CN204502582U - 一种高温环境使用的多孔合金过滤元件 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种高温环境使用的多孔金属过滤元件。所述过滤元件由多个过滤通道相互平行布置构成，每一个过滤通道的一端封闭，另一端开口，相邻两个过滤通道的封闭端相向设置，所述过滤元件的材质为铁铬铝基复合多孔合金材料；过滤通道的直径为φ10mm-φ100mm，铁铬铝基复合多孔合金材料中分布有延伸至合金材料表面的微孔，微孔的孔径范围为500nm-40um；其制备方法包括含铁铬铝基合金粉末料浆的配制、浇铸成型与热脱脂、烧结等工序。本实用新型制备的过滤元件对高温含尘烟气或高温含微粒流体具有良好的过滤作用、且高温强度优良过滤面积大、在高温环境使用寿命长、可重复使用等优点，适于工业化应用。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种高温环境使用的多孔合金过滤元件，属于多孔金属材料技术领域。
背景技术
包括旋风收尘、电收尘、布袋收尘与湿法常温净化等在内的传统烟气处理方法，难以直接对高温烟气进行过滤；为了解决现有高温收尘中的问题，专利CN101934177B提出了采用颗粒床进行高温烟气的净化，但该专利技术依然难捕集烟气中的细颗粒粉尘等缺陷；多孔陶瓷可实现高温烟气的直接净化，但其抗热震性差等方面缺陷，严重影响了过滤系统的使用寿命；尽管专利CN10195426B与专利CN101913874B对多孔陶瓷的寿命延长提出了不错的解决方案，但依然无法从根本上改变陶瓷材料所固有的缺陷。目前用在高温流体领域的过滤材料大多为莫来石或碳化硅的陶瓷过滤板，陶瓷过滤板最大的问题是脆性大、抗热震性差，另外，难以重复使用，这不仅导致了需要高温流体进行过滤企业的生产成本高，而且还造成了陶瓷资源的浪费；平板过滤元件的过滤面积小，在使用该材料时需要频繁更换，也是使用该类材料时成本高的另一个原因所在。
为了克服陶瓷的缺陷，专利1314477C提供了一种金属过滤元件，尽管该材料过滤性能优良，但由于该材料的过滤面积有限，在制作过滤系统时需要用到大量的该类金属过滤元件，从而导致高温除尘成本较高。
铁铬铝合金是一类铁素体合金，因为能在高温环境下表面生成一层与基体结合紧密的致密氧化铝保护膜，使其具有耐腐蚀、抗氧化、抗渗碳以及耐磨等优点，从而在高温粉尘或高温流体过滤及催化载体等方面应用前景很大。目前国内外也开展了一些采用铁铬铝合金为基体来制备多孔金属材料的研究，如：专利CN102286669A首先在聚氨酯海绵等多孔体上喷涂铬粉和铝粉，经过导电胶浸涂、加温固化等工序后进行电沉积铁而得到铁铬铝多孔材料；专利CN101172257A制备泡沫铁铬铝是以泡沫形状金属(铁、镍、铜及其合金等)为基材，在基材的多孔表面进行火焰喷涂铁铬铝而得到。这些方法尽管可制备出铁铬铝多孔金属材料，但存在工艺复杂、原料成本高等问题；另一方面现有铁铬铝材料在高温下使用后，由于晶粒长大使其变得易脆，从而影响了这类材料在高温环境下的使用寿命。
针对现有高温环境所使用过滤元件所存在过滤面积小、使用寿命短、难循环使用等方面的问题，本发明人经反复研究，发明了一种高温环境使用的多孔金属过滤元件。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术之不足而提供一种结构合理、过滤面积大、使用寿命长、高温强度优良、可循环使用的高温环境使用的多孔合金过滤元件。
