СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ФИЛЬТРУЮЩЕЙ ПЕНОКЕРАМИКИ
METHOD FOR MAKING FILTER FOAMED CERAMICS

Изобретение относится к способу производства фильтрующей пенокерамики, предназначенной для рафинирования расплавленных металлов, в частности алюминия и алюминиевых сплавов, и может использоваться при производстве алюминия и алюминиевых сплавов и изделий методом литья, а также в качестве фильтрующего элемента для очистки газов, водных и жидких органических сред и в качестве носителей катализаторов в химических и биохимических процессах.
Уровень техники
Изобретение позволяет снизить себестоимость фильтров для рафинирования алюминия и алюминиевых сплавов в три-четыре раза по сравнению с ныне действующими высокотемпературными технологиями.
Известен способ [SU №1175924 A1, 21.03.1984] изготовления пористых изделий для рафинирования расплавленного металла, включающий смешение монофракционного электрокорунда с магниевым монтмориллонитом и концентрированной ортофосфорной кислотой, добавление воды, сушку и обжиг при 1140°С в течение 6 часов.
Недостатками способа являются высокая стоимость монофракционного электрокорунда и значительные энергозатраты на высокотемпературный длительный по времени отжиг изделий.
Известен способ [SU №1726455 A1, 15.12.1989] изготовления пенокерамики для рафинирования стали и суперсплавов, включающий использование керамического шликера в составе (мас.%): тонкомолотые α-глинозем или корунд 23÷41 и γ-глинозем 15÷17, ортофосфорная кислота 24÷30, тонкомолотый стабилизированный диоксид циркония 20÷30 с добавкой активного оксида галлия. Суспензией шликера пропитывают заготовки трехмерной полиуретановой сетки (ПУС), отжимают излишки шликера, сушат при 90-100°С и отжигают при 1700°С.
Недостатками способа являются: использование дорогих материалов (диоксид циркония, корунд, оксид галлия) и высокотемпературный отжиг.
Известен способ [SU №1770314 A1, 14.02.1990] изготовления фильтрующей пенокерамики, включающий пропитку заготовки ПУС водной суспензией состава (мас.%): двуокиси кремния (54÷60), корунда (35÷5), окиси магния (10÷33), удаление избытка суспензии сжатым воздухом, выдерживанием 1 час при 600-800°С и 2 часа при 1150-1360°С, повторную пропитку заготовок шликером и повторение всех последующих стадий.
Недостатками способа являются высокая стоимость используемых индивидуальных соединений и значительные энергозатраты на термообработку заготовок.
Известен способ [SU №2196755 С2, 10.12.1999] изготовления пенокерамики для рафинирования металлов, включающий пропитку пористых материалов керамическим шликером состава (мас.%): тонкомолотый дунит, форстерит или брак форстеритовых изделий (60÷80) и тонкомолотая смесь периклаза или брака периклазовых изделий и глины в соотношении 80:20-90:10-20:40. Обжиг пенокерамики проводят при 1200-1750°С. Время обжига не указано.
Недостатками способа являются очень высокие энергозатраты.
Наиболее близким по сущности техническим решением является способ [SU №2196756 С2, 10.12.1999] изготовления фильтрующей пенокерамики, включающий пропитку органической пены керамическим шликером, содержащим, мас.%: алюмосиликатная пыль с элктрофильтров в расчете на корунд (30÷90), магнезитовый шлам (0.5÷20), оксид калия (2÷8), диоксид кремния (4÷40), металлургический шлак или смесь солей железа II и III и галлия - остальное. Пропитанные шликером заготовки сушат при 250÷300°С и отжигают при 1200÷1600°С.
Недостатками способа являются высокие энергозатраты.
Изобретение решает задачу производства фильтрующего элемента для рафинирования расплавленного металла, в частности, алюминия и алюминиевых сплавов при значительном по сравнению с прототипом [5] снижении расходов на сырьевые материалы и электроэнергию.
3
2
3
2
3
2
2
3
2
3
Технический результат достигается тем, что фильтрующую керамику получают пропиткой трехмерной полиуретановой сетки (ПУС) форкерамической массой состава (мас.%): высокомодульное жидкое стекло (50÷75), гидроксид алюминия (20÷40), высокоглиноземистый цемент или корунд до 30, технические углеводы (сахароза, патока) 3÷5 и вода техническая в количестве, необходимом для получения оптимальной консистенции. ПУС представляют собой трехмерные сетки из открытоячеистого полиуретана с числом пор на квадратный дюйм (ppi) 10-30 и размером пор 0.6-3.2 мм. Были использованы сетки отечественного (ГОСТ 3306-80) и немецкого производства марки REGICELL фирмы FOAMPARTNER, высокомодульное жидкое стекло (ВМЖС) плотностью 1.35-1.5 г/см и модулем 2.6-2.8; высокоглиноземистый цемент (ВГЦ) ТУ 6-03-339-78 с содержанием AlО - 70.3%, CaO - 28.6%, FeO - 0.06%, SiO - 0.56%, MgO - 0.18%; корунд ГОСТ 24704-81 с содержанием AlО≤95%, FО не более 0.6%.
