專利名稱：低溫?zé)Y(jié)高耐火度網(wǎng)眼碳化硅陶瓷過濾器及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低溫?zé)Y(jié)的具有高耐火度的網(wǎng)眼碳化硅陶瓷的制備，屬于多孔陶瓷領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
網(wǎng)眼多孔陶瓷是一種具有三維網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)的高氣孔率(氣孔率大于70％)多孔陶瓷，且氣孔是相互貫通的。該類多孔陶瓷被廣泛用于流體過濾尤其是熔融金屬過濾、高溫?zé)煔獾奶幚?、催化劑載體、固體熱交換器、多孔燃燒器等。制備網(wǎng)眼陶瓷最常用的方法是有機(jī)泡沫浸漬工藝，是由Schwartzwalde在1963年提出的(US Pat.3 090 094)。近年來得到快速發(fā)展，并廣泛的用于工業(yè)化大生產(chǎn)。
碳化硅網(wǎng)眼陶瓷過濾片不僅具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、耐酸、耐堿的特性而且具有較高的高溫強(qiáng)度和抗沖擊能力，因而可用于多種高溫金屬液高速連續(xù)沖擊，是一種可望在鋼連鑄上獲得廣泛應(yīng)用的過濾器材料。多年來人們開展了對碳化硅網(wǎng)眼陶瓷的廣泛研究，常用的燒結(jié)助劑體系為氧化鋁和二氧化硅，存在燒結(jié)溫度較高，而制備的過濾片使用溫度較低的問題。在CN88 1 01382A，US Pat.4 975 191和US Pat.4 885 263中使用氧化鋁和從硅溶膠中引入的二氧化硅為燒結(jié)助劑，在大于1100℃燒成，而高達(dá)1760℃的燒成溫度最適宜，可用于過濾1420～1480℃的鑄鐵。在CN 00 1 25877 X中也以氧化鋁和從硅溶膠中引入的二氧化硅和少量蘇州土、澎潤土為燒結(jié)助劑，在1450℃燒成。US Pat.5 190 897中以20～50wt％的碳化硅，20～50wt％氧化鋁和1.5～5.0wt％的來源于硅溶膠的二氧化硅、1～3wt％的硅酸鋁纖維一起制得，適宜的燒結(jié)溫度在1200～1300℃燒成，可用于過濾1400℃的灰鐵。鞍鋼鋼鐵研究所研制的碳化硅泡沫陶瓷過濾片直接添加氧化鋁、二氧化硅為燒結(jié)助劑，制成耐火度1600℃的過濾片。南昌航空工業(yè)學(xué)院采用碳化硼為燒結(jié)助劑制備網(wǎng)眼碳化硅，可用于鑄鐵的過濾，但碳化硼為燒結(jié)助劑其燒結(jié)溫度一般要求較高。上海市機(jī)械制造工藝研究鑄造分所采用氮化硅結(jié)合、β-碳化硅結(jié)合和氧化鋁與二氧化硅結(jié)合制備網(wǎng)眼碳化硅，前兩種結(jié)合均需在還原氣氛下制備，不利于工業(yè)化大生產(chǎn)，而氧化鋁與二氧化硅結(jié)合卻需在1500℃左右燒成。由上述專利及文獻(xiàn)可知，目前碳化硅網(wǎng)眼陶瓷的燒結(jié)助劑主要為氧化鋁和二氧化硅，在碳化硅含量較低的情況下可實(shí)現(xiàn)低溫?zé)?，?dāng)碳化硅含量較高時(shí)，燒結(jié)溫度一般在1300～1450℃之間燒成，且可用于過濾的金屬液局限于鐵水。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種新的碳化硅網(wǎng)眼陶瓷燒結(jié)體系，網(wǎng)眼碳化硅中的碳化硅含量大于50wt％，在1200～1400℃之間燒結(jié)燒成，耐火度高達(dá)1580℃以上，且通過調(diào)節(jié)碳化硅的含量和燒結(jié)助劑之間的比例，可使碳化硅的耐火度達(dá)1710℃，基本可用于高溫合金和鋼水的過濾。與其他制備網(wǎng)眼碳化硅的專利和文獻(xiàn)相比，本發(fā)明中所用的助燒體系是含MgO-Al2O3-SiO2，其MgO、Al2O3、SiO2來源于礦物原料滑石粉、蘇州土、氧化鋁和硅溶膠等。此種助燒體系不僅具有成本低的特點(diǎn)，而且通過調(diào)節(jié)滑石粉、蘇州土、氧化鋁三種礦物質(zhì)的比例，可使生成的物相發(fā)生變化，并調(diào)節(jié)生成的物相比例，從而調(diào)節(jié)網(wǎng)眼碳化硅陶瓷的燒結(jié)性能和力學(xué)性能，使其耐火度可在1580℃和1710℃之間調(diào)控，從而使其應(yīng)用范圍從鐵水過渡到鋼水。
