Способ изготовления пористых структур

 

Изобретение относится к способам изготовления устройств для очистки расплавов металлов и других жидких и газообразных сред, а именно к получению пористых фильтроэлементов, которые могут быть использованы в металлургической промышленности и в др. отраслях народного хозяйств. Способ включает изготовление каркаса из высокопористого материала, нанесение на него керамической пастообразной суспензии, состоящей из твердой фазы связующего, внедрение ее в каркас, сушку и последующее спекание заготовки, при этом в качестве высокопористого материала для изготовления каркаса используют поролон с сообщающимися каналами, в качестве твердой фазы - пастообразную суспензию, в которой наполнителем являются отходы металлургического производства - шлаки и другие керамические материалы, внедрение пастообразной суспензии в каркас осуществляют путем объемной пропитки с использованием прокатного валка, обеспечивая равномерное распределение керамической суспензии по всему объему фильтра, а окончательного формирования пористой структуры достигают при выгорании каркаса во время спекания. Изобретение позволяет получить объемные фильтры, снизить стоимость пористых структур за счет использования отходов, расширить технологические возможности полученных пористых структур благодаря использованию их для фильтрации различных сред, в частности расплавов, при повышенных температурах.

Изобретение относится к способам изготовления устройств для очистки расплавов металлов и других жидких и газообразных сред, а именно, к получению пористых фильтроэлементов, которые используются или могут быть использованы в металлургической промышленности и в других отраслях народного хозяйства, где к расплавам металлов, а также к жидким и газообразным средам предъявляются специальные требования по чистоте.

Известен способ получения композиционных фильтроэлементов, включающий изготовление опорного каркаса из высокопористого проницаемого ячеистого материала (ВПЯМ), создание слоя из равномерно насыпанного мелкодисперсного бронзового порошка заданной толщины, укладку на него опорного каркаса и жидкофазное спекание опорного и фильтрующего слоев под нагрузкой 200-400 Па. Опорный каркас имеет пористость порядка 90%, размер ячейки ВПЯМ (0,8±0,1) мм. Средний размер пор фильтрующего слоя может варьироваться от 15 до 100 мкм. Пористость от 40 до 50% (см. авторское свидетельство СССР N 500900, B 22 F 3/11, 1976).

Недостатком данного способа является невозможность получения фильтров сложной выпукло-вогнутой конфигурации. Припекание свободно насыпаемого порошка к сетчато-ячеистому материалу не обеспечивает высокой прочности соединения между опорным и фильтрующим слоем при использовании порошков, в которых процессы жидкофазного спекания отсутствуют (например, меди, никеля, нержавеющей стали), что снижает срок службы таких фильтров. Кроме того, порошки на основе бронзы имеют высокую стоимость.

Известен способ получения фильтроэлементов, включающий изготовление каркаса из высокопористого материала, нанесение на его поверхность фильтрующего слоя из порошка и спекание заготовки. Каркас изготавливают из высокопористого ячеистого материала, а из порошка предварительно готовят пастообразный шликер с содержанием твердой фазы 33-50 об.% и после нанесения шликер внедряют в опорный каркас на глубину 0,3-2,5 мм и сушат на воздухе. При изготовлении фильтроэлементов со сквозными отверстиями постоянного сечения внедрение шликера в опорный каркас производят на внутренней поверхности отверстий при перемещении конусного поршня вдоль оси отверстия с зазором 0,1-2,0 мм между поверхностями поршня и отверстия. (RU 2075370 C1, 20,03,1997, B 22 F 3/11).

Недостатками данного способа являются: невозможность получения объемного фильтра, т. е. полное внедрение шликера в заданный объем ВПЯМ, следствием этого является неэкономичный расход опорного каркаса; повышенная трудоемкость изготовления опорного каркаса нужной конфигурации, в некоторых случаях его изготовление включает те же операции, что и изготовление фильтра - нанесение покрытия с последующим спеканием, что очень неудобно; невозможность варьирования размеров фильтрующих пор по толщине фильтроэлементов; необходимость создания специальной среды при спекании фильтра; наконец, опорный каркас, изготовленный из материалов на основе меди, никеля и сталей типа Х18Н9 имеет высокую стоимость.

Эти недостатки устраняются предлагаемым решением.

Решаемая задача - совершенствование способов изготовления пористых структур.

Технический результат - получение объемных фильтров, снижение стоимости пористых структур за счет использования отходов, расширения технологических возможностей полученных пористых структур благодаря использованию их для фильтрации различных сред, в частности расплавов, при повышенных температурах.

Этот технический результат достигается тем, что в способе получения пористых структур, включающем изготовление каркаса из высокопористого материала, нанесение на него керамической пастообразной суспензии, состоящей из твердой фазы и связующего, внедрение ее в каркас, сушку и последующее спекание заготовки, в качестве высокопористого материала для изготовления каркаса используют поролон с сообщающимися каналами переменного сечения, в качестве твердой фазы - пастообразную суспензию, в которой наполнителем являются отходы металлургического производства - шлаки или другие керамические материалы, внедрение пастообразной суспензии в каркас осуществляют путем объемной пропитки с использованием прокатного валка, обеспечивая равномерное распределение керамической суспензии по всему объему фильтра, а окончательного формирования пористой структуры достигают при выгорании каркаса во время спекания.

