СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ФИЛЬТРУЮЩЕЙ ПЕНОКЕРАМИКИ Российский патент 2009 года по МПК C04B38/00 

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.

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/см³ и модулем 2.6-2.8; высокоглиноземистый цемент (ВГЦ) ТУ 6-03-339-78 с содержанием Al₂О₃ - 70.3%, CaO - 28.6%, Fe₂O₃ - 0.06%, SiO₂ - 0.56%, MgO - 0.18%; корунд ГОСТ 24704-81 с содержанием Al₂О₃≤95%, F₂О₃ 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 1
Состав керамического шликера в мас.% № Al(ОН)₃ 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 2
Свойства керамических фильтров № Размер пор, мм Кажущаяся плотность, г/см³ Истинная плотность,
г/см³ Пористость, % * Предельная
механическая 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_о/ρ)×100%, где ρ_о - плотность фильтра, ρ - истинная плотность керамики;
** определена на разрывной машине марки 2001 Р-05

Настоящее изобретение относится к способу производства фильтрующей пенокерамики и может использоваться в качестве фильтрующего элемента, в частности, для очистки алюминия и алюминиевых сплавов от шлаковых включений при производстве и изготовлении литьевых изделий, при очистке промышленных газовых выбросов, водных стоков и жидких органических смесей, а также в качестве носителей катализаторов. Способ производства пенокерамики включает пропитку трехмерной полиуретановой сетки шликером, удаление избытка шликера, сушку образцов при 18-25°С до 6-8 часов, при 100-150°С до 2 часов и закалку при 450-500°С до 3 часов. Шликер имеет следующий состав, мас.%: высокомодульное жидкое стекло 50-75, гидроксид алюминия 20-40, высокоглиноземистый цемент или корунд до 30, технические углеводы 3-5, вода техническая в количестве, необходимом для получения оптимальной консистенции. Технический результат изобретения - снижение себестоимости фильтров. 2 табл.

Способ производства фильтрующей керамики, включающий пропитку трехмерной полиуретановой сетки шликером, удаление избытка шликера механическим выдавливанием, сжатым воздухом или центрифугированием, сушку образцов при 18-25°С до 6-8 ч, при 100-150°С до 2 ч и закалку при 450-500°С до 3 ч, причем шликер имеет следующий состав, мас.%: высокомодульное жидкое стекло 50÷75, гидроксид алюминия 20÷40, высокоглиноземистый цемент или корунд до 30, технические углеводы 3÷5 и вода техническая в количестве, необходимом для получения оптимальной консистенции.