本發(fā)明的另一個(gè)顯著特征在于可使其生成的產(chǎn)物含堇青石且含量可以調(diào)控，堇青石是一種熱膨脹系數(shù)非常低的物質(zhì)，可以提高材料的抗熱震性能，從而可以避免過濾片由于瞬間加熱膨脹而引起的開裂和掉渣現(xiàn)象。適當(dāng)降低堇青石含量，可使其耐火度從1580℃提高到1710℃以上。堇青石的含量可調(diào)控正是本發(fā)明的特征之一，可以根據(jù)使用目的的不同控制生成堇青石相的含量。
本發(fā)明還包括了網(wǎng)眼碳化硅陶瓷的制備工藝。本發(fā)明選用一種具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的聚氨酯海綿，將海綿浸入制備好的陶瓷漿料中，經(jīng)過對輥擠壓裝置擠出多余的漿料，對輥間距為海綿厚度的10～20％。涂敷完成后，在空氣中干燥，直接燒成；或先經(jīng)600～900℃之間預(yù)處理，再經(jīng)二次掛漿，在1100～1400℃之間燒成得到網(wǎng)眼碳化硅陶瓷。
陶瓷粉體為碳化硅、氧化鋁、滑石粉、蘇州土及少量膨潤土，各陶瓷粉體的量可以根據(jù)使用目的的不同來選擇。對于制備熔融金屬液過濾器，如果過濾的金屬液溫度較低，可選擇碳化硅含量低，燒結(jié)助劑生成的主晶相為堇青石的原料配比。如果過濾的金屬液溫度較高，可以選擇燒結(jié)助劑生成的主晶相為堇青石和莫來石，或僅為莫來石的原料配比。
本發(fā)明提供的低溫?zé)Y(jié)高耐火度網(wǎng)眼碳化硅陶瓷過濾器所用的陶瓷漿料粉體由至少50wt％的碳化硅粉，0～20wt％的滑石粉、9～25wt％的蘇州土和3～15wt％氧化鋁和3wt％的硅溶膠組成；碳化硅粉體需顆粒級(jí)配，級(jí)配顆粒為D50＝21.09μm和D50＝3.26μm，二者重量比為2-2.5，(D50指50％中間粒度的尺寸)，且粒徑3～40μm范圍，適當(dāng)調(diào)整滑石粉、蘇州土、氧化鋁的重量百分比，使?jié){料中MgO∶Al2O3∶SiO2的重量百分比為13.70∶34.93∶51.37時(shí)，合適的燒成溫度在1200～1300℃。產(chǎn)物主要物相為碳化硅、堇青石和方英石，網(wǎng)眼尺寸在500μm-4mm范圍內(nèi)可控，其耐火度在1580℃左右。適當(dāng)調(diào)整滑石粉、蘇州土、氧化鋁的重量百分比，使?jié){料中MgO∶Al2O3∶SiO2的重量百分比為6.54～7.92∶41.58～54.21∶39.25～50.50時(shí)，生成產(chǎn)物為堇青石和莫來石，合適燒成溫度在1200～1300℃。產(chǎn)物主要物相為碳化硅、堇青石、莫來石和方英石，網(wǎng)眼尺寸在500μm-4mm范圍內(nèi)可控，其耐火度在1610-1630℃左右。當(dāng)不添加滑石粉，僅添加蘇州土與氧化鋁時(shí)，即MgO添加量為零，Al2O3∶SiO2的重量百分比為71.83～75.25∶28.17時(shí)，生成產(chǎn)物為莫來石，合適燒成溫度在1300～1400℃。產(chǎn)物主要物相為碳化硅、莫來石和方英石，網(wǎng)眼尺寸在500μm-4mm范圍內(nèi)可調(diào)，其耐火度在1710-1730℃左右。
漿料由陶瓷粉體、水和無機(jī)溶膠制得。為了得到好的網(wǎng)眼陶瓷或網(wǎng)眼陶瓷素坯，本發(fā)明中漿料的固含量在78～82wt％之間，粘度在2400～3200mPa·s，且漿料具有較好的觸變性；二次涂敷的漿料固含量在60～75wt％之間，粘度在200～1500mPa·s。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于在較低(1200-1400℃)的燒結(jié)溫度下，獲得具有高耐火度(1580-1730℃)的網(wǎng)眼碳化硅過濾器(片)，而且具有燒結(jié)助劑成本低、制備工藝簡單、燒結(jié)設(shè)備成本低的特點(diǎn)。