本实用新型一种高温环境使用的多孔合金过滤元件，所述过滤元件由多个过滤通道相互平行布置构成，每一个过滤通道的一端封闭，另一端开口，相邻两个过滤通道的封闭端相向设置，所述过滤元件的材质为铁铬铝基复合多孔合金材料。
本实用新型一种高温环境使用的多孔合金过滤元件，过滤通道的直径为φ10mm-φ100mm。
本实用新型一种高温环境使用的多孔合金过滤元件，所述铁铬铝基复合多孔合金材料中分布有延伸至合金材料表面的微孔，微孔的孔径范围为500nm-40um。
本实用新型一种高温环境使用的多孔合金过滤元件，过滤通道封闭端的封闭层厚度为3-10mm；过滤通道的壁厚为3-10mm。
本实用新型一种高温环境使用的多孔合金过滤元件，所述铁铬铝基复合多孔合金材料，包括下述组分按质量百分比组成：
铝3-7wt％，铬15-25wt％，碳化硅2-10wt％，稀土0.03-0.5wt％，余量为铁。
本实用新型一种高温环境使用的多孔合金过滤元件，所述稀土为镧铈混合稀土或稀土钇，镧铈混合稀土中各组分的质量按任意比例配置。
本实用新型一种高温环境使用的多孔金属过滤元件的制备方法，包括如下步骤：
第一步：制备含稀土的铁-碳化硅烧结块
根据设计的铁铬铝基多孔金属材料中碳化硅、稀土的质量配比，按同比例放大后的碳化硅、稀土的质量比，分别称取碳化硅粉、稀土，与铁粉混合得到混合粉末，将混合粉末真空球磨混合均匀后，压制成型，于1200-1300℃真空烧结1-3小时后，随炉冷却得到含稀土的铁-碳化硅烧结块；控制混合粉末中碳化硅粉和稀土的总质量与铁粉质量比为1:1-2；
第二步：制备含碳化硅、稀土的铁铬铝基合金锭
根据第一步得到的含稀土的铁-碳化硅烧结块中稀土、碳化硅、铁的质量，按设计的铁铬铝基多孔金属材料各组分配比，配置铝锭、铬粉及余量的铁粉，氩气保护气氛下于2000-2200℃熔炼1-3小时后，随炉冷却得到含碳化硅、稀土的铁铬铝基合金锭；
第三步：制备粒度在1-100um的铁铬铝基合金粉
将第二步得到的铁铬铝基合金锭破碎后真空球磨至粒度为1-100um的铁铬铝基合金粉；
第四步：配制含铁铬铝基合金粉末料浆
按质量比(8-10):(0.5-2):(0.5-1)分别称取第三步所制备合金粉、造孔剂、粘接剂，混合均匀，得到混合粉末，称取45-75份的混合粉末加入到25-55份的去离子水中，配制成含铁铬铝基合金粉末料浆；所述造孔剂选自淀粉、尿素、碳铵中的一种，造孔剂的粒度范围为0.5-40um；所述粘结剂为聚乙烯醇、羧甲基纤维素、羟基丙烯纤维素、聚乙二醇、聚乙烯乙醇中的至少一种；
第五步：浇注成型
将模具置于超声波震动场中，开启超声波，将第四步配制的料浆浇入模具，模具中料浆注满后，超声波继续开启30-60分钟；然后，将浇注有料浆的模具置于80-120℃干燥后，拆模，得到多孔金属过滤元件坯体；所述模具包括上盖、底板、侧板、芯材，所述底板与上盖之间通过侧板连接构成一空心腔体，侧板的高度与多孔金属过滤元件的高度一致；在所述底板与上盖上均布有芯材，所述芯材用于形成多孔金属过滤元件的过滤通道，芯材的长度为过滤通道空心段的长度，芯材的直径与过滤通道的直径一致，安装在底板上的芯材与安装在上盖上的芯材相互错位，相邻两根芯材外壁之间的间距为过滤通道的壁厚；芯材的材质选自木材、碳棒、石墨中的任意一种；
