CN102921238B - 用于过滤熔融金属的过滤器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于过滤熔融金属的过滤器，其制备原料以质量份计包含：刚玉，10-18；氧化铝粉，10-18；石墨，6-15；木质素，15-25；炭黑，6-15；以及富碳粘结剂，20-40。该过滤器具有优异的机械强度、抗热震性，并且具有较低的热容、很好的抗侵蚀性。

Description

用于过滤熔融金属的过滤器及其制造方法

技术领域

本发明涉及过滤器的制造领域，更具体地说，涉及一种用于过滤熔融金属的过滤器及其制造方法。

背景技术

金属液的净化对提高铸件的力学性能起到重要作用。目前用于金属液净化的过滤装置为陶瓷过滤器，可有效截获金属液中的有害杂质并使金属液由紊流变为层流，起到净化和均质作用。陶瓷过滤器按照结构可分为泡沫陶瓷过滤器和直孔陶瓷过滤器。目前用于铸钢的过滤器几乎全部是泡沫陶瓷过滤器。在所有的熔融金属用泡沫过滤器当中，对于铸钢用泡沫过滤器的要求最高，这是由于铸钢熔融金属有着较高的熔融温度。在此温度下，过滤器需要保持足够的机械强度、抗热震性、和较低的比热容。其中，影响抗热震性的因素包括材料的热膨胀系数、导热系数、材料固有强度、断裂韧性等。一般地讲，热膨胀系数越小，材料因温度变化而引起的体积变化小，相应产生的温度应力小，抗热震性越好；热导率大，材料内部的温差越小，由温差引起的应力差越小，抗热震性越好；材料固有强度越高，承受热应力而不致破坏的强度越大，抗热震性好。对于陶瓷材料而言，材料的内部组织结构和几何形状也是影响因素。一般地讲，材料组织相对疏松，有一定气孔率，有适当的微裂纹存在，都可以提高断裂能，使材料在热冲击下不致被破坏。但是材料组织相对疏松，也会降低材料的机械强度，因此在过滤器的机械强度和抗热震性之间容易存在矛盾。

传统的用于铸钢的泡沫过滤器的制备全部依赖于氧化锆。这是由于氧化锆具有高的机械强度，即使采用多孔的泡沫结构，也能保持良好的机械性能，但是，由于锆是一种稀有金属，虽然过滤效果好，其高昂的价格严重限制其在铸钢及其他高温金属液过滤领域中的广泛应用，只是用于特种钢或者高附加值的钢或合金的铸造。

CN1449312A公布了一种用于过滤熔融金属的过滤器，过滤器包含开孔多孔材料，该材料包含了与含碳结构的胶粘剂粘结在一起的耐火材料粒子。该发明要求控制过滤器的烧成气氛，以控制碳-碳粘结的质量和水平，即在烧成开始时，向燃烧室内注入空气，然后停止注入以保证燃烧室内氧的合理水平，这种方法在生产上难以控制，容易造成产品质量的不稳定。另外，如果在耐火材料中不使用锆，烧成中会出现较大的收缩，产品的机械强度会降低，不能生产大的过滤器，且在烧成中有较大的氧化。另外，根据该专利的制备方法，为满足铸钢液的过滤需要，必须采用氧化锆，采用其他原料作为陶瓷材料，所制得的过滤器的机械性能得不到要求。

CN101257957A公布的过滤器克服了在烧结过程中容易氧化的问题，具有足够的机械强度而不用担心运输以及使用中的强度问题，且能够承受熔融金属的冲击和应力。但是由于采用磷酸盐作为粘结剂，该粘结剂在高温下发生晶型转变，因此限制了它的使用。

EP1421042A1涉及用于熔融金属过滤的包括石墨化碳结合网络的过滤器，然而这些过滤器相对不耐用且机械强度低。

发明内容

为克服现有技术的上述缺陷，本发明提出一种新配方的熔融金属过滤器，其适于制成大规格产品，具有优异的机械强度、抗热震性，并且具有较低的热容、很好的抗侵蚀性。

为实现上述目的，本发明提供一种用于过滤熔融金属的过滤器，其制备原料以质量份计包含：刚玉，10-18；氧化铝粉，10-18；石墨，6-15；木质素，15-25；炭黑，6-15；以及富碳粘结剂，20-40。

采用高碳材料充分利用了碳材料的高的耐火度、良好的导热性、低的热膨胀系数、化学性质稳定、耐侵蚀等，制作的产品具有很好的抗热震性、抗热冲击性、高的抗折强度等性能。同时碳的来源广泛，并且价格低廉。

优选地，上述过滤器中，制备原料以质量份计包含：刚玉，13-16；氧化铝粉，13-16；石墨，8-13；木质素，15-20；炭黑，6-10；以及富碳粘结剂，20-30。

优选地，炭黑的用量不超过石墨的量，更优选地，炭黑的用量为石墨量的1/3~2/3。

优选地，炭黑的粒径在100~900nm之间，更优选在100~500nm之间。

采用上述配方，使得根据本发明的产品的蓄热系数大大降低，热容显著降低，有利于在使用过程中金属液的快速启动，能够保证不提高浇注温度的条件下金属液快速通过过滤器而不发生金属液的凝固。

