Способ изготовления керамического фильтрующего элемента с волокнистой структурой

Изобретение относится к химической технологии керамики, а именно к изготовлению керамических изделий с композитной волокнистой структурой материала, используемых в качестве высокотемпературных фильтрующих элементов и теплоизоляции. Технический результат - повышение качества фильтрующего элемента и химической стойкости в хлорсодержащих средах. Способ изготовления керамического фильтрующего элемента с волокнистой структурой включает диспергацию керамических волокон до заданного отношения L/d, приготовление суспензии из керамических волокон, керамической связки и связующего, осаждение, сушку и обжиг. Приготовление суспензии осуществляют путем получения коллоидного раствора кремнезоля в дисперсионной кислой среде, введения муллитовых волокон с последующей гомогенизацией. В полученную суспензию вводят связующее в виде коллоидного раствора органического высокомолекулярного соединения из ряда крахмалов. Обжиг осуществляют в интервале температур образовании альфа-тридимитной модификации кремнезема. Процесс осуществляют при рН выше 2,5 с использованием кремнезоля с размером наночастиц 2-10 нм, в качестве органического высокомолекулярного связующего используют картофельный крахмал холодного набухания марки Solvitose PLV. 6 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к химической технологии керамики, а именно к изготовлению керамических изделий с композитной волокнистой структурой материала, используемых в качестве высокотемпературных фильтрующих элементов и теплоизоляции.

В условиях эксплуатации при высоких температурах (~800-900°С) и воздействия сложной газовой среды, содержащей водяные пары, хлор, окислы азота, серы, углерода, к материалам композитной структуры предъявляют высокие требования к устойчивости от химической коррозии. В научно-технической литературе особое внимание уделяется устойчивости выбранных материалов в зависимости от химического состава, примесей и модификационных превращений (1. П.П.Будников. Химия и технология силикатов. - Киев: Наукова Думка, 1964, с. 136-137; с.496-501; 2. Коршиков Б.Г., Стефанюк С.А. Введение в хлорную металлургию редких элементов - М.: Металлургия, 1970, с.173). 3. Рудников П.П., Харитонов Ф.Я.: Керамические материалы для агрессивных сред. - М.: Стройиздат, 1971, с.114-123).

В каждом конкретном случае устойчивость против коррозии возрастает при создании материалов однофазного состава, отсутствии или равномерности распределения примесей, устойчивости к модификационной форме. Например, для хлорсодержащих газов наиболее устойчивыми материалами в условиях эксплуатации до 900°С является кремнезем в -тридимитной форме или муллит 3Al2О3·2SiO2 с избытком SiO2.

С технологической точки зрения необходимо экспериментальное подтверждение влияния технологических параметров на получение изделий заданной формы и габаритов, плотности материала, структурных факторов и состава, определяющих устойчивость материала в реальных эксплуатационных условиях.

В мировой практике существует способ получения изделий с волокнистой структурой, основанный на осаждении суспензий, содержащих неорганические волокна и неорганические соединения, образующие после термообработки керамическую связку, фиксирующую волокна между собой, перед сушкой смесь уплотняют посредством фильтрования под разряжением (Fr 2553758, 1983; RU 2075329, 20.03.97; RU 2170610, 20.07.2001; US 5849375 А, 15.12.1998).

Недостатком известного способа является относительно невысокая пористость, что не позволяет использовать фильтрующие элементы в установках с большим объемом очищаемых газов вследствие малого объема проницаемых пор и низкой производительности.

Наиболее близким аналогом по функциональному назначению и решаемым задачам является способ изготовления керамического фильтрующего элемента с волокнистой структурой (RU 2288903 С1, 10.12.2006).

Способ изготовления керамического фильтрующего элемента с волокнистой структурой включает диспергацию керамических волокон до заданного соотношения L/d, приготовление суспензии из керамических волокон в присутствии поверхностно-активного вещества (ПАВ), получение бингамовских жидкостей, содержащих полимерное связующее пленочного типа и керамическую связку из фосфорсодержащих соединений, введение в жидкую смесь указанных волокон, осаждение суспензии посредством фильтрования под разрежением, сушку, обжиг при температуре образования кристаллических фаз заданного химического состава керамической связки, но ниже температуры перекристаллизации материала указанного волокна.

Недостатком известного способа является порядок операций подготовки суспензий с использованием многофазных компонентов, не позволяющих реализовать равномерное объемное распределение однофазной связки в виде наноразмерных частиц, которая выполняет не только роль связующего агента, фиксирующего волокна между собой, но и образует пленку на поверхности волокна, повышающую устойчивость волокнистой композиции к химически агрессивному компоненту фильтруемого газа.

Целью предлагаемого технического решения является разработка способа изготовления керамического фильтрующего элемента из материала волокнистой структуры повышенного качества и химической стойкости в хлорсодержащих средах.

