CS274260B2 - Method of ceramic filter preparation - Google Patents

Description

Vynález se tyká způsobu přípravy keramického filtru s otevřenou poVovitou strukturou a s pevnou, zesintrovanou keramickou vazbou, při kterém se nepoužívá žádného pojivá. Keramický filtr připravený postupem podle uvedeného vynálezu je zejména vhodný k filtraci tavenin kovů.

Pokud se týče dosavadního stavu techniky jsou známy různé pórovité keramické pěnové materiály, kterých ee použivá Jako filtrů pro roztavené kovy, zejména pro filtraci taveniny hliníku. Tato řešeni Jsou popsána například v následujících patentech Spojených států amerických č. 3 893 917, 3 947 363, 3 962 091, 4 024 056, 4 024 212, 4 075 303,

265 659, 4 342 644 a 4 343 704. Oako výchozích materiálů pro výrobu těchto filtrů se použivá zejména žáruvzdorných materiálů pojených pomoci fosforečnanových sloučenin, přičemž se při výrobě těchto filtrů použivá přisad i jiných látek. Tyto materiály se potom vypaluji při teplotách přibližně 1 093 °C, čimž se dosáhne pevného spojeni Jednotlivých částic tohoto materiálu. Příslušný výrobní postup je uveden například v patentu Spojených států amerických č. 3 962 081, Takto připravené keramické filtry jsou vhodné pro použiti při výrobě hliníku a odolávají snadno působeni většiny tavenin hliníkových slitin, které se odlévají zpravidla při teplotě asi 704 °C, avšak nejsou vhodné pro řadu dalších možných aplikaci, protože máji malou pevnost a malou chemickou odolnost.

Různé další filtry z keramických materiálů, kterých se použivá pro filtraci tavenin kovů, jsou popsány v patentech Spojených států amerických č. 3 962 081, 4 075 303 a 4 024 212, přičemž z některých poznatků se vycházelo i při navrhování postupu výroby keramického filtru podle uvedeného vynálezu.

Cílem uvedeného vynálezu je tedy vyvinout takový materiál, který by měl požadované vlastnosti dosud známých keramických filtračních materiálů, zejména velkou pórovitost, malou tlakovou ztrátu, velkou geometrickou povrchovou plochu a členité průtokové cesty, ale který by neměl nedostatky dosud známých porézních keramických filtrů, zejména malou mechanickou a tepelnou pevnost a nedostatečnou odolnost proti chemickým vlivům. Navíc je cílem uvedeného vynálezu vyvinout materiál s pórázni keramickou strukturou, který by bylo možno vyrábět poměrně jednoduchým způsobem, přičemž by tento keramický pórázni materiál byl vhodný pro různé druhy použiti v podmínkách s vysokými teplotami, a zejména který by byl vhodný pro filtraci tavenin železných kovů.

Cílem postupu podle uvedeného vynálezu je tedy připravit produkty, které by měly především velkou pevnost, a u kterých by současně byly zlepšeny fyzlkálně-chemické vlastnosti, to znamená ve srovnáni s dosud známými keramickými porézními filtračními materiály lepši mechanické, tepelné a chemické vlastnosti.

Podstata způsobu přípravy keramického filtru s otevřenou pórovitou strukturou a s pevnou, zesintrovanou keramickou vazbou, který je určen k filtraci roztavených kovů, spočivá podle uvedeného vynálezu v tom, že se organický polymerní pěnový materiál, jako Je například polyurethanový pěnový materiál, impregnuje vodnou suspenzí thixotropní keramické směsi na bázi oxidu hlinitého, která obsahuje zgelovatěló pojivo na bázi hydrátu oxidu hlinitého v množství v rozmezi od 3 do 15 % hmot·, přičemž potom následuje sušeni a zahřívání tohoto impregnovaného polymerního pěnového materiálu při teplotě v rozmezi od 100 do 700 °C k odstraněni organické složky z tohoto materiálu a vypálení tohoto materiálu při teplotě přinejmenším 1 093 °C za vzniku materiálu s pevnou, zesintrovanou keramickou vazbou.

Ve výhodném provedeni postupu podle uvedeného vynálezu je hydrátem oxidu hlinitého bdhmit.

