CN103170186A - 烧结金属纤维过滤材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种烧结金属纤维过滤材料，包括至少两层烧结金属纤维毡，各层烧结金属纤维毡沿流体流入的方向孔径由大到小逐层递减，其制备方法为：先把剪切出短纤维；再将短纤维投到布毡机的喂料装置中，利用气流沉积的原理制成松软的金属纤维毡，然后将其压实；然后把两到四层不同单位毡重和过滤精度的金属纤维毡按照过滤精度从小到大的次序叠加在一起形成复合金属纤维毡，然后将复合金属纤维毡装入真空烧结炉中烧结，相邻两复合金属纤维毡之间设置烧结隔离材料，烧结完成后，冷却降温；最后把烧结为一体的金属纤维毡平整并压制到一定的厚度即可，本发明所得多层结构的烧结金属纤维过滤材料，其具有过滤精度高，纳污能力强和通量大等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种过滤材料及其制备方法，特别涉及一种烧结金属纤维过滤材料及其制备方法。
背景技术
目前，各种过滤材料被应用于非常广泛的技术领域，例如石油化工、聚酯化纤、钢铁冶金、生物医药、食品饮料和火力发电等行业。从材质上分，过滤材料可以分成无机和有机两大类。无机过滤材料主要包含金属过滤材料和陶瓷过滤材料。无机过滤材料的主要应用领域是耐高温、耐高压和腐蚀性强的使用环境。例如，在石油化工的催化裂化过程中使用金属膜或陶瓷膜回收昂贵的催化剂；核能发电厂从高温气流中回收核废料颗粒也要用到金属膜或陶瓷膜；另外，在高温气体过滤领域中，金属膜和陶瓷膜都是首选的过滤材料，其他类型的滤材很难取代。但是，现有的金属过滤膜和陶瓷过滤膜大都采用表面过滤机理，需要在线反吹反冲洗来实现再生。另外，这类过滤材料的过滤阻力大，流量较小和纳污能力差，对许多过滤环境并不是理想的过滤材料。
一些特定的过滤环境需要过滤阻力小、流量大和纳污能力强的过滤材料。例如，聚酯化工熔体的粘度很高，这种流体的过滤不但需要过滤材料具有良好的耐热性能，还需要优良的纳污性能和大的流量。目前，在钢铁冶金行业精轧机润滑油系统中广泛使用的滤芯是玻纤滤芯，大都从国外进口，成本比较高。但是，这类滤芯的纳污量较小、耐水性差，而且只能一次性的，无法再生使用。特别是当轧机的润滑系统进水较多时，滤芯的使用寿命大大缩短。同时，玻纤滤芯的过滤精度和流体通量也会降低。比较严重的情况还有可能造成滤芯的变形击穿，从而影响精轧机设备的安全运行。
发明内容
为了克服上述缺陷，本发明提供了一种烧结金属纤维过滤材料及其制备方法，应用该烧结金属纤维过滤材料的制备方法制造的烧结金属纤维材料过滤阻力低，流体通量高和纳污能力强。
本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案是：一种烧结金属纤维过滤材料，包括至少两层烧结金属纤维毡，各层烧结金属纤维毡沿流体流入的方向孔径由大到小逐层递减。
作为本发明的进一步改进，所述烧结金属纤维毡为两到四层。
作为本发明的进一步改进，所述烧结金属纤维毡的材质为牌号为304、304L、316和316L的不锈钢和含有Fe、Cr、Ni和Mo元素的合金材料中的一种。
一种烧结金属纤维过滤材料的制备方法，具体步骤如下：
步骤一：把直径为1-50μm的金属纤维剪切成长度为10-80mm的短纤维；
步骤二：按照产品设计的方案，把步骤一中单一直径金属纤维(剪切后)投料到布毡机的喂料装置中，利用气流沉积的原理制成具有毡重为50-1000g/m2的松软的金属纤维毡，然后，采用两辊压机把松软的金属纤维毡压实，利用气流沉积的原理可以有效地提高金属毡的均匀性，从而提高烧结后金属毡的过滤精度。与其他方法相比，例如湿法成毡，其成毡的均匀性可从±10％提高到±3％左右；
步骤三：根据产品的设计，把两到四层具有不同单位毡重和过滤精度的金属纤维毡按照过滤精度(孔径大小)从小到大的次序叠加在一起形成复合金属纤维毡，然后将至少一个复合金属纤维毡装入真空烧结炉中，所述相邻两复合金属纤维毡之间设置烧结隔离材料，在1000-1300℃的温度下进行真空烧结，保温时间为3-10小时，烧结的升温速率为2-10℃/min；
