СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКОГО ФИЛЬТРУЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА С ВОЛОКНИСТОЙ СТРУКТУРОЙ
METHOD OF MAKING CERAMIC FILTER ELEMENT WITH FIBROUS STRUCTURE

Изобретение относится к химической технологии керамики, а именно к изготовлению керамических изделий с композитной волокнистой структурой материала, используемых в качестве высокотемпературных фильтрующих элементов и теплоизоляции.
В условиях эксплуатации при высоких температурах (~800-900°С) и воздействия сложной газовой среды, содержащей водяные пары, хлор, окислы азота, серы, углерода, к материалам композитной структуры предъявляют высокие требования к устойчивости от химической коррозии. В научно-технической литературе особое внимание уделяется устойчивости выбранных материалов в зависимости от химического состава, примесей и модификационных превращений (1. П.П.Будников. Химия и технология силикатов. - Киев: Наукова Думка, 1964, с. 136-137; с.496-501; 2. Коршиков Б.Г., Стефанюк С.А. Введение в хлорную металлургию редких элементов - М.: Металлургия, 1970, с.173). 3. Рудников П.П., Харитонов Ф.Я.: Керамические материалы для агрессивных сред. - М.: Стройиздат, 1971, с.114-123).
2
3
2
2
В каждом конкретном случае устойчивость против коррозии возрастает при создании материалов однофазного состава, отсутствии или равномерности распределения примесей, устойчивости к модификационной форме. Например, для хлорсодержащих газов наиболее устойчивыми материалами в условиях эксплуатации до 900°С является кремнезем в -тридимитной форме или муллит 3AlО·2SiO с избытком SiO.
С технологической точки зрения необходимо экспериментальное подтверждение влияния технологических параметров на получение изделий заданной формы и габаритов, плотности материала, структурных факторов и состава, определяющих устойчивость материала в реальных эксплуатационных условиях.
В мировой практике существует способ получения изделий с волокнистой структурой, основанный на осаждении суспензий, содержащих неорганические волокна и неорганические соединения, образующие после термообработки керамическую связку, фиксирующую волокна между собой, перед сушкой смесь уплотняют посредством фильтрования под разряжением (Fr 2553758, 1983; RU 2075329, 20.03.97; RU 2170610, 20.07.2001; US 5849375 А, 15.12.1998).
Недостатком известного способа является относительно невысокая пористость, что не позволяет использовать фильтрующие элементы в установках с большим объемом очищаемых газов вследствие малого объема проницаемых пор и низкой производительности.
Наиболее близким аналогом по функциональному назначению и решаемым задачам является способ изготовления керамического фильтрующего элемента с волокнистой структурой (RU 2288903 С1, 10.12.2006).
L
Способ изготовления керамического фильтрующего элемента с волокнистой структурой включает диспергацию керамических волокон до заданного соотношения /d, приготовление суспензии из керамических волокон в присутствии поверхностно-активного вещества (ПАВ), получение бингамовских жидкостей, содержащих полимерное связующее пленочного типа и керамическую связку из фосфорсодержащих соединений, введение в жидкую смесь указанных волокон, осаждение суспензии посредством фильтрования под разрежением, сушку, обжиг при температуре образования кристаллических фаз заданного химического состава керамической связки, но ниже температуры перекристаллизации материала указанного волокна.
Недостатком известного способа является порядок операций подготовки суспензий с использованием многофазных компонентов, не позволяющих реализовать равномерное объемное распределение однофазной связки в виде наноразмерных частиц, которая выполняет не только роль связующего агента, фиксирующего волокна между собой, но и образует пленку на поверхности волокна, повышающую устойчивость волокнистой композиции к химически агрессивному компоненту фильтруемого газа.
Целью предлагаемого технического решения является разработка способа изготовления керамического фильтрующего элемента из материала волокнистой структуры повышенного качества и химической стойкости в хлорсодержащих средах.
L
d
Для этого в способе изготовления керамического фильтрующего элемента, включающем диспергацию керамических волокон до заданного соотношения /, приготовление суспензии из керамических волокон, керамической связки, связующего, сушку, осаждение и обжиг, получают коллоидный раствор кремнезоля в дисперсионной кислой среде, вводят муллитовые волокна, проводят гомогенизацию, в полученную суспензию вводят связующие в виде мицелярной системы органического высокомолекулярного соединения, проводят гомогенизацию, а обжиг осуществляют в интервале температур образования -тридимитной модификации кремнезема.
Сущность заявляемого технического решения состоит в последовательности операций, которые в совокупности с выбранными компонентами, обеспечивающими объемную равномерность распределения керамической связки, позволяют организовывать комплексный технологический процесс получения изделий из материала волокнистой структуры.
