專利名稱：鑄造用莫來石泡沫陶瓷過濾器及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種鑄造用莫來石泡沫陶瓷過濾器及其制備方法，屬于多孔陶瓷領域。
背景技術：
泡沫陶瓷屬于多孔陶瓷的一個重要分支。ktiwartzwalder(US Patent No. 3090094)在1963年發(fā)明了用于制備泡沫陶瓷的有機泡沫浸漬工藝，由此開辟了泡沫陶瓷在現(xiàn)代工業(yè)中大規(guī)模研究和應用的新局面。1978年，美國研究人員利用該工藝，以氧化鋁、高嶺土等為原料，率先研制成功適用于鋁合金鑄造用的多孔陶瓷，它可以顯著提高鑄件的質量，降低廢品率。之后，很多國家開始開展泡沫陶瓷的研究，先后開發(fā)出多種材質和氣孔結構、各種系列孔徑分布、適合不同用途的泡沫陶瓷材料，技術裝備和生產(chǎn)工藝日益先進，產(chǎn)品已形成系列化和標準化，泡沫陶瓷最終發(fā)展成為一個新興產(chǎn)業(yè)。除了具備陶瓷材料的耐高溫、耐腐蝕、低熱膨脹系數(shù)等性能外，泡沫陶瓷還具有多孔材料的低密度、高比表面、高滲透率等優(yōu)點，因此，泡沫陶瓷在氣體與液體過濾、凈化分離、化工催化載體、吸聲減震、高級保溫材料、生物植入材料、特種墻體材料和傳感器材料等多方面得到廣泛的應用。泡沫陶瓷的氣孔形狀與采用的成型方法密切相關。造孔劑法得到的多孔陶瓷的氣孔形狀與造孔劑的形貌比較接近，中國發(fā)明專利200510029152以石墨作為造孔劑制備了莫來石結合碳化硅多孔陶瓷，所得多孔陶瓷的抗彎強度達到20MPa以上，開口孔隙率為 20 70%。發(fā)泡法制備的多孔陶瓷的氣孔形狀無規(guī)則且氣孔呈無序的隨機分布特征，中國發(fā)明專利200510035623采用電動網(wǎng)狀機械發(fā)泡機和空氣壓縮發(fā)泡器將陶瓷泥漿發(fā)泡后制成泡沫材料。中國發(fā)明專利200710186440以珍珠巖和蛭石作為發(fā)泡材料，粉煤灰、瓷土、長石和鋰云母作為主要原料制備了輕質泡沫陶瓷建筑板材。模板復制工藝會得到與模板結構相同的多孔結構，聚氨酯海綿浸漬法是制備泡沫陶瓷常用的模板復制工藝，首先使海綿浸漬于陶瓷漿料中充分吸漿，然后通過擠壓和離心作用使海綿孔隙中的多余漿料去除，保證陶瓷漿料僅掛附在海綿孔筋上，然后干燥、高溫燒結，從而使海綿燒除、陶瓷粉燒結，得到與海綿結構一致的泡沫陶瓷。晉城市富基新材料有限公司采用此工藝先后開發(fā)了氧化鋁、碳化硅、氧化鋯和氧化鎂質的泡沫陶瓷過濾器(中國發(fā)明專利ZL200710139289、 ZL200710139286、ZL200710139288 和 ZL200710139287)。根據(jù)材質的不同，泡沫陶瓷分為氧化鋁質、莫來石質、氧化鋯質、氧化鎂質等。 目前，在國內外泡沫陶瓷的研究和生產(chǎn)中，還很少涉及莫來石質的泡沫陶瓷。莫來石 (3A1A · 2Si02)是Al2O3-SiO2體系在常壓下唯一穩(wěn)定存在的晶態(tài)化合物，且組成存在一定的固溶范圍(氧化鋁摩爾含量為58. 5 62. 6% )。莫來石具有耐高溫蠕變性能好、高溫強度高、耐化學腐蝕等優(yōu)異性能，因此它是優(yōu)良的泡沫陶瓷候選材質。