本發(fā)明涉及鑄造技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種泡沫陶瓷過(guò)濾器及制備其的組合物和制備方法。
背景技術(shù)：
金屬液的凈化對(duì)提高鑄件的力學(xué)性能起到重要作用，因此，過(guò)濾技術(shù)在金屬液凈化方面尤為重要。目前用于金屬液凈化的過(guò)濾裝置為陶瓷過(guò)濾器，可有效截獲金屬液中的有害雜質(zhì)并使金屬液由紊流變?yōu)閷恿?，起到凈化和均質(zhì)作用。陶瓷過(guò)濾器按照結(jié)構(gòu)可分為泡沫陶瓷過(guò)濾器和直孔陶瓷過(guò)濾器。目前的用于鑄鋼的過(guò)濾器全部是泡沫陶瓷過(guò)濾器，而且用于鑄鋼的泡沫過(guò)濾器的制備幾乎全部依賴于氧化鋯。由于氧化鋯是一種稀有金屬氧化物，雖然過(guò)濾效果好，但高昂的價(jià)格嚴(yán)重限制其在鑄鋼過(guò)濾領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用，只是用于特種鋼或者高附加值的鋼或合金的鑄造。
直孔陶瓷過(guò)濾器是近年來(lái)開(kāi)發(fā)出的新型陶瓷過(guò)濾器，具有外觀規(guī)整度好、冷熱態(tài)強(qiáng)度高、抗熱震性能好、過(guò)濾性能佳、生產(chǎn)成本較低等特點(diǎn)。目前的直孔陶瓷過(guò)濾器主要應(yīng)用于鐵水、鋁合金、銅及其合金等低熔點(diǎn)金屬液的雜質(zhì)過(guò)濾。
申請(qǐng)人早先的一份專利申請(qǐng)公開(kāi)CN103964862A披露一種鑄鋼用包含生物質(zhì)碳的直孔陶瓷過(guò)濾器，制備原料由耐火材料、生物碳、有機(jī)粘合劑和/或無(wú)機(jī)粘合劑組成。該過(guò)濾器的使用性能還需要進(jìn)一步提高。
CN 103803990 A中介紹了一種鑄鋼及高溫合金用直孔過(guò)濾器，包含65～85％的三氧化二鋁，11～33％的二氧化硅，1～3％的氧化鎂和不超過(guò)1.5％的其他堿金屬氧化物，相組成為：莫來(lái)石相40～90％，剛玉相5～55％，石英≤8％，玻璃相≤5％，主要是過(guò)濾鋼水或者高溫合金金屬液。CN 104557061 A中介紹了一種鑄鋼及高溫合金用直孔過(guò)濾器，包含60～80％的三氧化二鋁，10～25％的二氧化硅，5～15％的氧化鋯，和不超過(guò)1％的其他堿金屬氧化物，主要是過(guò)濾鋼水或者高溫合金金屬液。CN 102992781 A中公開(kāi)了一種制備直孔陶瓷過(guò)濾器的材料及方法。制備方法是采用蜂窩陶瓷成型技術(shù)，包括將耐火材料與粘結(jié)劑、保水劑充分混合后加入增塑劑、潤(rùn)滑劑及水捏合、粗練、陳腐、精練、成型、定型、干燥、切割、吹灰、燒成工藝制得直孔陶瓷過(guò)濾器。采用這些材料獲得的過(guò)濾器具有較高的體積密度，通常在2.0g/cm3以上才能保證高溫狀態(tài)下的穩(wěn)定不破損，由于其體積密度較大，其熱容量也很大，在澆鑄初期，金屬液非常容易堵塞導(dǎo)致過(guò)濾失??；采用該材料體系時(shí)的燒結(jié)溫度至少大于1400℃，能耗較高。另外，燒結(jié)溫度高導(dǎo)致制品燒結(jié)收縮大，產(chǎn)品在燒結(jié)時(shí)容易產(chǎn)生裂紋，成品率低。
因此，現(xiàn)有技術(shù)需要一種具有較低體積密度、較小的孔隙率，較低燒結(jié)溫度、可以過(guò)濾高溫金屬液的直孔陶瓷過(guò)濾器。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種適于過(guò)濾高熔點(diǎn)金屬液的直孔陶瓷過(guò)濾器，這種過(guò)濾器具有更小的體積密度，更低的燒結(jié)溫度，更高的成品率，更高的澆鑄溫度和更高的過(guò)濾量。
