RU2288903C1 - Способ изготовления керамического фильтрующего элемента с волокнистой структурой - Google Patents
Способ изготовления керамического фильтрующего элемента с волокнистой структурой Download PDFInfo
- Publication number
- RU2288903C1 RU2288903C1 RU2005121266/03A RU2005121266A RU2288903C1 RU 2288903 C1 RU2288903 C1 RU 2288903C1 RU 2005121266/03 A RU2005121266/03 A RU 2005121266/03A RU 2005121266 A RU2005121266 A RU 2005121266A RU 2288903 C1 RU2288903 C1 RU 2288903C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ceramic
- fibers
- indicated
- suspension
- manufacture
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Filtering Materials (AREA)
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
Abstract
Изобретение относится к способам изготовления изделий с композитной волокнистой структурой материала, в частности к изготовлению фильтрующего керамического элемента для очистки высокотемпературного газа. Технический результат - повышение проницаемой пористости, производительности и надежности керамического фильтрующего элемента. В способе изготовления керамического фильтрующего элемента с волокнистой структурой, включающем диспергацию керамических волокон до заданного соотношения 
, приготовление суспензии из керамических волокон, полимерного связующего, керамической связки, осаждение, сушку и обжиг, указанную диспергацию проводят в присутствии поверхностно-активного вещества (ПАВ), для приготовления указанной суспензии получают смесь бингамовских жидкостей, содержащую полимерное связующее пленочного типа и керамическую связку, в полученную жидкую смесь вводят указанные волокна, осуществляют гомогенизацию в режиме сдвиговых напряжений, затем осуществляют осаждение полученной суспензии посредством фильтрования под разряжением на пустотелую водопроницаемую оправку, по форме и размерам соответствующую пустотелому внутреннему объему керамического фильтрующего элемента, при заданном угле вектора движения потока суспензии относительно поверхности фильтрации, проводят сушку заготовки от остаточного количества жидкости, обжиг при температуре образования кристаллических фаз заданного химического состава керамической связки, но ниже температуры перекристаллизации материала указанного волокна. В качестве указанных волокон используют технологические отходы при изготовлении базальтовых, или кварцевых, или каолиновых волокон или игольчатые монокристаллы оксида циркония, оксида алюминия или их смеси, в качестве ПАВ - жирные кислоты из ряда: олеиновая, стеариновая, линоленовая, линолевая, пальмитиновая, арахидоновая или их смеси при содержании от 0,5 до 1,5% мас. от веса указанного волокна, в качестве полимерного связующего пленочного типа - поливиниловый спирт или поливинилбутираль в количестве от 1,5% до 6% мас. от веса указанного волокна, в качестве керамической связки - ортофосфорную кислоту, или фосфат алюминия, или фосфат магния, или алюмомагниевый фосфат, или алюмоборный фосфат, или их смеси в количестве от 3 до 8% мас. от веса указанного волокна, указанные бингамовские жидкости имеют динамическую вязкость 35-50 Па·с. Указанное осаждение осуществляют при угле вектора движения потока полученной суспензии относительно поверхности фильтрации, изменяющемся от 0 до 90°С, а сушку заготовки от остаточного количества жидкости осуществляют на указанной оправке продувкой воздухом с температурой 60-100°С. 7 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.
Description
Изобретение относится к способам изготовления изделий с композитной волокнистой структурой материала, в частности к изготовлению керамического фильтрующего элемента для очистки высокотемпературного газа.
В современных системах, предназначенных для выработки электроэнергии, основанных на применении комбинированного цикла производства электроэнергии из предварительно газифицированного угля, требуется применение оборудования для фильтрации высокотемпературного газа (800-900°С), подаваемого к входному патрубку турбин, и к очищенному воздуху. Для реализации очистки газа, содержащего пылевидные компоненты, а также газообразные продукты сгорания в виде водяного пара, серы, окислов азота и сернистых соединений, находят применение керамические фильтрующие элементы в форме трубы с закрытым концом (аналог пробирки) (DE 3623147 А1, 21.01.88; DE 4008742 C2, 26.09.91; DE 4338716 C1, 18.05.95; GB 2200857 A, 18.08.88).
В этих фильтрах газ, подлежащий очистке, поступает на наружную сторону фильтрующего элемента, а поток очищенного газа проходит внутрь фильтрующего элемента. Пылеобразные отложения на фильтрующей поверхности фильтра удаляют периодически путем регенерации обратными импульсами газа высокого давления. Поскольку газ обратного импульса имеет температуру ниже температуры очищаемого газа, в процессе регенерации материал керамического фильтра подвергается воздействию тепловых нагрузок в нестандартном режиме, что приводит к накоплению дефектов, приводящих к хрупкому разрушению фильтрующего элемента.