在生產(chǎn)莫來石泡沫陶瓷過濾器時可選用鋁含量為40 80%的鋁礬土作為原料，這類天然鋁礬土的價格大大低于工業(yè)的氧化鋁、碳化硅等原料。此外，莫來石泡沫陶瓷的燒結溫度也低于氧化鋁泡沫陶瓷，這將大大降低產(chǎn)品燒結過程中的能量消耗。因此，以天然鋁礬土為原料制備莫來石泡沫陶瓷過濾器將會收到顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種鑄造用莫來石泡沫陶瓷過濾器，它對金屬熔液中的夾雜物具有良好的過濾、吸附作用，可廣泛用于鋁、鋁合金、銅、鐵等熔融溫度低于1550°C的金屬鑄造時的過濾凈化以及整流，從而大大提高鑄件質量和成品率。本發(fā)明的另一個目的是提供上述鑄造用莫來石泡沫陶瓷過濾器的制備方法，采用低成本的天然鋁礬土作為主要原料，通過控制成型工藝和燒結制度，得到抗熱沖擊和耐熔融金屬侵蝕性能優(yōu)異的莫來石泡沫陶瓷過濾器。本發(fā)明的鑄造用莫來石泡沫陶瓷過濾器以莫來石作為主要物相，莫來石相含量應不少于50wt%，該泡沫陶瓷過濾器的化學組成中含有40 80襯％的Al2O3UO 50襯％的 SiO2和1 10wt%的堿土金屬氧化物，且具有相互連通的網(wǎng)眼多孔結構。由于所選用天然鋁礬土原料的化學組成不同、添加輔料的種類和添加量的不同以及燒結溫度的變化，該泡沫陶瓷中還含有少量的剛玉、石英、方石英和玻璃相等。由于在制備工藝中采用聚氨酯海綿泡沫作為模板，因此，該泡沫陶瓷具有與海綿類似的多孔結構。本發(fā)明的鑄造用莫來石泡沫陶瓷過濾器的制備工藝路線如附圖1所示，具體包括以下步驟(1)將天然鋁礬土破碎后研磨成粒度小于200目的細粉；(2)選取二氧化硅、氧化鋁、高嶺土、膨潤土、滑石粉中的一種或幾種組合物作為輔料，淀粉、糊精、水溶性樹脂、硅溶膠、聚乙烯醇中的一種或幾種組合物作為粘結劑，聚乙二醇、聚丙烯酸鈉、聚丙烯酸銨中的一種或幾種組合物作為分散劑；(3)將步驟⑴和⑵中的原料以一定的比例放入攪拌器內，并加水攪拌混合均勻，制成陶瓷漿料；(4)將準備好的聚氨酯海綿預制體浸入陶瓷漿料中，充分吸入陶瓷漿料；(5)將充分浸漬陶瓷漿料的海綿通過擠壓或離心工藝除去孔隙內的多余漿料，得到泡沫陶瓷濕坯；(6)將泡沫陶瓷濕坯置于常溫至200°C環(huán)境中干燥；(7)將干燥后的泡沫陶瓷素坯放入燒結爐內，于1200 1600°C燒結，得到莫來石泡沫陶瓷過濾器。制備本發(fā)明的莫來石泡沫陶瓷過濾器時，以天然鋁礬土作為主要原料，所采用的鋁礬土含氧化鋁為40 80wt%、二氧化硅含量為10 50wt% (完全煅燒后的熟料中對應的含量)，該類型鋁礬土在自然界中分布廣泛，工業(yè)上主要用于生產(chǎn)氧化鋁、耐火材料、建材水泥等。本發(fā)明所用的鋁礬土可以是未煅燒、完全煅燒或部分煅燒的粉體，煅燒的目的是除去鋁礬土中的游離水和化學水，從而有利于鋁礬土塊的破碎和減少素坯燒成過程中的揮發(fā)物對坯體的破壞，同時，鋁礬土的煅燒處理對陶瓷漿料的粘度和固含量有明顯的影響。鋁礬土的破碎可以通過顎式破碎機或對輥破碎機完成，然后經(jīng)過球磨機磨成粒度小于200目的細粉。為了調整莫來石泡沫陶瓷過濾器的化學組成和性能，可以選擇性的加入輔料，如二氧化硅、氧化鋁、高嶺土、膨潤土、滑石粉等中一種或幾種組合物，輔料的加入量應小于鋁礬土重量的50%。