專利名稱：：一種具有高抗渣性高熱穩(wěn)定性的泡沫陶瓷過濾器及制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明的過濾器用于熔融金屬過濾，屬于鑄造和金屬冶煉
技術(shù)領(lǐng)域：
。通常用于熔融金屬液過濾的過濾器已知的有耐火纖維網(wǎng)、直孔式蜂窩過濾器、泡沫陶瓷過濾器。耐火纖維網(wǎng)過濾器由于強度低，耐火度低，過濾效率低，已基本被淘汰。直孔式蜂窩陶瓷過濾器以抗壓強度高，高溫?zé)釋W(xué)性能穩(wěn)定，價格便宜，仍在大量使用。而泡沫陶瓷過濾器以比較高的過濾活性，更高的過濾效率、效果，處于主流與主導(dǎo)地位。在本
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，目前己經(jīng)形成過濾鋼的鋯剛玉、鋯剛玉一莫來石、純剛玉、，過濾鐵合金的鋯莫來石、莫來石結(jié)合碳化硅；過濾有色合金的堇青石結(jié)合莫來石、莫來石結(jié)合碳化硅以及鎂尖晶石泡沫陶瓷過濾器；大都使用磷酸及磷酸鹽粘結(jié)或作為補強劑。在這些過濾器中，碳化硅泡沫陶瓷過濾器以高的熱導(dǎo)率，低的熱膨脹系數(shù)，好的化學(xué)穩(wěn)定性，對各種熔融的金屬液有比較好的適應(yīng)性，成本也低，因而倍受重視。目前碳化硅過濾器普遍以莫來石結(jié)合，以磷酸及磷酸鹽作為結(jié)合劑。使用磷酸及磷酸鹽結(jié)合劑的優(yōu)勢在于低溫約別0—110(TC完成粘結(jié)或燒結(jié)。但在此溫度下，莫來石是無法成熟的?？梢邷?zé)Y(jié)又會造成碳化硅的氧化，使過濾器的熱膨脹系數(shù)增大，降低過濾器的熱穩(wěn)定性。也就是說莫來石需要高溫?zé)Y(jié)與碳化硅的高溫氧化形成矛盾，而且很難調(diào)和。.本發(fā)明的碳化硅泡沫陶瓷過濾器，采用彌散了共價化合物氮化硼的無定形氧化硅結(jié)合。沒有必須高溫處理才可以形成的新物相，在1050—118(TC就可以實現(xiàn)燒結(jié)，并且強度很好。不僅避免了碳化硅的高溫氧化，而且具有優(yōu)良的吸附活性。在公告號CN88101382A的專利中，描述了一種以氧化硅為結(jié)合相，以硅膠為結(jié)合劑的碳化硅過濾器。與本發(fā)明的過濾器十分類似，但本發(fā)明的過濾器的結(jié)合相是無定形氧化硅，而且為了進一步提高過濾器的抗渣性，還彌散了氮化硼。本發(fā)明的過濾器不可以也不需要引入三氧化二鋁。而在CN88101382A的專利的描述中卻是被允許的，并且作為權(quán)利耍求被重點羅列。另外就是本發(fā)明的碳化硅泡沫陶瓷過濾器使用了一種納米硅結(jié)合劑，比在CN88101382A的專利所使用的硅膠結(jié)合劑性能更好。本發(fā)明還對泡沫陶瓷過濾器的制作工藝進行了改進，將在下面詳述。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明屬于對以前所用過濾器在材質(zhì)及工藝方面的改進，可用于過濾熔融的有色金屬液，也可用于過濾鐵合金。其特點是具有較高的抗渣性與熱穩(wěn)定性，為其經(jīng)受熔融金屬液熱流沖刷，提高過流量，具有明顯的優(yōu)勢。本發(fā)明碳化硅泡沫陶瓷過濾器的特點1.過濾器的主物相為碳化硅，因而具有高的導(dǎo)熱系數(shù)。