Для этого в способе изготовления керамического фильтрующего элемента, включающем диспергацию керамических волокон до заданного соотношения L/d, приготовление суспензии из керамических волокон, керамической связки, связующего, сушку, осаждение и обжиг, получают коллоидный раствор кремнезоля в дисперсионной кислой среде, вводят муллитовые волокна, проводят гомогенизацию, в полученную суспензию вводят связующие в виде мицелярной системы органического высокомолекулярного соединения, проводят гомогенизацию, а обжиг осуществляют в интервале температур образования -тридимитной модификации кремнезема.

Сущность заявляемого технического решения состоит в последовательности операций, которые в совокупности с выбранными компонентами, обеспечивающими объемную равномерность распределения керамической связки, позволяют организовывать комплексный технологический процесс получения изделий из материала волокнистой структуры.

Диспергационная кислая среда позволяет получить на поверхности волокна и наночастиц кремнезоля заряды разные по знаку (+ и -), что обеспечивает равномерное распределение частиц кремнезоля по поверхности волокна в виде пленки, которая устойчива к ионам хлора в результате обжига при температурах образования альфа-тридимитной модификации кремнезема и обеспечивает достижение поставленной цели.

На основании экспериментальных исследований в реализации технического процесса могут быть использованы:

- диспергационная кислая среда с рН выше 3;

- коллоидный раствор кремнезоля с размером частиц 2-10 нм;

- дискретные муллитовые волокна с диаметром 5-10 мкм и длиной 1000-2000 мкм;

- органическое высокомолекулярное соединение в виде картофельного крахмала;

- крахмал холодного набухания, марки Solvitose PLV

Примеры осуществления способа.

Пример 1.

Изготавливали водную дисперсионную среду в количестве 5 л, устанавливая с помощью НСl рН равным 3.

В кислую дисперсионную среду вводили кремнезоль в количестве 10 мл при концентрации диоксида 30 г/л.

Смесь гомогенизировали в высокоскоростной мешалке с числом оборотов 2500 в минуту в течение 3х мин.

После введения 20 г муллитовых волокон диаметром 5-10 мкм и длиной 1000-2000 мкм проводили смешивание в течение 5 мин. В подготовленную суспензию вводили коллоидный раствор картофельного крахмала марки Solvitose PLV в количестве 10 мл, при концентрации крахмала 30 г/л. Проводили гомогенизацию суспензии при содержании компонентов на сухой вес, мас.%: муллитовое волокно - 95,7, SiO2 - 2,8; крахмал - 1,5. Концентрация волокна в суспензии составляла 0,4%.

Полученную суспензию осаждали на перфорированной металлической оправке длиной 100 мм и диаметром 60 мм при толщине стенки 3 мм. Разряжение внутри оправки составляло 0,7-0,8 Па. Для получения изделий, по толщине сравниваемых с прототипом (2,2-2,4 мм), и концентрации волокна в суспензии 0,4 мас.% время осаждения составляло 30 с. После окончания процесса осаждения проводили фильтрацию воздуха при температуре 70-80°С в течение 20-25 мин.

Обжиг заготовки проводили в воздушной туннельной печи при температуре 1280-1300°С. В результате обжига получали фильтрующие элементы из волокнистого композиционного материала, содержащего компоненты, мас.%: муллитовое волокно - 97, SiO2 - 3.

Пример 2.

Процесс осуществляют аналогично примеру 1, но рН равнялось 4, а суспензия содержала компоненты на сухой вес, мас.%: муллитовое волокно - 91,7; SiO2 - 5; крахмал 3,3. После обжига при 900-950°С получали состав материала фильтрующего элемента, мас.%: муллитовое волокно - 94,5, SiO2 - 5,5.

Пример 3.

Процесс осуществляют аналогично примеру 1, но рН равнялось 5, а суспензия содержала компоненты на сухой вес мас.%: муллитовое волокно - 87,7, SiO2 - 7,0, крахмал 5,3, что соответствовало составу материала после обжига, при 1400-1450°С, мас.%: муллитовое волокно - 92, SiO2 - 8.

В каждом примере из изделий вырезались образцы из разных точек объема (10-15 образцов) и по стандартным методикам для огнеупорной промышленности контролировали содержание компонентов, физические свойства и устойчивость в хлорсодержащей среде. Анализ химического состава образцов показал, что во всех случаях содержание компонентов не отличается от расчетного, а доверительный интервал значений находится в пределах ±0,2%, определяет высокую структурную однородность материала.

Данные таблицы свидетельствуют, что предлагаемый способ изготовления керамических фильтрующих элементов позволяет получать продукцию с повышенными эксплуатационными характеристиками и является конкурентноспособным по сравнению с аналогичными техническими решениями.