以硅灰、石英石粉或白碳黑作為二氧化硅的來源，添加二氧化硅的目的是提供生成莫來石(3Al203 *2Si02)所需的部分二氧化硅源；添加的氧化鋁可以是工業(yè)氧化鋁細粉或剛玉砂，氧化鋁的添加除了提供生成莫來石所需的部分氧化鋁源外，還可以提高泡沫陶瓷過濾器中剛玉相的含量，從而提高過濾器的抗高溫蠕變性能；高嶺土、膨潤土、滑石粉的添加可以降低泡沫陶瓷過濾器的燒結溫度，提高莫來石的轉化率。為了提高陶瓷漿料在海綿基體上的黏附力、保證泡沫陶瓷素坯燒結處理前的強度，還需要在陶瓷漿料中加入粘結劑，如淀粉、糊精、水溶性樹脂、硅溶膠、聚乙烯醇等，粘結劑的加入量應小于鋁礬土重量的10%。所選用的硅溶膠為SiO2含量20 40wt%的工業(yè)硅溶膠，而在添加淀粉、糊精、水溶性樹脂或聚乙烯醇時，應保證它們完全溶解在陶瓷漿料中。為了增加陶瓷漿料的固含量、提高單位質量海綿上所掛附的陶瓷粉料重量，還需要在陶瓷漿料中加入分散劑，如聚乙二醇、聚丙烯酸鈉、聚丙烯酸銨等，分散劑的加入量應小于鋁礬土重量的2%。分散劑在陶瓷漿料中通過靜電排斥、空間位阻或靜電位阻的作用機制使陶瓷粉料顆粒在漿料中均勻分散，減少陶瓷顆粒的團聚和沉降，從而提高陶瓷漿料的固含量和懸浮穩(wěn)定性。本發(fā)明中，所配制的陶瓷漿料的固含量(固體粉料重量占全部漿料重量的百分比)為40 88wt %。在此固含量范圍內的陶瓷漿料可以保持較好的穩(wěn)定性和對海綿進行良好的掛漿處理。在配制陶瓷漿料時，可以選用球磨或機械攪拌的方法來實現(xiàn)鋁礬土、輔料、 粘結劑、分散劑在水中的均勻分散，配制粘度和固含量適宜、懸浮穩(wěn)定性好的陶瓷漿料對莫來石泡沫陶瓷過濾器的制備和性能至關重要。圖2為不同陶瓷漿料的固含量對莫來石泡沫陶瓷的耐壓強度的影響，可以看出隨著漿料固含量的增加，泡沫陶瓷的耐壓強度明顯升高。使用本發(fā)明方法制備莫來石泡沫陶瓷過濾器時，需要使用一種網(wǎng)狀多孔結構結構的聚氨酯海綿作為模板，它是一種軟質泡沫材料，具有很強的吸水性，因此，可以利用它的這些特性來吸收陶瓷漿料，使陶瓷粉附著在海綿孔筋上，在陶瓷粉燒結后，陶瓷體就復制了海綿的結構，得到莫來石泡沫陶瓷。本發(fā)明使用的聚氨酯海綿，開口孔隙率不低于70%，孔徑為5 60PPI。由于在海綿生產(chǎn)和運輸儲存過程中，海綿表面易吸附一層有機物或灰塵， 這會影響海綿對陶瓷漿料的吸附效果，因此，使用前需要將海綿在酸液(鹽酸、硫酸、硝酸等)或堿液(氫氧化鈉溶液、氫氧化鉀溶液、氨水等)中浸泡，然后經(jīng)過清水漂洗，去除表面黏附物，干燥后將海綿剪成所需的形狀，進行陶瓷漿料的浸漬。充分浸漬陶瓷漿料后的海綿通過對輥擠壓或離心處理，海綿孔隙中的多余漿料被排除，得到泡沫陶瓷濕坯，為了提高孔筋的掛漿厚度，可以進行多次的浸漬一對輥擠壓/離心處理操作。泡沫陶瓷濕坯的干燥溫度為常溫至200°C，可以選用烘箱、電窯或微波干燥設備進行。而干燥后泡沫陶瓷素坯在箱式爐、隧道窯或梭式窯中，于1200 1600°C燒結，得到莫來石泡沫陶瓷過濾器。在燒結溫度應保溫0.5 16h，且在燒結過程中，600°C之前的升溫速率小于 120 0C /h。本發(fā)明制備的莫來石泡沫陶瓷過濾器，開口孔隙率為70 90%，體密度為0. 4 0.8g/cm3，抗壓強度為0. 