La présente invention concerne un procédé pour la préparation d'un matériau filtrant ainsi que le matériau filtrant obtenu, celui-ci permettant d'améliorer et d'accélérer la filtration des liquides.
Parmi les procédés usuels de filtration, et plus particulièrement de l'aluminium fondu, il existe un procédé faisant intervenir un tamis en fibre de verre ou d'aluminium, un procédé faisant usage d'une masse fixe d'alumine et un procédé faisant usage d'un milieu filtrant rigide. Selon ce dernier procédé, on utilise un appareil comprenant un réservoir filtrant muni d'une entrée et d'une sortie d'aluminium liquide, d'un couvercle chauffant contenant un élément de chauffe, et un thermocouple. Dans ce procédé, l'aluminium fondu traverse par gravité, en raison des différences de niveau entre l'entrée et la sortie du filtre, un milieu filtrant tubulaire rigide. Cette méthode est supérieure aux autres en ce qui concerne la qualité de la filtration, son adaptabilité au travail dans le terrain, etc.
En général, un milieu filtrant tel qu'un milieu filtrant rigide doit présenter les propriétés suivantes: 1) Il doit contenir un nombre suffisant de pores perméables à
l'air de dimensions convenables et très uniformes.
2) Il doit résister à l'attaque du liquide à filtrer.
3) Il doit résister à la chaleur et à l'effritement.
4) Les particules de l'agrégat qu'il contient doivent être solide
ment liées les unes aux autres et ne pas provoquer de défaut de
filtration.
5) Il doit avoir une résistance mécanique dépassant un niveau
donné.
On a déjà décrit un moyen pour fabriquer un matériau filtrant, tel qu'un matériau filtrant rigide, en utilisant un matériau aggloméré et un liant vitreux fritté. Par exemple, le milieu filtrant à base de matériau liant vitreux décrit dans le brevet américain USP N 3524548 possède une excellente résistance à la corrosion par l'aluminium fondu et permet une filtration régulière.
Cependant, avec le matériau liant vitreux utilisé selon ce brevet américain, il est difficile d'obtenir une structure bien définie de ce milieu filtrant, comprenant du matériau aggloméré, un liant et des pores perméables à l'air. En fait, on ne peut, avec un tel matériau, augmenter l'efficacité de filtration par multiplication du nombre des pores perméables à l'air de dimensions uniformes.
Lorsque le liant est vitreux, on doit faire face aux inconvénients suivants:
1) Comme la viscosité du liant diminue graduellement avec
l'élévation de température de calcination, il est difficile d'aug
menter la distance séparant l'une de l'autre les particules de
l'aggloméré et d'allonger les ponts de liaison constitués de
liant.
2) Si on utilise, conjointement avec le liant, une matière combus
tible afin d'augmenter la proportion des pores perméables à
l'air dans le matériau filtrant, la matière combustible carboni
sée à l'intérieur du liant restera enfermée dans le produit
vitreux ce qui provoquera une diminution de sa résistance
mécanique et, souvent, des défauts de filtrage.
Ainsi, lorsqu'on utilise, comme liant, une matière vitreuse, on obtient un milieu filtrant dont la structure filtrante ne dépend que de la nature des particules agglomérées. Quoiqu'on puisse contrôler la dimension des pores en faisant varier la dimension des particules de l'agrégat, il est difficile d'exercer un contrôle du nombre de ces pores dans le milieu filtrant.
Un premier objet de la présente invention, obviant aux inconvénients précités, consiste en un procédé pour la préparation d'un matériau filtrant permettant d'accélérer et d'améliorer la filtration des liquides et ayant un indice de perméabilité compris entre 30 et 90, une densité moyenne comprise entre 1,70 et 2,27 et une porosité apparente comprise entre 39,0 et 51,0%, caractérisé par le fait qu'on mélange 100 parties en poids de particules à agglomérer comportant au moins un produit choisi parmi l'alumine fondue, l'alumine agglomérée, le carbure de silicium et le nitrure de silicium, 5 à 18 parties en poids d'un liant inorganique comportant de 10 à 50% en poids de SiO2 et de 5 à 20% en poids de Bu03, au moins 70% en poids de ce liant étant une substance non vitreuse, et 3 à 15 parties en poids d'un combustible solide en poudre,
et par le fait qu'on pétrit le mélange ainsi obtenu avec un agent d'agglomération et de l'eau, qu'on moule ce mélange pétri, qu'on le sèche, puis qu'on le calcine à une température d'au moins 1100'C.
De plus, un second objet de cette invention consiste en un matériau filtrant obtenu par la mise en oeuvre du procédé cidessus.
Comme la quantité prédominante du liant est constituée par une subtance non vitreuse, la diminution de la viscosité du produit liant est très faible aprés agrégation, et la longueur des ponts ou distance séparant, l'une de l'autre, les particules liées de l'aggloméré, peut être maintenue suffisamment grande. On peut décrire la structure microscopique du présent milieu filtrant comme étant composée de particules agglomérées liées entre elles par le liant minéral et laissant, entre elles, des vides (qui se sont formés par décomposition et disparition de la matière combustible), la longueur des ponts représente la distance entre les particules de l'agrégat.
