CN103553686B - 一种镁铝尖晶石质泡沫陶瓷过滤器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有优异高温化学稳定性、热震稳定性的镁铝尖晶石质泡沫陶瓷过滤器。首先，以水性树脂、分散剂和水为溶剂，以镁铝尖晶石粉体、氧化铝粉体、氢氧化镁粉体组成陶瓷粉末，机械搅拌制成料浆。以聚氨脂多孔海绵为载体，浸渍上述料浆并挤压除去多余料浆制成坯料，干燥后烧结得到镁铝尖晶石质泡沫陶瓷过滤器。本发明的泡沫陶瓷过滤器可以满足镁合金熔液过滤得苛刻要求，具有良好的高温稳定性，不污染合金，对镁合金熔液中的无机夹杂物有良好的过滤和吸附作用，过滤净化效果良好，对流体阻力小，过滤量大，已在金属镁及镁合金铸造生产中进行了试用，取得了良好的使用效果。

Description

一种镁铝尖晶石质泡沫陶瓷过滤器及其制备方法

技术领域：

本发明涉及金属熔液的稳流、过滤以及净化，具体涉及一种镁铝尖晶石质泡沫陶瓷过滤器及其制备方法，应用于金属冶炼与铸造行业，本发明制备的过滤器主要用于金属镁及镁合金的熔炼与过滤。

技术背景：

在钢水、铁水以及各种有色金属的熔炼与浇注过程中，无机夹杂物与缩气孔等缺陷是导致铸件报废的主要原因。夹杂缺陷不仅影响制品外观而且严重降低制品的机械性能与使用寿命，因此，减少无机夹杂物与气孔缺陷是生产高质量铸件的关键。

泡沫陶瓷过滤器可以通过机械拦截、整流浮渣和深层吸附三种过滤净化机制，减少或消除铸件缺陷，提高合金成品率以及加工性能。从1978年美国Consolidated Aluminum公司成功研制泡沫陶瓷过滤器至今已有三十多年的历史，泡沫陶瓷的制备过程与工艺得到了优化与发展，并且已经衍生出了许多不同材质的陶瓷过滤器，例如：美国专利3893917、3962081、4075303，中国专利85102359A、87101800.4、92102883.0、200710139289.5等等，这些泡沫陶瓷过滤器大都是以氧化铝、碳化硅、氧化锆等材料制成，可以过滤一般的铝合金、铜合金、铸铁以及铸钢等。

镁与镁合金熔体对于泡沫陶瓷过滤器的要求极高，镁合金铸造不可使用一般的泡沫陶瓷过滤器，这是由于氧化镁的标准生成自由焓较低，在高温下熔融镁能与一些标准自由焓较高的氧化物发生反应，进而熔蚀泡沫陶瓷骨架，并且给合金带来污染。因此，一般的铝硅系、碳化硅质的泡沫陶瓷在熔融镁熔液中都会很快被熔蚀破坏，不能用于镁合金的过滤。目前，氧化锆质泡沫陶瓷过滤器是可以满足这种要求，但其售价极高，相当于一般铝硅系泡沫陶瓷过滤器价格的10~15倍左右；氧化镁过滤器也是镁及镁合金熔体过滤的一种可选材料，具有洁净、耐蚀的优点，但氧化镁粉体，在水性体系中会发生水解反应，造成氧化镁浆体性能难以控制，加之其烧结温度很高，加入促烧剂又会污染镁熔液以及售价较高等一些列问题，使得氧化镁质泡沫陶瓷批量化生产困难重重，且制造成本较高，此外，氧化锆质与氧化镁质泡沫陶瓷由于其生产工艺或材质本身特点，其产品尺寸也受到相应限制，无法生产大尺寸的陶瓷过滤板，因此，开发一种适应镁合金过滤并易工业化生产的新材质泡沫陶瓷过滤器意义重大。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种适合金属镁及镁合金过滤、净化用的泡沫陶瓷过滤器，该材质过滤器，具有适应镁及镁合金过滤苛刻要求、易制备大尺寸泡沫陶瓷过滤板的特点，有着良好的工业化前景。同时镁铝尖晶石质泡沫陶瓷过滤器制备成本明显低于氧化锆质、氧化镁质泡沫陶瓷过滤器，这也是本发明的另一个意义。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种镁铝尖晶石质泡沫陶瓷过滤器，所述泡沫陶瓷过滤器是以聚氨酯海绵为基体，浸渍陶瓷粉体与溶剂配制的料浆，并经烘干、烧结制得；其特征在于：所用陶瓷粉体可全部为镁铝尖晶石粉体；也可选择含有镁铝尖晶石粉体、氧化铝粉体和氢氧化镁粉体的混合陶瓷粉体，优选加入氧化铝粉体与氢氧化镁陶瓷粉体；其中镁铝尖晶石粉体占陶瓷粉体总质量：40~85%，氧化铝粉体与氢氧化镁混合粉体占陶瓷粉体总质量：15~60%；加入氧化铝与氢氧化镁混合粉体是为了原位反应合成尖晶石粉体，除了尖晶石原料本身的物理烧结外，还提供了氧化铝与氢氧化镁混合粉体的反应烧结作用，从而大大降低烧结温度，减少烧成成本并提高产品性能，其中，氧化铝占氧化铝与氢氧化镁混合粉体总质量的57~86%，氢氧化镁占14~43%。

