專利名稱：用于過濾熔融金屬的過濾器及其制造方法
技術領域：
本發明涉及過濾器的制造領域，更具體地說，涉及一種用于過濾熔融金屬的過濾器及其制造方法。
背景技術：
金屬液的凈化對提高鑄件的力學性能起到重要作用。目前用于金屬液凈化的過濾裝置為陶瓷過濾器，可有效截獲金屬液中的有害雜質并使金屬液由紊流變為層流，起到凈化和均質作用。陶瓷過濾器按照結構可分為泡沫陶瓷過濾器和直孔陶瓷過濾器。目前用于鑄鋼的過濾器幾乎全部是泡沫陶瓷過濾器。在所有的熔融金屬用泡沫過濾器當中，對于鑄鋼用泡沫過濾器的要求最高，這是由于鑄鋼熔融金屬有著較高的熔融溫度。 在此溫度下，過濾器需要保持足夠的機械強度、抗熱震性、和較低的比熱容。其中，影響抗熱震性的因素包括材料的熱膨脹系數、導熱系數、材料固有強度、斷裂韌性等。一般地講，熱膨脹系數越小，材料因溫度變化而引起的體積變化小，相應產生的溫度應力小，抗熱震性越好；熱導率大，材料內部的溫差越小，由溫差引起的應力差越小，抗熱震性越好；材料固有強度越高，承受熱應力而不致破壞的強度越大，抗熱震性好。對于陶瓷材料而言，材料的內部組織結構和幾何形狀也是影響因素。一般地講，材料組織相對疏松，有一定氣孔率，有適當的微裂紋存在，都可以提高斷裂能，使材料在熱沖擊下不致被破壞。但是材料組織相對疏松，也會降低材料的機械強度，因此在過濾器的機械強度和抗熱震性之間容易存在矛盾。傳統的用于鑄鋼的泡沫過濾器的制備全部依賴于氧化鋯。這是由于氧化鋯具有高的機械強度，即使采用多孔的泡沫結構，也能保持良好的機械性能，但是，由于鋯是一種稀有金屬，雖然過濾效果好，其高昂的價格嚴重限制其在鑄鋼及其他高溫金屬液過濾領域中的廣泛應用，只是用于特種鋼或者高附加值的鋼或合金的鑄造。CN1449312A公布了一種用于過濾熔融金屬的過濾器，過濾器包含開孔多孔材料，該材料包含了與含碳結構的膠粘劑粘結在一起的耐火材料粒子。該發明要求控制過濾器的燒成氣氛，以控制碳-碳粘結的質量和水平，即在燒成開始時，向燃燒室內注入空氣，然后停止注入以保證燃燒室內氧的合理水平，這種方法在生產上難以控制，容易造成產品質量的不穩定。另外，如果在耐火材料中不使用鋯，燒成中會出現較大的收縮，產品的機械強度會降低，不能生產大的過濾器，且在燒成中有較大的氧化。另外，根據該專利的制備方法，為滿足鑄鋼液的過濾需要，必須采用氧化鋯，采用其他原料作為陶瓷材料，所制得的過濾器的機械性能得不到要求。CN101257957A公布的過濾器克服了在燒結過程中容易氧化的問題，具有足夠的機械強度而不用擔心運輸以及使用中的強度問題，且能夠承受熔融金屬的沖擊和應力。但是由于采用磷酸鹽作為粘結劑，該粘結劑在高溫下發生晶型轉變，因此限制了它的使用。EP1421042A1涉及用于熔融金屬過濾的包括石墨化碳結合網絡的過濾器，然而這些過濾器相對不耐用且機械強度低。
發明內容
為克服現有技術的上述缺陷，本發明提出一種新配方的熔融金屬過濾器，其適于制成大規格產品，具有優異的機械強度、抗熱震性，并且具有較低的熱容、很好的抗侵蝕性。為實現上述目的，本發明提供一種用于過濾熔融金屬的過濾器，其制備原料以質量份計包含剛玉，10-18 ;氧化鋁粉，10-18 ;石墨，6-15 ;木質素，15-25 ;炭黑，6-15 ;以及富碳粘結劑，20-40。采用高碳材料充分利用了碳材料的高的耐火度、良好的導熱性、低的熱膨脹系數、化學性質穩定、耐侵蝕等，制作的產品具有很好的抗熱震性、抗熱沖擊性、高的抗折強度等性能。同時碳的來源廣泛,并且價格低廉。優選地，上述過濾器中，制備原料以質量份計包含剛玉，13-16 ;氧化鋁粉，13-16 ;石墨，8-13 ;木質素，15-20 ;炭黑，6-10 ;以及富碳粘結劑，20-30。