Для увеличения стойкости к тепловым ударам фильтрующие элементы формируют из композитных материалов, в керамическую матрицу которых введены волокна, препятствующие развитию вершины трещины, что приводит к увеличению энергии разрушения и повышению термостойкости материала.
В мировой практике существуют два способа получения изделий из композитных материалов.
Первый основан на получении волокнистого осадка войлочного типа путем осаждения разбавленных суспензий керамических волокон на проницаемые оправки, используя способы производства нетканых материалов или войлока, пропитку волокнистого осадка компонентами матрицы с использованием химических соединений из парогазовой фазы, связующие в виде золей диоксида циркония, или оксида алюминия, или диоксида кремния, которые формируют керамическую матрицу, сушку и обжиг при температурах 1000-1300°С (RU 2031891, 27.03.1995; RU 2079349, 20.05.1997; RU 2163833, 23.01.1997; US 5075160).
Недостатком известного способа является неконтролируемая величина пор, возможное образование тупиковых и закрытых пор, которые при значительной общей пористости (до 70%) не участвуют в процессе фильтрации, что снижает производительность фильтрующего элемента и фильтрующей установки в целом.
Второй способ отличается тем, что на грубопористую подложку осаждают суспензию, содержащую неорганические волокна и неорганические соединения, образующие после термообработки керамическую связку, фиксирующую волокна между собой, перед сушкой смесь уплотняют посредством фильтрования под разряжением (RU 038339 С 1, 27.06.1995); FR 2553758, 1983, RU 2170610, 20.07.2001).
Недостатком известного способа является относительно высокая плотность (60-70%), что не позволяет использовать фильтрующие элементы в установках с большим объемом очищаемых газов вследствие малого объема проницаемых пор и низкой производительности.
Наиболее близким аналогом - прототипом - по функциональному назначению и решаемым задачам является способ изготовления фильтровального материала для тонкой очистки воздуха на основе стекловолокна или базальтового волокна (RU 2075329, 20.03.97).
Способ изготовления волокнистого материала включает роспуск волокон в воде в присутствии поливинилового спирта при помощи быстроходной мешалки до получения однородной консистенции волокнистой суспензии, разбавление ее водой до концентрации волокна 0,1% и введение расчетного количества полигидроксокомплекса алюминия, осажденного из сульфата алюминия. После установления с помощью NaOH pH, равного 4, волокнистую суспензию перемешивают 10 мин. Отливку слоев производят на листоотливном аппарате ЛА-М69, во влажном состоянии их соединяют в лист простым наложением друг на друга. Лист прессуют ручным прессом между двумя сетками и сукнами, затем высушивают на горке при температуре 130°С.
Материал обладает высокой проницаемой пористостью и низким коэффициентом проскока пылевых частиц.
Технология изготовления не позволяет получать изделия сложной формы, а соединение листов путем наложения друг на друга, с последующей подпрессовкой, не исключает границы раздела, которая в процессе эксплуатации при нестационарных тепловых режимах и импульсных методах регенерации фильтрующего элемента приводит к расслоению и потери работоспособности изделия.
Кроме того, работоспособность фильтровального материала ограничена устойчивостью полимерного связующего, который начинает разрушаться при температуре примерно 150°С, а способ формирования структуры не позволяет направленно ориентировать волокна в объеме материала.
Целью предлагаемого технического решения является разработка способа изготовления керамического фильтрующего элемента из материала волокнистой структуры с повышенной проницаемой пористостью, производительностью и надежностью.
Для этого в способе изготовления керамического фильтрующего элемента, включающем диспергацию керамических волокон до заданного соотношения длины к диаметру 
, приготовление суспензии из керамических волокон, полимерного связующего, керамической связки, сушку и обжиг, указанную диспергацию проводят в присутствии поверхностно-активного вещества, для приготовления указанной суспензии получают смесь бингамовских жидкостей, содержащую полимерное связующее пленочного типа и керамическую связку, в полученную жидкую смесь вводят указанные волокна, осуществляют гомогенизацию в режиме сдвиговых напряжений, затем осуществляют осаждение полученной суспензии посредством фильтрования под разряжением на пустотелую водопроницаемую оправку, по форме и размерам соответствующую пустотелому внутреннему объему керамического фильтрующего элемента, при заданном угле вектора движения потока суспензии относительно поверхности фильтрации, проводят сушку заготовки от остаточного количества жидкости, обжиг при температуре образования кристаллических фаз заданного химического состава керамической связки, но ниже температуры перекристаллизации материала указанного волокна.
