out by means of preliminary drying for 12-24 hours at a temperature of 200-250 ° C and final calcination for 15-18 hours at a temperature of at least 1100 ° C, with each The product is stirred for 3 hours. The invention makes it possible to obtain alpha-alumina with a main component content of 99.995-99.998 wt.% And with an average fineness of 40-45 microns (RU 2630212, class C25B 1/00, C01F 7/02, C01F 7/42, 06.09.2017) ...
Недостатком известного способа является его невысокая производительность и сложность проведения, из-за использования больших количеств воды. Все это приводит к удорожанию конечного продукта. The disadvantage of this method is its low productivity and complexity of carrying out, due to the use of large amounts of water. All this leads to an increase in the cost of the final product.
Известен также способ синтеза альфа-оксида алюминия с чистотой, равной 99,99% или более, в форме сферических частиц с размером, преимущественно равным 850 мкм или больше, с гранулометрическим распределением, имеющим максимум при размерах частиц более 850 мкм, с относительной плотностью 50% или более от теоретической плотности, который включает помещение порошкового гамма-оксида алюминия (γ) средствами подачи на пластину из карбида кремния и воздействие на упомянутый порошок гамма-оксида алюминия (γ) по меньшей мере одним лучом СО2 лазера (RU 2568710, кл. C01F 7/02, C30B 29/20, B01J 19/12, 20.11.2015). There is also known a method of synthesizing alpha-alumina with a purity of 99.99% or more, in the form of spherical particles with a size predominantly equal to 850 μm or more, with a particle size distribution having a maximum at particle sizes of more than 850 μm, with a relative density of 50 % or more of the theoretical density, which includes placing powdered gamma alumina (γ) by means of feeding onto a silicon carbide plate and exposing said powder to gamma alumina (γ) with at least one CO 2 laser beam (RU 2568710, cl . C01F 7/02, C30B 29/20, B01J 19/12, 20.11.2015).
Известный способ также имеет как низкую производительность, так и высокую себестоимость получаемого оксид алюминия. The known method also has both low productivity and high cost of the produced alumina.
Технической проблемой, на решение которой направлено изобретение, является усовершенствование способа получения альфа-оксида алюминия. The technical problem to be solved by the invention is the improvement of the method for producing alpha-alumina.
Техническим результатом изобретение является получение компактного и высокочистого оксид алюминия в виде альфа-окиси, пригодной для производства монокристаллического сапфира. The technical result of the invention is to obtain a compact and high-purity aluminum oxide in the form of alpha-oxide, suitable for the production of single-crystal sapphire.
Поставленная проблема и указанный технический результат достигаются тем, что способ получения альфа-оксида алюминия для последующего выращивания монокристаллического сапфира, согласно изобретению, включает предварительную стадию окисления особо чистого металлического порошка алюминия кислородом воздуха в пламени плазмогенератора при температуре от 2040 до 3000°C с получением частиц мелкодисперсного порошка гамма-оксида алюминия, с последующей стадией концентрации полученного порошка гамма-оксида алюминия на проходном электрофильтре с использованием высоковольтного источника питания постоянного тока с силой тока от 0,2 до 0,5 А и напряжением от 15 до 20 кВ и последующей стадии уплотнения порошка гамма-оксида алюминия до удельного веса 1 г/см3. Далее осуществляют плавление гамма-оксида алюминия в индукционной печи при температуре от 2050 до 3000°С в электромагнитном поле при частоте от 700 до 800 кГц и мощности от 120 до 150 кВт, в течение от 1,5 до 2 часов. Для чего в контейнер печи предварительно загружают часть гамма-оксида алюминия, а затем помещают в него, как минимум, одно кольцо из особо чистого металлического алюминия, необходимого для инициирования нагрева, с последующей досыпкой новых порций гамма-оксида алюминия до полного заполнения контейнера печи расплавом. Далее осуществляют охлаждение расплава при температуре окружающей среды. The problem posed and the specified technical result are achieved in that the method for producing alpha-alumina for the subsequent growing of single-crystal sapphire, according to the invention, includes a preliminary stage of oxidation of high-purity aluminum metal powder with air oxygen in a plasma generator flame at a temperature of 2040 to 3000 ° C to obtain particles fine powder of gamma-alumina, followed by concentration of the resulting powder of gamma-alumina on a pass-through electrostatic precipitator using a high-voltage DC power supply with a current of 0.2 to 0.5 A and a voltage of 15 to 20 kV and the subsequent stage of compaction of gamma alumina powder to a specific gravity of 1 g / cm3... Next, gamma-alumina is melted in an induction furnace at a temperature of 2050 to 3000 ° C in an electromagnetic field at a frequency of 700 to 800 kHz and a power of 120 to 150 kW, for 1.5 to 2 hours. For this, a part of gamma-alumina is pre-loaded into the furnace container, and then at least one ring of ultra-pure metallic aluminum necessary to initiate heating is placed in it, followed by adding new portions of gamma-aluminum oxide until the furnace container is completely filled with melt ... Next, the melt is cooled at ambient temperature.