Zgelovatělé pojivo na bázi oxidu hlinitého obsahuje ve výhodném provedení podle uvedeného vynálezu kyselinu dusičnou, která vytéká během vypalováni materiálu.

Vypalování se provádí ve výhodném provedeni podle uvedeného vynálezu po dobu 15 minut až 10 hodin, přičemž toto vypalováni se ve výhodném provedeni provádí při teplotě přinejmenším 1 370 °C.

Výhodou postupu podle uvedeného vynálezu je to, že je poměrně velice jednoduše proCS 274260 B2 * veditelný, dále Je možno Jej velice dobře kontrolovat, čimž se mini především to, že je možno kontrolovat a určovat konečnou formu keramického filtru β otevřenou pórovitou strukturou, tzn, mechanickou pevnost a chemickou odolnost, volbou příslušných podmínek zpracování. U konečného produktu se při postupu podle vynálezu dosáhne sníženi makropórovitosti. Čímž se značně zlepši filtrační vlastnosti tohoto materiálu. Keramický filtr připravený postupem podle vynálezu v podstatě neobsahuje pojivo, které by snižovalo pevnost tohoto produktu a které by nepříznivým způsobem mohlo ovlivňovat aplikovatelnost tohoto keramického filtru.

Postupem podle uvedeného vynálezu se takto připraví požadovaný keramický filtr s otevřenou porovitou strukturou a s pevnou, zesintrovanou keramickou vazbou, přičemž se vychází z licí suspenze obsahující 3 až 15 % hmot. zgelovatělého pojivá na bázi hydroxidu hlinitého (neboli hydratovaného oxidu hlinitého). Keramická pěnová hmota se slinuje při zvýšených teplotách, takže vznikne keramický materiál s otevřenou dutinovou strukturou tvořený pevným slinutým skeletem. Takový filtr v podstatě neobsahuje pojivo, to znamená neobsahuje sklovitou fázi, která by snižovala pevnost výrobku. Struktura tohoto keramického filtru je tedy mechanicky zpevněna, přičemž je možno tento produkt označit Jako keramický materiál slinutý za sucha.

Keramická hmota filtru podle vynálezu je ve výhodném provedeni podle vynálezu vyrobena z líci suspenze obsahující 3 až 15 % hmot. zgelovatělého bOhmitu.

Pro přípravu keramického filtru se jako keramické suroviny podle vynálezu používá zejména oxid hlinitý nebo přírodní oxid hlinitý.

Údaje o množstvi pojivá se vždy vztahuji na celé množstvi sušiny tvořící podíl liči keramické suspenze, to znamená nebere se v úvahu množství přimíchávané vody do této líci suspenze.

Při výrobě keramického filtru podle vynálezu se postupuje tak, že se polymerní pěnová hmota s otevřenou buněčnou strukturou impregnuje licí vodnou suspenzi s thixotropnimi vlastnostmi, obsahující keramické složky a pojivo, přičemž potom se přebytečné množstvi licí suspenze odstraní a polymerní materiál opatřený vrstvou keramické hmoty se suší a zahřívá, takže organická polymerní pěnová hmota se rozloží a vypaří a výsledná keramická hmota se při zvýšené teplotě vypálí, takže vznikne keramický pěnový, neboli pórézni materiál, jehož skeletová struktura sestává z keramické hmoty a filtr z tohoto materiálu má otevřenou dutinovou strukturu, tvořenou velkým množstvím vzájemně propojených dutin obklopených stěnami keramického materiálu.

Při prováděni postupu podle vynálezu se použije hydrofobní organické polymerní pěnové hmoty s otevřenou buněčnou strukturou, zejména polyuretanové pěny.

Líci suspenze obsahuje 3 až 6 J hmot. zgelovatělého hydroxidu hlinitého (neboli hydra tovaného oxidu hlinitého) jako pojivá a keramická pěnová hmota se při zvýšené teplotě slinuje tak, že vznikne keramický materiál s otevřenou dutinkovou strukturou z keramických částic ss vzájemně pevně slinutými vazbami.