5 5.0MPa，抗熱沖擊(1100°C，風冷)達6次以上。如圖3所示，該泡沫陶瓷過濾器具有相互貫通的網(wǎng)眼多孔結構，從而保證的金屬熔液的過濾通量和過濾效果。該莫來石泡沫陶瓷過濾器對金屬熔液中的難熔物夾雜具有很好的過濾和吸附作用，對金屬液的凈化效果明顯，尤其適用于鋁、鋁合金和銅等的鑄造。由于本發(fā)明采用天然鋁礬土作為主要原料，這大大降低了原料成本和燒成能耗，因此，它也為鑄造工業(yè)提供了一種低成本、高性能泡沫陶瓷過濾器產(chǎn)品的生產(chǎn)方法。


圖1莫來石泡沫陶瓷過濾器的制備工藝流程。圖2陶瓷漿料固含量對莫來石泡沫陶瓷耐壓強度的影響，橫坐標為陶瓷漿料固含量，縱坐標為莫來石泡沫陶瓷耐壓強度(MPa)。圖3莫來石泡沫陶瓷過濾器的結構形貌。
具體實施例方式下面通過具體實施對本發(fā)明做進一步地說明，但本發(fā)明絕非局限于實施例。實施例1取含40wt% Al203、50wt% SiO2的鋁礬土 10Kg，經(jīng)過顎式破碎機和對輥破碎機破碎后，放入球磨機內研磨成粒度小于200目的鋁礬土細粉，再加入4. 9Kg氧化鋁粉、0. 9Kg糊精、0. IKg聚乙二醇，將粉料放入攪拌器內，加入20. 5Kg水，攪拌均勻，得到陶瓷漿料。將20PPI的海綿放入5%的稀鹽酸溶液中浸泡30min，用清水洗滌后干燥，剪切成 75X7h22mm的方片。將海綿片浸漬于上述陶瓷漿料中，使海綿充分吸漿。然后使充分吸附陶瓷漿料的海綿經(jīng)過對輥擠壓機，調整對輥擠壓機的輥子間隙，使海綿中的多余漿料擠出， 得到泡沫陶瓷濕坯。將泡沫陶瓷濕坯放入烘箱中，保持100°C干燥4h，得到泡沫陶瓷素坯。將干燥后的素坯置入箱式爐中，以30°C /h的升溫速率升至600°C，保溫池，然后以180°C /h的速率升至1600°C，保溫4h，隨爐自然冷卻，得到莫來石泡沫陶瓷過濾器。得到的泡沫陶瓷過濾器含 86. 7wt%的莫來石、7. Owt%的方石英，化學組成為 62. 2wt% Α1203、31· 5wt% SiO2,2. 2wt% Ca0、l. 2wt% MgO，泡沫陶瓷的開口孔隙率為86%。實施例2取含80wt % A1203、IOwt % SiO2的鋁礬土 10Kg，經(jīng)過顎式破碎機和對輥破碎機破碎后，于400°C煅燒池，然后放入球磨機內研磨成粒度小于200目的鋁礬土細粉，再加入IKg 二氧化硅粉、0. 5Kg高嶺土、0. 3Kg滑石粉、0. 5Kg固含量為25wt%的硅溶膠、0. 19Kg聚丙烯酸鈉，將上述原料放入球磨機內，加入9. 75Kg水，充分球磨，得到分散均勻的陶瓷漿料。將5PPI的海綿放入10%的氫氧化鈉溶液中浸泡60min，用清水洗滌后干燥，剪切成直徑50mm、厚度20mm的圓片。將海綿圓片浸漬于上述陶瓷漿料中，使海綿充分吸漿。然后使充分吸附陶瓷漿料的海綿經(jīng)過離心甩漿機甩漿，通過調整離心甩漿機的轉速和離心時間，使海綿中的多余漿料擠出，得到泡沫陶瓷濕坯。將泡沫陶瓷濕坯通過微波連續(xù)干燥設備，快速干燥，得到泡沫陶瓷素坯。將干燥后的素坯置入梭式窯中，以10°c /h的升溫速率升至600°C，保溫4h，然后以120°C /h的速率升至1400°C，保溫池，隨爐自然冷卻，得到莫來石泡沫陶瓷過濾器。得到的泡沫陶瓷過濾器含62. lwt%的莫來石相、12.剛玉相，化學組成為59. 5wt% Α1203、18· 3wt% SiO2,
