CN110125392A - 一种高通量外光Fe-Al金属间化合物滤芯及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于粉末冶金技术领域，具体涉及一种应用于低压大风量高温腐蚀气氛工况条件下的高通量外光Fe‑Al金属间化合物滤芯，并进一步公开其制备方法。本发明所述高通量外光Fe‑Al金属间化合物滤芯，采用较细粒度的铁铝粉末为原料，以保证滤芯具有较小的孔径；同时降低滤芯壁厚，由常规5‑6mm降低至2‑3mm，以提高滤芯的通量；并通过添加粘结剂克服所选铁铝金属间化合物粉末颗粒自身硬度高、成型性差的缺陷，可有效提高滤芯的成型性，同时增大滤芯的孔隙率，在不增大孔径尺寸的情况下，大幅度提高了滤芯通量，制得滤芯更适宜于低压大风量高温腐蚀气氛工况条件下使用，可以有力推动高性能金属滤材在洁净煤高效利用、高温烟气除尘等能源、环保领域的应用。

Description

一种高通量外光Fe-Al金属间化合物滤芯及其制备方法

技术领域

本发明属于粉末冶金技术领域，具体涉及一种应用于低压大风量高温腐蚀气氛工况条件下的高通量外光Fe-Al金属间化合物滤芯，并进一步公开其制备方法。

背景技术

在未来相当长的时期内，化石能源在中国能源结构中仍然会占据主体地位，我国一次能源的供应仍将以煤为主，而依照2050年的长期能源战略规划，应是发展以煤为主多元化的清洁能源体系。根据煤化程度的不同，煤炭可分为泥炭、褐煤、烟煤和无烟煤，目前，我国已经探明的煤炭储量为724.116Gt，其中，褐煤约占总储量的14％。褐煤是一种高挥发分、高水分、高灰分、低热值、低灰熔点的煤炭资源，具有难以洗选、储存且易自燃的缺陷，不适合长期储存和远距离运输，使得褐煤的开发和应用受到限制。

褐煤提质技术是褐煤综合利用的发展趋势，提质过程主要是褐煤的脱水过程，脱水过程中除了脱去部分水分外，也伴随着一些煤的组成和结构的变化。提质后的褐煤产品能够明显增加其机械强度、降低其自燃率，更加便于远距离运输，同时也使得褐煤产品的成分和性质更加稳定，改善其易风化的性能，并增加单位质量的发热量，对褐煤产品的燃烧性能和稳定性能具有极大的改善。但是，在褐煤提质过程中，由于褐煤的挥发分较高，导致其在干燥提质过程易产生大量含有固体颗粒(褐煤粉尘)的热烟气。若烟气不经处理而直接排放，将对大气造成严重的污染。因此，在褐煤干燥提质过程中对烟气进行除尘处理，使其符合排放标准，对于褐煤的提质工艺具有重要的意义。

就目前而言，国内在褐煤除尘领域主要采用电除尘方法和布袋除尘方法。由于褐煤提质过程中产生的烟气具有含尘量大、风速高的特点，对于电除尘技术而言，易造成荷电粉尘沉积到收尘极上的时间过短，使其来不及沉积就会被风力带出，同时易产生粉尘的二次飞扬，特别是在电极进行清灰振打作业时尤为严重；对于布袋除尘技术而言，由于褐煤粉尘的颗粒直径较大，易造成布袋堵塞，进而引起布袋磨损、穿孔、甚至脱落，而且200-300℃的高温烟气也易使布袋硬化收缩，加速布袋老化。因此，开发一种现场操作简单、便于维护、运行稳定的除尘技术一直是褐煤干燥提质领域研究与开发的重点。

除此之外，在电力行业，由于燃煤锅炉产生的高温烟气在高温除尘方面的缺失，也会给脱硝催化剂带来的破坏非常严重，使得脱硝催化剂的使用寿命缩短，催化剂的更换速度加快。而高温烟气除尘工艺由于工作温度高、气体腐蚀性强、烟气处理量大等特点，对过滤材料有很高的要求。目前，高温过滤材料主要有陶瓷过滤材料和金属过滤材料，但是传统的陶瓷材料或金属材料的结构与性能均难以满足煤电行业高温烟气除尘的高处理量、低阻降、高除尘效率等工艺性能要求。