優選地，炭黑的用量不超過石墨的量，更優選地，炭黑的用量為石墨量的1/3 2/3。優選地,炭黑的粒徑在100 900nm之間，更優選在100 500nm之間。采用上述配方，使得根據本發明的產品的蓄熱系數大大降低，熱容顯著降低，有利于在使用過程中金屬液的快速啟動，能夠保證不提高澆注溫度的條件下金屬液快速通過過濾器而不發生金屬液的凝固。本發明還涉及一種用于過濾熔融金屬的過濾器的制造方法，包括下1)將各原料成分用水配制成漿料；2)將配制好的漿料涂掛在開孔多孔材料上形成至少一層耐火涂層；3)將形成耐火涂層的開孔多孔材料在一定溫度下烘干；4)在無氧氣氛和80(Tll5(rC下進行燒結。采用該方法可以獲得泡沫過濾器。本發明還涉及一種制備過濾器的方法，包括1)將各原料成分用水配制成半干泥料；2)將配制好的泥料通過沖壓或擠壓方式制成多孔制品；3)在無氧氣氛下進行SOO0C 1150°C溫度下進行燒結。采用該方法可以獲得直孔過濾器。
具體實施例方式除非特別說明，本文在提到成分比例時皆以質量百分比計算。本發明的過濾器主要由剛玉、氧化鋁粉、石墨、炭黑、木質素和富碳粘結劑為原料制成。本發明的一個特征在于將剛玉和氧化鋁粉搭配，用于形成過濾器中的非碳材料。剛玉具有高的莫氏硬度，賦予過濾器較高的剛性和機械強度。但是，發明人發現，單純使用剛玉，所形成漿料的涂掛性較差，即不利于漿料涂掛在下文提到的泡沫材料的表面。混合以氧化鋁粉，則明顯提高漿料的涂掛性。在本發明中，剛玉的粒徑優選在325目以下，氧化鋁粉的粒徑優選在O —10微米的范圍。本發明中，基于100份原料總量(不包含水)，優選引入10-18份、更優選13-16份的剛玉和10-18份、更優選13-16份的氧化鋁粉。發明人經過大量實驗發現，上述非碳材料材料的引入總量不到40%，不低于20%，既可以保持過濾器的機械強度，也可以控制其重量和造價，最重要的是降低產品的比熱容，有利于在使用過程中金屬液的快速啟動。剛玉與氧化鋁的合理搭配，可以改善產品的微觀結構，有效提高產品的各項性能。本發明的另一個特點是，將石墨和炭黑配合使用，向過濾器中引入碳。石墨具有良好的導熱性能，也具有較小的密度、良好的耐高溫性和化學穩定性、耐侵蝕。但是，石墨的粒度較大，單獨使用時所得漿料的流動性不佳，本發明選擇粒徑較小的炭黑，與粒度較大的石墨一起使用，可以填充在石墨的縫隙之間，有利于改善漿料的涂掛性。炭黑屬非晶質碳素材料，易與金屬硅反應，在鋼中難于溶解，可改善產品的顯微結構，提高機械性能和高溫性能。引入炭黑的另一個原因是用炭黑部分代替石墨，可以降低制備漿料時對水的需要量，改善漿料的流變性能。本發明中使用的石墨的粒徑通常在200目以下，典型地在325目以下，這樣，相應地使用粒徑在粒徑更小的炭黑。在使用平均粒徑ΙΟΟμπι左右的石墨的情況下，可以使用粒徑為1(Γ50μπι的炭黑。在本發明的一個具體實施方式