Расход воздуха при сжигании порошка алюминия в пламени плазмогенератора исходя из стехиометрии химической реакции взаимодействия алюминия с кислородом воздуха 350 л на 108 г порошка алюминия или 67,2 л кислорода на 108 г порошка алюминия. Air consumption during combustion of aluminum powder in the flame of a plasma generator based on the stoichiometry of the chemical reaction of the interaction of aluminum with atmospheric oxygen 350 liters per 108 g of aluminum powder or 67.2 liters of oxygen per 108 g of aluminum powder.
Окисление в плазмогенераторе осуществляется при частоте 2,45 ГГц и мощности 3.5 кВ.Oxidation in the plasma generator is carried out at a frequency of 2.45 GHz and a power of 3.5 kV.
Уплотнение порошка гамма-оксида алюминия до удельного веса 1 г/см3 осуществляют, как правило, путем таблетирования или гранулирования. Compaction of gamma-alumina powder to a specific gravity of 1 g / cm 3 is carried out, as a rule, by tableting or granulation.
Диаметр кольца из особо чистого металлического алюминия должен составлять от 75 до 80% от диаметра контейнера индукционной печи. The diameter of the high-purity aluminum metal ring should be 75 to 80% of the container diameter of the induction furnace.
На начальном этапе плавления гамма-оксида алюминия в индукционной печи ее мощность целесообразно поддерживать от 10 до 15 кВт. At the initial stage of melting gamma alumina in an induction furnace, it is advisable to maintain its power from 10 to 15 kW.
Изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами, где на фиг.1 - график микроэлементного анализа продукта сгорания порошка алюминия на воздухе; на фиг. 2 - график, показывающий микроэлементный состав исходного порошка особо чистого алюминия; на фиг. 3 - образцы полученных монокристаллических сапфиров. The invention is illustrated by the following graphical materials, where figure 1 is a graph of trace element analysis of the combustion product of aluminum powder in air; in fig. 2 is a graph showing the trace element composition of the original powder of extra pure aluminum; in fig. 3 - samples of the obtained single-crystal sapphires.
Способ получения альфа-оксида алюминия для последующего выращивания монокристаллического сапфира осуществляли следующим образом. The method of obtaining alpha-alumina for the subsequent growing of single crystal sapphire was carried out as follows.