第六步：烧结
将第五步得到的多孔金属过滤元件坯体，于惰性气氛或真空环境下，以1-3℃/min升温速率升至600-800℃保温0.5-2小时后，以5-10℃/min升温速率升至1200-1400℃，烧结0.5-2h，随炉冷却，得到多孔金属过滤元件。
本实用新型所具有的优势分析：
1、本实用新型材料的过滤面积增大。
本实用新型之所以具有大的过滤面积，通过下面的计算便可清楚知道。假设一块正方形的平板过滤板边长为1m，厚度为50mm，那么它的直接过滤面积为1m2。如果本实用新型的一块过滤板，其边长、厚度与正方形平板相同，分别为1m与50mm，假设其中过滤通道的直径为10mm，过滤通道的壁厚及封闭层厚度均为5mm，那么本实用新型材料中有2500个φ10mm的过滤通道，该材料的直接过滤面积为S可通过下式计算出来：
S＝(2500×π×10×45)÷106+1≈4.53m2
相当于直接过滤面积扩大了4.53倍。
2、本实用新型材料的使用寿命长，特别是在高温下使用寿命长。这主要是因为：
①铁铬铝材料的金属特性，使其耐急冷急热性能优秀，这是陶瓷材料难以具备的；抗高温腐蚀性能优良，最高使用温度可达1400℃；
②碳化硅与稀土的存在，极大抑制了铁铬铝材料在高温环境下的晶粒长大，从根本上解决了铁铬铝材料的高温脆性问题；
3、本实用新型的材料在使用时压降小，且可重复使用。这主要是因为：
①过滤通道的壁厚及封闭层厚度最低可控制在3mm，这样，净化气体的运行路程短，为该材料的低压降创造了条件。如果陶瓷材料做到3mm厚，如果体系的压力稍大，很容易压碎陶瓷，而本实用新型材料的金属特质可保证大压力下也不会压碎该过滤元件；
②当通过反吹等操作，依然无法将过滤材料中粉尘微粒吹出来时，可以将该材料取出进行处理后重新返回使用。如，采用对陶瓷过滤材料过滤铝液时，在堵孔或停炉时，由于铝液在陶瓷过滤板孔中的凝固，会使其损坏；但采用本实用新型材料时，一旦出现堵孔或停炉现象，可将过滤板取出，用碱液处理来疏通被堵的孔洞，从而实现了反复利用。
另外，通过铁铬铝粉末的粒径选择和颗粒级配，可以获得不同孔隙率和孔径大小的多孔金属材料，这使本项目技术可用来生产适应于含不同粒径颗粒流体的过滤；并且，本实用新型材料的金属特性大大提升了材料的传热性能，为将该材料的应用由过滤拓展到极端环境的传热等领域奠定了基础。本实用新型制备的过滤元件对高温含尘烟气或高温含微粒流体具有良好的过滤作用、且高温强度优良，适于工业化应用。
附图说明
附图1为本实用新型制备的多孔合金过滤元件的主剖视图。
附图2为附图1的俯视图。
附图3为附图1中A部的合金的SEM图。
附图4为制备本实用新型的模具结构示意图。
附图5为本实用新型多孔金属过滤元件在高温烟气净化中的应用示意图
附图6为本实用新型多孔金属过滤元件在高温流体净化中的应用示意图
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的实施作进一步说明，但本实用新型并不受此限制。
参见附图1、2、3，示出了本实用新型制备的多孔金属过滤元件结构。
所述过滤元件100由多个过滤通道101相互平行布置构成，每一个过滤通道101的一端封闭，另一端开口，相邻两个过滤通道101的封闭端相向设置，所述过滤元件的材质为铁铬铝基复合多孔合金材料；
过滤通道101的直径为φ10mm-φ100mm；