0. 9wt% Ca0、l. 5wt% MgO，泡沫陶瓷的開口孔隙率為83%。實施例3取含Al203、38wt% SiO2的鋁礬土 10Kg，經(jīng)過顎式破碎機和對輥破碎機破碎后，于600°C煅燒4h，然后放入球磨機內研磨成粒度小于200目的鋁礬土細粉，再加入2. OKg 高嶺土、0. 2Kg膨潤土、1. OKg滑石粉、0. 6Kg聚乙烯醇、0. IKg聚丙烯酸銨，將上述原料放入攪拌器內，加入5. 3Kg水，充分攪拌，得到分散均勻的陶瓷漿料。將60PPI的海綿放入15%的氫氧化鉀溶液中浸泡20min，用清水洗滌后干燥，剪切成直徑75mm、厚度22mm的圓片。將海綿圓片浸漬于上述陶瓷漿料中，使海綿充分吸漿。然后使充分吸附陶瓷漿料的海綿經(jīng)過離心甩漿機甩漿，通過調整離心甩漿機的轉速和離心時間，使海綿中的多余漿料擠出，然后在空氣中干燥IOmin后，再進行浸漬漿料、離心甩漿，得到泡沫陶瓷濕坯。將泡沫陶瓷濕坯于空氣中自然干燥48h，得到泡沫陶瓷素坯。將干燥后的素坯置入隧道窯內，使素坯以120°C /h的升溫速率升至600°C，保溫他，然后以240°C /h的速率升至1350°C，保溫lOmin，隨爐自然冷卻，得到莫來石泡沫陶瓷過濾器。得到的泡沫陶瓷過濾器含55. 6wt%的莫來石相、10. Owt %的方石英，化學組成為46. 5wt% Al203、38. 3wt% SiO2, 3. 9wt% Ca0、4. 5wt% MgO，泡沫陶瓷的開口孔隙率為81%。實施例4取含80wt% A1203、12wt% SiO2的鋁礬土 10Kg，經(jīng)過顎式破碎機和對輥破碎機破碎后，于800°C煅燒lh，然后放入球磨機內研磨成粒度小于200目的鋁礬土細粉，再加入0. IKg 膨潤土、0. 64Kg固含量40%的硅溶膠、0. OlKg聚丙烯酸鈉，0. 06Kg聚乙二醇，將上述原料放入攪拌器內，加入1. 9Kg水，充分攪拌，得到分散均勻的陶瓷漿料。將40PPI的海綿放入30%的氨水溶液中浸泡40min，用清水洗滌后干燥，剪切成直徑100mm、厚度30mm的圓片。將海綿圓片浸漬于上述陶瓷漿料中，使海綿充分吸漿。然后使充分吸附陶瓷漿料的海綿經(jīng)過離心甩漿機甩漿，通過調整離心甩漿機的轉速和離心時間， 使海綿中的多余漿料擠出。將泡沫陶瓷濕坯放入烘箱中于200°C干燥30min，得到泡沫陶瓷素坯。將干燥后的素坯置入梭式窯內，以20°C /h的升溫速率升至600°C，然后以120°C /h的速率升至 1550°C，保溫4h，隨爐自然冷卻，得到莫來石泡沫陶瓷過濾器。得到的泡沫陶瓷過濾器含 54. 5wt%的莫來石相、40. Owt %的剛玉相，化學組成為80wt% A1203> 15wt% SiO2U. 2wt% Ca0、l. 8wt% MgO，泡沫陶瓷的開口孔隙率為78%。
權利要求
1.一種鑄造用莫來石泡沫陶瓷過濾器，其特征在于所述鑄造用莫來石泡沫陶瓷過濾器中莫來石相含量不少于50wt%，化學組成中含有40 80襯％的Al2O3UO 50襯％的 SiO2和1 10wt%的堿土金屬氧化物，且具有相互連通的網(wǎng)眼多孔結構。