Порошок особо чистого металлического алюминия, имеющий размер до 200 мкм распыляли в реакторе, представляющем водоохлаждаемый цилиндр из нержавеющей стали. Распыление производили при атмосферном давлении и при комнатной температуре в смеси с отфильтрованным от посторонних частиц воздухом. Расход воздуха для сжигания порошка алюминия должен соответствовать стехиометрии химической реакции взаимодействия алюминия с кислородом воздуха, то есть 67,2 литра кислорода на 108 г порошка алюминия. В случае сжигания порошка алюминия на воздухе потребуется около 350 литров воздуха на 108 г порошка алюминия. Распылять можно при помощи любого порошкового насоса. В реакторе происходит воспламенение и горение смеси воздуха и порошка металлического алюминия с образованием мелкодисперсного гамма-оксида алюминия. Горение смеси взвешенного порошка металлического алюминия и отфильтрованного от пыли воздуха происходит в присутствии пламени плазмогенератора. В качестве плазмогенератора использовали опытный плазмотрон частотой 2,45 ГГц и мощностью 3.5 кВт производства Обнинского ООО «САПФИР». Powder of ultrapure aluminum metal having a size of up to 200 μm was sprayed in a reactor, which was a water-cooled stainless steel cylinder. Spraying was carried out at atmospheric pressure and at room temperature in a mixture with air filtered from foreign particles. The air consumption for burning aluminum powder must correspond to the stoichiometry of the chemical reaction of the interaction of aluminum with atmospheric oxygen, that is, 67.2 liters of oxygen per 108 g of aluminum powder. In the case of burning aluminum powder in air, about 350 liters of air will be required for 108 g of aluminum powder. It can be sprayed with any powder pump. In the reactor, a mixture of air and powder of metallic aluminum is ignited and burned with the formation of finely dispersed gamma-alumina. The combustion of a mixture of suspended powder of metallic aluminum and air filtered from dust occurs in the presence of a plasma generator flame. An experimental plasmatron with a frequency of 2.45 GHz and a power of 3.5 kW produced by Obninsk LLC SAPFIR was used as a plasma generator.
Поток смеси мелкодисперсного гамма-оксида алюминия с воздухом поступает в фильтр. Фильтр представляет собой проходной электрофильтр с использованием высоковольтного источника питания постоянного тока напряжением 20 кВ, в котором благодаря полю статического электричества напряжением и силой тока до 0,5 А происходит осаждение и концентрация частиц образующегося гамма-оксида алюминия на катоде с последующим его сбором в бункере. Сбор осуществляли вручную. A stream of a mixture of finely dispersed gamma alumina with air enters the filter. The filter is a pass-through electrostatic precipitator using a high-voltage DC power supply with a voltage of 20 kV, in which, due to a static electricity field with a voltage and current up to 0.5 A, the particles of the formed gamma-alumina are deposited and concentrated on the cathode, followed by its collection in a bin. The collection was carried out manually.
В результате полученный порошок гамма-оксида алюминия имеет чистоту более или равную 99,99% и насыпной вес менее 0,2 г/см3.As a result, the obtained gamma alumina powder has a purity of more than or equal to 99.99% and a bulk density of less than 0.2 g / cm 3 .
Для дальнейшего плавления порошок гамма - оксид алюминия уплотняли путем таблетирования или гранулирования в прессе со стенками из полиэтилена или фторопласта до получения таблеток или гранул, имеющих удельный вес 1 г/см3. Пресс со стенками из полиэтилена или фторопласта используется для того, чтобы минимизировать возможность дополнительного загрязнения гамма-оксида алюминия. For further melting, the gamma alumina powder was compacted by tabletting or granulating in a press with walls of polyethylene or fluoroplastic to obtain tablets or granules having a specific gravity of 1 g / cm 3 . A press with walls made of polyethylene or fluoroplastic is used to minimize the possibility of additional contamination of gamma alumina.
Полученный таблетированный или гранулированный гамма-оксид алюминия помещали в контейнер индукционной печи, диаметром до 1 метра и высотой до 0,7 метра. Индукционная печь имеет потребляемую мощность 100 кВт, рабочую частоту электромагнитных колебаний индуктора 800 кГц/с. The obtained pelletized or granular gamma alumina was placed in an induction furnace container with a diameter of up to 1 meter and a height of up to 0.7 meters. The induction furnace has a power consumption of 100 kW, the operating frequency of electromagnetic oscillations of the inductor is 800 kHz / s.