熱量在過流瞬間傳遞較快，不會形成冷液面而遲滯過濾，可以快速引動。同時，碳化硅的熱膨脹系數(shù)為4.4—4.7X10—VC，比剛玉、莫來石的熱膨脹系數(shù)都低，所以不容易在熱流沖擊下，產(chǎn)生裂紋或炸裂而造成損壞。2.結(jié)合相為20—45%的無定形氧化硅，不僅熱膨脹系數(shù)小，而且高溫液相粘度極大，具有較大的彈性和熱塑性，熔融的金屬液難于對其浸潤，因而具有較高的抗渣性和熱穩(wěn)定型，這對提高熔融金屬液的過流量是有利的。3.在結(jié)合相中彌散了氮化硼。氮化硼是共價鍵化合物，其化學(xué)性質(zhì)及熱化學(xué)性質(zhì)極為穩(wěn)定。尤其是在缺氧與氧濃度不大的情況下，其化學(xué)性質(zhì)及熱化學(xué)性質(zhì)更為穩(wěn)定。對過濾器抗渣性的提高又很大幫助。同時氮化硼對碳化硅的生成有強烈的促進作用，并能夠抑制碳化硅在高溫下的分解氧化。4.結(jié)合相無定形氧化硅由15—20nm的電熔硅，0.4—0.6um非晶硅粉以及15—20nm的納米二氧化硅結(jié)合劑復(fù)合引入。在協(xié)同包覆碳化硅顆粒的同時，形成凹凸不平的粗糙的表面，有利于過濾器深層吸附熔融金屬液中的微小夾雜。5.采用納米二氧化硅作結(jié)合劑，可以實現(xiàn)低溫?zé)Y(jié)。并在提高過濾器荷重軟化溫度及高溫穩(wěn)定性的同時，有效的避免了磷污染。6.非晶質(zhì)二氧化硅結(jié)合相的熱膨脹系數(shù)要低于碳化硅，由于兩相熱膨脹系數(shù)失配，會在晶界產(chǎn)生微裂紋。這些微裂紋在過濾器承受熱沖擊時可以延緩可能出現(xiàn)的穿晶斷裂，因而對過濾器的熱穩(wěn)定性的提高有加分作用。7.本發(fā)明的過濾器采用二次掛漿工藝。二次掛漿所用泥漿的熱膨脹系數(shù)，低于一次掛漿所用泥漿。所以在燒結(jié)完成后，過濾器的表面就會形成壓應(yīng)力?？梢杂行У奶岣吲菽沾蛇^濾器在常溫下的機械強度。8.二次掛漿所用泥漿中的無定形氧化硅的含量更高，使過濾器的抗氧化能力也更高。綜上所述，本發(fā)明旨在提供一種性能更為優(yōu)越的熔融金屬過濾器及制作工藝方法。通過具體的實施方式，前述的優(yōu)點是可以達到的，具體實施方式過濾器的機械性能、熱力學(xué)性能與泥漿的操作性能的好壞有著直接的關(guān)系。好的浸漬泥漿具備觸變形、穩(wěn)定性及附著性，并可以瞬間保型不流墜，受到剪切力變稀呈流動性。首先泥漿要有結(jié)合性與適當(dāng)?shù)恼扯?。粘度過低，表現(xiàn)為泥漿比重小，流動性好，但會造成泡沫吸收泥漿不足，使過濾器的強度不足。粘度過大雖然可以提高泡沫的吸漿量，增大強度，但容易造成堵孔和表面掉渣。其次要具有觸變形，以便在泡沫在浸漬泥漿時容易附著，并在擠壓或輥壓的情況下呈現(xiàn)流動性，方便的使多余泥槳被排出。再次泥漿要具有穩(wěn)定性，即使長時間靜置，仍然保持均勻，不分層不沉淀。l.