步骤四：烧结完成后，以5-10℃/min的速率降温到950-1100℃，并保温1-5小时作退火处理，再随炉冷却到850℃以上，然后通入惰性气体强制冷却到室温；
步骤五：采用两辊平整机把烧结为一体的金属纤维毡平整并压制到一定的厚度，就得到了孔径逐层减小的多层结构的烧结金属纤维过滤材料。
作为本发明的进一步改进，步骤四中烧结完成后降温到1050℃，并保温2小时作退火处理，在这个温度下的退火处理可以有效地消除可能生成的硬化相，从而提高材料的柔软性、耐腐蚀性能和加工性能。在后续的加工工序中，例如打折，不易折断，从而提高了产品质量和使用寿命，再随炉冷却到850℃，然后通入惰性气体强制冷却到室温，在850℃进行急速冷却，防止金属材料金像发生变化。
作为本发明的进一步改进，步骤三中所述烧结隔离材料，是采用热喷涂技术在耐热不锈钢板的表面喷涂上一层氧化铝、氧化锆和陶瓷材质中的一种形成的保护层，该种保护层是一种完全惰性的隔离技术，不会在高温烧结过程中对产品发生任何有害作用，从而克服了现有技术中的粘结剂造成产品脆性的增加和耐腐蚀性能下降的不足。
作为本发明的进一步改进，所述烧结隔离材料的不锈钢板的牌号为430，316和304中的一种，其厚度为0.1-1.5mm，喷涂后惰性保护层的厚度为0.05-0.5mm。
本发明的有益效果是：本发明利用不同直径的金属纤维，通过气流沉积的方法制备单层均匀的金属纤维毡，然后，把几层不同过滤精度的毡按照从小到大的次序叠加在一起，并通过真空烧结成为一体从而形成一种多层结构的烧结金属纤维过滤材料。这种过滤材料的过滤精度高，纳污能力强和通量大等特点。
附图说明
图1为烧结金属纤维过滤材料结构原理示意图；
图2为本发明中气流沉积装置的结构示意图；
图3为金属纤维在负压作用下均匀地沉积在沉积笼表面的示意图；
图4为真空烧结装料方式示意图。
附图标记说明：
烧结金属纤维毡---2 短纤维---3
喂料装置---4 烧结隔离材料---5
具体实施方式
实施例一：一种烧结金属纤维过滤材料，由三层烧结金属纤维毡组成，各层烧结金属纤维毡沿流体流入的方向孔径由大到小逐层递减，最终形成厚度为0.8mm，孔隙度为82％，过滤精度为20μm的复合过滤材料层。
上述烧结金属纤维过滤材料的制备方法为：先把直径分别为8μm、12μm和20μm的牌号为316L不锈钢纤维用自动式纤维剪切机切断成长度为3.5cm的短纤维；再用长度为3.5cm的直径为8μm的纤维，采用兰多气流沉积法制备单位重量为300g/m2的松软金属纤维毡，然后利用两辊压机适当压实；再把直径为12μm和20μm的纤维分别采用兰多气流沉积法制备成单位重量为300g/m2的松软金属纤维毡，并分别压实；上述制备的三种金属纤维毡叠加在一起成为单位重量为900g/m2的复合金属纤维毡，其叠加次序从下到上依次为20μm、12μm和8μm的单层金属纤维毡，然后把数张甚至几十张复合金属纤维毡叠放堆积在一起，并在每张复合金属纤维毡之间加入一片烧结隔离材料；所述烧结隔离材料为牌号为430的不锈钢板，其厚度为0.1mm，喷涂后惰性保护层的厚度为0.05mm，最后，在最上面加上压强为150kg/m2且与之同样尺寸的重物6，然后装入真空烧结炉中；烧结程序是以3℃/min的升温速率加热到1200℃，保温6个小时，保温结束后，以5℃/min的速率降温到1050℃，保温2个小时作退火软化处理，然后随炉冷却到850℃，然后通入干燥氩气并启动冷却风机快速冷却到室温，最后利用两辊平整机把烧结完成后的三层金属纤维毡平整并压制到厚度为0.8mm，孔隙度为82％，过滤精度为20μm的烧结金属纤维过滤毡，即本发明的烧结金属纤维过滤材料。
实施例二：一种烧结金属纤维过滤材料，由三层烧结金属纤维毡组成，各层烧结金属纤维毡沿流体流入的方向孔径由大到小逐层递减，最终形成厚度为0.8mm，孔隙度为84％，过滤精度为40μm的复合过滤材料层。
