آلومینای ذوبی یک ماده نسوز بسیار سخت و مقاوم در برابر مواد شیمیایی بر پایه اکسید آلومینیوم (Al₂O₃) است. آلومینای ذوبی سفید، از 99–98 درصد آلفاآلومینا و 2–1 درصد ناخالصی‌‌های دیگر به شکل آلومینات‌های سدیم آلومینا بالا و سایر مواد معدنی تشکیل شده است. این نوع از آلومینا، یک فرآیند ذوب قوسی آلومینا است که درنتیجه آن گاماآلومینا به‌طور کامل به آلفاآلومینا تبدیل می‌شود.

خلوص شیمیایی آلومینای ذوبی یکی از ویژگی‌های اساسی است که میزان استقبال مصرف‌کننده و ارزش بازار آن را تعیین می‌کند. استفاده از آلومینای ذوبی سفید با خلوص شیمیایی بالا، سبب افزایش مقاومت حرارتی، مقاومت در برابر فرسایش، استحکام و کاهش تخلخل، کاهش عیوب تولید در فرآیند گرمایش دیرگداز و به دنبال آن، سردشدن در سراسر محدوده دمایی کوره است. بنابراین، به‌دست‌آوردن کوراندوم با خلوص شیمیایی بالا، امری ضروری و مهم است. هدف از مطالعه حاضر، بررسی راندمان خالص‌سازی آلومینای ذوبی سفید صنعتی با کلسیناسیون دما بالا در خلاء است. در این پژوهش، سه نمونه پودر آلومینا با خلوص اولیه و توزیع اندازه ذرات مختلف مورد مطالعه قرار گرفته است.

بررسی نتایج پژوهش و تشریح آن‌ها

نتایج آنالیز شیمیایی نمونه‌های آلومینای ذوبی قبل و بعد از عملیات خلاء با دمای بالا و پارامترهای ساختار متخلخل دانه‌های نمونه در جدول 1 ارائه شده است.

بر اساس این جدول، نتایج آنالیز طیف‌سنجی جرمی ترکیب شیمیایی پودرهای آلومینا نشان می‌دهد که میزان ناخالصی کل پس از کلسیناسیون حدود ده برابر کاهش یافته است و خلوص آلومینا بالاتر از 91/99 درصد است. مقایسه داده‌های اندازه‌گیری نوری توزیع اندازه ذرات و داده‌های تخلخل‌سنجی نشان می‌دهد که دانه‌های آلومینای ذوبی ساختاری متخلخل دارند و از میکروذراتی با اندازه مشخصه حدود 5/0 میکرون تشکیل شده‌اند. عملیات حرارتی نمونه‌ها به همراه عملیات زینترینگ انجام می‌شود که منجر به کاهش تخلخل و سطح ویژه نمونه‌ها می‌شود (جدول 1 و شکل 1).

ناخالصی‌های موجود در آلومینای ذوبی را می‌توان به سه گروه تقسیم کرد:

• گروه اول مطابق جدول 1، عناصر Na, K, Fe با غلظت اولیه نسبتا بالا در نمونه‌ها 1700-500 میکروگرم بر گرم هستند که پس از کلسیناسیون در خلاء، مقدار آن‌ها به‌طور قابل‌توجهی کاهش یافته است.
• گروه دوم عناصر Cu، Mg، Mn و Zn هستند. مقدار اولیه آن‌ها نسبتا کم و حدود 60-20 میکروگرم بر گرم است که پس از کلسیناسیون مقدار آن‌ها تا آستانه تشخیص دستگاه طیف‌سنجی کاهش یافته است.
• گروه سوم عناصر Ca و Ga به‌ترتیب دارای غلظت اولیه 500-200 میکروگرم بر گرم و 130-110 میکروگرم بر گرم هستند. مقدار این عناصر در نمونه‌های اولیه بسیار زیاد بوده و پس از عملیات حرارتی غلظت آن‌ها بسیار تغییر کرده است.