镁铝尖晶石作为一种具有优异高温性能的耐火材料能。在镁铝尖晶石构造中，Al-O、Mg-O之间都有较强的离子键，且静电键强度相等，结构牢固，因此，镁铝尖晶石晶体的饱和结构使其具有良好的热震稳定性能、耐磨性能、特别是耐化学侵蚀性能，能够在还原或者氧化气氛下保持良好的稳定性。镁铝尖晶石作为一种新型的泡沫陶瓷过滤器在镁熔液中具有很好的化学、物理稳定性。更为难得的是相比氧化镁而言，镁铝尖晶石在水溶液中不存在水解问题，水性浆料的流动性、触变性等流变性能稳定、浆料容易制备、储存，容易适应工业化大生产的要求。除此之外，陶瓷粉体原料中加入氧化铝与氢氧化镁混合粉体，氧化铝与氢氧化镁粉体可原位反应合成镁铝尖晶石，物理烧结与反应烧结共同作用，其镁铝尖晶石泡沫陶瓷的烧结温度相对较低，综合各原料成本，最终产品成本较低并且性能优异，且适合大尺寸泡沫陶瓷过滤板的生产，因而，镁铝尖晶石质泡沫陶瓷过滤器在镁合金过滤上具有非常好的工业应用前景，当然也可以作为过滤铝合金熔体的一种备选材料。

所述陶瓷粉体中还可以加入促烧剂，可大大降低烧成温度，减少烧成成本，但对合金会造成一定污染，可视具体情况添加。所述促烧剂为硼砂、硼酸、碳化硼中的一种，所述促烧剂的加入量为陶瓷粉体总质量的0~3%。

本发明的镁铝尖晶石质泡沫陶瓷过滤器是以下述步骤制备而成的：所用陶瓷粉体可全部为200~5000目的镁铝尖晶石粉体，也可选择含有镁铝尖晶石粉体、氧化铝粉体和氢氧化镁粉体的混合陶瓷粉体，优选加入氧化铝粉体与氢氧化镁陶瓷粉体；

a 按照以下重量百分比混合各种原料得到陶瓷粉体；

镁铝尖晶石粉体占陶瓷粉体总质量：40~100% 

氧化铝粉体与氢氧化镁粉体的混合粉体占陶瓷粉体总质量：0~60%，

进一步的选择为：

镁铝尖晶石粉体占陶瓷粉体总质量：40~85% 

氧化铝粉体与氢氧化镁粉体的混合粉体占陶瓷粉体总质量的15~60%；

更进一步的选择为：

氧化铝粉体与氢氧化镁混合粉体加入量占陶瓷粉体总质量的15~35%；

其中氧化铝占氧化铝与氢氧化镁混合粉体总质量的57~86%，氢氧化镁占氧化铝与氢氧化镁混合粉体总质量的14~43%；

以上述陶瓷粉体的总质量为基准，按下述组分占陶瓷粉体总质量的质量百分数称量物料，首先在搅拌器中混合以下溶液：

水溶性树脂 3%~7%  水溶性树脂可为水溶性改性聚丁二烯树脂、水溶性环氧树脂、水溶性醇酸树脂、水溶性氨基树脂、水溶性聚酯树脂、水溶性酚醛树脂、水溶性丙烯酸树脂、水溶性聚氨酯树脂、水溶性有机硅树脂、水溶性有机氟树脂中的一种；

