Шихта для получения пористого проницаемого каталитического материала


 


Владельцы патента RU 2530184:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ) (RU)

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к составам шихты для получения пористого проницаемого каталитического материала методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, и может быть использовано для изготовления фильтрующих элементов. Шихта содержит, мас.%: железная окалина 47,5-47,7, оксид хрома(III) 10,5-11,5, хром 5,2-5,6, никель 5,4-6,0, алюминий 12,4-12,6, руда монацита 15-17, медь 1,6-2,0. Пористый проницаемый материал обеспечивает качественную каталитическую очистку отработавших газов двигателей внутреннего сгорания. Повышается устойчивость к динамическим и статическим нагрузкам. 1 табл., 1 пр.

 

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к составам шихты для получения пористого проницаемого материала методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), применяемого для изготовления фильтрующих элементов, пламегасителей, аэраторов и каталитических фильтров нейтрализаторов отработавших газов двигателей внутреннего сгорания.

Известна шихта для получения пористого проницаемого материала, содержащая железную окалину, оксид алюминия, алюминий и ферросилиций ФС-70 при следующем соотношении компонентов, мас.%: железная окалина - 41-43, оксид алюминия - 37-40, ферросилиций ФС-70 - 1-5, алюминий - остальное. Пористый проницаемый материал получают из порошковой шихты методом СВС. Материал имеет упорядоченную структуру порового пространства со средним размером пор 375 мкм, механическую прочность до 11 МПа (патент RU 2154550, МПК7 B22F 3/23, C22C 29/12).

Наиболее близким по технической сущности и достигнутому результату к предлагаемому изобретению (прототипом) является шихта для получения пористого проницаемого материала, содержащая железную окалину, оксид хрома (IV), хром, никель, алюминий, при следующем соотношении компонентов, мас.%: железная окалина - 45-50; алюминий - 12,5-27,5; оксид хрома (IV) - 17,5-18,5; хром - 5-9; никель - 5-20. Пористый проницаемый материал получают из порошковой шихты методом СВС. Материал имеет упорядоченную структуру порового пространства со средним размером пор 360 мкм, механическую прочность до 10,5 МПа (патент RU 1779681, МПК5 C04B 38/02, C04B 35/65).

Однако вышеописанные смеси имеют следующие общие недостатки:

- отсутствие обеспечения изделиями, изготовленными на основе получаемых пористых проницаемых материалов, каталитической очистки отработавших газов двигателей внутреннего сгорания, и ограничение сферы применения получаемых пористых проницаемых материалов вследствие невысокой механической прочности пористых проницаемых материалов и значительного среднего размера пор в пористых проницаемых материалах, не позволяющего организовать качественную очистку отработавших газов за счет каталитического эффекта потому, что перенос вещества в порах осуществляется исключительно путем молекулярной диффузии по закону Фика. В действительности, присутствие диффузии обусловлено наличием неупорядоченности пор и их высокой извилистостью, и перенос вещества зависит от величины эффективного коэффициента диффузии, что имеет важное значение в процессах гетерогенного катализа. Таким образом, пористые проницаемые материалы, описанные выше, применяются преимущественно для изготовления фильтрующих элементов;

- пониженная устойчивость к динамическим и статическим нагрузкам и значительная материалоемкость изделий, изготовленных на основе получаемых пористых проницаемых материалов, при жестких технологических требованиях к прочности изделий, изготовленных на основе получаемых пористых проницаемых материалов, а также дополнительное ограничение сферы применения получаемых пористых проницаемых материалов вследствие низкой механической прочности последних, так как наличие в шихтах оксидов - железной окалины, оксида алюминия, оксида хрома - приводит к уменьшению механической прочности материала при отсутствии раскислителя.

Предлагаемое изобретение решает задачу обеспечения изделиями, изготовленными на основе получаемого пористого проницаемого материала, качественной каталитической очистки отработавших газов двигателей внутреннего сгорания, расширения сферы применения этого материала, повышения устойчивости к динамическим и статическим нагрузкам и снижения материалоемкости изделий, изготовленных на основе получаемых пористых проницаемых материалов.

Поставленная задача решается тем, что шихта для получения пористого проницаемого каталитического материала, содержащая железную окалину, оксид хрома, хром, никель, алюминий, дополнительно содержит руду монацита и медь при следующих соотношениях компонентов, мас.%:

Железная окалина 47,5-47,7
Оксид хрома(III) 10,5-11,5
Хром 5,2-5,6
Никель 5,4-6,0
Алюминий 12,4-12,6
Руда монацита 15-17
Медь 1,6-2,0.