上述烧结金属纤维过滤材料的制备方法为：先把直径分别为20μm、30μm和40μm的牌号为316L不锈钢纤维用自动式纤维剪切机切断成长度为4.0cm的短纤维；然后先用长度为4.0cm直径为20μm的纤维，采用兰多气流沉积法制备单位重量为300g/m2的松软金属纤维毡，然后利用两辊压机适当压实；再把直径为30μm和40μm的纤维分别采用兰多气流沉积法制备成单位重量为300g/m2的松软金属纤维毡，并分别压实，然后将上述制备的三种的金属纤维毡叠加在一起成为单位重量为900g/m2的复合金属纤维毡，其叠加次序从下到上依次为直径为40μm、30μm和20μm的单层金属纤维毡，然后把数张甚至几十张复合金属纤维毡堆积在一起，并在每张之间加入一片烧结隔离材料，所述烧结隔离材料为牌号为316的不锈钢板，其厚度为1.0mm，喷涂后惰性保护层的厚度为0.1mm，然后，在最上面加上压强为150kg/m2且与之同样尺寸的重物，然后装入真空烧结炉中，烧结程序是以3℃/min的升温速率加热到1220℃，保温7个小时，保温结束后，以8℃/min的速率降温到1050℃，保温2个小时作退火软化处理，然后随炉冷却到850℃，再通入干燥氩气并启动冷却风机快速冷却到室温，最后利用两辊平整机把烧结完成后的三层金属纤维毡平整并压制到厚度为0.8mm，孔隙度为84％，过滤精度为40μm的烧结金属纤维过滤毡，即本发明的烧结金属纤维过滤材料。
实施例三：一种烧结金属纤维过滤材料，由三层烧结金属纤维毡组成，各层烧结金属纤维毡沿流体流入的方向孔径由大到小逐层递减，最终形成厚度为0.78mm，孔隙度为80％，过滤精度为10μm的复合过滤材料层。
上述烧结金属纤维过滤材料的制备方法为：先把直径分别为4μm、8μm和12μm的牌号为316L不锈钢纤维用自动式纤维剪切机切断成长度为3.0cm的短纤维，然后先用长度为3.0cm直径为4μm的纤维，采用兰多气流沉积法制备单位重量为200g/m2的松软金属纤维毡，然后利用两辊压机适当压实，再把直径为8μm和12μm的纤维分别采用兰多气流沉积法制备成单位重量为350g/m2的松软金属纤维毡，并分别压实，上述制备的三种的金属纤维毡叠加在一起成为单位重量为900g/m2的复合金属纤维毡，其叠加次序从下到上依次为直径为12μm，8μm和4μm的单层毡，然后把数张甚至几十张复合金属纤维毡堆积在一起，并在每张之间加入一片烧结隔离材料，所述烧结隔离材料为牌号为304的不锈钢板，其厚度为1.5mm，喷涂后惰性保护层的厚度为0.5mm，然后，在最上面加上压强为150kg/m2且与之同样尺寸的重物，并装入真空烧结炉中，烧结程序是以3℃/min的升温速率加热到1180℃，保温5个小时，保温结束后，以10℃/min的速率降温到1050℃，保温2个小时作退火软化处理，然后随炉冷却到850℃，再通入干燥氩气并启动冷却风机快速冷却到室温，最后利用两辊平整机把烧结完成后的复合金属纤维毡平整并压制到厚度为0.78mm，孔隙度为80％，过滤精度为10μm的烧结金属纤维过滤毡，即本发明的烧结金属纤维过滤材料。
实施例四：一种烧结金属纤维过滤材料，由三层烧结金属纤维毡组成，各层烧结金属纤维毡沿流体流入的方向孔径由大到小逐层递减，最终形成厚度为0.76mm，孔隙度为80％，过滤精度为3μm的复合过滤材料层。
上述烧结金属纤维过滤材料的制备方法为：把直径分别为2.5μm、6μm和12μm的牌号为316L不锈钢纤维用自动式纤维剪切机切断成长度为3.0cm的短纤维，再用长度为3.0cm的直径为2.5μm的纤维，采用兰多气流沉积法制备单位重量为200g/m2的松软金属纤维毡，然后利用两辊压机适当压实，再把直径为6μm和12μm的纤维分别采用兰多气流沉积法制备成单位重量为350g/m2的松软金属纤维毡，并分别压实，上述制备的三种的金属纤维毡叠加在一起成为单位重量为900g/m2的复合金属纤维毡，其叠加次序从下到上依次为直径为12μm、6μm和2.5μm的单层毡，然后把数张甚至几十张复合