圖1實(shí)施例1所制備的網(wǎng)眼多孔陶瓷的XRD圖譜圖2實(shí)施例1所制網(wǎng)眼多孔陶瓷的宏觀結(jié)構(gòu)圖3實(shí)施例3所制得的網(wǎng)眼陶瓷的XRD圖譜圖4實(shí)施例4所制得的網(wǎng)眼陶瓷的XRD圖譜具體實(shí)施方式
本發(fā)明的顯著特點(diǎn)可以通過以下的實(shí)例來說明。
實(shí)施例1選用具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和連通氣孔的聚氨酯海綿為骨架，孔尺寸大約為10ppi。海綿經(jīng)酸堿處理后，再用一種無機(jī)溶膠進(jìn)行表面改性處理。陶瓷粉料組份為碳化硅(D50＝21.09μm)49g，碳化硅(D50＝3.26μm)21g，滑石粉7.2g，蘇州土8.7g，氧化鋁11.1g，膨潤土1g，硅溶膠8.9g，去離子水14.2g，4wt％羧甲基纖維素溶液5g，消泡劑(SAG 630)0.5g。漿料通過砂磨機(jī)攪拌3h制得，然后掛漿。制得的網(wǎng)眼陶瓷素坯在空氣中干燥24h，然后在100℃干燥，通過900℃預(yù)燒得到網(wǎng)眼預(yù)制體，然后再以同樣組份的70wt％漿料對預(yù)制體進(jìn)行涂敷，干燥后在1300℃燒成。所得到的網(wǎng)眼多孔體的物相如圖1所示，由圖可知制得的網(wǎng)眼陶瓷主晶相為碳化硅，生成的物相有堇青石、莫來石和少量方石英。宏觀結(jié)構(gòu)如圖2所示，由圖可知網(wǎng)眼多孔體的空結(jié)構(gòu)相互貫通，孔筋結(jié)構(gòu)完整，無微裂紋和三角形孔洞等較大缺陷。獲得的多孔體的體積密度為0.538g/cm3，抗壓強(qiáng)度為1.38MPa，孔徑大小平均值為2.38mm，耐火度為1630℃。
實(shí)施例2選用具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和連通氣孔的聚氨酯海綿為骨架，孔尺寸大約為10ppi。陶瓷粉料組份為碳化硅(D50＝21.09μm)35g，碳化硅(D50＝3.26μm)15g，滑石粉12g，蘇州土18.1g，氧化鋁17g，澎潤土1g，硅溶膠8.9g，去離子水14.2g，4wt％羧甲基纖維素溶液5g，消泡劑(SAG 630)0.5g。漿料通過砂磨機(jī)攪拌3h制得，然后掛漿。制得的網(wǎng)眼陶瓷素坯在空氣中干燥24h，然后在100℃干燥，通過900℃預(yù)燒得到網(wǎng)眼預(yù)制體，然后再以同樣組份的固含量為70wt％的漿料對預(yù)制體進(jìn)行涂敷，干燥后在1300℃燒成。獲得的多孔體的體積密度為0.395g/cm3，抗壓強(qiáng)度為1.24MPa，孔徑大小為2.65mm，耐火度為1610℃。
實(shí)施例3選用具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和連通氣孔的聚氨酯海綿為骨架，孔尺寸大約為25ppi。陶瓷粉料組份為碳化硅(D50＝21.09μm)49g，碳化硅(D50＝3.26μm)21g，滑石粉11.9g，蘇州土7.3g，氧化鋁6.7g，膨潤土1g，硅溶膠8.9g，去離子水14.2g，4wt％羧甲基纖維素溶液5g，消泡劑(SAG 630)0.5g。漿料通過砂磨機(jī)攪拌3h制得，然后掛漿。制得的網(wǎng)眼陶瓷素坯在空氣中干燥24h，然后在100℃干燥，通過900℃預(yù)燒得到網(wǎng)眼預(yù)制體，然后再以同樣組份的固含量為70wt％的漿料對預(yù)制體進(jìn)行涂敷，干燥后在1250℃燒成。所得到的網(wǎng)眼多孔體的物相如圖3所示，由圖可知制得的網(wǎng)眼陶瓷主晶相為碳化硅，生成的物相主要為堇青石和少量方石英、莫來石，同時(shí)還有少量殘余氧化鋁。獲得的多孔體的抗壓強(qiáng)度為2.45MPa，孔徑大小為1.53mm，耐火度為1580℃。
實(shí)施例4