目前，国外在高温气体过滤除尘及净化领域一般采用FeCrAl纤维毡滤芯或陶瓷复合滤芯。FeCrAl纤维毡滤芯具有韧性好、孔隙率高、通量大的优点，但其过滤精度较低、反吹再生性能差，长期使用后压差较高，且FeCrAl合金的耐硫腐蚀性能低于Fe₃Al合金；而陶瓷复合滤芯采用非对称结构，具有精度高、通量大的优点，且陶瓷材料的化学稳定性好、耐高温、耐腐蚀，但陶瓷材料的韧性很低，使用过程中经常发生断裂现象，使其稳定性、可靠性较差。

Fe₃Al金属间化合物是一种介于金属与陶瓷之间的低密度材料，也被称为“半陶瓷”，它既具有金属材料的延展性好、强度高、加工性能好、抗热震性高、可焊接等优点，还具有陶瓷材料的热稳定性好、抗氧化和耐腐蚀性能高、耐磨性能好等特性，在低压、大风量、高温(450-750℃)腐蚀环境下，如洁净煤化工煤气化工艺的高温合成气，煤的高效综合利用，褐煤提质工艺中的高温合成气，电力行业中燃煤锅炉含腐蚀气氛高温烟气的综合治理等工况，或者高温、高压及腐蚀环境下的精密过滤与气固分离等工艺，高通量外光薄壁Fe-Al金属间化合物具有广泛的应用前景。

当前，市场上常用的Fe-Al金属间化合物滤芯主要有均质滤芯和非对称滤芯，在孔径相同的条件下，非对称滤芯通量较均质滤芯高。但针对低压大风量腐蚀气氛下的气固分离，如褐煤提质工艺中的高温合成气，电力行业中燃煤锅炉含腐蚀气氛高温烟气的综合治理等工况，现用的Fe-Al金属间化合物滤芯仍然难以满足低压大风量工况下的使用要求，且制作成本偏高。

目前，国内制备Fe-Al金属间化合物多孔滤芯的工艺主要有自蔓延高温合成工艺、反应烧结工艺、机械合金化工艺等，这些工艺的共同点均是以Fe粉、Al粉为原料，加工成本相对较低。但由于Fe粉、Al粉反应或合成过程中很难实现材料的完全合金化，因此导致材料中除了Fe₃Al相之外，还存在单质Fe、单质纯Al、FeAl、Fe₂Al₅等相，这不仅导致材料的耐腐蚀性能严重降低，也影响了多孔滤芯的通量，严重影响了滤芯的过滤效果。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种耐高温、耐腐蚀、高精度、高通量、低阻力、低成本的高通量外光Fe-Al金属间化合物滤芯，以解决现有技术中Fe-Al金属间化合物滤芯存在通量低、阻降高的问题；

本发明所要解决的第二个技术问题在于提供上述Fe-Al金属间化合物滤芯的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明所述的一种高通量外光Fe-Al金属间化合物滤芯的制备方法，包括如下步骤：

(1)取粘结剂溶于可挥发溶剂，制得粘结剂溶液，并加入铁铝粉末于80-120℃充分混合，至所述可挥发溶剂完全挥发；

(2)将得到的混合粉末置于模具中，控制成型压力50-200MPa进行冷等静压压制成型，得到生坯；

(3)脱模后将成型的生坯放入置于脱脂气氛炉中，升温至800-850℃进行脱脂预烧，随炉冷却到室温，得到脱脂预烧后的坯体；

(4)将脱脂预烧后的坯体置于真空烧结炉中，控制真空度＜9×10^-3托、升温至1000-1300℃进行真空烧结，随炉冷却，即得到所需高通量外光Fe-Al金属间化合物滤芯。