Качественная каталитическая очистка отработавших газов двигателей внутреннего сгорания изделиями, изготовленными на основе получаемого пористого проницаемого материала, расширение сферы применения этого материала, повышение устойчивости к динамическим и статическим нагрузкам и снижение материалоемкости изделий, изготовленных на основе получаемых пористых проницаемых материалов, достигаются значительным уменьшением среднего размера пор в пористых проницаемых материалах (см. Таблицу), позволяющим организовать очистку отработавших газов от окислов углерода, азота, углеводородов, твердых частиц за счет каталитического эффекта, обусловленного использованием в составе шихты оксида хрома, хрома, никеля и меди для получения в процессе СВС медно-хромокислых никелидов, являющимися катализаторами окисления продуктов неполного сгорания топлив, а также обусловленного введением в состав предложенной шихты руды монацита, включающей такие катализаторы, как церий, иттрий, ванадий и лантан.

Исходя из условий существования устойчивого горения систем была определена концентрация каждого из компонентов предложенной шихты для получения пористого проницаемого каталитического материала.

Железо как легирующий элемент обеспечивает твердорастворное упрочнение матрицы. Железная окалина легированной стали является отходом горячей обработки металлов - ковки, штамповки - и представляет собой нестехиометрический оксид железа со следами легирующих элементов. При проведении исследований использовалась окалина сталей 18XHBA, 18XHMA, 40XHMA, имеющих высокую реакционную способность. Содержание в шихте железной окалины в количестве 47,5-47,7 мас.% является оптимальным, так как при уменьшении в составе шихты количества железной окалины менее 47,5 мас.% в системе появляется жидкая фаза, а при увеличении в составе шихты количества железной окалины более 47,7 мас.% шихта сгорает не полностью.

В гетерогенных реакциях окисления и восстановления в порах материалов, получаемых методом СВС, оксид хрома(III) как оксид переходного металла выступает в роли катализатора, в присутствии которого происходит снижение энергии активации. Содержание оксида хрома(III) в количестве 10,5-11,5 мас.% является оптимальным, так как позволяет обеспечить требуемое качество очистки отработавших газов. Снижение количества оксида хрома(III) в шихте менее 10,5 мас.% и увеличение количества оксида хрома(III) в шихте более 11,5 мас.% приводит к образованию в пористых проницаемых каталитических материалах, полученных методом СВС, раковин и свищей.

Хром является катализатором в процессах окисления углеводородов и от его содержания в шихте во многом зависят каталитические свойства пористых проницаемых материалов, полученных методом СВС. Хром введен в шихту, с одной стороны, для стабилизации растекания расплава реактивов в процессе взаимодействия, с другой - для повышения коррозионной стойкости материала к парам серной и азотной кислот, присутствующих в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания, и также как катализатор, способствующий снижению энергии активации в окислительных и восстановительных процессах очистки газов в нейтрализаторах. Содержание хрома в количестве 5,2-5,6 мас.% является оптимальным, так как при этом обеспечивается необходимая степень очистки отработавших газов двигателей внутреннего сгорания от вредных веществ. При содержании в шихте хрома в количестве менее 5,2 мас.% происходит снижение механической прочности за счет ухудшения условий растекания расплавов реагентов в процессе изготовления пористых проницаемых материалов, полученных методом СВС, а содержание в шихте хрома в количестве более 5,6 мас.% приводит к образованию раковин и свищей.

Никель является катализатором в процессах доокисления продуктов неполного сгорания и восстановления оксидов азота. Введение никеля в состав шихты для получения пористого проницаемого каталитического материала значительно влияет на состав отработавших газов двигателей внутреннего сгорания. Содержание никеля в шихте в количестве 5,4-6,0% по массе является оптимальным, так как снижение содержания этого компонента в шихте менее 5,4 мас.% не обеспечивает необходимое качество очистки выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, а увеличение содержания никеля в шихте более 6,0 мас.% принципиально не сказывается на качестве очистки выхлопных газов, но приводит к значительному удорожанию катализатора.

Содержание в шихте алюминия в количестве 12,4-12,6 мас.% является оптимальным, так как при уменьшении в составе шихты содержания алюминия менее 12,4 мас.% в системе появляется жидкая фаза, а при увеличении в составе шихты содержания алюминия более 12,6 мас.% шихта сгорает не полностью.