根據(jù)本發(fā)明的過(guò)濾器，以質(zhì)量計(jì)主要包含以下成分：
SiC 50-98％
Al2O3 1-23％
SiO2 1-28％。
在一種優(yōu)選實(shí)施方式中，其耐火材料按重量百分含量計(jì)主要由55～98％的碳化硅、1～23％的含氧化鋁材料和1～22％的二氧化硅組成。
在一種具體實(shí)施方式中，其耐火材料按重量百分含量計(jì)由60～80％碳化硅，10～20％的含氧化鋁材料和10～20％的二氧化硅組成。
進(jìn)一步地，上述含氧化鋁材料包括氧化鋁粉、礬土、焦寶石、莫來(lái)石、紅柱石、藍(lán)晶石、硅線石中的一種或多種。進(jìn)一步地，上述耐火材料中含有不超過(guò)1％的含硼化合物。
進(jìn)一步地，上述含硼物質(zhì)包括單質(zhì)硼、氧化硼、碳化硼、氮化硼中的一種或多種，進(jìn)一步地，還含有不超過(guò)5％的稀土氧化物。
進(jìn)一步地，本發(fā)明的過(guò)濾器所使用的粘結(jié)劑為無(wú)機(jī)粘結(jié)劑和/或有機(jī)粘結(jié)劑，無(wú)機(jī)粘結(jié)劑為硅溶膠、鋁溶膠、水玻璃、磷酸鹽、硫酸鹽中的一種或多種，有機(jī)粘結(jié)劑為樹(shù)脂、瀝青、CMC、MC、PVA、PVB、淀粉、糊精、紙漿廢液、纖維素、阿拉伯膠、黃原膠、木質(zhì)素中的一種或多種。
本發(fā)明的直孔陶瓷過(guò)濾器，其優(yōu)點(diǎn)為體積密度小，熱容量小，過(guò)濾初期不容易被阻塞，原材料成本低，燒結(jié)溫度低，燒結(jié)收縮小，成品率高，單位面積過(guò)濾量大，現(xiàn)有技術(shù)一般過(guò)濾量≤3kg/cm2，本發(fā)明提供的技術(shù)方案過(guò)濾量不低于5kg/cm2。
本發(fā)明的另一方面還提供一種陶瓷粉末，其按重量百分含量計(jì)主要由55～98％的碳化硅、1～23％的含氧化鋁材料和1～22％的二氧化硅組成。
進(jìn)一步地，上述陶瓷粉末由60～80％碳化硅，10～20％的含氧化鋁材料和10～20％的二氧化硅組成。
進(jìn)一步地，上述陶瓷粉末中含有不超過(guò)1％的含硼物質(zhì)。
進(jìn)一步地，上述陶瓷粉末中含有不超過(guò)5％的稀土氧化物。
進(jìn)一步地，上述含硼物質(zhì)包括單質(zhì)硼、氧化硼、碳化硼、氮化硼中的一種或多種。
除了上面所描述的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)之外，本發(fā)明還有其它的目的、特征和優(yōu)點(diǎn)。下面將具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明中所述的“高熔點(diǎn)”是指溫度在1550-1700℃區(qū)間，尤其是在1600-1700℃區(qū)間的熔點(diǎn)。但是，容易理解，根據(jù)本發(fā)明的產(chǎn)品當(dāng)然可以用于熔點(diǎn)在1550℃以下的金屬。根據(jù)本發(fā)明的直孔陶瓷過(guò)濾器以質(zhì)量計(jì)主要包含以下成分：
SiC 50-98％
Al2O3 1-23％
SiO2 1-28％。
具有上述組成的陶瓷過(guò)濾器，體密度較小，從而具有較低的熱容量；還可以耐受高達(dá)1650℃乃至1700℃的金屬熔液。