具体的，所述步骤(1)中，所述粘结剂包括聚乙二醇、甲基纤维素、聚乙烯醇中的至少一种。

具体的，所述步骤(1)中，所述可挥发溶剂包括水或无水乙醇。

具体的，所述步骤(1)中，所述铁铝粉末与所述粘结剂的质量比为70-95：5-30。

具体的，所述步骤(1)中，所述铁铝粉末的粉末粒度为-100+500目。

具体的，所述步骤(2)中，控制所述压制成型步骤的保压时间为1-5min。

具体的，所述步骤(2)中，在所述压制成型步骤之前，还包括将得到的混合粉末过40-50目筛的步骤。

具体的，所述步骤(3)中，所述脱脂预烧步骤的升温过程具体包括：以1-10℃/min的升温速度，从室温升温至300-450℃，并保温30-120min；随后以1-10℃/min的升温速度，继续升温至800-850℃，并保温60-120min。

具体的，所述步骤(4)中，所述真空烧结步骤的升温过程具体包括：以1-10℃/min的升温速度，从室温升温至300-450℃，并保温30-120min；随后以1-10℃/min的升温速度，继续升温至700-800℃，并保温30-60min；随后以1-10℃/min的升温速度，继续升温至1000-1300℃，进行保温2-5h。

本发明还公开了由所述方法制备得到的高通量外光Fe-Al金属间化合物滤芯。

本发明所述制备高通量外光Fe-Al金属间化合物滤芯的方法，用较细粒度的铁铝粉末为原料，以保证滤芯具有较小的孔径；并通过添加粘结剂成型以克服所选铁铝金属间化合物粉末颗粒自身硬度高、成型性差的缺陷，可有效提高制得滤芯的成型性，同时增大滤芯的孔隙率，在不增大孔径尺寸的情况下，大幅度提高了滤芯通量。本发明所述制备高通量外光Fe-Al金属间化合物滤芯的方法，以等静压成形和真空烧结工艺相结合，并通过优化滤芯的成型与烧结工艺，使得制得滤芯达到孔径、渗透性和强度的良好匹配，降低滤芯壁厚由常规5-6mm降低至2-3mm，滤芯的壁厚更薄、透气性更好；同时采用内压外光成型工艺，可以有效保证滤芯壁厚的均匀性，并提高滤芯表面光洁度，从而使得滤芯具有更优异的反吹再生性能，仅通过一次压制即可成型，同时省去表面层复合及二次烧结工艺，有助于节约成本。

本发明所制备的高通量外光Fe-Al金属间化合物滤芯是以预合金化Fe₃Al粉末为原料制成的多孔元件，并通过调整原料成分、粉末粒度、模具设计、成型压力及烧结温度等参数的精确控制，实现了完全的均匀合金化，制得材料中不含单质Fe或单质Al或严重的成分偏析，因此具有更好的耐腐蚀性能与高温力学性能；与国外同类陶瓷滤芯产品相比，Fe₃Al金属粉末滤芯具有更高的强度、韧性及抗热冲击性能，现场应用时具有更高的稳定性与可靠性。

经测定，本发明所述高通量外光Fe-Al金属间化合物滤芯，滤芯长度800-2500mm，壁厚2-3mm，平均孔径1-20μm，渗透率(4-10)×10^-4L/Pa.min.cm²，孔隙率＞45％，压溃强度50MPa以上，室温抗外压强度≥1MPa。可见，本发明所述高通量外光Fe-Al金属间化合物滤芯的壁厚仅为现有常规Fe-Al金属间化合物滤芯的一半左右，在孔径相同的条件下，其通量更是达到现用Fe-Al金属间化合物滤芯的2.5倍以上，且本发明所述高通量外光Fe-Al金属间化合物滤芯的外表面光洁度更高，更适用于低压大风量工况下使用，同时，本发明所制备的滤芯可加工，可焊接，具有良好的强度。