Для плавления в индукционной печи не проводящих электричество материалов, как оксид алюминия, требуется предварительно разогреть некоторое его количество. При этом происходит дополнительная очистка оксида алюминия за счет испарения посторонних примесей при температуре около 3000°С. Кроме того. получаемый при сплавлении слиток имеет высокий удельный вес, что необходимо для оптимального наполнения тигля при дальнейшем выращивании монокристаллического лейкосапфира. To melt non-conductive materials such as aluminum oxide in an induction furnace, a certain amount of the material must be preheated. In this case, additional purification of aluminum oxide occurs due to the evaporation of impurities at a temperature of about 3000 ° C. Besides. the ingot obtained by fusion has a high specific gravity, which is necessary for optimal filling of the crucible during the further growth of monocrystalline leucosapphire.
Внутри индуктора индукционной печи материал нагревается и затем плавится в электромагнитном поле высокой частоты. Inside the inductor of an induction furnace, the material is heated and then melted in a high frequency electromagnetic field.
В контейнер индукционной печи сначала загружали половину всего количества гамма-оксида алюминия (около 150 кг). Затем в него помещали, как минимум, одно кольцо из особо чистого металлического алюминия, которое необходимо для инициирования нагрева. При этом диаметр кольца должно составлять порядка 80% от диаметра контейнера. При таком сечении кольцо металлического алюминия имеет достаточное электрическое сопротивление, чтобы оно стало нагреваться в электрическом поле индуктора. Наличие кольца необходимо для того, чтобы оно продолжало нагреваться все время вплоть до плавления прилегающих к нему участков насыпанного гамма-оксида алюминия. The induction furnace container was first charged with half of the total amount of gamma alumina (about 150 kg). Then, at least one ring of extra pure metallic aluminum was placed in it, which is necessary to initiate heating. In this case, the diameter of the ring should be about 80% of the diameter of the container. With this cross section, the ring of metallic aluminum has sufficient electrical resistance to heat up in the electric field of the inductor. The presence of a ring is necessary so that it continues to heat up all the time until the adjacent areas of the poured gamma alumina melt.
Затем загружали остальное количество оксид алюминия (150 кг), а печь включали на полную мощность. И хотя мощность печи составляет 150 кВт, на начальном этапе потребляемая мощность лимитируется лишь сопротивлением алюминиевого кольца и составляет не более 10-15 кВт. После включения индукционной печи начинается нагрев алюминиевого кольца и расплавление прилегающего к кольцу гамма-оксида алюминия, и далее все содержимое контейнера. По мере расплавления и оседания насыпанного слоя гамма-оксида алюминия производили досыпку новых порций. Новые порции сырья досыпали до момента, когда их уровень уже не опускается ниже краев контейнера, заполненного расплавом. Then charged the rest of the alumina (150 kg), and the furnace was turned on at full power. And although the furnace power is 150 kW, at the initial stage the power consumption is limited only by the resistance of the aluminum ring and is no more than 10-15 kW. After turning on the induction furnace, heating of the aluminum ring begins and the gamma alumina adjacent to the ring melts, and then the entire contents of the container. As the poured layer of gamma alumina melted and settled, new portions were poured in. New portions of raw materials were poured up to the point when their level no longer dropped below the edges of the container filled with melt.
После полной загрузки контейнера индукционной печи и плавления всего количества гамма-оксида алюминия печь выключали. При затвердевании расплава происходит выделение растворенного кислорода воздуха. В последующем в сколах слитка наблюдали пузырчатые отверстия. Слиток охлаждали естественным путем в течение 12 часов, после чего слиток остывал настолько, что его можно извлечь из контейнера и подвергнуть дальнейшей обработке. After fully loading the induction furnace container and melting all of the gamma alumina, the furnace was turned off. When the melt solidifies, dissolved air oxygen is released. Subsequently, bubble holes were observed in the ingot chips. The ingot was cooled naturally for 12 hours, after which the ingot was cooled enough that it could be removed from the container and subjected to further processing.