Při prováděni postupu podle vynálezu se keramický materiál s otevřenou buněčnou struk turou vytváří z pružného pěnového materiálu s otevřenou buněčnou strukturou, který je zejména hydrofobní a obsahuje vzájemně propojené dutinky obklopené stěnami těchto dutin obsaženými v této pružné pěnové hmotě. Takovým typickým materiálem, který může být k tomuto účelu použit, je polyurethanová pěna nebo celulózové pěnové materiály.

Obecně je možno použit jakékoliv organické pěnové hmoty, která za daných podmínek prováděni postupu podle vynálezu shoří a vytSká, a která je tvarovatelná, přičemž po stlačeni má tato pružná pěnová hmota schopnost vracet se do původního stavu. Pěnová hmota musí vyhořet nebo se vypařit při teplotách, které jsou nižší, než vypalovací teplota použité keramické hmoty.

Vodná keramická liči suspenze, která se používá při provádění postupu podle vynálezu, musi mit schopnost dobře zatéct do dutin pěnové hmoty a musi být thixotropni. Dále musi mit poměrně vysoký stupeň tekutosti a musi být schopná tvořit vodnou suspenzi daného keramického materiálu. Typickými keramickými materiály, které mohou být použity k tomuto úče3 lu, jsou především oxid hlinitý a přírodně se vyskytujíc! oxid hlinitý a dála některé jiné materiály, například oxid zirkoničitý, zirkonový pisek, oxid chromnatý, kordierit, mullit, atd. Velikost částic musi být taková, aby částice propadly sitem se 30 oky na délkový centimetr a s oky menšími, zejména sitem se 108 až 160 oky na délkový centimetr a s oky menšími.

Použiti fosforečnanů nebo jiného anorganického pojivá nani při prováděni postupu podle vynálezu nutné.

Vodná liči suspenze obsehuje zgelovatšlý hydroxid hlinitý (hydratovaný oxid hlinitý), který slouži pouze jako přechodné pojivo.

Při prováděni postupu podle vynálezu se jako přechodného pojivá použivá hydrátu oxidu hlinitého (neboli hydroxidu hlinitého), zejména bůhmítu, ala je možno použit 1 jiných dalších materiálů, jako například monohydrátu oxidu hlinitého a trihydrátů oxidu hlinitého, přičemž tyto látky současně slouží jako rheologické prostředky. Nejprve se připraví koloidnl suspenze s kyselinou, která v podstatě před dosažením vypalovací teploty vytéká, zejména se použivá kyseliny dusičná, ale je taká možno použit i kyseliny chlorovodíkové, kyseliny sirové nebo jiné podobné kyseliny. Na tuto pracovní operaci navazuje příprava vizkozni thixotropni liči suspenze požadovaného keramického materiálu, zejména oxidu hlinitého.

Ve vodné suspenzi je zgelovatělé pojivo na bázi hydratovaného oxidu hlinitého přítomno v množstvi 3 až 15 % hmot., přičemž se použije poměru oxidu hlinitého v hydratované formě ke kyselině v rozmez! od 2 : 1 do 5 : 1, zejména se používá poměru 3 : 1, přičemž se obvykle používá 70% kyselina. V následující přípravě thixotropni liči suspenze se v případě potřeby může přidat malá množstvi organických přísad, například Theologických přísad, přídavných pojiv, diapergačních činidel a podobně. Obsah vody nani nijak důležitý, například je možno použit množstvi v rozmezí od 10 do 50 % hmot. vody v uvedené licí suspenzi keramického materiálu, vztaženo na celkovou hmotnost suspenze. Vodná složka upravuje jednoduchým způsobem požadovanou tekutost, aby se polymerní pěnová hmota dokonale impregnovala a aby sa struktura organické pěnové hmoty dokonale povlékla vrstvou keramické liči suspenze.

Jednou z výhod postupu podle vynálezu a získaného produktu je to, že v konečném produktu, tzn, keramickém filtru 8 otevřenou porovitou strukturou, nezůstávají žádné zbytky pojiv, například fosforečnanových pojiv až dosud používaných, a jiných dalších příměsi, které by mohly při aplikaci reagovat s roztaveným kovem procházejícím keramickým filtrem.