在一種具體實(shí)施方式中，用于制備本發(fā)明直孔過(guò)濾器的陶瓷材料主要由55～98％的碳化硅，1～23％的含氧化鋁材料和1～22％的二氧化硅組成。本發(fā)明中的含氧化鋁材料是指主要以氧化鋁為成分的天然材料和人工合成材料。天然材料的例子有礬土。人工合成材料的例子有氧化鋁粉，可以是各種晶型，例如γ-Al2O3、β-Al2O3、α-Al2O3或者各晶型的結(jié)合物。在一種典型實(shí)施方式中，該含氧化鋁材料是以氧化鋁和氧化硅為主要成分的天然礦物，該材料含其他金屬氧化物(鐵、鈦、鉀、鈉、鈣等的氧化物)的量?jī)?yōu)選不超過(guò)10％，更優(yōu)選不超過(guò)5％，最優(yōu)選不超過(guò)3％，其中含有的其它金屬元素更優(yōu)選不超過(guò)1％。該天然礦物中，氧化鋁的量不適宜低于30％，優(yōu)先不低于35％，更優(yōu)選高于在40％以上。該含氧化鋁材料優(yōu)選是礬土、焦寶石、莫來(lái)石、紅柱石、藍(lán)晶石、硅線石中的一種或其結(jié)合。本發(fā)明中，二氧化硅可以是結(jié)晶態(tài)和無(wú)定形態(tài)的二氧化硅，使用時(shí)將其粉碎至300目以下，優(yōu)選500目以下，其中最優(yōu)選的是硅微粉，它是由天然石英(SiO2)或熔融石英(天然石英經(jīng)高溫熔融、冷卻后的非晶態(tài)SiO2)經(jīng)破碎、球磨(或振動(dòng)、氣流磨)、浮選、酸洗提純等多道工藝加工而成。除此之外，使用單質(zhì)硅粉也是可以的，其在燒結(jié)過(guò)程中會(huì)被氧化成二氧化硅。
在一種典型實(shí)施方式中，該陶瓷材料中還含有不超過(guò)1％的含硼物質(zhì)，該含硼物質(zhì)優(yōu)選是單質(zhì)硼、氧化硼、碳化硼、氮化硼中的一種或多種。通過(guò)加入該含硼物質(zhì)，可以促進(jìn)燒成，使過(guò)濾器有更高的致密性，加強(qiáng)其常溫和高溫性能，增加金屬液的過(guò)濾量和提高過(guò)濾溫度，更優(yōu)選地，還含有不超過(guò)5％的稀土氧化物，典型地是氧化釔。引入氧化釔和含硼物質(zhì)后，進(jìn)一步提高了過(guò)濾金屬溶液的溫度，同時(shí)提高過(guò)濾量。采用上述組成的原料，所得的過(guò)濾器既具有較低的體積密度，從而具有較低的熱容量；另外，過(guò)濾器也具有不高于1400℃的燒結(jié)溫度，從而顯著降低生產(chǎn)能耗。
在優(yōu)選的實(shí)施方式中，其耐火材料按重量計(jì)主要由60～80％碳化硅，10～20％的上述含氧化鋁材料和10～20％的二氧化硅組成。在具體實(shí)施例中，該耐火材料包含61％、62％、63乃至65％以上的碳化硅。采用該優(yōu)選配方，陶瓷材料具有較低的燒結(jié)收縮性，從而產(chǎn)品燒成率提高。
制備本發(fā)明的直孔過(guò)濾器的一種方法包括成型和燒結(jié)兩個(gè)步驟。一種成型方式為干壓成型，把主要原材料、水、粘結(jié)劑混合制漿，噴霧干燥后形成球狀顆粒料，模壓成型后得到生坯，然后經(jīng)過(guò)燒結(jié)得到制品。在這種實(shí)施方式中，粘結(jié)劑優(yōu)選用有機(jī)粘結(jié)劑，有機(jī)粘結(jié)劑一般是碳?xì)浠衔餅橹鹘M成的有機(jī)物，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)后線性有機(jī)物分子組成空間網(wǎng)狀架構(gòu)的體型高分子?？梢詫⒏鞣N物料彼此粘結(jié)成一個(gè)整體，強(qiáng)度非常高。但在高溫下易分解失去粘結(jié)力。用于本發(fā)明的有機(jī)粘結(jié)劑通常選自樹(shù)脂、瀝青、聚乙烯醇、甲基纖維素、PVB、淀粉、糊精、紙漿廢液、纖維素、阿拉伯膠、黃原膠、木質(zhì)素中的一種或者多種?？梢圆捎弥袊?guó)發(fā)明專利200810182753.3中披露的模壓成型工藝制備本發(fā)明的過(guò)濾器，制備原料中可以還包含適量的減水劑及脫模劑等。減水劑為腐殖酸鈉、三聚磷酸鈉、六偏磷酸鈉中的一種或多種；粘結(jié)劑為聚乙烯醇、甲基纖維素中的一種或多種；脫模劑為硬質(zhì)酸鹽、乳化油、乳化石蠟中的一種或多種。