过滤通道101封闭端的封闭层厚度d1为3-10mm；过滤通道101的壁厚d2为3-10mm；
所述铁铬铝基复合多孔合金材料中分布有延伸至合金材料表面的微孔102，微孔102的孔径范围为500nm-40um。
参见附图4，示出了本实用新型,制备过滤元件的模具结构；
制备所述过滤元件100的模具200包括上盖210、底板230、侧板220、芯材232，所述底板230与上盖210之间通过侧板220连接构成一空心腔体，侧板220的高度与多孔金属过滤元件100的高度一致；在所述底板230与上盖210上均布有芯材232，所述芯材232用于形成多孔金属过滤元件100的过滤通道101，芯材232的长度为过滤通道101空心段的长度，芯材232的直径与过滤通道101的直径一致，安装在底板230上的芯材232与安装在上盖210上的芯材232相互错位，相邻两根芯材232外壁之间的间距为过滤通道101的壁厚d2，芯材232的材质选自木材、碳棒、石墨中的任意一种，芯材232的直径为φ10mm-φ100mm。
实施例1
IGCC发电用高温含尘煤气净化用的铁铬铝基多孔金属过滤元件的制备
本实施例制备的多孔合金过滤元件，其材质为铁铬铝基复合多孔合金材料，按质量百分比组成如下：
铝3wt％，铬15wt％，碳化硅2wt％，镧铈混合稀土0.038wt％，余量为铁；
本实施例的过滤元件制备方法，包括如下步骤：
第一步：制备含稀土的铁-碳化硅烧结块
根据设计的铁铬铝基多孔金属材料中碳化硅、稀土的质量配比，按5倍比例放大后的碳化硅、稀土的质量比，分别称粒径在1um以下的碳化硅粉10Kg、稀土0.19Kg，与铁粉混合得到混合粉末，将混合粉末真空球磨混合均匀后，压制成型，于1250℃真空烧结2小时后，随炉冷却得到含稀土的铁-碳化硅烧结块；控制混合粉末中碳化硅粉和稀土的总质量与铁粉质量比为1:2；
第二步：制备含碳化硅、稀土的铁铬铝基合金锭
根据第一步得到的含稀土的铁-碳化硅烧结块中稀土、碳化硅、铁的质量，按设计的铁铬铝基多孔金属材料各组分配比，配置铝锭、铬粉及余量的铁粉，氩气保护气氛下于2100℃熔炼2小时后，随炉冷却得到含碳化硅、稀土的铁铬铝基合金锭；
第三步：制备粒度在1-2um的铁铬铝基合金粉
将第二步得到的铁铬铝基合金锭破碎后真空球磨至粒度为1-2um的铁铬铝基合金粉；
第四步：配制含铁铬铝基合金粉末料浆
按质量比9：0.5：0.5分别称取第三步所制备合金粉、造孔剂、粘接剂，混合均匀，得到混合粉末，称取45-75份的混合粉末加入到25-55份的去离子水中，配制成含铁铬铝基合金粉末料浆；造孔剂为淀粉粒度范围为0.5-1.5um；粘结剂为聚乙烯醇；
第五步：浇注成型
将模具置于超声波震动场中，开启超声波，将第四步配制的料浆浇入模具，模具中料浆注满后，超声波继续开启45分钟；然后，将浇注有料浆的模具置于100℃干燥后，拆模，得到多孔金属过滤元件坯体；
第六步：烧结
将第五步得到的多孔金属过滤元件坯体，于惰性气氛或真空环境下，以1-3℃/min升温速率升至700℃保温1.5小时后，以5-10℃/min升温速率升至1300℃，烧结1.5h，随炉冷却，得到多孔金属过滤元件。
本实施例制备的多孔金属过滤元件表现出了优良的抗压能力与抗氧化性能，其抗压强度达到42.53MPa；在空气中800℃氧化120min后的氧化增重率为1.0mg/g；另外，将所制备多孔材料先升温到800℃、后置于冷水中骤冷100个周期后，材料未见明显破坏，表明本实用新型材料的耐急冷急热能力优良。