Сущность заявляемого технического решения состоит в последовательности операций, которые в совокупности с выбранными компонентами позволяют организовать комплексный технологический процесс получения изделий из материала волокнистой структуры, обеспечивающий достижение цели изобретения.
В результате реализации технологического процесса могут быть использованы:
- в качестве указанных волокон используют технологические отходы при изготовлении базальтовых, или кварцевых, или каолиновых волокон или игольчатые монокристаллы оксида циркония, оксида алюминия или их смеси;
- в качестве поверхностно-активных веществ (ПАВ) - жирные кислоты из ряда: олеиновая, стеариновая, линоленовая, линолевая, пальмитиновая, арахидоновая или их смеси при содержании от 0,5 до 1,5% мас. от веса указанного волокна;
- в качестве полимерного связующего пленочного типа поливиниловый спирт или поливинилбутираль в количестве от 1,5% до 6% мас. от веса указанного волокна;
- в качестве керамической связки ортофосфорная кислота, или фосфат алюминия, или фосфат магния, или ортофосфорную кислоту, или фосфат алюминия, или фосфат магния, или алюмомагниевый фосфат, или алюмоборный фосфат, или их смеси в количестве от 3 до 8% мас. от веса указанного волокна;
- указанные бингамовские жидкости с динамической вязкостью 35-50 Па·с (сП).
- гомогенизация в роторных мешалках с числом оборотов от 500 до 2500;
- указанное осаждение осуществляют при угле вектора движения потока суспензии относительно поверхности фильтрации, изменяющемся от 0 до 90°С;
- обезвоживание заготовки от остаточного количества жидкости (сушка) на указанной оправке продувкой воздухом с температурой 60-100°С.
Примеры осуществления способа.
Пример 1.
К 20 г дискретных базальтовых волокон с диаметром 7-14 мкм и длиной 1400-2800 мкм добавляли 5 л дистилированной воды с содержанием 0,1 г олеиновой кислоты и проводили диспергирование в высокоскоростной мешалке. Изготавливали смесь бингамовских жидкостей в количестве 2 л, содержащую 0,3 г поливинилового спирта, 0,6 г ортофосфорной кислоты Н3PO4. Полученную смесь добавляли к волокнистой суспензии и проводили перемешивание в роторной мешалке с постепенным увеличением числа оборотов от 500 до 2500.
Время гомогенного распределения волокон в суспензии составляло 3 мин. Полученную смесь осаждали на перфорированной металлической оправке длиной 500 мм и диаметром 60 мм с подачей струй под углом 45° к поверхности оправки при одновременном вращении оправки вокруг своей оси и разряжении внутри оправки 0,8 Па. Для получения изделий, по толщине сравнимых с прототипом (2,2-2,3 мм) и концентрации волокон в суспензии 0,3% мас. время осаждения составляло 15 мин. После окончания процесса осаждения проводили фильтрацию воздуха при температуре 80°С в течении 20 мин.
После сушки заготовка свободно снималась с оправки, имела удовлетворительную транспортную прочность при перемещении ее на операцию обжига. Обжиг заготовки проводили в воздушной туннельной печи при температуре 1200-1300°С. Экспериментально было установлено, что скорость подъема температуры регламентирована только скоростью изменения температуры по зонам печи.
Пример 2.
Процесс осуществляют аналогично примеру 1, но на 20 г базальтовых волокон используют 0,2 г олеиновой кислоты, 0,75 г поливинилового спирта и 1,05 г ортофосфорной кислоты при концентрации волокон в суспензии 0,3% мас.
Пример 3.
Процесс осуществляют аналогично примеру 1, но на 20 г базальтовых волокон используют 0,3 г олеиновой кислоты, 1,2 г поливинилового спирта, 1,6 г ортофосфорной кислоты при концентрации волокон в суспензии 0,3% мас.
Пример 4.
Процесс осуществляют аналогично примеру 1, но на 20 гр. кварцевых волокон диаметром 2-3 мкм и длиной 400-600 мкм используют 0,1 г стеариновой кислоты 0,3 г поливинилбутираля, 0,6 г алюмоборфосфата А1 ВР04 при концентрации в суспензии кварцевых волокон 0,3% мас.
Пример 5.
