Способ изготовления фильтрующей пенокерамики

Способ изготовления фильтрующей пенокерамики

Реферат

Изобретение относится к способам получения пенокерамических фильтрующих материалов, применяемых в металлургической промышленности для фильтрации расплавов металлов.

Известны пенокерамические фильтры на основе корунда, циркония, корундоциркония (Брокмейер Дж.В., Обрей Л.С. Применение пористых керамических фильтров для рафинирования жидких металлов, Ceram. Bug. Sei. Prog. - 1987, 8, №1, 2, с.2, 18.11.82).

Фильтры позволяют существенно повысить качество очистки расплавов и металлов и снизить потери в виде бракованных отливок.

Качество пенокерамических фильтров определяется способом изготовления и керамическими суспензиями, формирующими каркас высокопористого материала.

Известны способы изготовления фильтрующей пенокерамики, включающие изготовление керамических шликеров, содержащих огнеупорный наполнитель, органические и неорганические связующее, керамическую связку, пропитку открытоячеистого пенополиуретана (ППУ) керамическим шликером, удаление избытка суспензии, сушку и обжиг (SU 1313826 А1, 30.05.87; SU 1715773 A1, 29.02.92; SU 1726455 А1, 15.04.92; SU 1770314 A1, 23.10.92; RU 2084428 C1, 20.07.97).

Основным недостатком способа является нерегулируемое удаление избытка шликера под действием деформационных нагрузок или продувкой воздухом, что приводит к разнотолщинности стенок пористого каркаса, появлению каверн в осажденном материале, снижающих надежность эксплуатации изделия в условиях динамических и тепловых нагрузок.

По технической сущности наиболее близким к предлагаемому способу изготовления фильтрующей пенокерамики и материальному составу керамического шликера является способ изготовления фильтрующей пенокерамики, включающий пропитку органической пены керамическим шликером состава, мас.%:

Глинозем	53-87
Бентонит	2-4
Каолин	4-5
Карбоксиметил
целлюлозы (КМЦ)	4
Алюмохромфосфатное
связующее с плотностью 1,5 г/см3	30-35
Cr2O3	12,

удаление его избытка, сушку, повторную пропитку на глубину 3-7 мм, продувку полуфабриката сжатым воздухом и обжиг заготовок (SU 1294794 A1, 07.03.87).

Способ предусматривает получение пенофильтров с более высокой механической прочностью, достигаемой за счет увеличения толщины керамических перемычек в поверхностном объеме пенофильтра, что не исключает недостатков, идентичных для аналогов, т.к. повторная пропитка нарушает целостность первого сырьевого слоя керамики под действием размокания в керамическом шликере и деформационных нагрузок.

Кроме того, применение в качестве одного из органических связующих карбоксиметилцеллюлозы не позволяет получить удовлетворительной адгезионной связи в сырце между слоем компонентов шликера и пенополеуретаном, что снижает устойчивость против осыпания керамического материала и действия ударных и скалывающих деформаций при транспортных технологических операциях.

Техническим результатом является разработка способа получения фильтрующей пенокерамики, обеспечивающего качество адгезионной связи в сырце компонентов керамического шликера с пенополиуретаном и увеличение конструктивной прочности спеченного пеноматериала.

Достигается это тем, что в отличие от известного способа огнеупорная смесь содержит фракционированный электрокорунд и мелкодисперсный оксидал, неорганическое фосфатное связующее содержит металлический элемент, входящий в состав огнеупорного наполнителя, в качестве органического связующего 45-52% концентрации водную акриловую эмульсию, получают водную суспензию из алюмохромфосфатного связующего и 45-52% концентрации водной акриловой эмульсии, вводят в водную суспензию предварительно полученную сухую смесь электрокорунда, оксидала и каолина при содержании компонентов в керамическом шликере, мас.%:

Электрокорунд	35,2-52,8
Оксидал	4,0-6,0
Каолин	0,8-1,2
Алюмохромфосфатное связующее	36-54
45-52% концентрации
водная акриловая эмульсия	4.0-6,0,

керамический шликер гомогенизирует, расчетным количеством керамического шликера, в зависимости от толщины керамических перемычек в пенокерамическом фильтре, заполняют емкость с заготовкой из органической пены, проводят пропитку заготовки в режиме циклические деформаций до полного поглощения керамического шликера, осуществляют сушку и обжиг при температурах не менее температуры эксплуатации пенокерамических фильтров.

Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что выполнение предлагаемого способа согласно представленной последовательности и материального состава керамического шликера позволяет повысить адгезионную связь компонентов шликера с перемычками пенополиуретановой матрицы. Исключить дефекты в сырце под действием ударных или скалывающих деформаций, получить расчетную толщину керамических перемычек в пенокерамическом фильтре без дополнительных технологических операций и повысить надежность изделия в эксплуатационных режимах с механическими нагрузками в тепловых нестационарных полях.

Сравнение предложенного способа с прототипом позволят утверждать о соответствии технического решения критерию "новизна", а отсутствие отличительных признаков в аналогах говорит о соответствии критерию "изобретательский уровень".

Экспериментальные испытания пенокерамического фильтра подтверждают возможность промышленного использования.

Сущность изобретения реализуется совокупной последовательностью операций и используемых материалов в едином технологическом процессе, с получением заданной структуры материала в изделиях и расчетным значением толщины керамических перемычек в пенокерамическом фильтре, являющимися основными контролирующими факторами для достижения цели изобретения.

Концентрационные пределы содержания электрокорунда и оксидала обеспечивают оптимальный коэффициент упаковки, а глинистый компонент в виде бентонита или каолина использован в качестве керамической связки, которые в процессе обжига способствуют уплотнению через жидкую фазу и образование вторичного муллита игольчатой формы, увеличивающей устойчивость керамического каркаса пенокерамического фильтра в условиях нестационарных тепловых потоках.

Алюмохромфосфатное связующее использовано как источник иона фосфора, который определяет угол смачивания расплавом, причем при содержании 36 мас.% угол смачивания мал и это требует перегрева расплава для увеличения производительности, а при 54 мас.% наблюдается увеличение фосфора в расплаве, приводящего к изменению прочностных свойств литой заготовки.

Кроме того, алюмохромфосфатное связующее обеспечивает прочность сырцу в результате гидравлического твердения, а присутствие иона алюминия, как основного компонента огнеупорного наполнителя, исключает рекристаллизацию в процессе обжига, что позволяет реализовать повышенные механические характеристики пенокерамического фильтра.

Акриловая эмульсия введена как клеющий компонент, позволяющий закрепить слой керамического материала на поверхности органической сетчатой ячеистой матрицы ППУ, увеличить укрывистость и равномерность распределения компонентов шликера, а концентрационные пределы 4,0-6,0% определены тем, что в этом интервале наблюдается минимум вязкости шликерной суспензии при сохранении ее клеевых свойств.

Гомогенизацию керамического шликера производят для равномерного распределения компонентов, причем было установлено, что ультразвуковые колебания интенсифицируют процесс и равномерность распределения связующих компонентов по керамическим частицам.

Заполнение емкости с заготовкой из органической пены расчетным количеством шликера производят на основании определения свободной поверхности органической пены и заданной толщины керамических перемычек с учетом аддетивной плотности компонентов керамического шликера. Экспериментально было установлено, что расчетное количество керамического шликера на 1 см³ заготовки должно быть увеличено на 10-15%, что связано с методической ошибкой расчетов.

Циклический режим деформаций от максимально допустимых 80-90% до нуля позволяет равномерно распределить расчетное количество шликера по поверхности сетчатой ячеистой органической матрицы независимо от структурных характеристик пористости органической пены.

В процессе сушки образуется из акриловой эмульсии полимерная пленка, которая препятствует отделению керамических компонентов от разветвленной поверхности органической пены и исключает деформационные дефекты при транспортировке заготовок.

Обжиг при температурах выше температуры эксплуатации пенокерамических фильтров исключает физико-химические процессы в структуре материала керамических перемычек, приводящих к внутренним напряжениям в материале, которые в условиях механических и термических нагрузок обуславливают деградацию эксплуатационных характеристик изделия.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

1. Сухую смесь наполнителя получали путем смешения электрокорунда с размером частиц 50-10 мкм, оксидала (d - Al₂O₃) - пыль электрофильтров глиноземного производства с размером частиц 0,5-2 мкм и порошка каолина с размером частиц <1 мкм. Для получения смеси использованы высокоскоростной смеситель типа "Эриха". Время смешения составляло 3-5 мин.