Весь процесс плавления материала в количестве около 400 кг длился около 2 часов, при котором происходит дополнительная очистка получаемого альфа-оксида алюминия от присутствующих следовых количеств загрязнений. Присутствующие в полученном продукте следовые примеси элементов (железо, никель, хром, кремний) имеют очень высокую плотность паров при температуре компактирования - плавления в индукционной печи. Поэтому при температуре 2500-3000°С происходит их интенсивное испарение и, соответственно, дальнейшая очистка получаемого компактного альфа-оксида алюминия.The entire process of melting the material in an amount of about 400 kg lasted about 2 hours, during which additional purification of the resulting alpha-alumina from the traces of impurities present occurs. The trace elements (iron, nickel, chromium, silicon) present in the resulting product have a very high vapor density at the temperature of compaction - melting in an induction furnace. Therefore, at a temperature of 2500-3000 ° C, their intensive evaporation occurs and, accordingly, further purification of the resulting compact alpha-alumina.
Специальный механизм опрокидывания контейнера позволяет извлечь монолитный слиток весом 300 кг, имеющий относительную плотность от 2,7 г/см3 до 3,0 г/см3 (это более 70 % от теоретической плотности в 3,96 г/см3), с чистотой получаемого продукта 99,99%, который по своим параметрам является идеальным для производства монокристаллического сапфира. A special mechanism for tipping the container allows you to extract a monolithic ingot weighing 300 kg, having a relative density of 2.7 g / cm 3 to 3.0 g / cm 3 (this is more than 70% of the theoretical density of 3.96 g / cm 3 ), with the purity of the product obtained is 99.99%, which in its parameters is ideal for the production of single crystal sapphire.
Полученный в результате слиток альфа-оксида алюминия можно расколоть на прессе до кусков необходимого размера, удобного для последующего плавления для получения монокристаллического сапфира. The resulting alpha-alumina ingot can be press split to the desired size suitable for subsequent melting to produce single crystal sapphire.
Для оценки количественного анализа химического состава применяли рентгеноспектральный флуоресцентный метод. To assess the quantitative analysis of the chemical composition, the X-ray spectral fluorescence method was used.
Результаты количественного анализа химического состава представлены в таблице 1 и на фиг. 1 и 2.The results of the quantitative analysis of the chemical composition are shown in Table 1 and FIG. 1 and 2.
Таблица 1 Table 1
% Al,
%
% Fe,
%
% Cr,
%
% Ni,
%
% Zn,
%
% Si,
%
На основании представленных данных можно сделать вывод о том, что содержание оксидов в пробе BEL в три раза выше, чем в пробе SER. Поскольку металлов кроме алюминия в значимых количествах в пробах не обнаружено, весь кислород пересчитан в оксид алюминия. В связи с тем что весовой процент кислорода в пробе BEL существенно выше, чем в пробе SER, концентрация алюминия в пробе BEL стала ниже за счет разбавления металлического алюминия оксидом, что хорошо видно на спектрах. (Фиг.1 и фиг. 2). Based on the data presented, it can be concluded that the content of oxides in the BEL sample is three times higher than in the SER sample. Since metals other than aluminum were not found in significant amounts in the samples, all oxygen was converted to aluminum oxide. Due to the fact that the weight percentage of oxygen in the BEL sample is significantly higher than in the SER sample, the aluminum concentration in the BEL sample became lower due to the dilution of metallic aluminum with oxide, which is clearly seen in the spectra. (Fig. 1 and Fig. 2).
Микроэлементный состав обеих проб по соотношению содержаний Fe/Cr/Ni идентичен распространенной марке нержавеющей стали, что указывает на возможное загрязнение проб нержавеющей сталью или продуктами ее коррозии. Обнаруженные примеси являются исходными (в сырье), т.е. проба не загрязняется (и не очищается) в процессе окисления, а наследует примеси из сырья. (Фиг.1). The trace element composition of both samples in terms of the Fe / Cr / Ni ratio is identical to the common grade of stainless steel, which indicates the possible contamination of the samples by stainless steel or its corrosion products. The detected impurities are initial (in raw materials), i.e. the sample is not contaminated (and is not purified) during the oxidation process, but inherits impurities from the raw material. (Fig. 1).
