一种蓝宝石炉保温层用高纯度立方体氧化锆细颗粒的制备方法

摘要

本发明公开了一种蓝宝石炉保温层用高纯度立方体氧化锆细颗粒的制备方法，本发明在制备的高纯度细颗粒的立方体氧化锆过程中，不仅保证了氧化锆的纯度，而且采用的碳酸盐原位产生气体起到了粉碎氧化锆晶体的作用，得到了细小的晶体颗粒。应用于蓝宝石炉钨坩埚和钨托、保温片和保温片、保温桶和保温桶之间，有效的解决了再蓝宝石生产过程之中，发生因为析晶产生的粘合危害，同时加快了整个生产周期的，在出炉后续清理缩短50％的时间。

说明书

技术领域

本发明属于耐火材料领域，主要涉及一种蓝宝石炉保温层用高纯度立方体氧化锆细颗粒的制备方法。

背景技术

当前蓝宝石泡生法，在高真空高温环境之下长晶而成，最高温度到达2050℃，采用钨坩埚，钨钼材料的热场和保温屏，这些材料都具备耐高温特性，但是在2000多℃的高温之上，会形成表面单晶体的析晶造成保温片和保温片连接局部粘合一体，钨坩埚和钨托局部粘合一体，在完成长晶后续取出造成意外，而且需要费时维修大大加长整个生长周期。

氧化锆有多种晶体形态，有单斜、四方、立方晶相，只有立方体晶体状态的氧化锆才能承受2000℃以上的高温，而氧化锆本身纯度影响所能承受温度上限。纯净的氧化锆是白色固体，含有杂质时会显现灰色或淡黄色，添加显色剂还可显示各种其它颜色。纯氧化锆的分子量为123.22，理论密度是5.89g/cm3，熔点为2715℃。通常含有少量的氧化铪，难以分离，但是对氧化锆的性能没有明显的影响。常温下氧化锆只以单斜相出现，加热到1100℃左右转变为四方相，加热到更高温度会转化为立方相。由于在单斜相向四方相转变的时候会产生较大的体积变化，冷却的时候又会向相反的方向发生较大的体积变化，容易造成产品的开裂，限制了纯氧化锆在高温领域的应用。但是添加稳定剂以后，四方相可以在常温下稳定，因此在加热以后不会发生体积的突变。

在蓝宝石生长炉之中，钨坩埚和钨托等连接是精密连接，不能采用大颗粒氧化锆晶体，而采用超细粉末氧化锆晶体颗粒，在长晶炉内一直不停持续高真空抽取的情况下，会造成蓝宝石晶体纯度污染(蓝宝石要求的原材料氧化铝需要达到99.9999％的纯度)

高纯度的氧化锆在高温之下有着一个不利的特点，在高温之下热胀冷缩对比钨钼材料更加大，这会破坏钨钼材料连接的相对水平，因为在蓝宝石长晶之中，水平要求非常高。

当前大多采用小钨钼薄片放置在钨坩埚和钨托、保温片和保温片、保温桶和保温桶的连接部位之间，这会一定程度降低粘合一体的风险，但依然无法完全避免。

所以开发一种高纯度、稳定、颗粒细小的氧化锆具有重要的工业应用价值。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种蓝宝石炉保温层用立方体氧化锆细颗粒颗粒的制备方法，本发明立方体氧化锆颗粒可用于蓝宝石炉钨坩埚和钨托的连接，保温片和保温片的连接，保温桶和保温桶的连接。本发明立方体氧化锆颗粒用于蓝宝石炉保温层可降低粘合风险，只需要每一次开炉进行简单清理，大大降低生长周期之外的清理工作和可能出现的意外。

本发明是通过以下技术方案实现上述目的的，一种蓝宝石炉保温层用高纯度立方体氧化锆细颗粒的制备方法，包括以下步骤：

1)氧氯化锆预处理工序：工业级氧氯化锆溶于水中搅拌，升温至60℃使固体溶清，然后加入四氢呋喃至溶液呈浑浊状，升温至回流；保持回流0.5h，然后降温至65℃保温搅拌0.5h，然后以10℃/h的降温速率降温至20-30℃后抽滤，滤饼用四氢呋喃洗涤后抽干；抽干后的滤饼再次溶于水中搅拌溶解，待体系完全溶解后室温下快速滴入二氯甲烷中剧烈搅拌析晶抽滤，得高纯度氧氯化锆；

