KR960001693B1 - 세라믹 포옴필터와 이의 제조를 위한 공정 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

[발명의 명칭]

세라믹 포옴필터와 이의 제조를 위한 공정

[발명의 상세한 설명]

본 발명은 용융금속, 특히 철기저합금을 여과하는데 사용되는 개량된 세라믹 포옴필터와 이를 제조하기 위한 공정에 관한 것이다. 본 발명은 철과 철기저합금을 그에 급속히 적응하고 그속에서 반응되지 않으면서 여과하는 것에 관해 특히 개선된 특성을 가지는 세라믹 포옴필터에 관한 것이다.

당해분야에서는, 예를 들어, 미국특허 제3,893,917, 3,947,363, 3,962,081, 4,024,056, 4,024,212, 4,075,303, 4,265,659, 4,342,644 및 4,343,704 호에서 기술된 바와같이 용융금속 특히 올레핀을 여과하는데 다공성 세라믹 포옴재료(porous ceramic foam materials)를 사용하는 것이 알려져 있다. 이러한 필터를 위한 제조재료는 다른 일정한 첨가물을 가지고 결합제를 성숙시키도록 약 2000˚F의 온도로 태운 인산염 결합된 내화재료(phosphate bonded refractory material)을 일차적으로 포함한다. 이들 타입의 내화물이 올레핀공업에 사용하기에는 적당하고, 또 통상 1300˚F에서 주조되는 대부분의 올레핀 합금에 견디지만, 낮은 강도와 불량한 화학저항성과 불량한 고온 안정도 때문에 다른 많은 잠재적 응용에는 적당치 못하다.

자연히, 이전에 알려진 세라믹 포옴재료의 우수한 특성, 즉, 높은 공극성, 낮은 압력강하, 높은 표면적 뒤틀린 유로를 유지하면서도, 강도, 화학적내구성, 내열성에 관한 종래 결점을 극복하는 재료를 개발하는 것이 극히 바람직하다. 부가하여, 비교적 간단하게 제조되고 또 수 많은 응용물 특히 철금속의 여과를 위한 고온응용물에 사용될 수 있는 재료를 개발하는 것이 극히 요구된다.

미국특허 제 4,610,832 호는 겔처리된 알루미나 하이드레이트 바인더(gelled alumina hydrate binder)를 함유하는 틱조트로피 세라믹 화합물(thixothropic ceramic composition)의 수용성 슬러리의 사용에 기초한 철 혹은 강철여과제 같은 고온용도에 특히 유용한 개량된 세라믹 포옴필터와 이의 제조공정을 발표했다. 비록 상기 필터가 상당히 개량된 것으로 나타났지만, 어떤 응용을 위해서는 이 필터의 가동을 보장하기 위해 특별한 유동 및 차단 시스템이 필요하다는 것이 발견되었다.

그러므로, 본 발명의 기본적인 목적은 개량된 세라믹 포옴필터를 구비하고 또 이의 제조를 위한 공정을 구비하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 값싸게 또 쉽게 실시할 수 있고 바람직하고 개량된 특성을 가진 필터가 되는 상기 기술한 바와같이 개량된 세라믹 포옴필터와 공정을 구비하는 것이다.

본 발명에 따르면, 전술한 목적과 장점은 쉽게 얻어진다.

본 발명은 특출한 물리적 성질, 특히 높은 열전도성과 철과 철기저합금에 관해 신속한 프라이밍(priming)에 좋은 특징이 있어 인산염 결합제의 결점, 특히, 용융금속에서 인산염 픽-업(pick-up)이 일어나는 열적/화학적 불안정의 결점을 피하게 하는 개량된 세라믹 포옴필터와 이의 제조를 위한 공정을 구비한다.

본 발명의 개량된 세라믹 포옴필터는 실리콘 카바이드(silicon corbide)와 콜로이드 규산 결합제(colloidal sillca binder)를 함유하는 세라믹 슬러리(ceramic slurry)로부터 제조되고, 상기 콜로이드 규산 결합제는 전술한 세라믹 웨브에 의해 포위된 상호연결된 다수의 공간을 가진 개방 세포구조를 포함한다. 전술한 필터는 적어도 50% 탄화규소와 적어도 3%의 실리카, 선호적으로는 3-15% 실리카의 고형물을 가진다. 다른 세라믹재료, 일를테면 알루미나 같은 것이 쉽게 슬러리에 첨가되어 좋다.

부가하여, 본 발명은 용융금속을 여과하기 위한 세라믹 포옴필터를 제조하는 공정에도 있다 : 이 공정은 그물형상의 유기 폴리머 포옴을 구비하고; 전술한 포옴을 콜로이드 규산 결합제와 함께 탄화규산을 호함하는 틱조트로피 세라믹 조성물(thixotropic ceramic composition)의 수용성 슬러리로 포화시키고, 이때 전술한 조성물은 적어도 50% 탄화규소와 적어도 3% 규소, 선호적으로는 3-15% 규소의 고형요소를 가지며; 전술한 포화된 폴리머 포옴을 건조시키고 가열하여 이로부터 유기물 요소를 제거하고 고온에서 불을 붙여 전술한 세라믹 포옴피터를 제조하도록 함을 포함한다.