本实施例所制备的过滤元件可将高温煤气中1.5um以上的颗粒过滤掉，参见图5，为本实施例制备的产品用在含尘高温气体净化的示意图。
实施例2
可满足高温烟气中PM2.5直接净化的铁铬铝基多孔金属过滤元件的制备
本实施例制备的高温环境使用的多孔合金过滤元件，其材质为铁铬铝基复合多孔合金材料，其组成包括下述组分，按质量百分比组成：
铝5wt％，铬20wt％，碳化硅8wt％，稀土钇0.49wt％，余量为铁；
本实施例的过滤元件制备方法，包括如下步骤：
第一步：制备含稀土的铁-碳化硅烧结块
根据设计的铁铬铝基多孔金属材料中碳化硅、稀土的质量配比，按5倍比例放大后的碳化硅、稀土的质量比，分别称取粒度小于等于1μm的碳化硅粉40Kg、稀土2.45Kg，与铁粉混合得到混合粉末，将混合粉末真空球磨混合均匀后，压制成型，于1250℃真空烧结2小时后，随炉冷却得到含稀土的铁-碳化硅烧结块；控制混合粉末中碳化硅粉和稀土的总质量与铁粉质量比为1:1.5；
第二步：制备含碳化硅、稀土的铁铬铝基合金锭
根据第一步得到的含稀土的铁-碳化硅烧结块中稀土、碳化硅、铁的质量，按设计的铁铬铝基多孔金属材料各组分配比，配置铝锭、铬粉及余量的铁粉，氩气保护气氛下于2100℃熔炼2小时后，随炉冷却得到含碳化硅、稀土的铁铬铝基合金锭；
第三步：制备粒度在2-4um的铁铬铝基合金粉
将第二步得到的铁铬铝基合金锭破碎后真空球磨至粒度为2-4um的铁铬铝基合金粉；
第四步：配制含铁铬铝基合金粉末料浆
按质量比9:1:0.8分别称取第三步所制备合金粉、造孔剂、粘接剂，混合均匀，得到混合粉末，称取45-75份的混合粉末加入到25-55份的去离子水中，配制成含铁铬铝基合金粉末料浆；造孔剂为尿素，粒度范围为1-3um；粘结剂为羧甲基纤维素；
第五步：浇注成型
将模具置于超声波震动场中，开启超声波，将第四步配制的料浆浇入模具，模具中料浆注满后，超声波继续开启50分钟；然后，将浇注有料浆的模具置于100℃干燥后，拆模，得到多孔金属过滤元件坯体；
第六步：烧结
将第五步得到的多孔金属过滤元件坯体，于惰性气氛或真空环境下，以1-3℃/min升温速率升至700℃保温1.5小时后，以5-10℃/min升温速率升至1300℃，烧结2h，随炉冷却，得到多孔金属过滤元件。
本实施例制备的多孔金属过滤元件表现出了优良的抗压能力与抗氧化性能，其抗压强度达到43.66MPa；在空气中850℃氧化240min后的氧化增重率为1.05mg/g；另外，将所制备多孔材料先升温到800℃、后置于冷水中骤冷100周期后，材料未见明显破坏，表明本实用新型材料的耐急冷急热能力优良。
本实施例所制备过滤元件可将高温烟气中2.5um以上的颗粒过滤掉。
实施例3
铝熔体净化用的铁铬铝基多孔金属过滤元件的制备
本实施例制备的高温环境使用的多孔合金过滤元件，其材质为铁铬铝基复合多孔合金材料，其组成包括下述组分，按质量百分比组成：
铝7wt％，铬25wt％，碳化硅10wt％，镧铈混合稀土0.25wt％，余量为铁；
本实施例的过滤元件制备方法，包括如下步骤：
第一步：制备含稀土的铁-碳化硅烧结块