金属纤维毡堆积在一起，并在每张复合金属纤维毡之间加入一片烧结隔离材料，所述烧结隔离材料为牌号为430的不锈钢板，其厚度为1.2mm，喷涂后惰性保护层的厚度为0.3mm，然后，在最上面加上压强为150kg/m2且与之同样尺寸的重物，并装入真空烧结炉中，烧结程序是以3℃/min的升温速率加热到1150℃，保温5个小时，保温结束后，以5℃/min的速率降温到1050℃，保温2个小时作退火软化处理，然后随炉冷却到850℃，通入干燥氩气并启动冷却风机快速冷却到室温，利用两辊平整机把烧结完成后的复合金属纤维毡平整并压制到厚度为0.76mm，孔隙度为80％，过滤精度为3μm的烧结金属纤维过滤毡，即本发明的烧结金属纤维过滤材料。
实施例五：一种烧结金属纤维过滤材料，由三层烧结金属纤维毡组成，各层烧结金属纤维毡沿流体流入的方向孔径由大到小逐层递减，最终形成厚度为0.82mm，孔隙度为85％，过滤精度为60μm的复合过滤材料层。
上述烧结金属纤维过滤材料的制备方法为：把直径分别为30μm和50μm的牌号为316L不锈钢纤维用自动式纤维剪切机切断成长度为5.0cm的短纤维，然后用长度为5.0cm的直径为30μm的纤维，采用兰多气流沉积法制备单位重量为500g/m2的松软金属纤维毡，然后利用两辊压机适当压实，再把直径50μm的纤维采用同样的方法制备成单位重量为500g/m2的松软金属纤维毡，并压实，上述制备的两种的金属纤维毡叠加在一起成为单位重量为1000g/m2的复合金属纤维毡，然后把数张甚至几十张复合金属纤维毡堆积在一起，并在每张之间加入一片烧结隔离材料，所述烧结隔离材料为牌号为316的不锈钢板，其厚度为0.8mm，喷涂后惰性保护层的厚度为0.15mm，然后，在最上面加上压强为150kg/m2且与之同样尺寸的重物，并装入真空烧结炉中，烧结程序是以3℃/min的升温速率加热到1250℃，保温8个小时，保温结束后，以5℃/min的速率降温到1050℃，保温2个小时作退火软化处理，然后随炉冷却到850℃，通入干燥氩气并启动冷却风机快速冷却到室温，最后利用两辊平整机把烧结完成后的复合金属纤维毡平整并压制到厚度为0.82mm，孔隙度为85％，过滤精度为60μm的烧结金属纤维过滤毡，即本发明的烧结金属纤维过滤材料。
实施例六：一种烧结金属纤维过滤材料，由三层烧结金属纤维毡组成，各层烧结金属纤维毡沿流体流入的方向孔径由大到小逐层递减，最终形成厚度为0.76mm，孔隙度为80％，过滤精度为3μm的复合过滤材料层。
上述烧结金属纤维过滤材料的制备方法为：把直径分别为2.5μm、6μm、12μm和20μm的牌号为316L不锈钢纤维用自动式纤维剪切机切断成长度为3.0cm的短纤维，再用长度为3.0cm的直径为2.5μm的纤维，采用兰多气流沉积法制备单位重量为150g/m2的松软金属纤维毡，然后利用两辊压机适当压实，再把直径为6μm、12μm和20μm的纤维分别采用兰多气流沉积法制备成单位重量为300g/m2的松软金属纤维毡，并分别压实，上述制备的四种金属纤维毡叠加在一起成为单位重量为1050g/m2的复合金属纤维毡，其叠加次序从下到上依次为直径为20μm、12μm、6μm和2.5μm的单层毡，然后把数张甚至几十张复合金属毡堆积在一起，并在每张之间加入一片烧结隔离材料，所述烧结隔离材料为牌号为304的不锈钢板，其厚度为1.5mm，喷涂后惰性保护层的厚度为0.2mm，然后，在最上面加上压强为150kg/m2且与之同样尺寸的重物，并装入真空烧结炉中，烧结程序是以3℃/min的升温速率加热到1150℃，保温5个小时。保温结束后，以5℃/min的速率降温到1050℃，保温2个小时作退火软化处理，然后随炉冷却到850℃，通入干燥氩气并启动冷却风机快速冷却到室温，利用两辊平整机把烧结完成后的四层金属纤维毡平整并压制到厚度为0.82mm，孔隙度为80％，过滤精度为3μm的烧结金属纤维过滤毡，即本发明的烧结金属纤维过滤材料。