另外一種成型方式是把主要原材料與粘結(jié)劑、保水劑充分混合后加入增塑劑、潤(rùn)滑劑及水捏合、粗練、陳腐、精練、成型、定型、干燥、切割、吹灰后得到生坯。例如，可以采用中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)201110271813.0披露的蜂窩陶瓷擠出成型工藝制備本發(fā)明的過(guò)濾器，制備原料中還應(yīng)包含適量的粘結(jié)劑、增塑劑、潤(rùn)滑劑等。可用的粘結(jié)劑包括樹(shù)脂、纖維素、阿拉伯膠、黃原膠、羥丙基甲基纖維素、甲基纖維素或桐油中的一種或多種，但是本發(fā)明不限于此，粘結(jié)劑的引入量通常為原料的1％-11％之間；常用的保水劑包括甘油、石蠟中的一種或兩種的組合，加入量為3-11％，常用的增塑劑包括PVA、桐油、大豆油、液壓油中的一種或多種，但是本發(fā)明不限于此，加入量通常為原料的3％-8％；常用的潤(rùn)滑劑包括大豆油、菜油、液壓油中的一種或多種，但是本發(fā)明不限于此，引入量為3％-8％。為了制備本發(fā)明的產(chǎn)品，按照習(xí)知的方法，將各礦物按所需的要求分別球磨過(guò)篩，再按一定預(yù)定比例和適量粘結(jié)劑配料，經(jīng)混料后，加入適量潤(rùn)滑劑和14％-22％的水進(jìn)行捏合。捏合后的泥料經(jīng)粗練、陳腐、精練、成型、箱式微波定型、箱式烘房循環(huán)暖風(fēng)干燥、切割、吹灰，得到生坯。
在本發(fā)明中，坯體厚度8-25mm，優(yōu)選厚度10-22mm。將成型后的坯體碼放在高溫窯爐中，在1400℃以下的溫度下燒制，優(yōu)選燒制溫度為1250-1400℃
通過(guò)本發(fā)明的配方，可以獲得體密度在0.9-1.8g/cm3的高溫用金屬液直孔過(guò)濾器，而且過(guò)濾量達(dá)到甚至大于5kg/cm2，顯著高于其他過(guò)濾器。
實(shí)施例1-7
原材料(按重量計(jì))：碳化硅68％，氧化鋁粉15％，硅微粉17％
使用上述含量的原材料組合，加入原材料總量0.5％的粘結(jié)劑和40％的水，球磨0.5小時(shí)后制得耐火漿料，用壓力噴霧的方式把耐火漿料霧化并干燥，干燥溫度在105℃，干燥后制得目數(shù)在30～100目的類球形粉料，按量稱取后加入多孔模具中，采用壓力成型機(jī)壓制脫模，干燥后在1300℃氧化氣氛下燒結(jié)制得直孔過(guò)濾器。
實(shí)施例8-13
把主要原材料分別球磨過(guò)篩與3％的樹(shù)脂和2％桐油，5％甘油充分混合后加入CMC3％、大豆油1％，液壓油3％、15％水和其他添加劑經(jīng)捏合、粗練、陳腐、精練、成型、定型、干燥、切割、吹灰后得到生坯。在一定溫度下燒結(jié)后得到過(guò)濾器。測(cè)試該過(guò)濾器，壓頭30cm。
申請(qǐng)人聲明，本發(fā)明通過(guò)上述實(shí)施例來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的詳細(xì)工藝流程，但本發(fā)明并不局限于上述詳細(xì)工藝流程，即不意味著本發(fā)明必須依賴上述詳細(xì)工藝流程才能實(shí)施。所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明了，對(duì)本發(fā)明的任何改進(jìn)，對(duì)本發(fā)明產(chǎn)品各原料的等效替換及輔助成分的添加、具體方式的選擇等，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍和公開(kāi)范圍之內(nèi)。