Процесс осуществляют аналогично примеру 1, на 20 г кварцевых волокон используют 0,2 г стеариновой кислоты, 0,75 г поливинилбутираля, 1,05 г алюмоборфосфата при концентрации в суспензии кварцевых волокон 0,3% мас.
Пример 6.
Процесс осуществляют аналогично примеру 1, но на 20 г кварцевых волокон используют 0,3 г стеариновой кислоты, 1,2 г поливинилбутираля, 1,6 г алюмоборфосфата при концентрации в суспензии кварцевых волокон 0,3% мас.
Анализ микроструктуры образцов на растровом электронном микроскопе показывает, что предлагаемый способ позволяет получать изделия с высокой структурной однородностью (фиг.1), а в местах контактов волокон (фиг.2) химические соединения керамических связок с материалом волокон, обеспечивающих физико-механические характеристики, представленные в табл.2 (по сравнению с прототипом).
| Образец | Содержание компонентов, формирующих структуру, мас.% | Содержание полимерного связующего3, % от веса волокон | ПАВ4, % от веса волокон | Толщина, мм | σ, МПа | Сократ потоку воздуха мм, вод. столба | |
| Керам. волокно1 | Керам. связка2 | ||||||
| 1 | 97 | 3 (3,09 от веса волокон) | 1,5 | 1 | 2,2 | 2,5 | 1,8 |
| 2 | 94,5 | 5,5 (5,82 от веса волокон) | 3,75 | 1,5 | 2,3 | 2,8 | 2,7 |
| 3 | 92 | 8 (8,70 от веса волокон) | 6 | 0,5 | 2,25 | 3,1 | 3,2 |
| 4 | 97 | 3 (3,09 от веса волокон) | 1,5 | 1 | 2,2 | 2,7 | 2,0 |
| 5 | 94,5 | 5,5 (5,82 от веса волокон) | 3,75 | 1,5 | 2,4 | 3,2 | 2,8 |
| 6 | 92 | 8 (8,70 от веса волокон) | 6 | 0,5 | 2,3 | 3,8 | 3,5 |
| Прототип | 92-99,9 | 0,1-8 | - | - | 2,265-2,32 | 0,212-0,335 | 3,192-4,63 |
| Примечания:1 - в примерах 1 -3 и прототипе базальтовое, в примерах 4-6 кварцевое; 2 - в примерах 1-3 Н3РО4, в примерах 4-6 AlBPO4, в прототипе Al2О3 3 - в примерах 1-3 поливиниловый спирт, в примерах 4-6 поливинилбутираль 4 - в примерах 1-3 олеиновая кислота, в примерах 4-6 стеариновая кислота |
|||||||
Claims (8)
1. Способ изготовления керамического фильтрующего элемента с волокнистой структурой, включающий диспергацию керамических волокон до заданного соотношения 
, приготовление суспензии из керамических волокон, полимерного связующего, керамической связки, осаждение, сушку и обжиг, отличающийся тем, что указанную диспергацию проводят в присутствии поверхностно-активного вещества, для приготовления указанной суспензии получают смесь бингамовских жидкостей, содержащую полимерное связующее пленочного типа и керамическую связку, в полученную жидкую смесь вводят указанные волокна, осуществляют гомогенизацию в режиме сдвиговых напряжений, затем осуществляют осаждение полученной суспензии посредством фильтрования под разряжением на пустотелую водопроницаемую оправку, по форме и размерам соответствующую пустотелому внутреннему объему керамического фильтрующего элемента, при заданном угле вектора движения потока суспензии относительно поверхности фильтрации, проводят сушку заготовки от остаточного количества жидкости, обжиг при температуре образования кристаллических фаз заданного химического состава керамической связки, но ниже температуры перекристаллизации материала указанного волокна.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве указанных волокон используют технологические отходы при изготовлении базальтовых, или кварцевых, или каолиновых волокон или игольчатые монокристаллы оксида циркония, оксида алюминия или их смеси.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве поверхностно-активного вещества используют жирные кислоты из ряда: олеиновая, стеариновая, линоленовая, линолевая, пальмитиновая, арахидоновая или их смеси при содержании от 0,5 до 1,5 мас.% от веса указанного волокна.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве полимерного связующего пленочного типа используют поливиниловый спирт или поливинилбутираль в количестве от 1,5 до 6 мас.% от веса указанного волокна.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве керамической связки используют ортофосфорную кислоту, или фосфат алюминия, или фосфат магния, или алюмомагниевый фосфат, или алюмоборный фосфат, или их смеси в количестве от 3 до 8 мас.% от веса указанного волокна.