水  15%~25%

分散剂  0.3%~0.5%  分散剂可为三聚磷酸钠、六偏磷酸钠、焦磷酸钠、聚丙烯酸钠、聚丙烯酸铵、三乙基己基磷酸、十二烷基硫酸钠、甲基戊醇、纤维素衍生物、聚丙烯酰胺、古尔胶、脂肪酸聚乙二醇酯中的一种；

促烧剂  0~3%（搅拌分散在溶剂中，是否添加视具体情况。）促烧剂为硼砂、硼酸、碳化硼中的一种；

得到混合液，在所得到的混合液中，边搅拌边加入上述混合好的陶瓷粉体，用搅拌机搅拌制备成均质料浆；

上述配料比，当陶瓷粉体全部为镁铝尖晶石原料时，素坯烧结温度最高；加入氧化铝与氢氧化镁混合粉体是为了原位生成尖晶石，当氧化铝与氢氧化镁混合粉体加入量合适时，素坯烧结温度低，成品强度高、抗侵蚀性能好；加入促烧剂也会相应降低烧结温度，但同时过滤器会对镁熔液会有一定的污染；

b 对聚氨酯海绵表面亲水处理，改善其附着浆料的能力，并以聚氨酯海绵为载体，浸渍料浆，对辊挤出多余料浆得到素坯；

c 素坯放入烘箱内干燥；

d 干燥后素坯装窑，根据陶瓷粉体的组成，升温至1300~1650℃高温烧结，得到镁铝尖晶石质泡沫陶瓷过滤器。

所述的聚氨酯海绵亲水处理，具体过程是将聚氨酯海绵在水性树脂与氟碳润湿剂的混合液中浸渍后并烘干即可。

具体烧成过程按常规陶瓷的烧成制度即可，优先采用1℃/min升温至600℃低温排塑（低温阶段需特别缓慢，防止制品排塑开裂），再以3℃/min 升至1200℃，然后再以1℃/min 升温至烧结温度，并保温2~4h。

本发明制备的镁铝尖晶石质泡沫陶瓷过滤器在镁及镁合金熔液中具有良好的高温稳定性，不污染合金，对熔液夹杂具有良好的吸附与过滤能力。相比氧化锆质、氧化镁泡沫陶瓷而言，其具有工艺容易控制、产品质量稳定、制备成本低等特点。更为难得的是相比氧化镁粉体而言，镁铝尖晶石粉体在水溶液中不存在水解问题，水性浆料的流动性、触变性等流变性能稳定、浆料容易制备、储存，容易适应工业化大生产的要求。除此之外，陶瓷粉体原料中加入氧化铝与氢氧化镁混合粉体，氧化铝与氢氧化镁粉体可原位反应合成镁铝尖晶石，物理烧结与反应烧结共同作用，其镁铝尖晶石泡沫陶瓷的烧结温度相对较低，最终产品成本较低并且性能优异，且适合大尺寸泡沫陶瓷过滤板的生产，本发明制备的镁铝尖晶石质泡沫陶瓷过滤器经现场使用，与铝硅质泡沫陶瓷相比，抗侵蚀性优异，使用效果良好。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明作进一步说明。

在下述实施例中，镁铝尖晶石细粉的粒度为200~5000目；在镁铝尖晶石泡沫陶瓷制浆过程中，优选多种粒度的粉体进行粒度级配，以使料将获得合适的流变性能，提高浸浆的可操作性。粒度级配中，镁铝尖晶石细粉中，200~300目占镁铝尖晶石细粉总质量的40%，300~600目占镁铝尖晶石细粉总质量的20%，600~5000目占镁铝尖晶石细粉总质量的40%；氧化铝粉体与氢氧化镁粉体中，由于需要氧化铝粉体与氢氧化镁粉体反应生成镁铝尖晶石，为保证反应活性，需采用目数大于600目的粉体，考虑成本的因素，氧化铝微粉和氢氧化镁粉的粒度为600~5000目。

实施例1

将陶瓷粉体按下述质量称量：

镁铝尖晶石细粉：氧化铝微粉：氢氧化镁粉=1000g：0g：0g

以陶瓷粉体为基准，在容器中以下述质量配制混合溶液：水溶性聚氨酯树脂30g；水 150g ；聚丙烯酸钠3g：边搅拌溶液，边加入上述陶瓷粉体配制成均质料浆。

选用20PPI的聚氨酯海绵，亲水处理后加工成Φ80mm×20mm的圆片，作为陶瓷料浆的载体。

将聚氨酯海绵圆片浸入料浆，充分润湿，采用辊压工艺，挤出多余料浆，制成泡沫陶瓷过滤器素坯。将素坯放入干燥设备内，控制温度60℃×5h、110℃×5h进行烘干处理。

最后，将泡沫陶瓷过滤器素坯放入烧成设备内，以1℃/min升温至600℃低温排塑，再以3℃/min 升至1200℃，然后再以1℃/min 升温至1650℃，并保温4h。自然冷却到室温出炉，即可得到镁铝尖晶石质泡沫陶瓷过滤器。