Расплав оксида алюминия на воздухе растворяет значительное сверх стехиометрическое количество кислорода из воздуха, которое затем выделяется из слитка при затвердевании. Alumina melt in air dissolves a significant over-stoichiometric amount of oxygen from the air, which is then released from the ingot during solidification.
Этот растворенный кислород в расплаве полностью окисляет те 7% металла, который остается в альфа-оксиде алюминия, полученном по заявленному способу. В результате можно сделать вывод о том, что на этапе компактирования-плавления происходит как доокисление остатков металла, так и дальнейшая очистка получаемого альфа-оксида алюминия.This dissolved oxygen in the melt completely oxidizes the 7% of the metal that remains in the alpha-alumina obtained by the claimed method. As a result, it can be concluded that at the stage of compaction-melting, both additional oxidation of metal residues and further purification of the resulting alpha-alumina occur.
Claims (6)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020133792A RU2742575C1 (en) | 2020-10-14 | 2020-10-14 | Method for producing alpha-aluminium oxide for subsequent growth of single-crystal sapphire |
| PCT/RU2021/050318 WO2022081045A1 (en) | 2020-10-14 | 2021-09-28 | Method for producing alpha-aluminium oxide for growing single crystal sapphire |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020133792A RU2742575C1 (en) | 2020-10-14 | 2020-10-14 | Method for producing alpha-aluminium oxide for subsequent growth of single-crystal sapphire |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2742575C1 true RU2742575C1 (en) | 2021-02-08 |
Family
ID=74554367
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020133792A RU2742575C1 (en) | 2020-10-14 | 2020-10-14 | Method for producing alpha-aluminium oxide for subsequent growth of single-crystal sapphire |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2742575C1 (en) |
| WO (1) | WO2022081045A1 (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111185146A (en) * | 2020-03-07 | 2020-05-22 | 聂文斐 | Preparation method of α -alumina catalyst carrier |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0108968A1 (en) * | 1982-11-09 | 1984-05-23 | Magyar Szénhidrogénipari Kutató-Fejlesztö Intézet | Process for the manufacture of active aluminium oxide |
| WO2008053536A1 (en) * | 2006-10-31 | 2008-05-08 | Denki Kagaku Kogyo Kabushiki Kaisha | Alumina powder, process for producing the same, and use thereof |
| FR2943333A1 (en) * | 2009-03-20 | 2010-09-24 | Baikowski | ALUMINA, LUMINOPHORES AND MIXED COMPOUNDS AND METHODS OF PREPARATION THEREOF |
| RU2466937C2 (en) * | 2010-12-21 | 2012-11-20 | Андрей Павлович Лысенко | Method of obtaining aluminium oxide applicable for manufacturing artificial corundum crystals |
| RU2538606C1 (en) * | 2013-12-30 | 2015-01-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Method of producing highly pure aluminium oxide by electrolysis |
| RU2552473C2 (en) * | 2009-11-20 | 2015-06-10 | Сумитомо Кемикал Компани, Лимитед | Alpha-aluminium oxide for producing monocrystalline sapphire |
| RU2568710C2 (en) * | 2010-02-11 | 2015-11-20 | Баиковски | Alpha-aluminium oxide, use thereof, corresponding synthesis method and apparatus |
| RU2630212C1 (en) * | 2016-12-19 | 2017-09-06 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Method for producing alpha-aluminium oxide of high purity |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5128081A (en) * | 1989-12-05 | 1992-07-07 | Arch Development Corporation | Method of making nanocrystalline alpha alumina |
| JP2010150090A (en) * | 2008-12-25 | 2010-07-08 | Sumitomo Chemical Co Ltd | alpha-ALUMINA POWDER |
| CN104903241A (en) * | 2012-12-17 | 2015-09-09 | 波拉尔蓝宝石有限公司 | Process for making high-purity aluminum oxide |