Применение пастообразной суспензии дает возможность легко наносить ее на поверхность каркаса любой формы, имеющего открытые поры самого широкого диапазона размеров, с последующей объемной пропиткой под механическим воздействием валка. Спекание материала обеспечивает высокую прочность фильтра, а также полное выгорание каркаса.

Предлагаемый способ получения пористых структур осуществляется следующим образом.

Из поролона изготавливают каркас необходимой конфигурации и размеров. Приготавливают керамическую суспензию на основе шлака и жидкого стекла, процентное соотношение компонентов лежит в широких пределах: шлак - 60-80%, жидкое стекло - 40-20% - по объему. В некоторых случаях, в качестве связующего вместе с жидким стеклом добавляют глину, в количестве 10-20% сверх 100% по объему. Глина используется при изготовлении фильтров со значительной высотой, в 1,5-2 раза больше длины или ширины фильтроэлемента, а в случае цилиндрической формы фильтрующего элемента, соответственно в 1,5-2 раза больше его диаметра. Готовую суспензию наносят на каркас и прокатывают валком, добиваясь равномерного распределения рабочего состава по всему объему фильтра. Далее проводят сушку на воздухе, после чего проводят спекание изделия при температуре 950-1020^oC.

В качестве керамической суспензии используют также гидролизованный раствор этилсиликата, в качестве наполнителя - маршалит. Данное покрытие позволяет проводить фильтрацию при температуре 900^oC, а с использованием других огнеупорных наполнителей - при более высоких температурах.

Варьируя составы и процентное соотношение компонентов суспензии, а также применяя поролон с различными размерами пор, можно изменять пористость материала от 60-85%, средний диаметр пор от 1 до 4 мм.

ПРИМЕР 1.

Из поролона типа ППУ-ЭФ пенополиуретан эластичный (см. Булатов Г.А. "Применение пенопластов в народном хозяйстве", "Пено и поропласты в народном хозяйстве". М. : Знание, 1978 г.), изготовляли каркас фильтра с размерами: длиной 60 мм, шириной 40 мм и толщиной 25 мм. Суспензию готовили смешиванием молотого ваграночного шлака с глиной, в качестве связующего применили жидкое стекло с удельной плотностью 1,45 г/см³. Процентное содержание компонентов: шлак - 90%, глина - 10%, жидкое стекло - 40% сверх 100% общего количества. Готовую суспензию наносили на поверхность поролона и прокатывали валком, сминая поролон для объемной пропитки. Заготовку сушили на воздухе при комнатной температуре. Спекание проводили при 1020^oC. До температуры 1020^oC - плавный нагрев в течение 2-х часов. Затем выдержка 2 мин при температуре 1020^oC и охлаждение.

Полученный фильтроэлемент имел пористость 83% при среднем диаметре пор 2,5-3 мм. Через данный фильтр была проведена фильтрация алюминиевого сплава АК9Ч в количестве 6 кг при температуре 730±10^oC. Фильтр при заливке не оказал заметного сопротивления потоку металла, а также выдержал напор жидкого металла. Высота металлостатического напора H = 300 мм.

ПРИМЕР 2.

Каркас изготовлен из того же материала - ППУ-ЭФ. Форма фильтра - куб с ребром 40 мм. В качестве суспензии использовали гидролизованный раствор этилсиликата, наполнительная масса - маршалит. Нанесение суспензии производили окунанием каркаса в рабочий раствор. Заготовку сушили на воздухе при комнатной температуре в течение 3-х часов. Спекание проводили при температуре 1000^oC.

Полученный фильтроэлемент имел пористость 80%, при среднем диаметре пор 1,5-2 мм. Через данный фильтр была проведена фильтрация алюминиевого сплава АК9Ч в количестве 6 кг при температуре 730±10^oC. Фильтр при заливке не оказал заметного сопротивления потоку металла, а также выдержал напор жидкого металла. Высота металлостатического напора H = 125 мм.

Проведенные испытания показали следующее.

Предлагаемый способ получения фильтроэлементов позволяет получать объемные фильтры из отходов различных производств, прежде всего отходов металлургического и химического производств. Хорошая спекаемость шлаков повышает прочность фильтроэлементов, расширяет технологические возможности производства данных фильтров. Низкая газотворность и термоустойчивость материала позволяет применить их для фильтрации расплавов металлов, а также жидких и газообразных сред при высоких температурах 900^oC и выше. Низкая стоимость исходных материалов и простота технологии позволяет наладить производство фильтроэлементов на базе предприятий-потребителей, что весьма актуально в сложившейся финансово-экономической ситуации в России, а также частично решить проблему утилизации отходов различных производств.

Формула изобретения

Способ изготовления пористых структур, включающий изготовление каркаса из высокопористого материала, нанесение на него керамической пастообразной суспензии, состоящей из твердой фазы связующего, внедрение ее в каркас, сушку и последующее спекание заготовки, отличающийся тем, что в качестве высокопористого материала для изготовления каркаса используют поролон с сообщающимися каналами, в качестве твердой фазы - пастообразную суспензию, в которой наполнителем являются отходы металлургического производства - шлаки и другие керамические материалы, внедрение пастообразной суспензии в каркас осуществляют путем объемной пропитки с использованием прокатного валка, обеспечивая равномерное распределение керамической суспензии по всему объему фильтра, а окончательного формирования пористой структуры достигают при выгорании каркаса во время спекания.