Предпосылками использования руды монацита для получения пористого проницаемого каталитического материала, основанного на предложенном составе шихты, методом СВС явилось следующее:

- монацит достаточно распространен и является побочным материалом в вулканических и метаморфических породах, золотоносных жилах; является фосфатом цериевой группы лантаноидов и обычно содержит некоторое количество тория-актиноида;

- руда монацита включает катализаторы: церий, иттрий, ванадий и лантан, что позволяет исключить из технологического процесса стадии обогащения, дистилляции и другие, а использовать ее непосредственно в виде руды в составе шихты.

Содержание в шихте руды монацита в количестве 15,0-17,0 мас.% является оптимальным, так как именно это количество руды монацита в составе шихты обеспечивает заданную пористость, извилистость пор, механическую прочность, ударную вязкость, а также необходимую степень очистки отработавших газов от вредных веществ (см. Таблицу). Снижение в составе шихты количества руды монацита меньше 15,0 мас.% не дает возможности обеспечить требуемую пористость получаемого материала и извилистость пор, что позволяет эффективно осуществлять процесс каталитической очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания. Увеличение содержания руды монацита в шихте более 17,0 мас.% приводит к снижению механической прочности, ударной вязкости и снижению коррозионной стойкости материала (см. Таблицу).

Содержание в шихте меди в количестве 1,6-2,0 мас.% является оптимальным, так как именно такое количество данного компонента в составе шихты обеспечивает каталитическую очистку отработавших газов двигателей внутреннего сгорания, реализуется способность окисления и нейтрализации токсических компонентов отработавших газов и уменьшается дымность двигателей внутреннего сгорания, при этом могут быть использованы более тонкостенные фильтрующие элементы вследствие повышения механической прочности на сжатие до 8,3 МПа. При снижении в составе шихты количества меди менее 1,6 мас.% шихта сгорает не полностью, а при повышении в составе шихты количества меди более 2,0 мас.% в системе появляется жидкая фаза.

При проведении исследований по определению влияния содержания руды монацита на состав шихты для получения пористого проницаемого каталитического материала изменялось и соотношение основных компонентов (железной окалины, алюминия, оксида хрома, хрома и никеля). При этом изменились и физические характеристики получаемого материала. Изменение содержания оксида хрома, хрома и никеля по сравнению с содержанием тех же компонентов в шихте, выбранной в качестве прототипа, привело к увеличению среднего приведенного диаметра пор, извилистости пор, удельной поверхности и пористости, а также проницаемости по воздуху (см. Таблицу).

Изобретение поясняется таблицей, в которой приведены состав, физические характеристики, физико-механические и функциональные свойства образцов пористого проницаемого каталитического материала, полученного на основе предложенной шихты путем СВС, а также образцов пористого проницаемого материала, полученного на основе шихты, выбранной в качестве прототипа, путем СВС.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется нижеследующим примером.

Для экспериментальной проверки заявляемого технического решения были приготовлены образцы шихты различного состава согласно изобретению, а также образец шихты-прототипа. Для изготовления образцов использовались размол железной окалины стали 18X2H4MA, оксид хрома(III), хром ПХ-1 по ТУ 882-76, никель ПНК-ОТ-1 по ГОСТ 9722-79, алюминий АСД-1 по ТУ 485-22-87, руда монацита, медь. В качестве железной окалины можно использовать также железную окалину стали 18XHMA, или стали 18XHMA, или стали 40XHMA. Компоненты дозировались в заданных соотношениях на аналитических весах с точностью до 0,001 г и смешивались в сухую в лабораторном смесителе типа «пьяная бочка» партиями по 200 г в течение 1 часа. Приготовленная шихта засыпалась в металлические формы и после инициирования реакции СВС компонентов получали образцы пористого проницаемого материала, которые в дальнейшем использовались для испытаний.

Образцы для испытаний имели вид полых цилиндров длиной 100 мм, с внешним диаметром 40 мм и внутренним диаметром 30 мм. Результаты испытаний приведены в таблице.