Při prováděni postupu podle vynálezu se nejprve oxid hlinitý zgelovatí kyselinou a potom se přidají keramické komponenty a voda, čimž se vytvoří licí keramická suspenze.

V případech, kdy je to vhodné se mohou všechny složky smísit dohromady. Liči suapenze se potom použije pro výrobu keramického materiálu s otevřenou buněčnou strukturou.

Pružný pěnový materiál se impregnuje vodnou líci suspenzí tak, ža se stěny dutin v této pružné pěnové struktuře povlečou uvedenou keramickou liči suspenzi, přičemž se touto keramickou liči suspenzi vyplní i dutiny pěnového materiálu. Za normálních podmínek má postup podle vynálezu výhodu v tom, že impregnace pěnové hmoty se může jednoduše provádět jednorázovým ponořením polymerní pěnové hmoty na krátkou dobu do suspenze, aby se dosáhlo úplného impregnováni pěnové hmoty.

Impregnovaná pěnová hmota se potom stlačí, aby se část euspenze vytlačila do tó míry, že zbývající část suspenze pokrývá nosnou skeletovou strukturu pěnové hmoty a současně vyplňuje část pórů rovnoměrně rozdělených po celém objemu pěnové hmoty, které tak vytvářejí potřebnou klikatost průchozích kanálků a pórů, přičemž ucpané póry jsau Fovnoměrně rozděleny a nikoliv nahromaděny v některém mistě keramického tělesa. V alternativním provedeni postupu podle vynálezu je možno impregnovanou pěnovou hmotu vést mezi dvojice válců, nastavených proti sobě v předem stanovených vzdálenostech, aby se dosáhlo požadovaného stupně stlačeni a vytlačeni přebytečné suspenze, a tim i požadované impregnace. Přirozeně je možno vytlačovat přebytek suspenze z pěnové hmoty ručně jednoduchým zmáčknutím pružného pěnového materiálu na požadovanou miru. V této fázi ja pěnová hmota stále ještě ohebná a pružná a v případě potřeby může být vytvarována do různých tvarů, vhodných pro specifické filtrační účely, například do tvaru zakřivených desek, dutých válců atd. V tomto případě je nezbytné vytvarovanou pěnovou hmotu známými prostředky udržet v tomto tvoru, dokud se organický substrát narozloži nabo dokud sa keramická hmota nepodrobi slinováni. Impregnovaná pěnové hmota se potom vhodným způsobem vysuěi, například pomoci auěiciho vzduchu, rychlosuěicim postupem při teplotách v rozmezí od 100 do 700 °C po dobu 15 minut až nejvýše zpravidla 10 hodin, výhodně až 6 hodin, popřípadě ja možno použit mikrovinového sušeni. Pro vysušeni sušicím vzduchem je třeba obvykle časového intervalu 8 až 24 hodin. Po vysušení ae materiál zahřeje na zvýšenou teplotu, čímž dojde ke slinováni keramického povlaku na nosné struktuře, přičemž větší počet rovnoměrně rozdělených pórů zůstává ucpaný, jak již bylo v předchozí části uvedeno.

Při prováděni postupu podle vynálezu dochází při sušeni za použití hydroxidu hlinitého (neboli hydratovaného oxidu hlinitého) nejprve ke krystalizaci oxidu hlinitého, počínaje gama oxidem hlinitým a potom přee alfa oxid hlinitý. Tim se vytvoří vhodné podmínky pro počáteční pevnost pro dalši zpracováni a vypalování.

Příslušné vypalovací podmínky závisejí na druhu použitého keramického materiálu. Zpravidla se použivá teplot od 1 093 °C a výše, zejména jsou vhodné teploty od 1 371 °C a výše. Doba slinování js nejméně 15 minut, obvykle je nejméně 1 hodinu, a zpravidla je slinováni prováděno nejvýše 10 hodin. Nosná struktura pružné pěnové hmoty sa přitom rozloží do posledních zbytků a keramický materiál se podrobí slinování, čimž se vytvoří pevná slinutá struktura.