2)氧化锆颗粒制备工序：将步骤1)中高纯度氧氯化锆溶于水后，通过直径为0.2微米微孔滤膜过滤，去除不容物；滤液中加入氧氯化锆千分之一重量的氯化钇作为稳定剂搅拌溶解升温至35℃，然后在搅拌的情况下快速加入无机碱进行中和沉淀，调节pH至8.2自然降温至室温析晶6-8小时后抽滤；滤饼用40℃热水洗涤，收集滤饼于200℃鼓风干燥3h，然后升温至1050℃高温煅烧24h后粉碎得氧化锆颗粒。

氧化锆颗粒制备工序中所述无机碱为碳酸氢钠、碳酸钠、碳酸氢钾或碳酸钾中的任意一种，优选碳酸氢钠或碳酸氢钾，更有选为碳酸氢钾。

本发明在氧氯化锆预处理工序中采用结晶的方式进行纯化，采取冷却析晶和滴加反溶剂的方式确保了氧氯化锆的纯度；一次结晶中采取与水互溶的四氢呋喃为反溶剂，可以有效控制结晶过程中的结晶势；二次结晶中采取二氯甲烷为反溶剂，在剧烈的搅拌下滴入到反溶剂中，提高了结晶的结晶势；采取两种方式结合促使制备出的氧氯化锆纯度高，而且质量均一。

高纯度氧氯化锆制备氧化锆时添加少量氯化钇作为氧化锆的稳定剂，不仅提高了氧化锆在高温煅烧时的稳定性，而且避免了后期用作蓝宝石保温层产生形变的风险。

本发明在由氧氯化锆制备氧化锆采取无机碱碳酸氢钠、碳酸钠、碳酸氢钾或碳酸钾作为碱来进行中和沉淀来制备氧化锆，一方面利用了碳酸氢钠、碳酸钠、碳酸氢钾或碳酸钾的碱性，使生成的氧化锆从水溶液中洗出来；另一方面利用了这些无机碱都具有碳酸根或者碳酸氢根，在与酸反应时可以释放出二氧化碳，原位释放出的二氧化碳可以使生成的氧化锆颗粒变得更加细小，起到了原位粉碎晶体颗粒的作用；在35℃下，生成的二氧化碳气泡不会因高温而迅速破裂而起不到原位粉碎生成的或者因低温而造成二氧化碳累计引发冲料的问题。在本发明的工艺下，制备出的颗粒不仅小，而且粒度分布均匀，利于后期加工。

本发明不仅制备出了高纯度氧化锆，而且通过添加氯化钇作为稳定剂克服了高纯度氧化锆在高温之下热胀冷缩对比钨钼材料大的缺点，解决了高纯度氧化锆不能用于蓝宝石炉保温层的问题。

根据本发明的另一个方面，所述制备的高纯度立方体氧化锆细颗粒用于蓝宝石炉钨坩埚和钨托、保温片和保温片、保温桶和保温桶之间。

连接的原则是不以二个连接部位发生直接接触，避免再高温下接触发生析晶就会连接一体，导致结束后无法正常分离。

本发明制备的高纯度立方体氧化锆细颗粒替代原本采用钨钼片隔离，缩短整个蓝宝石生长炉生产周期，避免出现粘结造成不必要的损失。

生产中的钨坩埚是盛装蓝宝石原材料的设备，生产过程之中里面会最高到达2050℃。钨托是将钨坩埚托起悬空在炉内最中心区域，纯钨材料。保温片是保护电阻加热下钨坩埚高温的热量辐射散发。钨钼材料分为上下，还有圆筒，保温片是一层层，也是多部分的。保温桶是保护电阻加热下钨坩埚高温的热量辐射散发，钨材料，圆柱型的。保温桶采用多段的，采用凹槽连接

与现有技术相比，本发明具有如下优点：本发明在制备的高纯度细颗粒的立方体氧化锆过程中，不仅保证了氧化锆的纯度，而且采用的碳酸盐原位产生气体起到了粉碎氧化锆晶体的作用，得到了细小的晶体颗粒。应用于蓝宝石炉钨坩埚和钨托、保温片和保温片、保温桶和保温桶之间，有效的解决了再蓝宝石生产过程之中，发生因为析晶产生的粘合危害，同时加快了整个生产周期的，在出炉后续清理缩短50％的时间。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。

实施例1

蓝宝石炉保温层用高纯度立方体氧化锆细颗粒的制备方法，包括以下步骤：

氧氯化锆预处理工序：工业级氧氯化锆溶于水中搅拌，升温至60℃使固体溶清，然后加入四氢呋喃至溶液呈浑浊状，升温至回流；保持回流0.5h，然后降温至65℃保温搅拌0.5h，然后以10℃/h的降温速率降温至20-30℃后抽滤，滤饼用四氢呋喃洗涤后抽干；抽干后的滤饼再次溶于水中搅拌溶解，待体系完全溶解后室温下快速滴入二氯甲烷中剧烈搅拌析晶抽滤，得高纯度氧氯化锆；