본 발명의 공정과 필터는 특히 철과 철기저합금의 여과에 관한 많은 장점을 얻는다. 콜로이드 규산(colloidal sillca)는 철과 철기저합금에 관해 최종 제품에서 젖는 효과(wetting effect)를 가져 용융철 및 철기저합금의 여과에 급속한 프라이밍을 얻을 수 있음을 발견했다. 이는 이 기술분야에서 상당한 장점이다.

더구나, 본 발명은 인산염 결합제의 결합에 특징이 있는 것이 아니다. 인산염 결합제의 사용은 철과 철기저합금의 여과에서 용융금속에 바람직하지 못한 불순물을 부가한다. 먼저, 본 발명의 콜로이드 규산결합제는 철과 철기저합금 용융물에 쉽게 용융되지 않는다. 더구나, 철과 철기저합금 용융물이 인보다 규소에 더 관대하다. 이는 특히, 만일 금속이 공통적으로 사용되는 금속에 소비된 필터를 놓음에 의해 소비된 필터로부터 재생된다면 유리하다. 더구나, 본 발명의 필터는 경제적이고 특출한 물리적성질, 특히 양호한 열충격 저항을 구비하고, 필터의 열에 의한 파괴를 막는 높은 열전도성을 가진다.

본 발명의 현상이 하기에서 나타날 것이다.

본 발명에 따르면, 세라믹 포옴필터가 개방 셀(open cell)의, 신호적으로 소수성의 가요성 포옴재료로부터 제조되고, 이는 전술한 가요성 포옴재료는 전술한 가요성 포옴재료의 웨이브에 의해 싸여진 상호연결된 다수의 공간을 가진다. 사용될 수 있는 대표적인 폴리우레탄 및 셀루로오스 포옴같은 폴리머 포옴을 포함한다. 일반적으로, 연소될 수 있는 유기 플라스틱 포옴은 사용될 수 있다. 이들은 탄력이 있어서 원래의 형상으로 회복될 수 있는 발포물들이다. 포옴(발포물)은 사용된 세라믹재료의 연소온도 아래에서 타거나 휘발되어야 한다.

사용된 수성 세라믹 슬러리는 틱조트로피를 가져야 하고 비교적 높은 유동도(fluidity)를 가져야 하며 바라는 세라믹 재료의 수성현탄액을 포함해야 한다.

선호적으로 탄화규소요소는 -325 메쉬의 입자크기, 즉 45미크론이하의 크기를 가진다; 그러나, 사람들은 -100메쉬, 즉 150미크론이하의 입자크기를 가진 탄화수소를 쉽게 이용할 수 있다. 10미크론이하의 공정 입자같은 미세한 입자크기의 세라믹재료를 사용하는 능력은 특히 비용의 문제에서 크게 유리함을 나타낸다. 조성물의 고형요소는 적어도 50%의 탄화규소 최대 97%의 탄화규소 이어야 한다.

우리는 세라믹재료들을 탄화규소요소와 조합하여 부가적으로 쉽게 사용할 수 있다. 알루미나는 특히, 선호되는 첨가제이고 사용될 때는 -325메쉬의 입자크기, 즉 45미크론 이하의 입자크기로 사용되어야 한다. 당연히, 다른 세라믹재료들도 쉽게 사용될 수 있다. 이를테면, 지르코니아(zirconia), 크롬미아(chromia), 코르디에라이트(cordierite), 물라이트(mullite)등이 사용될 수 있다.

본 발명에 따라 해로운 인산염 결합제의 사용이 필요치 않게 된 것은 본 발명의 장점이다. 이는 철과 철기저합금 용융물에 바라지 않은 인불순물을 첨가하게 되는 필터의 해로운 인산염요소를 제거하는 결과를 가져온다. 본 발명의 결합제는 콜로이드 규산 결합제이고 이는 10-50%의 물을 사용하는 수성분산입자로써 사용된다. 콜로이드 분산을 안정하고, 1미크론 이하의 입자크기를 가진 비정착 현탄액(nonsettling suspension)이다. 콜로이드 규산요소는 결합제를 구비하고, 분산의 콜로이드현상에 기인하여 바람직한 틱조트로피를 부여한다.

자연히, 다른 첨가제들이 부가적인 결합제로 혹은 다른 바람직한 이유로 사용되어도 좋다. 예를 들면, 수용성 폴리사카라이드(polysaccharide), 벤토나이트(bentonite), 카올린(caloin) 등에 대한 Tenneco Chemicals의 상표적인 montmorillonite를 쉽게 사용할 수 있다.