2. В водный раствор алюмохромфосфата с плотностью 1,5 г/см³ смешивали с водной акриловой эмульсией, выпускаемой под торговой маркой "Рузин 12", в планетерной мешалке, с числом оборотов 2500 в течение 10 мин.

3. Полученную сухую смесь вводили дискретно в водный раствор связующего при постоянном перемешивании и при введении расчетного количества сухой смеси керамический шликер гомогенизировали в течение 15 мин.

В качестве органической пены использовали пенополиуретан с пористостью 90%, средней величиной диаметра ячеек 0,2 см, заготовку размером 5×5×1,5 см помещали в металлическую квадратную емкость с размерами в плане 6×6 см.

При объеме заготовки 37,5 см³ в ванну вводили 20,3 см³ шликера из расчета среднего содержания компонентов в шликере и толщине керамических перемычек 0,02 см.

5. При заполнении емкости керамическим шликером пуансоном деформировали пенополиуретан на 80%, снимали давление, производили деформацию заготовки на 40%, снимали давление и последнюю деформацию проводили на 10%. После такой последовательности деформации в емкости не оставалось следов керамического шликера.

6. Заготовку сушили при температуре 80°С в течение 1 часа. После этой операции образовывалась на керамических компонентах полимерная пленка и их осыпания или скалывания не происходило.

7. Высушенную заготовку обжигали в воздушной атмосфере при температуре 1550°С в течение 4-х часов.

8. Реализованные составы керамических шликеров и характеристики пенокерамических фильтров представлены в таблице 1 и 2. Физико-механические характеристики пенокерамических фильтров показывают, что предлагаемое техническое решение позволяет получать изделия, конструктивная прочность которых обеспечивает эксплуатационную надежность в условиях механических нагрузок.

Таблица 1.
Компоненты керамического шликера	Содержание компонентов, мас.%
Состав 1	Состав 2	Состав 3
Электрокорунд	35,2	44,0	52,8
Оксидал	4,0	5,0	6,0
Бентонит	0,8	1,0	1,2
Алюмохромфосфатное связующее с плотностью 1,5 г/см3	54	45	36
45-52% концентрации водная акриловая суспензия "Рузин 12"	6,0	5,0	4,0

Таблица 2.
Свойства	Показатели свойств пенокерамики
Состав 1	Состав 2	Состав 3	Прототип
Размер пор, мм	1÷1,5	1÷1,5	1÷1,5	0,8-1,5
Предел прочности при сжатии, МПа	3,5	2,9	2,5	0,9-1,2
Воздухопроницаемость, 107 см2	3600	3700	3000	2400-2800
Образование фрагментов пенокерамического фильтра при кантовании	нет	нет	нет	нет

Способ изготовления фильтрующей пенокерамики, включающей изготовление керамического шликера, состоящего из смеси огнеупорного фракционного и мелкодисперсного наполнителя, глинистого материала, органического и неорганического фосфатного связующего, пропитку органической пены керамическим шликером, сушку и обжиг, отличающийся тем, что огнеупорная смесь содержит фракционированный электрокорунд и мелкодисперсный оксидал, неорганическое фосфатное связующее содержит металлический элемент, входящий в состав огнеупорного наполнителя, в качестве органического связующего - 45-52% концентрации водную акриловую эмульсию, получают водную суспензию из алюмохромфосфатного связующего и 45-52% концентрации водной акриловой эмульсии, вводят в водную суспензию предварительно полученную сухую смесь электрокорунда, оксидала и каолина при содержании компонентов в керамическом шликере, мас.%:

Электрокорунд	35,2-52,8
Оксидал	4,0-6,0
Каолин	0,8-1,2
Алюмохромфосфатное связующее	36-54
45-52% концентрации водная акриловая эмульсия	4,0-6,0

керамический шликер гомогенизируют, расчетным количеством керамического шликера, в зависимости от толщины керамических перемычек в пенокерамическом фильтре, заполняют емкость с заготовкой из органической пены, проводят пропитку заготовки в режиме циклических деформаций до полного поглощения керамического шликера, осуществляют сушку и обжиг при температурах не менее температуры эксплуатации пенокерамических фильтров.