渡魁備1.1原料情況原料名稱碳化硅電熔二氧化硅無定艦圭粉氮化硼納米硅結(jié)合劑SiC98.12Si020鄰99.8090.13Sif0.05Cf0.25Fe2030.60《61麟15~20麟400—600納米215—20納米1.2—次浸漬泥漿的制備1.2.1浸漬泥槳配方碳化硅50.0-70.0%熔融二氧化硅10.0—15.0%無定形硅粉5.0—10.0%氮化硼0.5—2.0%膨潤土1.0—5.0%納米硅結(jié)合劑5.0—20.0%分散劑0.01—0.1%水10.0—15.0%1.2.2浸漬泥漿制備首先按配方準(zhǔn)確計量，按無定形硅粉、熔融二氧化硅、氮化硼、膨潤土、納米結(jié)合劑、分散劑、水的次序加入球磨機(當(dāng)然也可以是膠體磨、振動磨、砂磨機或攪拌磨)中，細(xì)磨一小時。然后裝入一半碳化硅，細(xì)磨一小時。開磨過篩，混入另一半的碳化硅，攪拌兩小時。即可得到浸漬所需泥漿。1.3二次掛漿泥漿的制備1.3.1掛漿泥漿配方碳化硅45.0-65.0%熔融二氧化硅10.0—15.0%無定形硅粉10.0—25.0%氮化硼0.5—2.0%膨潤土1.0—5.0%納米硅結(jié)合劑5.0—20.0%分散劑0.01—0.1%水10.0—20.0%1.3.2浸漬泥漿制備首先按配方準(zhǔn)確計量，按無定形硅粉、熔融二氧化硅、氮化硼、膨潤土、納米結(jié)合劑、分散劑、水的次序加入球磨機(當(dāng)然也可以是膠體磨、振動磨、砂磨機或攪拌磨)中，細(xì)磨一小時。然后裝入一半碳化硅，細(xì)磨一小時。開磨過篩，混入另一半的碳化硅，攪拌兩小時。即可得到二次掛漿所需泥漿。2.坯體制備2.1骨架材料的處理2.1.1骨架材料的要求過濾器的機械強度、孔徑及表面性質(zhì)在很大程度上取決于泡沫前驅(qū)體。要求泡沫具有三維開孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，高回彈力、強親水性和較低的軟化溫度。應(yīng)具有一定的熱縮性，韌性好。2.1.2骨架材料的處理首先把符合要求的聚氨酯泡沫塑料浸入工業(yè)乙醇中浸泡2小時。其次把聚氨酯泡沫塑料在10—20%的氫氧化鈉溶液中浸泡1小時。再次用去離子水洗凈聚氨酯泡沫塑料。2.2骨架浸漬干燥溫度和方法對坯體的影響很大。干燥溫度過高，干燥速度過快，會造成坯體塌陷變形。而且還會造成泥漿反應(yīng)速度過快，使硬化速度過快造成坯體局部裂紋，降低過濾器的機械強度及高溫力學(xué)強度。2.2.1將洗凈、烘干的聚氨酯泡沫塑料浸入一次浸漬泥漿，反復(fù)擠壓排出空氣。2.2.2待飽吸泥漿后，擠壓排出多余的泥漿。2.2.3靜置自然干燥6小時后，在35—55'C強制干燥8小時，徹底排出坯體內(nèi)的游離水分。2.3二次掛漿將干燥好的坯體用二次掛漿的泥漿予以離心涂覆或噴涂，勿使流掛或漏涂。3.烘干與燒結(jié)干燥可以是自然干燥或強制干燥，均宜緩慢干燥，不可以微波干燥。燒結(jié)制度要合理。燒結(jié)溫度過低，制成的過濾器的機械強度太低，容易掉渣或被高溫?zé)嵋簺_垮。燒結(jié)溫度過高，則使碳化硅容易氧化，析出方石英降低過濾器的熱穩(wěn)定性，同時瓷化的過濾器的表面活性降低使過濾器對夾雜的吸附能力降低。3.1將二次掛漿的泡沫靜置兩小時，于95—105'C烘干2小時。3.2將烘干后的泡沫坯體裝窯于1050—1180'C進行燒結(jié)，可以得到需要的過濾器。3.3燒成制度燒成制度以五段保溫，緩慢升溫為主要特征。3.3.1蒸發(fā)期坯體中的游離水己經(jīng)在干燥時排出了。但聚氨酯泡沫塑料和坯體的結(jié)晶水需要緩慢排出，因為泡沫塑料和材料的結(jié)晶水是通過緊緊粘附在塑料絲網(wǎng)孔壁上很薄的泥料層向外揮發(fā)的，且隨著材料狀態(tài)而改變。