实施例七：一种烧结金属纤维过滤材料，由三层烧结金属纤维毡组成，各层烧结金属纤维毡沿流体流入的方向孔径由大到小逐层递减，最终形成厚度为0.79mm，孔隙度为820％，过滤精度为20μm的复合过滤材料层。
上述烧结金属纤维过滤材料的制备方法为：把直径分别为8和20μm的316L不锈钢纤维用自动式纤维剪切机切断成长度为3.5cm的短纤维。先用长度为3.5cm的8μm的纤维，采用兰多气流沉积法制备单位重量为450g/m2的松软纤维毡，然后利用两辊压机适当压实，再把直径为20μm的纤维分别采用兰多气流沉积法制备成单位重量为550g/m2，并分别压实。上述制备的二种毡叠加在一起成为单位重量为1000g/m2的复合金属纤维毡，然后把数张甚至几十张复合金属纤维毡堆积在一起，并在每张复合金属纤维毡之间加入一片烧结隔离材料，所述烧结隔离材料为牌号为430的不锈钢板，其厚度为0.5mm，喷涂后惰性保护层的厚度为0.08mm，然后，在最上面加上压强为150kg/m2且与之同样尺寸的重物，并装入真空烧结炉中，烧结程序是以3℃/min的升温速率加热到1180℃，保温5个小时，保温结束后，以5℃/min的速率降温到1050℃，保温2个小时作退火软化处理，然后随炉冷却到850℃，通入干燥氩气并启动冷却风机快速冷却到室温，利用两辊平整机把烧结完成后的复合金属纤维毡平整并压制到厚度为0.79mm，孔隙度为82％，过滤精度为20μm的烧结金属纤维过滤毡，即本发明的烧结金属纤维过滤材料。
Claims (7)
1.一种烧结金属纤维过滤材料，其特征在于：包括至少两层烧结金属纤维毡(2)，各层烧结金属纤维毡(2)沿流体流入的方向孔径由大到小逐层递减。
2.根据权利要求1所述的烧结金属纤维过滤材料，其特征在于：所述烧结金属纤维毡(2)为两到四层。
3.根据权利要求1所述的烧结金属纤维过滤材料，其特征在于：所述烧结金属纤维毡(2)的材质为牌号为304、304L、316和316L的不锈钢和含有Fe、Cr、Ni和Mo元素的合金材料中的一种。
4.一种权利要求1所述的烧结金属纤维过滤材料的制备方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤一：把直径为1-50μm的金属纤维剪切成长度为10-80mm的短纤维(3)；
步骤二：按照产品设计的方案，把步骤一中单一直径金属纤维投料到布毡机的喂料装置(4)中，利用气流沉积的原理制成具有毡重为50-1000g/m2的松软的金属纤维毡，然后，采用两辊压机把松软的金属纤维毡压实；
步骤三：根据产品的设计，把两到四层具有不同单位毡重和过滤精度的金属纤维毡按照过滤精度从小到大的次序叠加在一起形成复合金属纤维毡，然后将至少一个复合金属纤维毡装入真空烧结炉中，所述相邻两复合金属纤维毡之间设置烧结隔离材料(5)，在1000-1300℃的温度下进行真空烧结，保温时间为3-10小时，烧结的升温速率为2-10℃/min；
步骤四：烧结完成后，以5-10℃/min的速率降温到950-1100℃，并保温1-5小时作退火处理，再随炉冷却到850℃以上，然后通入惰性气体强制冷却到室温；
步骤五：采用两辊平整机把烧结为一体的金属纤维毡平整并压制到一定的厚度，就得到了孔径逐层减小的多层结构的烧结金属纤维过滤材料。
5.根据权利要求4所述的烧结金属纤维过滤材料的制备方法，其特征在于：步骤四中烧结完成后降温到1050℃，并保温2小时作退火处理，再随炉冷却到850℃，然后通入惰性气体强制冷却到室温。
6.根据权利要求4所述的烧结金属纤维过滤材料的制备方法，其特征在于：步骤三中所述烧结隔离材料，是采用热喷涂技术在耐热不锈钢板的表面喷涂上一层氧化铝、氧化锆和陶瓷材质中的一种形成的保护层。
7.根据权利要求6所述的烧结金属纤维过滤材料的制备方法，其特征在于：所述烧结隔离材料的不锈钢板的牌号为430，316和304中的一种，其厚度为0.1-1.5mm，喷涂后惰性保护层的厚度为0.05-0.5mm。
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