Патент на изобретение №2351573

(54) СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ФИЛЬТРУЮЩЕЙ ПЕНОКЕРАМИКИ

(57) Реферат:

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.

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 -глинозем или корунд 23÷41 и -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 Al₂О₃95%, 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-о/)×100%, где о – плотность фильтра, – истинная плотность керамики; ** определена на разрывной машине марки 2001 Р-05

Формула изобретения

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.