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанные бингамовские жидкости имеют динамическую вязкость 35-50 Па·с.
7. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанное осаждение осуществляют при угле вектора движения потока суспензии относительно поверхности фильтрации, изменяющемся от 0 до 90°С.
8. Способ по п.1, отличающийся тем, что сушку заготовки от остаточного количества жидкости осуществляют на указанной оправке продувкой воздухом с температурой 60-100°С.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005121266/03A RU2288903C1 (ru) | 2005-07-08 | 2005-07-08 | Способ изготовления керамического фильтрующего элемента с волокнистой структурой |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005121266/03A RU2288903C1 (ru) | 2005-07-08 | 2005-07-08 | Способ изготовления керамического фильтрующего элемента с волокнистой структурой |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2288903C1 true RU2288903C1 (ru) | 2006-12-10 |
Family
ID=37665572
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2005121266/03A RU2288903C1 (ru) | 2005-07-08 | 2005-07-08 | Способ изготовления керамического фильтрующего элемента с волокнистой структурой |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2288903C1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN100448508C (zh) * | 2007-02-02 | 2009-01-07 | 江苏正大森源集团 | 玄武岩纤维高温复合过滤材料 |
-
2005
- 2005-07-08 RU RU2005121266/03A patent/RU2288903C1/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN100448508C (zh) * | 2007-02-02 | 2009-01-07 | 江苏正大森源集团 | 玄武岩纤维高温复合过滤材料 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Dong et al. | Fabrication and characterization of low cost tubular mineral-based ceramic membranes for micro-filtration from natural zeolite | |
| Saffaj et al. | Elaboration and characterization of microfiltration and ultrafiltration membranes deposited on raw support prepared from natural Moroccan clay: application to filtration of solution containing dyes and salts | |
| Dong et al. | Elaboration and chemical corrosion resistance of tubular macro-porous cordierite ceramic membrane supports | |
| JP5935945B2 (ja) | セラミックフィルタ | |
| CN107663088B (zh) | 一种低温烧结耐酸碱多孔碳化硅陶瓷膜的制备方法 | |
| Obada et al. | Physico-mechanical and gas permeability characteristics of kaolin based ceramic membranes prepared with a new pore-forming agent | |
| Huang et al. | Fabrication of high permeability SiC ceramic membrane with gradient pore structure by one-step freeze-casting process | |
| Goswami et al. | Process intensification through waste fly ash conversion and application as ceramic membranes: A review | |
| Qiao et al. | Al-DTPA microfiber assisted formwork construction technology for high-performance SiC membrane preparation | |
| Cuo et al. | Spherical Al2O3-coated mullite fibrous ceramic membrane and its applications to high-efficiency gas filtration | |
| Xing et al. | Porous SiC-mullite ceramics with high flexural strength and gas permeability prepared from photovoltaic silicon waste | |
| de la Rocha et al. | Preparation of alumina based tubular asymmetric membranes incorporated with coal fly ash by centrifugal casting | |
| Jo et al. | Preparation of ceramic membrane filters, from waste fly ash, suitable for hot gas cleaning | |
| Harabi et al. | Preparation and characterization of tubular membrane supports using centrifugal casting | |
| Choi et al. | Effect of sintering temperature in preparation of granular ceramic filter | |
| Li et al. | Preparation of nasal cavity-like SiC–Si 3 N 4 foams with a hierarchical pore architecture | |
| CN111804159A (zh) | 一种基于流延成型的碳化硅晶须强化碳化硅陶瓷分离膜及其制备方法 | |
| Das et al. | Permeability behavior and wastewater filtration performance of mullite bonded porous SiC ceramic membrane prepared using coal fly ash as sintering additive | |
| Barrouk et al. | Elaboration and characterization of ceramic membranes made from natural and synthetic phosphates and their application in filtration of chemical pretreated textile effluent | |
| Zhu et al. | Mullite fiber porous ceramic with high quality factor for high-temperature PM filtration | |
| Zhou et al. | Novel interface enhancement strategy enables SiC fiber membrane for high-temperature gas/solid filtration | |
| Li et al. | Novel low pressure drop and easy regeneration ceramic whisker membrane for submicron particulate matter filtration | |
| RU2288903C1 (ru) | Способ изготовления керамического фильтрующего элемента с волокнистой структурой | |
| Aissat et al. | Characterization and application of ceramic membranes prepared from Algerian kaolin | |
| JP6349706B2 (ja) | セラミックフィルタの製造方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20110709 |