实施例2

将陶瓷粉体按下述质量称量：镁铝尖晶石细粉：氧化铝微粉：氢氧化镁粉=400g：340g：260g

以陶瓷粉体为基准，在容器中以下述质量配制混合溶液：水溶性环氧树脂70g；水250g ；聚丙烯酸铵5g。边搅拌溶液，边加入上述陶瓷粉体配制成均质料浆。

选用20PPI的聚氨酯海绵，亲水处理后加工成Φ80mm×20mm的圆片，作为陶瓷料浆的载体。

将聚氨酯海绵圆片浸入料浆，充分润湿，采用辊压工艺，挤出多余料浆，制成泡沫陶瓷过滤器素坯。将素坯放入干燥设备内，控制温度60℃×5h、110℃×5h进行烘干处理。

最后，将泡沫陶瓷过滤器素坯放入烧成设备内，以1℃/min升温至600℃低温排塑，再以3℃/min 升至1200℃，然后再以1℃/min 升温至1580℃，并保温3h。自然冷却到室温出炉，即可得到镁铝尖晶石质泡沫陶瓷过滤器。

实施例3

镁铝尖晶石细粉：氧化铝微粉：氢氧化镁粉=600g：340g：60g

以陶瓷粉体为基准，在容器中以下述质量配制混合溶液：水溶性丙烯酸树脂50g，水 180g ，三聚磷酸钠3.5g，碳化硼1g；边搅拌溶液，边加入上述陶瓷粉体配制成均质料浆。

选用20PPI的聚氨酯海绵，亲水处理后加工成Φ80mm×20mm的圆片，作为陶瓷料浆的载体。

将聚氨酯海绵圆片浸入料浆，充分润湿，采用辊压工艺，挤出多余料浆，制成泡沫陶瓷过滤器素坯。将素坯放入干燥设备内，控制温度60℃×5h、110℃×5h进行烘干处理。

最后，将泡沫陶瓷过滤器素坯放入烧成设备内，以1℃/min升温至600℃低温排塑，再以3℃/min 升至1200℃，然后再以1℃/min 升温至1500℃，并保温4h。自然冷却到室温出炉，即可得到镁铝尖晶石质泡沫陶瓷过滤器。

实施例4

镁铝尖晶石细粉：氧化铝微粉：氢氧化镁粉=500g：300g：200g

以陶瓷粉体为基准，在容器中以下述质量配制混合溶液：水溶性聚酯树脂60g；水 200g ；六偏磷酸钠4g。边搅拌溶液，边加入上述陶瓷粉体和硼砂3g配制成均质料浆。

选用20PPI的聚氨酯海绵，亲水处理后加工成Φ80mm×20mm的圆片，作为陶瓷料浆的载体。

将聚氨酯海绵圆片浸入料浆，充分润湿，采用辊压工艺，挤出多余料浆，制成泡沫陶瓷过滤器素坯。将素坯放入干燥设备内，控制温度60℃×5h、110×5h进行烘干处理。

最后，将泡沫陶瓷过滤器素坯放入烧成设备内，以1℃/min升温至600℃低温排塑，再以3℃/min 升至1200℃，然后再以1℃/min 升温至1350℃，并保温2h。自然冷却到室温出炉，即可得到镁铝尖晶石质泡沫陶瓷过滤器。

Claims (8)

1.一种镁铝尖晶石质泡沫陶瓷过滤器，所述泡沫陶瓷过滤器是以聚氨酯海绵为基体，浸渍陶瓷粉体与溶剂配制的料浆，并经烘干、烧结制得；其特征在于：所用陶瓷粉体可全部为镁铝尖晶石粉体，或选择含有镁铝尖晶石粉体、氧化铝粉体和氢氧化镁粉体的混合陶瓷粉体，氧化铝粉体与氢氧化镁混合粉体加入量占陶瓷粉体总质量的15~60%；加入的氧化铝与氢氧化镁混合粉体能够原位反应合成镁铝尖晶石，除了尖晶石原料本身的物理烧结外，还提供了氧化铝与氢氧化镁混合粉体的反应烧结作用，从而大大降低烧结温度，减少烧成成本并提高产品性能。