Экспериментальная оценка физико-механических, каталитических и эксплуатационных свойств пористых проницаемых каталитических материалов проведена на образцах, полученных при идентичных технологических условиях с различными свойствами шихты. На основании таблицы выявлена зависимость среднего диаметр пор от соотношения компонентов в составе шихты: с увеличением содержания в шихте руды монацита пористость материала возрастает. Формирование структуры пористого проницаемого каталитического материала происходит на основе процесса горения смеси, в которую входит d-элементы периодической системы элементов, а именно железо, никель, хром, медь и ряд других. Как следует из данных таблицы, шихта с заявленным составом компонентов позволяет уменьшить средний размер пор в синтезируемом материале до 64% по сравнению с прототипом.

Таким образом, использование предлагаемой шихты по сравнению с применением шихты-прототипа позволяет обеспечить изделиями, изготовленными на основе получаемого пористого проницаемого материала, качественную каталитическую очистку отработавших газов двигателей внутреннего сгорания, повысить устойчивость к динамическим и статическим нагрузкам изделий, изготовленных на основе полученного пористого проницаемого каталитического материала, снизить материалоемкость этих изделий и расширить сферу применения полученного пористого проницаемого каталитического материала, что обусловлено повышением механической прочности и уменьшением среднего размера пор синтезируемого материала.

Таблица
Состав, физические характеристики, физико-механические и функциональные свойства образцов пористого проницаемого каталитического материала, полученного на основе предложенной шихты путем самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), а также образцов пористого проницаемого материала, полученного на основе шихты, выбранной в качестве прототипа, путем СВС
Отдельные характеристики Образцы материалов, полученных путем СВС
M-1 M-2 M-3 M-4 M-5 Прототип
Содержание компонентов шихты, в процентах по массе
Железная окалина 47,9 47,7 47,6 47,5 47,4 46,0
Оксид хрома (III) 12,0 11,5 11,0 10,5 10,0 -
Оксид хрома (IV) - - - - - 18,0
Хром 5,8 5,6 5,4 5,2 5,0 7,0
Никель 6,2 6,0 5,7 5,4 5,2 9,0
Алюминий 12,7 12,6 12,5 12,4 12,2 20,0
Руда монацита 14 15 16 17 18 -
Медь 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 -
Физические характеристики
Средний приведенный диаметр пор, мкм 123 130 142 168 170 360
Извилистость пор при δст=10 мм 1,15 1,21 1,27 1,32 1,37 -
Удельная поверхность, м2 86 94 107 126 132 -
Пористость 0,45 0,50 0,54 0,55 0,55 -
Проницаемость по воздуху ×10-12, м2 1,32 1,42 1,71 2,13 2,20 -
Физико-механические свойства
Механическая прочность при сжатии, МПа 10,5 8,3 6,4 4,5 2,2 10,5
Механическая прочность при изгибе, МПа 8,0 6,5 5,0 3,5 2,7 -
Ударная вязкость, Дж/м2 0,282 0,275 0,260 0,235 0,202 -
Коррозионная стойкость, % 13,5 14,8 15,2 16,4 16,8 11,6
Функциональные свойства
Снижение концентраций CO, % 62 68 64 80 81 -
Снижение концентраций NOX, % 42 49 55 67 68 -
Снижение концентраций CXHY, % 62 68 73 84 84 -
Снижение концентраций твердых частиц, % 90 91,5 94,8 99 99 12

Шихта для получения пористого проницаемого каталитического материала, содержащая железную окалину, оксид хрома, хром, никель, алюминий, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит руду монацита и медь при следующих соотношениях компонентов, мас.%:

Железная окалина 47,5-47,7
Оксид хрома (III) 10,5-11,5
Хром 5,2-5,6
Никель 5,4-6,0
Алюминий 12,4-12,6
Руда монацита 15-17
Медь 1,6-2,0



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к составу шихты для получения пористого проницаемого материала методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза.
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к составу шихты для получения пористого проницаемого материала методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза.

Изобретение относится к тонкодисперсным структурам, содержащим вентильный металл или субоксид вентильных металлов, и может быть использовано, в частности, в качестве материалов для катализаторов, мембран, фильтров, анодов конденсаторов.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению сложных оксидов алюминия и магния, активированных ионами редкоземельных металлов. Может использоваться при производстве материалов для источников и преобразователей зеленого света.

Изобретение относится к пирохлорным материалам и к создающим тепловой барьер покрытиям с этими пирохлорными материалами, нанесенными на суперсплав на основе железа, никеля или кобальта.