本发明所述高通量外光Fe-Al金属间化合物滤芯和现有均质滤芯相比，在孔径相同的情况下，本发明具有更高的通量；与非对称滤芯相比，本发明所述滤芯采用一次成形省去表面层复合及二次烧结工艺，有助于节约成本。因此，本发明所述高通量外光Fe-Al金属间化合物滤芯有助于解决现有开发耐高温、耐腐蚀、高精度、高通量、低阻力、低成本过滤材料的瓶颈问题，可以有力推动高性能金属滤材在洁净煤高效利用、高温烟气除尘等能源、环保领域的应用。

具体实施方式

实施例1

本实施例用于压制高通量外光Fe-Al金属间化合物滤芯，其滤芯尺寸获得小孔径、高透气性并具有一定强度的Fe-Al金属间化合物滤芯，具体制备方法包括：

粉末原料准备：将铁铝粉末进行筛分定级，选择粉末粒度为-150+500目的Fe₃Al粉为原材料，粘结剂选择聚乙二醇4000和聚乙烯醇；粉末原料配比：88％的-150+500目Fe₃Al粉末+10％聚乙二醇+2％聚乙烯醇；

将选定量的粘结剂充分溶解在无水乙醇中，并将铁铝粉末与溶解在无水乙醇中的粘结剂充分混合并不断搅拌，混料温度控制在80℃，混合1h左右，至无水乙醇烘干且混合均匀，得到混合粉末；

将上述混合均匀的粉末40目过筛两次，并将混合均匀过筛的粉末放入模具中，通过冷等静压压制成型，控制成型压力100MPa，保压时间3min，压制得到生坯；

脱模后将生坯放入烧舟内，并将烧舟置于脱脂气氛炉中进行脱脂预烧，在1h内从室温升温至300℃，并保温60min，然后在2h内继续升温至800℃，并保温60min，随炉冷却到室温，得到脱脂预烧后的坯体；

脱脂预烧后，将装有工件的烧舟放入真空烧结炉中，采用真空烧结工艺，真空度＜9×10^-3托，在1h内从室温升温至300℃，并保温1.0h；随后在1.0h内继续升温至700℃，并保温1.0h；随后在2h内继续升温至1160℃，并保温4.0h，随炉冷却，即得到高通量外光Fe-Al金属间化合物滤芯。

实施例2

本实施例用于压制高通量外光Fe-Al金属间化合物滤芯，滤芯尺寸获得小孔径、高透气性并具有一定强度的Fe-Al金属间化合物滤芯，具体制备方法包括：

将粉末进行筛分定级，选择粉末粒度为-150+500目的Fe₃Al粉为原材料，粘结剂选择聚乙二醇4000和聚乙烯醇，粉末原料配比：88％的-150+500目Fe₃Al粉末+10％聚乙二醇+2％聚乙烯醇；

将选定量的粘结剂充分溶解在无水乙醇中，并将铁铝粉末与溶解在无水乙醇中的粘结剂充分混合并不断搅拌，混料温度控制在80℃，混合1h左右，至无水乙醇烘干且混合均匀，得到混合粉末；

将上述混合均匀的粉末40目过筛两次，并将混合均匀过筛的粉末放入模具中，通过冷等静压压制成型，控制成型压力120MPa，保压时间3min，压制得到生坯；

脱模后将生坯放入烧舟内，并将烧舟置于脱脂气氛炉中进行脱脂预烧，在1h内从室温升温至300℃，并保温60min，然后在2h内继续升温至800℃，并保温60min，随炉冷却到室温；

脱脂预烧后，将装有工件的烧舟放入真空烧结炉中，采用真空烧结工艺，真空度＜9×10^-3托，在1h内从室温升温至300℃，并保温1.0h；随后在1.0h内继续升温至700℃，并保温1.0h；随后在2h内继续升温至1160℃，并保温4.0h，随炉冷却，即得到高通量外光Fe-Al金属间化合物滤芯。

实施例3

本实施例用于压制高通量外光Fe-Al金属间化合物滤芯，滤芯尺寸获得小孔径、高透气性并具有一定强度的Fe-Al金属间化合物滤芯，具体的制备方法包括：

将粉末进行筛分定级，选择粉末粒度为-150+300目的Fe₃Al粉为原材料，粘结剂选择聚乙二醇，粉末原料配比：95％的-150+300目Fe₃Al粉末+5％聚乙二醇；