본 발명의 공정에 따르면, 그물형의 유기 폴리머 포옴을 구비하고, 수성 슬러리를 포옴으로 포화시킨다. 용융금속 필터를 위한 세라믹 포옴을 제조하는 상세한 공정은 미국 특허 제 3,962,081호, 제 4,075,303호 및 제 4,024,212 호에 기술되어 있다. 이 문헌은 여기서 참조로 기술된다.

가요성의 포옴재료가 수성 세라믹 슬러리로 포함되어 섬유 같은 웨브가 거기서 피복되게 하고 공간이 이것으로 충전되게 한다. 통상, 포옴을 슬러리속에 포옴이 그의 완전히 슬러리로 포화되도록 하기에 충분할 정도의 짧은 시간동안 단순히 담가두기만 하면된다. 폴리머재료의 공극크기는 편의상 인치당 3개 혹은 조금더 커도 좋다. 큰 공극크기, 즉, 인치당 3-25 구멍의 범위는 총재료통과가 커지는 관점에서 철과 철기저합금 여과에 특히, 유리한 것으로 밝혀졌다. 그러나, 예를 들어 최대 50ppi의 작은 공극 크기도 쉽게 이용할 수 있다.

이후 충만된 포옴은 압축시켜 슬러리의 일부를 몰아내고 한편 섬유-형태의 웨브부분이 그에 피복된 채 남아있게 하며 몸통을 관통하는 다수의 차단된 공극을 갖게 하여 유로의 난잡성을 증가시키는, 즉 모여있기 보다는 세라믹몸체 전체에 걸쳐 균일하게 분산되게 한다. 낮은 등급의 여과로 최대 관류가 바람직한 경우를 위해 극히 작은 공극차단부를 가진 비교적 거친 공극크기가 선호적이다. 예를 들어, 연속작업에서, 미리 고정된 롤러를 통하여 포화충만된 포옴을 통과시켜 포옴으로부터 슬러리를 필요한 만큼 추출시키고 필요한 양만큼 그속에 충만시킨채 남겨둔다. 자연히, 이는 가요성 포옴재료를 바라는 범위로 단순히 짜줌에 의해 손으로 실시되어도 좋다. 이 단계에서, 포옴은 계속 가요성이고 만일 필요하다면, 적당한 여과작업을 위한 형태로, 즉 만곡된 판, 중공실린더 등으로 형성되어도 좋다. 유기기질이 분해될 때까지 통상적수단에 의해 형성된 포옴을 제위치에 잡도록 하는 것이 필요하다. 포화된 포옴은 적절한 수단에 의해 건조된다. 이를테면, 공기건조, 100˚-700χ의 온도에서 15분-6시간동안의 가속건조 혹은 전자파건조같은 적당한 수단을 사용할 수 있다. 공기건조는 8시간-24시간내에 얻어질 수 있다. 건조후, 이 재료를 2000˚F이상의 고온에서 태워 최대 2500˚F의 적당온도로 세라믹 포옴필터를 형성한다. 태운후, 최종제품은 상기 기술한 바와 같이 차단된 다수의 공극에 특징이 있다. 최대온도에서 혹은 그 가까이에서의 태우는 시간은 적어도 15분과 일반적으로는 적어도 1시간과 일반적으로 10시간 이하이다. 최대온도로 가열하고 그로부터 냉각함을 포함하는 총 연소 시간은, 물론 사용된 로의 형태에 따라 크게 변한다.

최종제품은 상기 기술된 특징과 같고, 상기에서 거론한 바와 같이 상당한 장점을 가진다.

자연히, 부가적인 무기 첨가제가 특히, 선호되는 성질, 이를테면, 소결촉진제(sinteringaids), 입자성장억제제(grain growth inhibitors)혹은 무기성유기촉진제(inorganic rheological aids)같은 성질을 얻기 위해 또한 예를 들어, 일시적 결합제로, 또 유동촉진제를 포함하여 유리하게 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 특별한 현상들이 하기의 자료를 생각함으로부터 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

[실시예Ⅰ]

틱조트로피 세라믹 슬러리가 하기의 공식에 따라 제조 되었다:

78.83Ibs의 탄화규산(약 59.94%)

9.64Ibs의 롤(약 6.23%)

28.91Ibs의 알루미나(약 18.68%)

35.76Ibs의 콜로이드 규산수성 현탁액(약 23.21%)

1.48Ibs의 montmorillonite(약 0.96%)

0.12Ibs의 Aquathix(약 0.08%)

전자의 조성물이 하기에 표시된 바와같이 고형 내용물을 구비했다:

탄화규소-고형물 78.83Ibs-65.65%

알루미나-고형물 28.91Ibs-24.08%

콜로이드-고형물 10.73Ibs-8.94%

montmorillonite-고형물 1.48Ibs-1.23%

Aquathix-고형물 0.12Ibs-0.10%

슬러리에 의한 전술한 틱조트로피는 3에 3인치 정방의 크기를 가진 명목상 인치당 10구멍의 개방셀 가요성 폴리 우레탄 포옴을 포화시켜 섬유-형태의 웨브가 그에 코팅되고 공간이 그에 의해 채워지도록 하는데 사용되었다. 충만상태는 포옴샘플을 슬러리에 담금에 의해 성취되고 미리 고정된 롤러를 사용하여 발표물을 눌러 슬러리의 일부분을 밀어 내면서 동시에 그에 코팅된 섬유-형태의 웨브부분을 남기고 몸체를 통한 다수의 차단된 공극을 가져 구불구불한 유로를 증가시키도록 한다.

최종 충만된 포옴은 건조되고 가열되고 그로부터 유기요소를 제거하고, 약 2100˚F에서 1시간동안 연소시킨다. 최종 세라믹 포옴 샘플은 세라믹 웨브에 의해 싸여진 연결된 다수의 공간을 가지는 개방셀구조에 특징이 있다.

[실시예Ⅱ]

실시예 Ⅰ에 따라 제조된 세라믹 포옴필터가 주조장치의 주행시스템에 샘플을 위치시킴에 의해 닥타일 철(ductile iron)의 여과에 사용되었다. 샘플들은 3인치에 3인치 정사각형이었고, 150Ibs로 여러 가지 시험이 실시되었다. 닥타일 철이 각 경우에 생산되었다. 시험에 사용된 합금의 온도는 2600˚-2700˚F 사이의 범위였다. 모든 시험에서 주조시간은 20초 이하였고 모든 필터는 흐름속도를 감소시킴이 없이 빠르게 가동준비되어 주조가 여과되지 않은 주조에 비했을 때 실질적으로 아무런 가시적인 결함도 없게 될 수 있었다.

본 발명은 그의 기본적 특성 혹은 사상으로부터 벗어남이 없이 다른 형태로 구체화되거나 혹은 다른 방식으로 실시되어도 좋다. 본 실시예는 따라서, 모든 관점에서 설명적인 것이며, 제한적이 아닌 것으로 고려되어야 하고 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 표시되어진 것으로 고려되어야 하며, 본 발명의 등가물의 범위와 의미내에 오는 모든 변화는 이속에 포함되어야 한다.

Claims (11)

1. 용융금속을 여과하는데 사용하기 위해, 탄화수소(silicon carbide)와 콜로이드 규산(colloidal silica)을 함유하는 세라믹 슬러리(ceramic slurry)로부터 제조되고, 전술한 세라믹 웨브(web)에 의해 포위된 다수의 상호 연결된 공간을 가진 개방 셀구조(open cell structure)을 포함하며, 전술한 구조가 적어도 50%의 탄화수소와 적어도 3%의 규산의 고형요소(solids content)을 가짐을 특징으로 하는 세라믹 포옴필터(ceramic foam filter).
2. 제1항에 있어서, 함유된 규산 고형물이 3-15%인 세라믹 포옴필터.
3. 제1항에 있어서, 알루미나를 포함하는 세라믹 포옴필터.
4. 용융금속을 여과하기 위한 세라믹 포옴필터를 제조하기 위한 공정에 있어서; 그물형 유기 폴리머 포옴을 준비하고; 콜로이드 규산결합제(colloidal silica binder)와 함께 탄화규소를 포함하는 틱조트로피 세라믹 조성물(thixotropic ceramic composition)의 수성 슬러리로 전술한 포옴을 포화시키고, 전술한 조성물은 적어도 50% 탄화규소와 적어도 3%의 규산(silica)의 고형요소를 가지며; 전술한 포화된 폴리머 포옴을 건조시키고 가열하여 그의 유기요소를 제거하고; 높은 온도에서 연소시켜 전술한 세라믹 포옴필터를 제조하도록 하는 공정.
5. 제4항에 있어서, 전술한 규산 고형물요소(silica solids content)가 3-15%인 공정.
6. 제4항에 있어서, 전술한 탄화규소가-100메쉬이하의 입자크기를 가지는 공정.
7. 제4항에 있어서, 전술한 세라믹 조성물이 알루미나를 포함하는 공정.
8. 제7항에 있어서, 전술한 알루미나가-325메쉬이하의 입자크기를 가지는 공정.
9. 제4항에 있어서, 전술한 슬러리가 10-50%의 물을 포함하는 공정.
10. 제4항에 있어서, 전술한 가열과정이 1250˚F까지의 온도에서 있는 공정.
11. 제4항에 있어서, 전술한 폴리머 포옴이 적어도 3ppi의 공극크기를 가지는 공정.