خالص‌سازی آلومینای متخلخل شامل مراحل اصلی زیر است:

1. نفوذ ناخالصی‌ها به سطح میکروذره فشرده و به دنبال آن تبخیر (تصعید) از سطح میکروذره.
2. نفوذ نادسن ناخالصی‌ها از طریق تخلخل‌های موجود در بدنه دانه به سطح آن و بیشتر.
3. نفوذ نادسن ناخالصی‌ها از سطح دانه به سطح بیرونی نمونه پودری

شدت خروج ناخالصی از نمونه با سرعت نفوذ ناخالصی و سرعت تبخیر آن از سطح میکروذره تعیین می‌شود. شدت فرآیند دوم با مقادیر فشار تعادلی بخار ناخالصی در دمای معین و غلظت فعلی ناخالصی روی سطح میکروذره تعیین می‌شود.

مقایسه نتایج آنالیز شیمیایی و داده‌های تخلخل‌سنجی پودرهای آلومینای ذوبی (جدول 1) نشان می‌دهد که بیشترین آزادسازی آهن برای نمونه با توسعه‌یافته‌ترین سطح یعنی نمونه III مشاهده شده است. درنتیجه، آزادسازی آهن به واسطه تصعید از سطح میکروذرات محدود شده است. لازم به تاکید است که برای طول نفوذ مشخصه مربوط به اندازه دانه (حدود 10 میکرومتر)، زمان آزادسازی برای ناخالصی‌های آهن حدود 100 ساعت خواهد بود. آزادسازی قابل‌توجهی از ناخالصی‌های آهن به دلیل این واقعیت است که دانه‌های آلومینا از میکروذرات با اندازه حدود 5/0 میکرومتر تشکیل شده‌اند. یعنی زمان نفوذ مشخصه در یک میکروذره جامد با زمان آزمایش قابل مقایسه است.

ضریب نفوذ نادسن برای سدیم به همان ترتیب ضریب نفوذ سدیم در یک اکسید پیوسته است. بنابراین، سرعت نفوذ به اندازه کافی بالا است و سرعت آزادسازی سدیم با سرعت تبخیر از سطح میکروذرات کنترل می‌شود. می‌توان پیشنهاد کرد که در مورد آزادسازی پتاسیم نیز همین وضعیت رخ می‌دهد. ضرایب نفوذ مس و منیزیم در آلومینای فشرده بالاتر از آهن است. پیشنهاد شده است که آزادسازی این عناصر با تصعید کنترل می‌شود. تأثیر بسیار ضعیف کلسیناسیون خلاء بر غلظت کلسیم و گالیم (گروه سوم عناصر) احتمالا به این دلیل است که این عناصر در حالت اکسیدهای نسوز بی‌اثر هستند. نقطه ذوب اکسید کلسیم در حدود 2570 درجه سانتیگراد و اکسید گالیم در شبکه کریستالی کوراندوم کمتر از 1806 درجه سانتیگراد نیست، یعنی به‌طور قابل‌توجهی بالاتر از دمای عملیات حرارتی( 1750 درجه سانتیگراد) است.

بنابر نتایج این پژوهش می‌توان گفت که کلسیناسیون در دمای حدود 1750 درجه سانتیگراد در خلاء حدود 10-5 torr، روشی ساده برای افزایش خلوص آلومینای ذوبی سفید است. پس از کلسیناسیون، مقدار کل ناخالصی در نمونه‌ها ده برابر کاهش می‌یابد. همچنین خلوص این ماده از 6/99-2/99 به 95/99-91/99 تغییر می‌کند. مقایسه داده های دانه‌سنجی نوری نمونه‌ها و داده‌های تخلخل‌سنجی نشان می‌دهد که دانه‌های نمونه‌های پودری ساختار متخلخل دارند و از میکروذرات با اندازه مشخصه حدود 5/0 میکرون تشکیل شده‌اند. درنتیجه، زمان نفوذ مشخصه در یک میکروذره با زمان آزمایش قابل مقایسه است. افزایش دمای عملیات حرارتی آلومینای متخلخل، دو فرآیند رقیب را فعال می‌کند. افزایش دما با افزایش سرعت نفوذ و تصعید همراه است. از طرف دیگر، افزایش دمای کلسیناسیون باعث فعال‌شدن زینترینگ میکروذرات آلومینای ذوبی می‌شود، درنتیجه اندازه آن‌ها افزایش می‌یابد، سطح ویژه آن‌ها کاهش می‌یابد و آزادسازی ناخالصی‌ها نیز کاهش می‌یابد. نتایج ارائه‌شده می‌تواند برای تولید آلومینا با خلوص بالا در مقیاس صنعتی نیز استفاده شود.