Диспергационная кислая среда позволяет получить на поверхности волокна и наночастиц кремнезоля заряды разные по знаку (+ и -), что обеспечивает равномерное распределение частиц кремнезоля по поверхности волокна в виде пленки, которая устойчива к ионам хлора в результате обжига при температурах образования альфа-тридимитной модификации кремнезема и обеспечивает достижение поставленной цели.
На основании экспериментальных исследований в реализации технического процесса могут быть использованы:
- диспергационная кислая среда с рН выше 3;
- коллоидный раствор кремнезоля с размером частиц 2-10 нм;
- дискретные муллитовые волокна с диаметром 5-10 мкм и длиной 1000-2000 мкм;
- органическое высокомолекулярное соединение в виде картофельного крахмала;
- крахмал холодного набухания, марки Solvitose PLV
Примеры осуществления способа.
Пример 1.
Изготавливали водную дисперсионную среду в количестве 5 л, устанавливая с помощью НСl рН равным 3.
г
л
В кислую дисперсионную среду вводили кремнезоль в количестве 10 мл при концентрации диоксида 30 /.
х
Смесь гомогенизировали в высокоскоростной мешалке с числом оборотов 2500 в минуту в течение 3 мин.
г
л
2
После введения 20 г муллитовых волокон диаметром 5-10 мкм и длиной 1000-2000 мкм проводили смешивание в течение 5 мин. В подготовленную суспензию вводили коллоидный раствор картофельного крахмала марки Solvitose PLV в количестве 10 мл, при концентрации крахмала 30 /. Проводили гомогенизацию суспензии при содержании компонентов на сухой вес, мас.%: муллитовое волокно - 95,7, SiO - 2,8; крахмал - 1,5. Концентрация волокна в суспензии составляла 0,4%.
Полученную суспензию осаждали на перфорированной металлической оправке длиной 100 мм и диаметром 60 мм при толщине стенки 3 мм. Разряжение внутри оправки составляло 0,7-0,8 Па. Для получения изделий, по толщине сравниваемых с прототипом (2,2-2,4 мм), и концентрации волокна в суспензии 0,4 мас.% время осаждения составляло 30 с. После окончания процесса осаждения проводили фильтрацию воздуха при температуре 70-80°С в течение 20-25 мин.
2
Обжиг заготовки проводили в воздушной туннельной печи при температуре 1280-1300°С. В результате обжига получали фильтрующие элементы из волокнистого композиционного материала, содержащего компоненты, мас.%: муллитовое волокно - 97, SiO - 3.
Пример 2.
2
2
Процесс осуществляют аналогично примеру 1, но рН равнялось 4, а суспензия содержала компоненты на сухой вес, мас.%: муллитовое волокно - 91,7; SiO - 5; крахмал 3,3. После обжига при 900-950°С получали состав материала фильтрующего элемента, мас.%: муллитовое волокно - 94,5, SiO - 5,5.
Пример 3.
2
2
Процесс осуществляют аналогично примеру 1, но рН равнялось 5, а суспензия содержала компоненты на сухой вес мас.%: муллитовое волокно - 87,7, SiO - 7,0, крахмал 5,3, что соответствовало составу материала после обжига, при 1400-1450°С, мас.%: муллитовое волокно - 92, SiO - 8.
В каждом примере из изделий вырезались образцы из разных точек объема (10-15 образцов) и по стандартным методикам для огнеупорной промышленности контролировали содержание компонентов, физические свойства и устойчивость в хлорсодержащей среде. Анализ химического состава образцов показал, что во всех случаях содержание компонентов не отличается от расчетного, а доверительный интервал значений находится в пределах ±0,2%, определяет высокую структурную однородность материала.
Данные таблицы свидетельствуют, что предлагаемый способ изготовления керамических фильтрующих элементов позволяет получать продукцию с повышенными эксплуатационными характеристиками и является конкурентноспособным по сравнению с аналогичными техническими решениями.
Образец
Содержание компонентов, формирующих структуру материала, мас.%
Связующее, % от веса волокна
Сопротивление потоку воздуха, мм вод. столба
Потеря веса в НСl, %/сут.
Керамическое волокно
Керамическая связка
1
97
3
1,5
1,2
0,3
2
94,5
5,5
3,75
2,1
0,1
3
92
8
6
2,6
0,1
Прототипы
4
97
3
1,5
1,8
2,2
5
94,5
5,5
3,75
2,7
2,6
6
92
8
6
3,2
2,7