根据设计的铁铬铝基多孔金属材料中碳化硅、稀土的质量配比，按5倍比例放大后的碳化硅、稀土的质量比，分别称取碳化硅粉50Kg、稀土1.25Kg，与铁粉混合得到混合粉末，将混合粉末真空球磨混合均匀后，压制成型，于1250℃真空烧结2小时后，随炉冷却得到含稀土的铁-碳化硅烧结块；控制混合粉末中碳化硅粉和稀土的总质量与铁粉质量比为1:2；
第二步：制备含碳化硅、稀土的铁铬铝基合金锭
根据第一步得到的含稀土的铁-碳化硅烧结块中稀土、碳化硅、铁的质量，按设计的铁铬铝基多孔金属材料各组分配比，配置铝锭、铬粉及余量的铁粉，氩气保护气氛下于2100℃熔炼2小时后，随炉冷却得到含碳化硅、稀土的铁铬铝基合金锭；
第三步：制备粒度在15-20um的铁铬铝基合金粉
将第二步得到的铁铬铝基合金锭破碎后真空球磨至粒度为15-20um的铁铬铝基合金粉；
第四步：配制含铁铬铝基合金粉末料浆
按质量比9:2:1分别称取第三步所制备合金粉、造孔剂、粘接剂，混合均匀，得到混合粉末，称取45-75份的混合粉末加入到25-55份的去离子水中，配制成含铁铬铝基合金粉末料浆；造孔剂为碳铵，造粒度范围为10-20um；粘结剂为聚乙烯乙醇；
第五步：浇注成型
将模具置于超声波震动场中，开启超声波，将第四步配制的料浆浇入模具，模具中料浆注满后，超声波继续开启50分钟；然后，将浇注有料浆的模具置于100℃干燥后，拆模，得到多孔金属过滤元件坯体；
第六步：烧结
将第五步得到的多孔金属过滤元件坯体，于惰性气氛或真空环境下，以1-3℃/min升温速率升至700℃保温2小时后，以5-10℃/min升温速率升至1300℃，烧结1h，随炉冷却，得到多孔金属过滤元件。
本实施例制备的多孔金属过滤元件表现出了优良的抗压能力与抗氧化性能，其抗压强度达到39.13MPa；在空气中800℃氧化360min后的氧化增重率为1.1mg/g；另外，将所制备多孔材料先升温到800℃、后置于冷水中骤冷100个周期后，材料未见明显破坏，表明本实用新型材料的耐急冷急热能力优良。
本实施例所制备过滤元件可将铝熔体中15um以上的微粒过滤掉，图6为本实施例产品在高温流体净化中使用的示意图。
Claims (6)
1.一种高温环境使用的多孔合金过滤元件，其特征在于：所述过滤元件由多个过滤通道相互平行布置构成，每一个过滤通道的一端封闭，另一端开口，相邻两个过滤通道的封闭端相向设置，所述过滤元件的材质为铁铬铝基复合多孔合金材料。
2.根据权利要求1所述的一种高温环境使用的多孔合金过滤元件，其特征在于：过滤通道的直径为φ10mm-φ100mm。
3.根据权利要求1所述的一种高温环境使用的多孔合金过滤元件，其特征在于：所述铁铬铝基复合多孔合金材料中分布有延伸至合金材料表面的微孔，微孔的孔径范围为500nm-40um。
4.根据权利要求1所述的一种高温环境使用的多孔合金过滤元件，其特征在于：过滤通道封闭端的封闭层厚度为3-10mm；过滤通道的壁厚为3-10mm。
5.根据权利要求1-4任意一项所述一种高温环境使用的多孔合金过滤元件，其特征在于：所述铁铬铝基复合多孔合金材料，包括下述组分按质量百分比组成：
铝3-7wt％，铬15-25wt％，碳化硅2-10wt％，稀土0.03-0.5wt％，余量为铁。
6.根据权利要求5所述一种高温环境使用的多孔合金过滤元件，其特征在于：所述稀土为镧铈混合稀土或稀土钇。
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