-
2020
- 2020-10-14 RU RU2020133792A patent/RU2742575C1/en active
-
2021
- 2021-09-28 WO PCT/RU2021/050318 patent/WO2022081045A1/en unknown
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0108968A1 (en) * | 1982-11-09 | 1984-05-23 | Magyar Szénhidrogénipari Kutató-Fejlesztö Intézet | Process for the manufacture of active aluminium oxide |
| WO2008053536A1 (en) * | 2006-10-31 | 2008-05-08 | Denki Kagaku Kogyo Kabushiki Kaisha | Alumina powder, process for producing the same, and use thereof |
| FR2943333A1 (en) * | 2009-03-20 | 2010-09-24 | Baikowski | ALUMINA, LUMINOPHORES AND MIXED COMPOUNDS AND METHODS OF PREPARATION THEREOF |
| RU2552473C2 (en) * | 2009-11-20 | 2015-06-10 | Сумитомо Кемикал Компани, Лимитед | Alpha-aluminium oxide for producing monocrystalline sapphire |
| RU2568710C2 (en) * | 2010-02-11 | 2015-11-20 | Баиковски | Alpha-aluminium oxide, use thereof, corresponding synthesis method and apparatus |
| RU2466937C2 (en) * | 2010-12-21 | 2012-11-20 | Андрей Павлович Лысенко | Method of obtaining aluminium oxide applicable for manufacturing artificial corundum crystals |
| RU2538606C1 (en) * | 2013-12-30 | 2015-01-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Method of producing highly pure aluminium oxide by electrolysis |
| RU2630212C1 (en) * | 2016-12-19 | 2017-09-06 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Method for producing alpha-aluminium oxide of high purity |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2022081045A1 (en) | 2022-04-21 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR100625726B1 (en) | Niobium Powder and a Process for the Production of Niobium and/or Tantalum Powders | |
| US7264765B2 (en) | Method and apparatus for smelting titanium metal | |
| US4804525A (en) | Producing boron carbide | |
| EP2794943B1 (en) | A method for extraction and refining of titanium | |
| US5623725A (en) | Process for producing very pure platinum materials, semi-finished parts and foils dispersion-reinforced with Y203 | |
| US5176810A (en) | Method for producing metal powders | |
| RU2742575C1 (en) | Method for producing alpha-aluminium oxide for subsequent growth of single-crystal sapphire | |
| US4414188A (en) | Production of zirconium diboride powder in a molten salt bath | |
| EP0130016B1 (en) | Method of producing an aluminium boride | |
| EP3424627A1 (en) | Nickel powder production method | |
| CN107074574B (en) | Method for producing plate-like alumina powder | |
| RU2599475C1 (en) | Method of producing aluminium-silicon alloy in electrolyzer for aluminium production | |
| RU2539593C1 (en) | Electrochemical method of obtaining of powder of calcium hexaboride | |
| Suzuki et al. | Titanium powder prepared by magnesiothermic reduction of Ti 2+ in molten salt | |
| US8569565B2 (en) | Process for recycling spent pot linings (SPL) from primary aluminium production | |
| JP2019085303A (en) | Manufacturing method and manufacturing device of silicon | |
| AU566618B2 (en) | Treatment of zircon | |
| JP2000153250A (en) | Decomposition method of semiconductor scrap | |
| CN112028105B (en) | Method for preparing nano praseodymium oxide by fused salt coprecipitation method | |
| RU2378397C1 (en) | Method of flux receiving for melting and refinement of magnesium or its alloys | |
| TW503218B (en) | Tantalum sputtering target and method of manufacture | |
| RU2200705C1 (en) | Method of treating oxide magnesium-containing raw material before electrolysis | |
| WO2023131569A1 (en) | Powdered lithium oxide, process for its preparation and its use | |
| Suzuki et al. | Titanium Powder Preparation by Mg Reduction of Titanium Chlorides in the Molten Salt | |
| KR970010804B1 (en) | Making method of zirconia |