将选定量的粘结剂充分溶解在水中，并将铁铝粉末与溶解在无水乙醇中的粘结剂充分混合并不断搅拌，混料温度控制在100℃，混合2h左右，至水分烘干且混合均匀，得到混合粉末；

将上述混合均匀的粉末40目过筛两次，并将混合均匀过筛的粉末放入模具中，通过冷等静压压制成型，控制成型压力120MPa，保压时间3min，压制得到生坯；

脱模后将生坯放入烧舟内，并将烧舟置于脱脂气氛炉中进行脱脂预烧，在1h内从室温升温至350℃，并保温60min，然后在2h内继续升温至700℃，并保温60min，随炉冷却到室温；

脱脂预烧后，将装有工件的烧舟放入真空烧结炉中，采用真空烧结工艺，真空度＜9×10^-3托，在1h内从室温升温至300℃，并保温1.0h；随后在1.0h内继续升温至700℃，并保温1.0h；随后在2h内继续升温至1170℃，并保温4.0h，随炉冷却，即得到高通量外光Fe-Al金属间化合物滤芯。

实施例4

本实施例用于压制高通量外光Fe-Al金属间化合物滤芯，滤芯尺寸获得小孔径、高透气性并具有一定强度的Fe-Al金属间化合物滤芯，具体制备方法包括：

将粉末进行筛分定级，选择粉末粒度为-150+300目的Fe₃Al粉为原材料，粘结剂选择聚乙二醇，聚乙烯醇和甲基纤维素；粉末原料配比：80％的-150+300目Fe₃Al粉末+10％聚乙二醇+5％聚乙烯醇+5％甲基纤维素；

将选定量的粘结剂充分溶解在水中，并将铁铝粉末与溶解在无水乙醇中的粘结剂充分混合并不断搅拌，混料温度控制在100℃，炒制3h左右，至水分烘干且混合均匀，得到混合粉末；

将上述混合均匀的粉末40目过筛两次，并将混合均匀过筛的粉末放入模具中，通过冷等静压压制成型，控制成型压力80MPa，保压时间2min，压制得到生坯；

脱模后将生坯放入烧舟内，并将烧舟置于脱脂气氛炉中进行脱脂预烧，在1h内从室温升温至400℃，并保温90min，然后在2h内继续升温至800℃，并保温60min，随炉冷却到室温；

脱脂预烧后，将装有工件的烧舟放入真空烧结炉中，采用真空烧结工艺，真空度＜9×10^-3托，在1h内从室温升温至350℃，并保温1.0h；随后在1.0h内继续升温至800℃，并保温1.0h；随后在2h内继续升温至1170℃，并保温4.0h，随炉冷却，即得到高通量外光Fe-Al金属间化合物滤芯。

对比例1

本对比例用于制备均质Fe-Al金属间化合物滤芯，滤芯尺寸具体制备方法包括如下步骤：

选择-40+100目的Fe₃Al粉为原材料，并将原料粉末放入模具中，通过冷等静压压制成型，控制成型压力150MPa，保压时间3min，得到生坯；

用真空烧结工艺，真空度＜9×10^-3托，在1h内从室温升温至600℃，并保温0.5h；随后在1.5h内继续升温至900℃，并保温0.5h；随后在1.5h内继续升温至1100℃，并保温0.5h，随后在1h内继续升温至1200℃，并保温0.5h；随后在0.5h内继续升温至1250℃，并保温3h；随炉冷至500℃后风冷至室温，即得到均质Fe-Al金属间化合物滤芯。

