Способ производства фильтрующей пенокерамики

Способ производства фильтрующей пенокерамики

Реферат

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 1Состав 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 2Свойства керамических фильтров
№	Размер пор, мм	Кажущаяся плотность, г/см3	Истинная плотность,г/см3	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-ρо/ρ)×100%, где ρо - плотность фильтра, ρ - истинная плотность керамики;** определена на разрывной машине марки 2001 Р-05

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.