2.制備由權利要求1所述的鑄造用莫來石泡沫陶瓷過濾器的方法，其特征在于以含 40 80wt% Al2O3的天然鋁礬土作為主要原料，并包括以下步驟(1)將天然鋁礬土破碎后研磨成粒度小于200目的細粉；(2)選取二氧化硅、氧化鋁、高嶺土、膨潤土、滑石粉中的一種或幾種組合物作為輔料， 淀粉、糊精、水溶性樹脂、硅溶膠、聚乙烯醇中的一種或幾種組合物作為粘結劑，聚乙二醇、 聚丙烯酸鈉、聚丙烯酸銨中的一種或幾種組合物作為分散劑；(3)將步驟(1)和O)中的原料以一定的比例放入攪拌器內，并加水攪拌混合均勻，制成陶瓷漿料；(4)將準備好的聚氨酯海綿預制體浸入陶瓷漿料中，充分吸入陶瓷漿料；(5)將充分浸漬陶瓷漿料的海綿通過擠壓或離心工藝去除孔隙內的多余漿料，得到泡沫陶瓷濕坯；(6)將泡沫陶瓷濕坯置于常溫至200°C環(huán)境中干燥；(7)將干燥后的泡沫陶瓷素坯放入燒結爐內，于1200 1600°C燒結，得到莫來石泡沫陶瓷過濾器。
3.如權利要求2所述的鑄造用莫來石泡沫陶瓷過濾器的制備方法，其特征在于采用的鋁礬土可以是未煅燒、完全煅燒或部分煅燒的粉體，且鋁礬土內的氧化鋁含量為40 80wt%、二氧化硅含量為10 50wt% (完全煅燒后的熟料中對應的含量)。
4.如權利要求2所述的鑄造用莫來石泡沫陶瓷過濾器的制備方法，其特征在于輔料的加入量小于鋁礬土重量的50%。
5.如權利要求2所述的鑄造用莫來石泡沫陶瓷過濾器的制備方法，其特征在于粘結劑的加入量小于鋁礬土重量的10%。
6.如權利要求2所述的鑄造用莫來石泡沫陶瓷過濾器的制備方法，其特征在于分散劑的加入量小于鋁礬土重量的2%。
7.如權利要求2所述的鑄造用莫來石泡沫陶瓷過濾器的制備方法，其特征在于所選用陶瓷漿料的固含量為40 88wt%。
8.如權利要求2所述的鑄造用莫來石泡沫陶瓷過濾器的制備方法，其特征在于所述的聚氨酯海綿具有5 60PPI的孔徑，開口孔隙率不低于70 %，且在酸液或堿液中浸泡后經(jīng)過清水漂洗，從而去除表面黏附物。
9.如權利要求2所述的鑄造用莫來石泡沫陶瓷過濾器的制備方法，其特征在于干燥后的泡沫陶瓷素坯選用箱式爐、隧道窯或梭式窯進行燒結，且600°C之前的升溫速率小于 120 0C /h。
全文摘要
本發(fā)明屬于多孔陶瓷領域。提出的鑄造用莫來石泡沫陶瓷過濾器，化學組成中含有40～80wt％的Al2O3，10～50wt％的SiO2和1～10wt％的堿土金屬氧化物，且具有相互連通的網(wǎng)眼多孔結構；所述過濾器的制備，以含40～80wt％Al2O3的天然鋁礬土作為主要原料，并外加二氧化硅、氧化鋁、高嶺土、膨潤土、滑石粉中的一種或幾種組合物作為輔料，再加入粘結劑、分散劑和水，制成陶瓷漿料，將聚氨酯海綿泡沫浸入上述漿料并去除多余漿料后，然后干燥、高溫燒結，得到莫來石泡沫陶瓷過濾器。本發(fā)明具有優(yōu)良的抗熱沖擊和耐熔融金屬侵蝕性能，可廣泛用于鋁、鋁合金、銅、鐵等熔融金屬液的過濾凈化以及整流，從而大大提高鑄件質量和成品率。
文檔編號C04B38/06GK102173856SQ201010596190
公開日2011年9月7日 申請日期2010年12月20日 優(yōu)先權日2010年12月20日
發(fā)明者丁書強, 王冬冬, 王澤華, 王自強 申請人:中鋼集團洛陽耐火材料研究院有限公司