对比例2

本对比例用于制备非对称Fe-Al金属间化合物滤芯，滤芯尺寸具体制备方法包括如下步骤：

选择-60+200目的Fe3Al粉为原材料，并将原料粉末放入模具中，通过冷等静压压制成型，控制成型压力220MPa，保压时间4min，制得生坯；

用真空烧结工艺，真空度＜9×10^-3托，在1h内从室温升温至700℃，并保温0.5h；随后在1.5h内继续升温中900℃，并保温0.5h；随后在1.5h内继续升温至1100℃，并保温0.5h；随后在1.5h内继续升温至1230℃，并保温5h；随炉冷至500℃后风冷至室温，制得铁铝金属间化合物多孔基体；

选择-550目的Fe₃Al粉为膜层原材料，和有机溶剂制备成复合浆料，采用喷涂的方式在基体表面制备涂层；并将喷涂后的基体进行二次真空烧结，控制温度1050℃并保温4h，即得到非对称Fe-Al金属间化合物滤芯。

上述实施例1-4及对比例1-2所制备的滤芯综合性能测试结果见下表1所示。

表1滤芯综合性能测试结果

从上表1中数据可知，本发明所述高通量外光Fe-Al金属间化合物滤芯的通量更高，且平均孔径更小。与对比例1中制得滤芯相比，本发明方法制得滤芯，在渗透率相当的情况下，其平均孔径(实施例4)仅为对比例1中滤芯平均孔径的一半左右；与对比例2中制得滤芯相比，本发明方法制得滤芯，在平均孔径相近的情况下，其渗透率大幅提高约1倍左右。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种高通量外光Fe-Al金属间化合物滤芯的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)取粘结剂溶于可挥发溶剂，制得粘结剂溶液，并加入铁铝粉末于80-120℃充分混合，至所述可挥发溶剂完全挥发；

(2)将得到的混合粉末置于模具中，控制成型压力50-200MPa进行冷等静压压制成型，得到生坯；

(3)脱模后将成型的生坯放置于脱脂气氛炉中，升温至800-850℃进行脱脂预烧，随炉冷却到室温，得到脱脂预烧后的坯体；

(4)将脱脂预烧后的坯体置于真空烧结炉中，控制真空度＜9×10^-3托、升温至1000-1300℃进行真空烧结，随炉冷却，即得到所需高通量外光Fe-Al金属间化合物滤芯。

2.根据权利要求1所述的高通量外光Fe-Al金属间化合物滤芯的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述粘结剂包括聚乙二醇、甲基纤维素、聚乙烯醇中的至少一种。

3.根据权利要求1或2所述的高通量外光Fe-Al金属间化合物滤芯的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述可挥发溶剂包括水或无水乙醇。

4.根据权利要求1-3任一项所述的高通量外光Fe-Al金属间化合物滤芯的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述铁铝粉末与所述粘结剂的质量比为70-95：5-30。

5.根据权利要求1-4任一项所述的高通量外光Fe-Al金属间化合物滤芯的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述铁铝粉末的粉末粒度为-100+500目。

6.根据权利要求1-5任一项所述的高通量外光Fe-Al金属间化合物滤芯的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，控制所述压制成型步骤的保压时间为1-5min。

7.根据权利要求1-6任一项所述的高通量外光Fe-Al金属间化合物滤芯的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，在所述压制成型步骤之前，还包括将得到的混合粉末过40-50目筛的步骤。

8.根据权利要求1-7任一项所述的高通量外光Fe-Al金属间化合物滤芯的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述脱脂预烧步骤的升温过程具体包括：以1-10℃/min的升温速度，从室温升温至300-450℃，并保温30-120min；随后以1-10℃/min的升温速度，继续升温至800-850℃，并保温60-120min。

9.根据权利要求1-8任一项所述的高通量外光Fe-Al金属间化合物滤芯的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中，所述真空烧结步骤的升温过程具体包括：以1-10℃/min的升温速度，从室温升温至300-450℃，并保温30-120min；随后以1-10℃/min的升温速度，继续升温至700-800℃，并保温30-60min；随后以1-10℃/min的升温速度，继续升温至1000-1300℃，进行保温2-5h。

10.由权利要求1-9任一项所述方法制备得到的高通量外光Fe-Al金属间化合物滤芯。