Осуществление изобретения
Проводили тонкий совместный перетир всех компонентов сухой смеси состава 1-10 (табл.1) на мельнице марки-ЛМЗ. Такие смеси хорошо сохраняли свойства в процессе хранения при обычных условиях и позволяли синтезировать пенокерамические фильтры с высокими показателями качества по механической прочности и пористости. Затем сухую смесь смешивали с жидкой фазой - высокомодульным жидким стеклом и водой с получением керамического шликера. Этим шликером пропитывали заготовку из ПУС размером 50×50×17 мм.
Избыток керамического шликера с сетки удаляли механическим выдавливанием, или сжатым воздухом, или центрифугированим. Сетки с равномерно распределенным по всей поверхности керамическим шликером выдерживали последовательно при 18-25°С до 6-8 часов, при 100-150°С до 2 часов и при 450-500°С до 3 часов. Состав керамического шликера и свойства полученных фильтров приведены в табл.1, 2. В случае составов 1, 2, 3, 8, 9, 10 избыток шликера удаляли центрифугированием, 4, 5 - механическим выдавливанием, 6, 7 - выдуванием сжатым воздухом. Число слоев нанесенной керамики варьировали от 1 до 3, привес по массе составлял 1200-2300%. При нагревании до 500°С полиуретановая сетка полностью выгорала. Образцы 8, 9, 10, состав которых выходил за пределы состава, предложенного в данном изобретении, после отжига были хрупкими и непригодными для использования в качестве фильтров.
Пористость в данном материале, полученном заявленным способом, достигается за счет удаления избыточного керамического шликера с трехмерной сетки и ее последующим выгоранием, а огнеупорность, необходимая для использования данного материала в качестве фильтра для очистки расплава алюминия, связана с присутствием в данном материале оксидов алюминия, кремния, кальция и алюмосиликатов, имеющих высокие температуры плавления 1500-2000°С.
Испытания керамических фильтров (1-7) проведены после их сушки при 100-150°С и дополнительной закалки при 450-500°С. Все образцы были стандартных размеров в соответствии с техническими требованиями предприятия «Заволжский моторный завод» (ЗМЗ) как типового потребителя керамических фильтров. Испытания фильтров проведены путем фильтрации производственного алюминиевого сплава согласно СТП 37.304.387-2002 ЗМЗ (ниже кратко именуется СТП).
Результаты испытаний подтвердили высокие эксплуатационные качества фильтров.
- После фильтрации сплава не отмечены изменения формы или механические разрушения фильтров. Химический состав сплава после фильтрования был в пределах нормы по всем основным компонентам и примесям.
- Время фильтрации сплава составляет от 3 до 4.5 сек (по СТП 3-4 сек).
- Предел прочности при растяжении изделий из отфильтрованного сплава (МПа) 184-203 (по СТП должно быть не менее 167).
- Относительное удлинение (%) 2.2-4.0 (по СТП не менее 1.0)
- Твердость (НВ) 85-88 (по СТП должно быть не менее 70).
Заключение: фильтры ООО НПП КЕФИ полностью соответствуют техническим требованиям потребителя.
Аналоги изобретения
1. SU №1175924 A1, 21.03.1984.
2. SU №1726455 A1, 15.12.1989.
3. SU №1770314 A1, 14.02.1990.
4. RU №2196755 C2, 10.12.1999.
5. RU №2196756 C2, 10.12.1999.
Таблица 1Состав керамического шликера в мас.%
№
Al(ОН)<sub>3</sub>
Высокоглиноземистый цемент или корунд
Технические углеводы
Высокомодульное жидкое стекло
Число слоев
Привес, %
Свойства фильтра
Заявляемые составы
1
25
20
5
50
3
2200
прочный
2
20
27
3
50
1
1360
прочный
3
30
10
5
55
2
1680
прочный
4
20
2
3
75
2
2500
прочный
5
20
20
5
55
3
2600
прочный
6
40
6
4
50
2
1600
прочный
7
20
25
5
50
2
2100
прочный
Запредельные составы
8
-
30
3
67
2
1460
хрупкий
9
40
-
-
60
2
1400
хрупкий
10
50
-
5
45
2
1500
хрупкий
Таблица 2Свойства керамических фильтров
№
Размер пор, мм
Кажущаяся плотность, г/см<sup>3</sup>
Истинная плотность,г/см<sup>3</sup>
Пористость, % *
Предельнаямеханическая прочность, МПа **
Стойкость керамики при фильтрации алюминия
1
0,6-0,8
0,35
1,70
79
3,2
От 3 с до 3 ч
2
0,6-0,8
0,36
1,86
81
3,0
«
3
0,6-0,8
0,28
1,80
84
2,8
«
4
0,8-1,2
0,31
2,31
87
2,6
«
5
0,6-0,8
0,40
2,20
82
2,8
«
6
0,8-1,0
0,30
2,30
87
2.6
«
7
0,6-0,8
0,32
1,75
82
2,8
«
* пористость определена по формуле П=(1-ρ<sub>о</sub>/ρ)×100%, где ρ<sub>о</sub> - плотность фильтра, ρ - истинная плотность керамики;** определена на разрывной машине марки 2001 Р-05