中，使用了平均粒徑在5(Γ70μπι的石墨，相應地使用粒徑在5 15 μ m范圍的炭黑。本發明更優選使用含量大于99. 0%，粒度小于10微米的炭黑。發明人意外地發現，使用更小顆粒的炭黑，即粒徑在10(T900nm、更優選在10(T500nm之間的炭黑，所得過濾器的抗熱震性被提高。不希望受理論的束縛，一個可能的原因是較小的炭黑粒徑提高了過濾器的導熱性能。在本發明中，基于100份原料總量(不包含水)，優選引入6-15份、更優選8-13份的石墨，優選引入6-15份、更優選8-13份的炭黑。作為優選方案，炭黑的用量不超過石墨 的量，優選小于石墨的用量，例如，其用量為石墨量的1/3 2/3。炭黑的用量超過石墨，在某些實施方式中可能會對過濾器的導熱性能產生不利影響，最終降低過濾器的抗熱震性。本發明的另一個特點是進一步引入木質素。石墨和炭黑的吸水率較高，使用過多，為形成漿料需要引入較多的水分，過多的水分需要在后續的燒制過程中揮發，會使產品留下過多的氣孔。本發明引入適量木質素，可以解決這個問題，炭黑的吸水率較低，可以降低漿料中水的加入量。另外，木質素也可以向過濾器貢獻碳。基于100份原料，使用的木質素量優選在15-25份之間，更優選為15-20份之間。采用這個添加量，可以有效降低漿料的蓄水量。另外，木質素也可以兼起粘結劑的作用。本發明中還需要一定量的富碳粘結劑，該富碳粘結劑選自浙青或者經處理的浙青。優選將浙青經過改性，使其具有一定的水溶性或者在水中很好地分散。粘結劑還可以是富含芳烴的有機聚合物，例如酚醛樹脂。這些粘結劑在一方面提供較佳的粘結性，在燒制后具有較高的殘炭率。這些粘結劑均可以從市場購得。本發明優選那些在經過80(Tii0(rc的燒制后殘炭率不低于60%的粘結劑，更優選不低于70%的粘結劑。在本發明的最佳實施例中，富碳粘結劑的殘炭率為80%左右。一般地，將上述各成分與液體載體混合，形成漿料。所使用的液體載體可以水、甲醇、乙醇、石油醚等，實際使用中水是優選的。漿料中通常還可以包含少量的其他助劑，例如懸浮劑、消泡劑、濕潤劑、分散劑等等，這些助劑是現有技術所已知的。優選地，首先將石墨、炭黑和木質素在干燥狀態下混合均勻，然后加入部分水，攪拌均勻。然后加入富碳粘結劑和適量的水，攪拌均勻，最后加入預混好的剛玉和氧化鋁粉，攪拌均勻，得到漿料。接下來，將配制好的漿料涂掛在開孔多孔材料上形成至少一層耐火涂層。開孔多孔材料是指一種在實體材料中包含規則、部分規則、不規則或隨機分布的孔，這些孔作為熔融金屬的通道。這些孔可以全部或部分互通或可以有多個通道，使熔融金屬通過。孔本身大小和形狀可以是規則的或不規則的。例如，這些孔可以由一系列平行的通道，可以線性穿過該實體材料，這些通道有任何需要的橫截面，例如，圓形的、橢圓形、三角形互連通道等，與天然泡沫相似的孔狀分布。首選的開孔多孔材料是可以商業購買到的擁有相對規則分布的網狀開孔聚氨酯泡沫。在涂掛后，優選將涂有漿料的多孔開孔材料進行烘干。烘干溫度可以優選設定在io(Ti2(rc。接下來，在惰性氣氛或者還原氣氛下進行燒結，燒結溫度適宜控制在8000C 1150°C，優選 900^1 IOO0C ο本發明中使用的上述配方還可以用于制造直孔過濾器。在一種典型實施方式中，制造直孔陶瓷過濾器的方法包括下述步驟I)將各原料成分用水配制成漿料；2)將配制好的漿料涂掛在開孔多孔材料上形成至少一層耐火涂層；3)將形成耐火涂層的開孔多孔材料在一定溫度下烘干；4)在無氧氣氛和80(Tll5(TC下進行燒結。 