如果升溫過快，泥料層會破壞或開裂。此階段20—300。C，升溫速率為l一2。C/min。3.3.2還原期此階段有機結(jié)合劑及聚氨酯泡沫會燃燼揮發(fā)，如果氧化強烈，升溫過快仍然會造成坯體開裂。所以此階段宜燒弱還原氣氛，緩慢升溫。此階段為300—50(TC，升溫速率為l一3'C/min。3.3.3燒結(jié)期此階段伴隨著質(zhì)點遷移，過濾器開始致密化。升溫速度可以稍快。此階段為500—1050。C，升溫速率為2—4。C/min。3.3.4燒結(jié)制度列表<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>燒成周期18.84小時應(yīng)用實例11.一次浸漬配方碳化硅熔融二氧化硅無定形硅粉膨潤土氮化硼57.00kg10.00kg4.00kg3.00kg1.00kg納米二氧化硅結(jié)合劑10.00kg微生物多糖0.02kg水14.98kg該配方提供了如下固體物含量-碳化硅熔融二氧化硅無定形硅粉膨潤土氮化硼57.00kg10.00kg4.00kg3.00kg1.00kg納米二氧化硅結(jié)合劑3.00kg合計78.00kg一次浸漬泥漿的固含量水=78:2.二次掛槳配方碳化硅熔融二氧化硅無定形硅粉膨潤土氮化硼50.00kg11.00kg6.00kg3.00kg2.00kg納米二氧化硅結(jié)合劑10.00kg微生物多糖0.02kg水17.98kg該配方提供了如下的固含量碳化硅50.00kg熔融二氧化硅11.00kg(含水率70%)73.08%12.82%5.13%3.85%1.28%3.85%100.00%22(含水率70%)66.67%14.67%無定形硅粉6.00kg8.00%膨潤土3.00kg4.00%氮化硼2.00kg2.66%納米二氧化硅結(jié)合劑3.00kg4.00%合計75.00kg100.00二次掛漿泥漿提供了75%的固體物含量。用開孔泡沫軟質(zhì)聚氨酯甲酸乙酯，浸漬前述的一次浸漬泥漿。使該種泡沫塑料被泥漿完全浸漬，并使之飽吸泥漿，然后反復(fù)擠壓排出空氣，最后擠出多余泥漿。整個泡沫網(wǎng)狀骨架仍被泥漿覆蓋，但此覆蓋是沿骨架網(wǎng)膜定向互連的，骨架網(wǎng)膜間形成三維互連開孔泡沫結(jié)構(gòu)。將所得的浸漬的泡沫骨架干燥。然后，以前述的二次掛槳泥漿涂附。將制得的泡沫骨架干燥，排出游離水份。升溫并于攝氏1050—115(TC，保溫兩小時完成燒結(jié)。以便排出有機物，并賦予泡沫骨架以過濾金屬液所需要的性能。如必需的機械強度，好的抗渣性，高的熱穩(wěn)定性，高的過濾吸附活性。所得的泡沫陶瓷過濾器具有開孔結(jié)構(gòu)，是由陶瓷網(wǎng)線三維互連構(gòu)成的。應(yīng)用實例2將以上述方法制成的碳化硅泡沫陶瓷過濾器放入一套鑄鐵系統(tǒng)的澆道內(nèi)，進行鐵及鐵合金的過濾。并檢驗其過濾效率及效果。1.安放位置①可以放在外澆道或直澆道的窩座上；②可以放在橫澆道搭接處代替水封式集渣橫澆道，也可以垂直放在橫澆道上；③垂直分型，過濾器可放在直澆道的一側(cè)。2.進行澆鑄3.過濾效果經(jīng)過過濾的鐵及鐵合金的效果是顯著的①鑄件的夾渣、砂眼、氣孔造成的廢品率下降了70%②簡化了澆鑄系統(tǒng)，工藝出品率提高10%③成本下降了6%④減少了異常質(zhì)點，提高了切削性能，刀具磨損降低50%⑤提高了力學(xué)性能，特別是材料的延長率提高較為明顯權(quán)利要求1.