氧化锆颗粒制备工序：将上述高纯度氧氯化锆溶于水后，通过直径为0.2微米微孔滤膜过滤，去除不容物；滤液中加入氧氯化锆千分之一重量的氯化钇作为稳定剂搅拌溶解升温至35℃，然后在搅拌的情况下快速加入碳酸氢钠进行中和沉淀，调节pH至8.2自然降温至室温析晶6-8小时后抽滤；滤饼用40℃热水洗涤，收集滤饼于200℃鼓风干燥3h，然后升温至1050℃高温煅烧24h后粉碎得氧化锆颗粒。

实施例2

蓝宝石炉保温层用高纯度立方体氧化锆细颗粒的制备方法，包括以下步骤：

氧氯化锆预处理工序：工业级氧氯化锆溶于水中搅拌，升温至60℃使固体溶清，然后加入四氢呋喃至溶液呈浑浊状，升温至回流；保持回流0.5h，然后降温至65℃保温搅拌0.5h，然后以10℃/h的降温速率降温至20-30℃后抽滤，滤饼用四氢呋喃洗涤后抽干；抽干后的滤饼再次溶于水中搅拌溶解，待体系完全溶解后室温下快速滴入二氯甲烷中剧烈搅拌析晶抽滤，得高纯度氧氯化锆；

氧化锆颗粒制备工序：将上述高纯度氧氯化锆溶于水后，通过直径为0.2微米微孔滤膜过滤，去除不容物；滤液中加入氧氯化锆千分之一重量的氯化钇作为稳定剂搅拌溶解升温至35℃，然后在搅拌的情况下快速加入碳酸氢钾进行中和沉淀，调节pH至8.2自然降温至室温析晶6-8小时后抽滤；滤饼用40℃热水洗涤，收集滤饼于200℃鼓风干燥3h，然后升温至1050℃高温煅烧24h后粉碎得氧化锆颗粒。

实施例3

蓝宝石炉保温层用高纯度立方体氧化锆细颗粒的制备方法，包括以下步骤：

氧氯化锆预处理工序：工业级氧氯化锆溶于水中搅拌，升温至60℃使固体溶清，然后加入四氢呋喃至溶液呈浑浊状，升温至回流；保持回流0.5h，然后降温至65℃保温搅拌0.5h，然后以10℃/h的降温速率降温至20-30℃后抽滤，滤饼用四氢呋喃洗涤后抽干；抽干后的滤饼再次溶于水中搅拌溶解，待体系完全溶解后室温下快速滴入二氯甲烷中剧烈搅拌析晶抽滤，得高纯度氧氯化锆；

氧化锆颗粒制备工序：将上述高纯度氧氯化锆溶于水后，通过直径为0.2微米微孔滤膜过滤，去除不容物；滤液中加入氧氯化锆千分之一重量的氯化钇作为稳定剂搅拌溶解升温至35℃，然后在搅拌的情况下快速加入碳酸钠进行中和沉淀，调节pH至8.2自然降温至室温析晶6-8小时后抽滤；滤饼用40℃热水洗涤，收集滤饼于200℃鼓风干燥3h，然后升温至1050℃高温煅烧24h后粉碎得氧化锆颗粒。

实施例4

蓝宝石炉保温层用高纯度立方体氧化锆细颗粒的制备方法，包括以下步骤：

氧氯化锆预处理工序：工业级氧氯化锆溶于水中搅拌，升温至60℃使固体溶清，然后加入四氢呋喃至溶液呈浑浊状，升温至回流；保持回流0.5h，然后降温至65℃保温搅拌0.5h，然后以10℃/h的降温速率降温至20-30℃后抽滤，滤饼用四氢呋喃洗涤后抽干；抽干后的滤饼再次溶于水中搅拌溶解，待体系完全溶解后室温下快速滴入二氯甲烷中剧烈搅拌析晶抽滤，得高纯度氧氯化锆；

氧化锆颗粒制备工序：将上述高纯度氧氯化锆溶于水后，通过直径为0.2微米微孔滤膜过滤，去除不容物；滤液中加入氧氯化锆千分之一重量的氯化钇作为稳定剂搅拌溶解升温至35℃，然后在搅拌的情况下快速加入碳酸钾进行中和沉淀，调节pH至8.2自然降温至室温析晶6-8小时后抽滤；滤饼用40℃热水洗涤，收集滤饼于200℃鼓风干燥3h，然后升温至1050℃高温煅烧24h后粉碎得氧化锆颗粒。

尽管已经详细描述了本发明的实施方式，但是应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明的实施方式做出各种改变、替换和变更。