選用具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和連通氣孔的聚氨酯海綿為骨架，孔尺寸大約為10ppi。陶瓷粉料組份為碳化硅(D50＝20.65μm)44.2g，碳化硅(D50＝3.6μm)19.0g，蘇州土1.8g，氧化鋁24.3g，澎潤土0.9g，硅溶膠22.9g，去離子水3.7g，4wt％羧甲基纖維素溶液4.5g，消泡劑(SAG 630)0.5g。漿料通過砂磨機(jī)攪拌3h制得，然后掛漿。制得的網(wǎng)眼陶瓷素坯在空氣中干燥24h，然后在100℃干燥，通過1000℃預(yù)燒，得到網(wǎng)眼預(yù)制體，然后再以同樣組份的固含量為70wt％的漿料對預(yù)制體進(jìn)行涂敷，干燥后在1400℃實(shí)現(xiàn)燒結(jié)。所得到的網(wǎng)眼多孔體的物相如圖4所示，由圖可知制得的網(wǎng)眼陶瓷主晶相為碳化硅，生成的物相主要要為莫來石和少量的方石英，同時(shí)還有少量的未反應(yīng)氧化鋁。獲得的多孔體的體積密度為0.63g/cm3，抗折強(qiáng)度為2.30MPa，孔徑大小為2.71mm，耐火度為1710℃。
權(quán)利要求
1.一種低溫?zé)Y(jié)高耐火度網(wǎng)眼碳化硅過濾器，其特征在于(1)燒結(jié)助劑為MgO-Al2O3-SiO2體系，MgO、Al2O3、SiO2來源于滑石粉、蘇州土、氧化鋁和硅溶膠；(2)陶瓷漿料粉體由至少50wt％的碳化硅粉，0～20wt％的滑石粉、9～25wt％的蘇州土、3～15wt％Al2O3和3wt％的硅溶膠組成；(3)網(wǎng)眼碳化硅網(wǎng)眼尺寸在500μm-4mm范圍，耐火度1580-1730℃；
2.按權(quán)利要求1所述的低溫?zé)Y(jié)高耐火度網(wǎng)眼碳化硅過濾器，其特征在于使?jié){料粉體中MgO∶Al2O3∶SiO2的重量百分比為13.70∶34.93∶51.37時(shí)，產(chǎn)物的物相為碳化硅、堇青石和方英石，耐火度為1580℃。
3.按照權(quán)利要求1所述的低溫?zé)Y(jié)高耐火度網(wǎng)眼碳化硅過濾器的網(wǎng)眼陶瓷，其特征在于使?jié){料中MgO∶Al2O3∶SiO2的重量百分比為6.54～7.92∶41.58～54.21∶39.25～50.50時(shí)，產(chǎn)物物相為碳化硅、堇青石、莫來石和方英石，耐火度1610～1630℃。
4.按照權(quán)利要求1所述的低溫?zé)Y(jié)高耐火度網(wǎng)眼碳化硅過濾器的網(wǎng)眼陶瓷，其特征在于滑石粉添加量為零時(shí)，Al2O3∶SiO2的重量百分比為71.83～75∶25～28.17時(shí)，產(chǎn)物物相為碳化硅、莫來石和方英石，耐火度為1710～1730℃。
5.制備按照權(quán)利要求1所述的低溫?zé)Y(jié)高耐火度網(wǎng)眼碳化硅過濾器的方法，其特征在于所用陶瓷漿料由至少50wt％顆粒級(jí)配的碳化硅和0～20wt％的滑石粉，9～25wt％的蘇州土，3～15wt％氧化鋁和3wt％的硅溶膠。通過兩次掛漿后所制得的網(wǎng)眼素胚在1200～1400℃的溫度下進(jìn)行燒結(jié)，制得高耐火度的網(wǎng)眼碳化硅陶瓷。
6.按權(quán)利要求5所述的低溫?zé)Y(jié)高耐火度網(wǎng)眼碳化硅過濾器的網(wǎng)眼陶瓷的制備方法，其特征在于漿料中碳化硅粉體顆粒級(jí)配為D50＝21.09μm，和D50＝3.26μm，兩者重量比為2-2.5。
7.按權(quán)利要求5和6所述的低溫?zé)Y(jié)高耐火度網(wǎng)眼碳化硅過濾器的網(wǎng)眼陶瓷的制備方法，其特征在于SiC顆粒粒徑為3～40μm。
8.按權(quán)利要求5和6所述的低溫?zé)Y(jié)高耐火度網(wǎng)眼碳化硅過濾器的網(wǎng)眼陶瓷的制備方法，其特征在于第一次掛漿料的固含量為78-82wt％，第二次掛漿固含量為60-75wt％。
全文摘要
本發(fā)明涉及低溫?zé)Y(jié)高耐火度網(wǎng)眼碳化硅陶瓷過濾器及制備方法。其特征在于采用MgO－Al
文檔編號(hào)B01D39/20GK1621125SQ20041006710
公開日2005年6月1日 申請日期2004年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月13日
發(fā)明者姚秀敏, 譚壽洪, 黃政仁, 江東亮 申請人:中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所