一種用于過濾熔融金屬液的泡沫陶瓷過濾器，其礦相主體是50-75％的碳化硅，結(jié)合相為20-45％的彌散了氮化硼的無定形氧化硅，此種過濾器具有三維互連開孔泡沫結(jié)構(gòu)，是由一種聚氨酯高分子骨架浸入特制的陶瓷水泥漿中，經(jīng)過二次掛漿，除濕干燥，一步燒結(jié)制成。2.按照權(quán)利要求1，過濾器中所含的碳化硅面體含量為50—75%。3.按照權(quán)利要求1，過濾器中所含的二氧化硅固體含量為20—45%，并彌散了0.5_2.0%的氮化硼。4.按照權(quán)利要求1，將所述原料按比例配好，予以強力分散，(可以是球磨，砂磨，振動磨，膠體磨)使之混合均勻，然后過篩，制成陶瓷水泥漿，將一種聚氨酯高聚物泡沫骨架浸入泥漿中，使之飽吸泥漿，然后擠壓出多余泥漿，將此高聚物骨架干燥，二次掛漿，再次干燥后，于攝氏1050—1180'C燒結(jié)，即可獲得所需要的過濾器。5.按照權(quán)利要求4，過濾器中所含的無定形氧化硅由10_15%的電熔硅(或石英玻璃粉)5—10%非晶質(zhì)硅粉以及5—20%的納米二氧化硅結(jié)合劑共同引入。6.按照權(quán)利要求4，制作此過濾器中所用的碳化硅為250目或更小。7.按照權(quán)利要求4，制作此過濾器中所用的電熔硅粉的粒度為20微米，無定形硅粉的粒度為0.40—0.60微米，納米硅結(jié)合劑中固體粒子粒徑為15—20納米。8.按照權(quán)利要求4，制作此過濾器需要一種陶瓷水泥漿，一次浸漬泥漿的含水率為20—25%，二次掛漿的泥漿含水率為25—30%，并添加0.01—0.1%的分散劑，0.5—1.0%的燒結(jié)助劑。9.按照權(quán)利要求1，要有一種具有互連孔隙彈性好的聚氨酯高分子化合物，此高聚物具有PPIIO，PPI20，PPI30的孔密度。10.本發(fā)明的過濾器采用二次掛漿工藝，二次掛漿所用泥漿的熱膨脹系數(shù)低于一次掛漿所用泥漿，所以在燒結(jié)完成后，過濾器的表面就會形成壓應(yīng)力，這樣可以有效的提高過濾器常溫下的機械強度，二次掛漿所用泥漿中的無定形氧化硅的含量更高，使過濾器的抗氧化能力更高。全文摘要一種用于過濾熔融金屬液的泡沫陶瓷過濾器，其礦相主體是50-75％的碳化硅，導(dǎo)熱率高，熱量在過流瞬間傳遞較快，不會形成冷液面而遲滯過濾，可以快速引動。結(jié)合相為20-45％的彌散了氮化硼的無定形氧化硅，熱膨脹系數(shù)更低。在結(jié)合相中彌散了0.5～2.0％的氮化硼，具有較大的彈性和熱塑性。此種過濾器具有三維互連開孔泡沫結(jié)構(gòu)，結(jié)合相無定形氧化硅由15-20μm的電熔硅0.4-0.6μm非晶硅粉以及15-20nm的納米二氧化硅結(jié)合劑復(fù)合引入。有利于深層吸附熔融金屬液中的微小夾雜。采用納米二氧化硅作結(jié)合劑，可以實現(xiàn)低溫?zé)Y(jié)，有效的避免了磷污染。采用二次掛漿工藝，可以有效的提高過濾器常溫下的機械強度。文檔編號B01D39/20GK101224361SQ20071016343公開日2008年7月23日申請日期2007年10月25日優(yōu)先權(quán)日2007年10月25日發(fā)明者琪何,何冬青,孫海軍,合李,立許申請人:晶銳瓷業(yè)(北京)有限公司