本发明还涉及一种用于过滤熔融金属的过滤器的制造方法，包括下：1）将各原料成分用水配制成浆料；2）将配制好的浆料涂挂在开孔多孔材料上形成至少一层耐火涂层；3）将形成耐火涂层的开孔多孔材料在一定温度下烘干；4）在无氧气氛和800~1150℃下进行烧结。采用该方法可以获得泡沫过滤器。

本发明还涉及一种制备过滤器的方法，包括：1）将各原料成分用水配制成半干泥料；2）将配制好的泥料通过冲压或挤压方式制成多孔制品；3）在无氧气氛下进行800℃~1150℃温度下进行烧结。采用该方法可以获得直孔过滤器。

具体实施方式

除非特别说明，本文在提到成分比例时皆以质量百分比计算。

本发明的过滤器主要由刚玉、氧化铝粉、石墨、炭黑、木质素和富碳粘结剂为原料制成。本发明的一个特征在于将刚玉和氧化铝粉搭配，用于形成过滤器中的非碳材料。刚玉具有高的莫氏硬度，赋予过滤器较高的刚性和机械强度。但是，发明人发现，单纯使用刚玉，所形成浆料的涂挂性较差，即不利于浆料涂挂在下文提到的泡沫材料的表面。混合以氧化铝粉，则明显提高浆料的涂挂性。在本发明中，刚玉的粒径优选在325目以下，氧化铝粉的粒径优选在0—10微米的范围。本发明中，基于100份原料总量（不包含水），优选引入10-18份、更优选13-16份的刚玉和10-18份、更优选13-16份的氧化铝粉。发明人经过大量实验发现，上述非碳材料材料的引入总量不到40%，不低于20%，既可以保持过滤器的机械强度，也可以控制其重量和造价，最重要的是降低产品的比热容，有利于在使用过程中金属液的快速启动。刚玉与氧化铝的合理搭配，可以改善产品的微观结构，有效提高产品的各项性能。

本发明的另一个特点是，将石墨和炭黑配合使用，向过滤器中引入碳。石墨具有良好的导热性能，也具有较小的密度、良好的耐高温性和化学稳定性、耐侵蚀。但是，石墨的粒度较大，单独使用时所得浆料的流动性不佳，本发明选择粒径较小的炭黑，与粒度较大的石墨一起使用，可以填充在石墨的缝隙之间，有利于改善浆料的涂挂性。炭黑属非晶质碳素材料，易与金属硅反应，在钢中难于溶解，可改善产品的显微结构，提高机械性能和高温性能。引入炭黑的另一个原因是用炭黑部分代替石墨，可以降低制备浆料时对水的需要量，改善浆料的流变性能。

本发明中使用的石墨的粒径通常在200目以下，典型地在325目以下，这样，相应地使用粒径在粒径更小的炭黑。在使用平均粒径100μm左右的石墨的情况下，可以使用粒径为10~50μm的炭黑。在本发明的一个具体实施方式中，使用了平均粒径在50~70μm的石墨，相应地使用粒径在5~15μm范围的炭黑。本发明更优选使用含量大于99.0%，粒度小于10微米的炭黑。发明人意外地发现，使用更小颗粒的炭黑，即粒径在100~900nm、更优选在100~500nm之间的炭黑，所得过滤器的抗热震性被提高。不希望受理论的束缚，一个可能的原因是较小的炭黑粒径提高了过滤器的导热性能。

在本发明中，基于100份原料总量（不包含水），优选引入6-15份、更优选8-13份的石墨，优选引入6-15份、更优选8-13份的炭黑。作为优选方案，炭黑的用量不超过石墨的量，优选小于石墨的用量，例如，其用量为石墨量的1/3~2/3。炭黑的用量超过石墨，在某些实施方式中可能会对过滤器的导热性能产生不利影响，最终降低过滤器的抗热震性。

本发明的另一个特点是进一步引入木质素。石墨和炭黑的吸水率较高，使用过多，为形成浆料需要引入较多的水分，过多的水分需要在后续的烧制过程中挥发，会使产品留下过多的气孔。本发明引入适量木质素，可以解决这个问题，炭黑的吸水率较低，可以降低浆料中水的加入量。另外，木质素也可以向过滤器贡献碳。基于100份原料，使用的木质素量优选在15-25份之间，更优选为15-20份之间。采用这个添加量，可以有效降低浆料的蓄水量。另外，木质素也可以兼起粘结剂的作用。

本发明中还需要一定量的富碳粘结剂，该富碳粘结剂选自沥青或者经处理的沥青。优选将沥青经过改性，使其具有一定的水溶性或者在水中很好地分散。粘结剂还可以是富含芳烃的有机聚合物，例如酚醛树脂。这些粘结剂在一方面提供较佳的粘结性，在烧制后具有较高的残炭率。这些粘结剂均可以从市场购得。本发明优选那些在经过800~1100℃的烧制后残炭率不低于60%的粘结剂，更优选不低于70%的粘结剂。在本发明的最佳实施例中，富碳粘结剂的残炭率为80%左右。