Výsledným produktem postupu podle vynálezu je pórovitý, pevně slinutý materiál, který v podstatě neobsahuje pojivový materiál a organické složky a má podstatně lepši mechanické, tepelné a chemické vlastnosti než dosud známé pórovité keramické materiály podle dosavadního stavu techniky. Keramický porézní materiál vytvořený postupem podle vynálezu má otevřenou buněčnou strukturu a velký počet vzájemně propojených dutin, obklopených noanou strukturou z keramického materiálu, která je pevně slinutá a neobsahuje žádné potenciálně nevhodné pojivové materiály nebo sklovité nebo hlinité složky. Keramická hmota ve formě pórézniho materiálu s otevřenou buněčnou strukturou je pevně slinutým produktem, který Je vhodný zejména pro použiti při vysokých teplotách, například při filtraci taveniny železa, oceli nabo slitin železa*

Nosná struktura keramického filtru připraveného postupem podle uvedeného vynálezu vykazuje zlepšené fyzikální vlastnosti, zejména mechanické, tepelné a chemické vlastnosti. Určitý podíl organických přísad je odstraněn z materiálu v průběhu vypalovacího procesu. Malá množstvi přísad, které mohou být v případě potřeby použity, nezhoršuje vlastnosti konečného produktu, zejména se jedná o množství menší než asi 1 až 3 % hmot. pomocných alinovacich prostředků, například oxidu hořečnatého, popřípadě anorganických Theologických pomocných prostředků, například Jílu, montmorilonitu, bentonitu, kaolinu nebo anorganických Theologických pomocných prostředků.

V následujících příkladech praktického provedeni bude v detailech ilustrován postup podle uvedeného vynálezu a získaný produkt a také možnosti Jeho aplikace a výhody oproti keramickým filtrům připravovaným podle dosavadního stavu techniky.

Přiklad 1

Při prováděni postupu podlá tohoto přikladu byla připravena keramická liči suspenze, která měla nejprve galový charakter a obsahovala : 1 853 g bůhmltu, 47S g koncentrované kyseliny dusičné a 9 060 gramů vody. Dva dily tohoto gelovatého materiálu byly potom přidány k jednomu dilu práškové smšai tvořené : 74 kilogramy oxidu hlinitého a 79 gramy oxidu hořečnatého. K této směsi bylo přidáno dalších 300 mililitrů vody a všechny tyto složky byly potom smíchány ve vysokootáčkovém mÍ3iči.

Tato thixotropní keramická licí suspenze byla použita pro impregnaci bloku pružné polyuretanové pěnové hmoty 8 otevřenou buněčnou strukturou s 8 póry na délkový centi5 »

metr přičemž skutečná hustota se rovnala přibližní 10 % teoretické hustoty, takže byl základní vláknitý pěnový systém pokryt suspenzi a navíc byly vyplněny také dutinky tohoto pěnového materiálu. Impregnace ae provedla ponořením pěnové hmoty do suspenze a použitím dvojic vzájemně nastavených válců byla pěnová hmota stlačena a část licí suspenze byla vytlačena, přičemž vláknitý pěnový materiál zúatal suspenzí pokryt. Část pórů zůstala vyplněna, přičemž tyto póry byly rovnoměrně rozděleny po celém objemu pěnové hmoty. Tim se zvětšila klikatost průtokových caet v porézní hmotě.

Výsledná impregnovaná porézní hmota se vysušila a zahřála, čímž byly odstraněny a vypáleny organické eložky a vytvořila se pevná slinutá vazba mezi keramickými částicemi. Vypalováni bylo prováděno při teplotě přibližně 1 648 °C po dobu 1 hodiny. Výsledným produktem byl pórovitý slinutý keramický materiál s raikroporézni strukturou, která v podstatě neobsahovala organické složky, přičemž tento produkt byl charakteristický vynikajícími mechanickými, tepelnými a chemickými vlastnostmi. Lineární smrštěni při vypalováni činilo 15 %, což znamená, že výsledná keramické pórézni hmota měla 9 pórů na délkový centimetr a hustota po vypalování odpovídala 15 % teoretické hustoty.