本發明的發明人對用于制備熔融金屬過濾器的多種原料進行了篩選，并且對原料的用量進行了優選。由于制品中包含了大部分碳材料，使得過濾器具有很低的比熱容，即使是過濾高溫熔融金屬液，也不需要過熱熔融液。通過對陶瓷材料的選擇，以及與特定形式、特定量的碳源物質的配合使用，所得的過濾器也具有高的機械強度和導熱性，從而具有滿足過濾高溫金屬熔融液所需的抗熱震性。總之，本發明在不采用氧化鋯的情況下，低成本地制備出鑄鋼用過濾器，所獲得的產品同時具有理想的機械強度、良好的抗熱震性和低的比熱容，取得了意料不到的技術效果。實施例1-8按表I是配方制成尺寸為50 * 50 * 15mm的過濾器，對所得過濾器進行測試，測
試結果見表2。表2中，常溫耐壓強度是按照GB/T25139-2010測得，反映過濾器的機械強度。常溫耐壓強度越高，過濾器在運輸和使用過程中越不易破損。另外，通常來說，常溫耐壓強度越高，過濾器的高溫耐壓強度會越高。密度反映過濾器的比熱容。密度越小，過濾器在過濾器熔融金屬時吸收的熱量會越小，熔融金屬發生凝固的可能性會越小。表I各實施例原料配比表
權利要求
1.一種用于過濾熔融金屬的過濾器，其特征在于，制備原料以質量份計包含下列成分 剛玉，10-18 ； 氧化招粉，10-18 ； 石墨,6-15 ； 木質素，15-25 ； 炭黑，6-15 ； 富碳粘結劑，20-40。
2.如權利要求I所述的過濾器，其特征在于，制備原料以質量份計包含下列成分 剛玉，13-16 ； 氧化招粉，13-16 ； 石墨，8-13 ； 木質素，15-20 ； 炭黑，6-10 ； 富碳粘結劑，20-30。
3.如權利要求I所述的過濾器，其特征在于，炭黑的用量不超過石墨的量。
4.如權利要求3所述的過濾器，其特征在于，炭黑的用量為石墨量的1/3 2/3。
5.如權利要求I所述的過濾器，其特征在于，炭黑的粒徑小于10微米。
6.如權利要求5所述的過濾器，其特征在于，炭黑的粒徑在10(T900nm之間。
7.如權利要求6所述的過濾器，其特征在于，炭黑的粒徑在10(T500nm之間。
8.制備權利要求I所述過濾器的方法，其特征在于，包括下面的步驟 1)將各原料成分用水配制成漿料； 2)將配制好的漿料涂掛在開孔多孔材料上形成至少一層耐火涂層； 3)將形成耐火涂層的開孔多孔材料在一定溫度下烘干； 4)在無氧氣氛和80(Tll5(rC下進行燒結。
9.制備權利要求I所述過濾器的方法，其特征在于，包括下面的步驟 1)將各原料成分用水配制成半干泥料； 2)將配制好的泥料通過沖壓或擠壓方式制成多孔制品； 3)在無氧氣氛下進行800°C 1150°C溫度下進行燒結。
全文摘要
本發明涉及一種用于過濾熔融金屬的過濾器，其制備原料以質量份計包含剛玉，10-18；氧化鋁粉，10-18；石墨，6-15；木質素，15-25；炭黑，6-15；以及富碳粘結劑，20-40。該過濾器具有優異的機械強度、抗熱震性，并且具有較低的熱容、很好的抗侵蝕性。
文檔編號C04B35/103GK102921238SQ20121046441
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月16日 優先權日2012年11月16日
發明者祝建勛, 劉敬浩, 楊淑金 申請人:濟南圣泉集團股份有限公司