一般地，将上述各成分与液体载体混合，形成浆料。所使用的液体载体可以水、甲醇、乙醇、石油醚等，实际使用中水是优选的。浆料中通常还可以包含少量的其他助剂，例如悬浮剂、消泡剂、湿润剂、分散剂等等，这些助剂是现有技术所已知的。优选地，首先将石墨、炭黑和木质素在干燥状态下混合均匀，然后加入部分水，搅拌均匀。然后加入富碳粘结剂和适量的水，搅拌均匀，最后加入预混好的刚玉和氧化铝粉，搅拌均匀，得到浆料。

接下来，将配制好的浆料涂挂在开孔多孔材料上形成至少一层耐火涂层。开孔多孔材料是指一种在实体材料中包含规则、部分规则、不规则或随机分布的孔，这些孔作为熔融金属的通道。这些孔可以全部或部分互通或可以有多个通道，使熔融金属通过。孔本身大小和形状可以是规则的或不规则的。例如，这些孔可以由一系列平行的通道，可以线性穿过该实体材料，这些通道有任何需要的横截面，例如，圆形的、椭圆形、三角形互连通道等，与天然泡沫相似的孔状分布。首选的开孔多孔材料是可以商业购买到的拥有相对规则分布的网状开孔聚氨酯泡沫。

在涂挂后，优选将涂有浆料的多孔开孔材料进行烘干。烘干温度可以优选设定在100~120℃。接下来，在惰性气氛或者还原气氛下进行烧结，烧结温度适宜控制在800℃~1150℃，优选900~1100℃。

本发明中使用的上述配方还可以用于制造直孔过滤器。在一种典型实施方式中，制造直孔陶瓷过滤器的方法包括下述步骤：

1）将各原料成分用水配制成浆料；

2）将配制好的浆料涂挂在开孔多孔材料上形成至少一层耐火涂层；

3）将形成耐火涂层的开孔多孔材料在一定温度下烘干；

4）在无氧气氛和800~1150℃下进行烧结。

本发明的发明人对用于制备熔融金属过滤器的多种原料进行了筛选，并且对原料的用量进行了优选。由于制品中包含了大部分碳材料，使得过滤器具有很低的比热容，即使是过滤高温熔融金属液，也不需要过热熔融液。通过对陶瓷材料的选择，以及与特定形式、特定量的碳源物质的配合使用，所得的过滤器也具有高的机械强度和导热性，从而具有满足过滤高温金属熔融液所需的抗热震性。总之，本发明在不采用氧化锆的情况下，低成本地制备出铸钢用过滤器，所获得的产品同时具有理想的机械强度、良好的抗热震性和低的比热容，取得了意料不到的技术效果。

实施例1-8

按表1是配方制成尺寸为50＊50＊15mm的过滤器，对所得过滤器进行测试，测试结果见表2。

表2中，常温耐压强度是按照GB/T25139-2010测得，反映过滤器的机械强度。常温耐压强度越高，过滤器在运输和使用过程中越不易破损。另外，通常来说，常温耐压强度越高，过滤器的高温耐压强度会越高。密度反映过滤器的比热容。密度越小，过滤器在过滤器熔融金属时吸收的热量会越小，熔融金属发生凝固的可能性会越小。

表1  各实施例原料配比表

实施例	1	2	3	4	5	6	7	8
									刚玉	11	18	15	28-		15	15	15
氧化铝粉	17	17	15-		35	15	15	15
									石墨	7	14	13	7	7	20-		23
炭黑	7	10	7	7	7-		20	17
									木质素	22	18	20	22	22	20	20-
粘结剂	36	23	30	36	36	30	30	30

表1中，刚玉的粒径为325目；氧化铝粉的粒径为2-5微米；石墨的粒径为270目；炭黑的粒径为100~500nm。

表2 实施例1-8所得过滤器的测试结果

尽管本文中披露以典型的原料和典型的制备方式制备出若干样品，并取得了预期效果，但是本领域技术人员可以预期，用其他的原料也可能制备出本发明的产品，甚至取得了优于本发明的技术效果，这些均涵盖在权利要求书所限定的范围之内。

Claims (3)

1.一种用于过滤熔融金属的过滤器，其特征在于，制备原料以质量份计包含下列成分：

刚玉，10-18；

氧化铝粉，10-18；

石墨，6-15；

木质素，15-25；

炭黑，6-15；

富碳粘结剂，20-40，

其中，炭黑的用量为石墨量的1/3～2/3，石墨的粒径在200目以下，炭黑的粒径在100～900nm之间。

2.如权利要求1所述的过滤器，其特征在于，制备原料以质量份计包含下列成分：

刚玉，13-16；

氧化铝粉，13-16；

石墨，8-13；

木质素，15-20；

炭黑，6-10；

富碳粘结剂，20-30，。

3.如权利要求1所述的过滤器，其特征在于，炭黑的粒径在100～500nm之间。