Přiklad 2

Podle tohoto provedeni byla keramická porézní hmota, vyrobená podle příkladu 1 o velikosti 5 x 5 x 2,5 centimetru po avém vypáleni použita k filtraci taveniny nerezová oceli, používané pro výrobu předmětu o vysoké kvalitě přeeným odléváním. Keramický filtr byl umístěn přímo do licího otvoru a tavenina byla nalévána zespodu. Výsledné odlitky neobsahovaly žádné vady a defekty, způsobené vměsky.

Přiklad 3

Podle tohoto přikladu byla keramická pórézni hmota, vyrobená postupem podle příkladu 1, s rozměry po vypáleni 10 x 10 x 2,5 centimetru, použita pro filtraci taveniny nerezové oceli pro ventilátorové skříně, přičemž k tomuto účelu bylo použito zařízeni pro liti shora. Bylo dosaženo vysoké kvality odlitků. V tomto případě nebylo třeba provádět opravy navařovánim, které Je u jiných druhů odlitků zpravidla nutné, aby se odstranily závady způsobené vměsky.

Příklad 4

Podle tohoto přikladu byla keramická pěnová hmota, vyrobená postupem podle přikladu 1, a rozměry po vypáleni' 10 x 10 x 2,5 centimetru, použita Jako filtr pro testovací vysokoteplotní liti slitin niklu, hliníku a bronzu. Odlitky měly vysokou kvalitu. U tohoto licího procesu je u dosud známých postupů nutno několik hodin provádět opravy navařovánim, zatímco podle tohoto přikladu bylo dosaženo podstatného omezeni rozsahu potřebných oprav.

Přiklad 5

Podle tohoto provedeni byla thixotropni suspenze připravená poetupem podle přikladu 1 použita pro impregnaci bloku měkké polyuretanové pěny s otevřenou buněčnou strukturou, která měla 4 póry na délkový centimetr, stejně Jako v přikladu 1. Výsledná impregnovaná pěnová hmota byla vysušena mikrovlnovým sušením a potom byla vypálena při teplotě 1 648 °C, Čímž se vytvořil pevný slinutý keramický pórézni materiál, který v podstatě neobsahoval žádné organické složky. Tento produkt byl charakteristický vynikajícími mechanickými, tepelnými a chemickými vlastnostmi. Vypálená keramické pórézni hmota a rozměry 10 χ 10 x 2,5 centimetru s počtem pórů na délkový centimetr 4,7 byla použita pro filtraci taveniny nizkolegované oceli. Defekty pocházející ze vměšků se neobjevily.

Z těchto příkladů je patrno, že postupem podle vynálezu je možno vyrobit keramickou pórézni hmotu s lepšími mechanickými vlastnostmi a 8 lepši chemickou odolnosti, než postupy podle dosavadního stavu techniky.

Claims (5)

1» Způsob přípravy keramického filtru a otevřenou pórovitou strukturou a s pevnou, zesintrovanou keramickou vazbou, který Je určen pro filtraci roztavených kovů, vyznačující se tim, že se organický polymerní pěnový materiál. Jako je například polyurethanový pěnový materiál, impregnuje vodnou suspenzi thixotropni keramické směsi na bázi oxidu hlinitého, která obsahuje zgelovatělé pojivo na bázi hydrátu oxidu hlinitého v množství v rozmez! od 3 do 15 % hmot·, přičemž následuje sušeni a zahříváni tohoto impregnovaného polymerního pěnového materiálu při teplotě v rozmezí od 100 do 700 °C k odstraněni organické složky z tohoto materiálu a vypálení tohoto materiálu při teplotě přinejmenším 1 093 °C za vzniku materiálu s pevnou, zesintrovanou keramickou vazbou,

2. Způsob podle bodu 1, vyznačující ee tim, že hydrátem oxidu hlinitého Je b&hmit.

3. Způsob podle bodů 1 a 2,' vyznačující se tím, že zgelovatělé pojivo na bázi oxidu hlinitého obsahuje kyselinu dusičnou, která vytéká během vypalování materiálu,

4. Způsob podle bodů 1 až 3, vyznačující se tim, že vypalování se provádí po dobu 15 minut až 10 hodin,

5. Způsob podle bodů 1 až 4, vyznačujíc! se tim, že vypalováni se provádi přinejmenším při teplotě 1 370 °C,