Образец Содержание компонентов, формирующих структуру материала, мас.% Связующее, % от веса волокна Сопротивление потоку воздуха, мм вод. столба Потеря веса в НСl, %/сут.
Керамическое волокно Керамическая связка
1 97 3 1,5 1,2 0,3
2 94,5 5,5 3,75 2,1 0,1
3 92 8 6 2,6 0,1
Прототипы
4 97 3 1,5 1,8 2,2
5 94,5 5,5 3,75 2,7 2,6
6 92 8 6 3,2 2,7

1. Способ изготовления керамического фильтрующего элемента с волокнистой структурой, включающей диспергацию керамических волокон до заданного отношения L/d, приготовление суспензии из керамических волокон, керамической связки, связующего, осаждение, сушку, обжиг, отличающийся тем, что приготовление суспензии осуществляют путем получения коллоидного раствора кремнезоля в дисперсионной кислой среде, вводят муллитовые волокна, проводят гомогенизацию, в полученную суспензию вводят связующее в виде мицелярной системы с использованием крахмала, проводят гомогенизацию, а обжиг осуществляют в интервале температур образования альфа-тридимитной модификации кремнезёма.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют дисперсионную кислотную среду с рН выше 2,5.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что коллоидный раствор кремнезоля содержит частицы размером 2-10 нм.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что суспензия содержит дискретные муллитовые волокна с диаметром 5-10 мкм и длиной 1000-2000 мкм.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в суспензии используют органическое высокомолекулярное соединение из ряда крахмалов.

6. Способ по пп.1, 5, отличающийся тем, что в качестве связующего используют картофельный крахмал.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что используют картофельный крахмал холодного набухания марки Solvitose PLV.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способам изготовления порошковых фильтрующих элементов трубчатого типа, в частности к изготовлению керамического фильтрующего элемента для очистки высокотемпературного газа.
Изобретение относится к процессам изготовления керамических фильтрующих элементов трубчатой или пластинчатой формы, используемых в отраслях производства, где необходима высокая степень селективности и эффективности фильтрации и заданной конструктивной прочности изделий.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к технологии изготовления огнеупорных пористых блоков для продувки жидкого металла инертным газом. .

Изобретение относится к производству строительных материалов. .

Изобретение относится к производству строительных материалов и может быть использовано в технологии производства ячеистого бетона автоклавного и неавтоклавного твердения.

Изобретение относится к строительным материалам и может быть использовано для производства легких строительных стеновых камней и монолитного строительства. .

Изобретение относится к строительным материалам и может быть использовано для производства легких строительных стеновых камней и монолитного строительства. .
Изобретение относится к промышленности строительных материалов, а именно к производству легких огнеупорных фибробетонов. .

Изобретение относится к области строительных материалов и может быть использовано для изготовления изделий, применяемых в промышленном и гражданском строительстве.
Изобретение относится к строительным материалам и может быть использовано при производстве строительных блоков. .

Изобретение относится к технологии получения неорганических волокнистых и керамических материалов на основе кварцевого стекла с регулируемой плотностью, пористостью, диэлектрической проницаемостью и других свойств.
Изобретение относится к технологии производства конструкционных керамических элементов оснастки литейных агрегатов алюминиевой промышленности. .
Изобретение относится к композиционным материалам, а именно к композиционным материалам на основе стеклокерамических матриц, армированных углеродными наполнителями для изготовления теплонагруженных узлов и деталей перспективной авиационно-космической техники, наземных, энергетических, нефте-, газоперекачивающих, транспортных систем и новых областей общего и специального машиностроения, работающих при температурах до 1300°С.
Изобретение относится к технологии получения волокнистых керамических материалов теплозащитного и теплоизоляционного назначения, в частности для изготовления плоских и фасонных изделий для горячих металлургических цехов, летательных аппаратов, энергетических установок и др.
Изобретение относится к керамическим композиционным материалам и может быть использовано при изготовлении теплонагруженных узлов и деталей авиационно-космической техники, в наземных энергетических, нефтегазоперекачивающих, транспортных системах и новых областях общего и специального машиностроения, работающих при температурах до 1550°С.
Изобретение относится к области производства волокнистых материалов на основе огнеупорных волокон, используемых для изготовления теплоизоляционных, звукоизоляционных и фильтрующих изделий Связующее для волокнистых материалов содержит, мас.%: кремнезоль »К3-ТМ» 10-90, стирол-акриловую эмульсию «Рузин 14 ГМ» 10-90 при соотношении плотности кремнезоля и стирол-акриловой эмульсии, равном 0,9-1,1.
Изобретение относится к композиционным материалам, а именно к композиционным материалам на основе стеклокристаллических матриц, армированных углеродными наполнителями для изготовления теплонагруженных деталей с острой кромкой, таких как стойки, проставки переходных устройств, элементы резьбового крепежа и т.д.
Изобретение относится к композиционным материалам, а именно к композиционным материалам на основе стекломатриц, армированных углеродными волокнистыми наполнителями, используемым для изготовления теплонагруженных деталей, например бандажных колец, применяющихся в авиационной, космической технике и машиностроении.

Изобретение относится к области получения неорганических волокнистых теплоизоляционных материалов конструкционного назначения для изделий гиперзвуковых летательных аппаратов, авиационно-космической и машиностроительной промышленности.
Изобретение относится к области производства стройматериалов, в частности теплоизоляционных изделий на основе огнеупорных волокон. .

Изобретение относится к производству огнеупоров, а именно к способам получения огнеупорных уплотняющих и облицовочных материалов, и может быть использовано для изготовления уплотнительных, разделительных, герметизирующих и т.п
Наверх