2.如权利要求1所述的一种镁铝尖晶石质泡沫陶瓷过滤器，其特征在于：氧化铝粉体与氢氧化镁混合粉体加入量占陶瓷粉体总质量的15~35%。

3.如权利要求1或2所述的一种镁铝尖晶石质泡沫陶瓷过滤器，其特征在于：氧化铝占氧化铝与氢氧化镁混合粉体总质量的57~86%，氢氧化镁占氧化铝与氢氧化镁混合粉体总质量的14~43%。

4.如权利要求1或2或3所述的一种镁铝尖晶石质泡沫陶瓷过滤器，其特征在于：所述料浆中加入有促烧剂，所述促烧剂为硼砂、硼酸、碳化硼中的一种，所述促烧剂的加入量为陶瓷粉体总质量的0~3%。

5.如权利要求1所述镁铝尖晶石泡沫陶瓷过滤器的制备方法，包含以下步骤：

所用陶瓷粉体可全部为镁铝尖晶石粉体，或含有镁铝尖晶石粉体、氧化铝粉体和氢氧化镁粉体的混合陶瓷粉体，具体过程如下：

a. 按照以下重量百分比混合各种原料得到陶瓷粉体；

镁铝尖晶石粉体占陶瓷粉体总质量100% 

氧化铝粉体与氢氧化镁粉体的混合粉体占陶瓷粉体总质量为0；

或，

镁铝尖晶石粉体占陶瓷粉体总质量：40~85% 

氧化铝粉体与氢氧化镁粉体的混合粉体占陶瓷粉体总质量的15~60%；

或，

氧化铝粉体与氢氧化镁混合粉体加入量占陶瓷粉体总质量的15~35%；

其中氧化铝占氧化铝与氢氧化镁混合粉体总质量的57~86%，氢氧化镁占氧化铝与氢氧化镁混合粉体总质量的14~43%；

以上述陶瓷粉体的总质量为基准，按下述组分占陶瓷粉体总质量的质量百分数称量物料，最终混合制备浆料：

水溶性树脂  3%~7%   

水          15%~25% 

分散剂      0.3%~0.5% 

促烧剂      0~3%；

机械搅拌制备成均质料浆；上述配料比，当陶瓷粉体全部为镁铝尖晶石粉体时，素坯烧结温度最高；加入氧化铝与氢氧化镁混合粉体能够原位生成尖晶石，当氧化铝与氢氧化镁混合粉体加入量合适时，可降低素坯烧结温度低，成品强度高、抗侵蚀性能好；或选择加入促烧剂相应降低烧结温度，但同时过滤器对镁熔液会有一定的污染，促烧剂的加入量为陶瓷粉体总质量的0~3%；

b. 对聚氨酯海绵表面亲水处理，并以聚氨酯海绵为载体，浸渍料浆，对辊挤出多余料浆得到素坯；

c. 素坯放入烘箱内干燥；

d. 干燥后素坯装窑，升温至1300~1650℃高温烧结，得到镁铝尖晶石质泡沫陶瓷过滤器。

6.如权利要求5所述的镁铝尖晶石质泡沫陶瓷过滤器的制备方法，其特征在于：烧成过程采用1℃/min升温至600℃低温排塑，再以3℃/min 升至1200℃，然后再以1℃/min 升温至烧结温度，并保温2~4h。

7.如权利要求5所述的镁铝尖晶石质泡沫陶瓷过滤器的制备方法，其特征在于：所述的水溶性树脂为：水性改性聚丁二烯树脂、水性环氧树脂、水性醇酸树脂、水性氨基树脂、水性聚酯树脂、水性酚醛树脂、水性丙烯酸树脂、水性聚氨酯树脂、水性有机硅树脂、水性有机氟树脂中的一种。

8.如权利要求5所述的镁铝尖晶石质泡沫陶瓷过滤器的制备方法，其特征在于：所述的分散剂为：三聚磷酸钠、六偏磷酸钠、焦磷酸钠、三乙基己基磷酸、十二烷基硫酸钠、甲基戊醇、纤维素衍生物、聚丙烯酸铵、聚丙烯酸钠、古尔胶、脂肪酸聚乙二醇酯中的一种。