Изобретение относится к технологии получения высокотемпературных проводников в системе металл-оксид металла и может использоваться для получения соединений, обладающих особыми физическими свойствами.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к полупроводниковым ферримагнитным материалам. .
Изобретение относится к металлургии, в частности к изготовлению шиберных затворов из сплавленных зерен, содержащих оксид алюминия, оксид титана и оксид циркония, которые используются в литейных ковшах при непрерывной выплавке стали.
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к технологии получения радиопоглощающих ферритов. .
Изобретение относится к электротехнике, в частности к производству контактов из высокотемпературных материалов, устройств отключения тока на мощных линиях электропередач и в качестве защитных средств в соплах ракетных двигателей.
Изобретение относится к области изготовления композиционных материалов для получения заготовок и полуфабрикатов и может быть использовано в авиационной и космической технике для изготовления деталей с повышенными эксплуатационными свойствами.

Группа изобретений относится к металлургии. Соли щелочных металлов, выбранные из группы, состоящей из сульфатов, хлоридов, нитратов, карбонатов, формиатов, оксалатов, сульфидов, сульфитов, бромидов, йодидов, фторидов, нитридов, нитритов, фосфатов, фосфидов, фосфитов и ацетатов щелочных металлов, смешивают в воде в качестве растворителя с оксидами полуметаллов, неметаллов или металлов, выбранными из группы, состоящей из CO2, CO, N2O3, N2O5, NO2, NOx, оксида кремния, оксида алюминия, оксида теллура, оксида германия, оксида сурьмы, оксида галлия, оксида ванадия, оксида марганца, оксида хрома, оксида титана, оксида циркония, оксида церия, оксида лантана, оксида кобальта, оксида меди, оксида железа, оксида серебра, оксида вольфрама и оксида цинка.

Изобретение относится к литейному и металлургическому производству, в частности к получению модификатора для алюминиевых сплавов. Способ включает смешивание порошка носителя с ультрадисперсным модифицирующим порошком в планетарной мельнице и прессование полученной композиции.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получения спеченных твердосплавных деталей из градиентных твердых сплавов. Может использоваться для изготовления режущих вставок инструмента для машинообработки металла, горного инструмента или инструмента для холодной штамповки.
Изобретение относится к металлургии, точнее к производству литейных сплавов, преимущественно цветных сплавов, и может быть использовано для получения отливок повышенного качества.
Изобретение относится к области порошковой металлургии, а именно к получению композиционных материалов на основе меди, предназначенных для изготовления разрывных электрических контактов.
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к приготовлению шихты для формирования матрицы алмазного инструмента из твердосплавной порошковой смеси с упрочняющими наночастицами из сверхтвердых материалов.
Изобретение относится к получению сверхтвердого композитного материала на основе кубического нитрида бора (КНБ) в присутствии катализаторов синтеза и дополнительных реагентов в камере высокого давления.
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к порошковым коррозионно-стойким материалам на основе железа. Может использоваться для изготовления деталей, работающих в агрессивных абразивсодержащих средах, например, в нефтедобывающей, химической промышленности.
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к производству графито-медных материалов для сильноточных электрических контактов. Шихта содержит, мас.%: частицы меди 20-85, частицы гидрида титана 1-10 и частицы графита - остальное.
Изобретение относится к строительной индустрии, к способу получения стеклокерамзита и порокерамики. В способе получения стеклокерамзита и порокерамики, включающем предварительный помол кремнесодержащей смеси из трепелов и опок и последующее смешение ее с щелочным компонентом - едким натром, грануляцию полученной смеси, вспучивание и спекание во вращающейся печи, указанную кремнесодержащую смесь предварительно подвергают помолу до фракции 3-5 мм с последующей сушкой при температуре 600°C до влажности 10%, повторный помол до получения порошка фракции 0,315 мм, далее полученный порошок последовательно подвергают грануляции и химизации в турбулентном грануляторе, куда дозированно поступает порошок и раствор едкого натра, с получением гранул фракции от 1,5 до 2,5 мм, далее полученные гранулы подвергают повторной грануляции и химизации в тарельчатом грануляторе, куда дозированно поступают полученные гранулы, указанные порошок и раствор едкого натра, с получением гранул окончательной фракции от 5 до 7 мм с влажность 45% по массе, которые подвергаются сушке, вспучиванию и спеканию до достижения коэффициента вспучивания от 2,2 до 5,5 в зависимости от заданной рецептуры, во вращающейся подовой печи с температурой 740-760°C в течение 15-20 минут, или осуществляют термообработку гранул на электроконвейре в процессе доставки их потребителю.
Наверх