Ainsi, la taille des pores perméables à l'air peut-elle être choisie librement en mélangeant une quantité convenable de matière combustible et en choisissant de manière adéquate la dimension des particules à agglomérer. L'augmentation de nombre des pores ne provoque pas une réduction suffisante de la résistance mécanique du matériau filtrant pour risquer d'occasionner des difficultés d'utilisation, car le degré d'agglomération est, malgré tout, suffisant; des défauts de filtrage ne peuvent donc pas se produire.
L'expression liant minéral contenant une quantité majeure de substance non vitreuse se rapporte à un liant contenant au moins une substance non vitreuse naturelle ou synthétique en poudre, telle que le talc, l'argile gairome (mélange d'oxydes comportant 31-35% en poids de Al203; 47-51% de SiO2; 0,5-1% de CaO; 0,05-0,1% de MgO; et 1-2% de MgO; avec une perte en eau par calcination de 14-17% en poids) l'alumine calcinée, et l'acide borique. Des essais ont montré que si la composition chimique de ce liant minéral ne comprend pas plus d'environ 50% en poids de SiO2 et pas moins d'environ 5% en poids de B2 03, celui-ci présente une résistance suffisante à l'attaque de l'aluminium fondu lorsqu'il est utilisé pour la fabrication d'un milieu filtrant.
Le produit liant minéral contient au moins 70% en poids de matériau non vitreux, de préférence 72-85% en poids de ce matériau.
La composition ci-dessous est un exemple type d'un tel produit: 10-50% Siq 32,8
5-20% B202 13,3 20-60% Al203 38,2
2-10% CaO 4,5
2-20% MgO 9,8
EMI1.1
98,6% d'autres substances, telles que Na2O, K20, Fe203, etc., pouvant être présentes à l'état de traces.
Les matières non vitreuses qu'on utilise de préférence pour la préparation du présent matériau filtrant comprennent essentiellement 10-50% en poids d'une substance de formule RO2, c'est-àdire un oxyde d'un métal tétravalent tel que SiO2, TiO2, Geq et ZrO2; de 25 à 80% en poids d'un matériau de formule R2 03, c'est-à-dire un oxyde d'un métal trivalent tel qu'AI203, B203 (la limite de 5 à 20% de B203 dans le liant minéral final étant cependant respectée) et Fe203; et de 4 à 30% en poids d'un matériau de formule RO, c'est-à-dire un oxyde d'un métal divalent tel que
CaO, MgO, ZnO, etc. La présence de traces de produits de formule R2O, par exemple Nua20, K2O, etc., peut être tolérée sans inconvénient pour la matière non vitreuse.
Si, par contre, le contenu en SiO2 du liant est inférieur à environ 10% en poids et le contenu en B203 supérieur à envi ron 20% en poids, la viscosité du produit liant diminue fortement même si la température de calcination est d'environ Il 00 C ou plus, et il est impossible d'assurer une longueur suffisante aux ponts de liaison du liant.
Bien que les températures minima pour effectuer la calcination soient de grandes importance, on opérera généralement sans dépasser un maximum d'environ 2000 C, c'est-à-dire le point de fusion de l'alumine, et, de préférence, au-dessous d'environ 1700 C. (Dans les exemples, on opère la calcination à 1380' C.) Il n'est pas nécessaire, pour ce faire, d'opérer sous protection d'un gaz inerte et on travaille volontiers dans un tube parcouru par un gaz chaud.
La dimension et le nombre des pores perméables à l'air présents dans le matériau filtrant obtenu par le procédé selon l'invention peuvent être contrôlés en choisissant convenablement les quantités de liant et de matière combustible. Il n'est donc pas nécessaire de se baser uniquement sur la dimension des particules à agglomérer en vue de déterminer la dimension des pores, comme c'est le cas dans la fabrication des matériaux filtrants au moyen de liants vitreux. Le choix de la dimension des particules est relativement sans importance; on choisira cependant de préférence des particules passant à travers des tamis de 7 à 80 mesh (dimension des mailles d'environ 2,79 à 0,18 mm) et ceci afin d'empêcher une déformation du matériau filtrant au cours de la calcination et en vue d'obtenir une bonne efficacité de filtrage de l'aluminium fondu et autres produits similaires.
De préférence, on choisira des particules passant à travers des tamis de 12 à 40, mieux, de 16 à 30 mesh (chiffres conformes à la numérotation ASTM Sieve Standard ).
La dimension des particules du liant inorganique et celle des particules de la matière combustible peuvent également varier entre des limites éloignées. On obtient de bons résultats avec des particules de liant minéral inférieures à 400u (microns), de préférence comprises entre 40 et l00#: on aura avantage à utiliser des particules de matière combustible inférieures à 560u, de préférence inférieures à 400H encore mieux, comprises entre 50 et 30011.
A 100 parties en poids de particules à agglomérer, on ajoute 5 à 18 parties en poids de liant inorganique et 3 à 15 parties en poids de matière combustible. Si la quantité du liant minéral est inférieure à 5 parties en poids, la distance séparant les particules de l'agrégat est trop faible et le diamètre moyen des pores devient trop petit. Cette tendance serait contraire aux buts de la présente invention. D'autre part, si la quantité de liant inorganique dépasse fortement 18 parties en poids, les particules de l'agrégat sont trop éloignées l'une de l'autre ce qui occasionne une déformation du matériau filtrant pendant la calcination, celle-ci pouvant devenir suffisante pour rendre celui-ci inutilisable.
Si la quantité de matières combustibles du mélange est très inférieure à 3 parties en poids, la dimension des pores est insuffisante et, si elle dépasse fortement 15 parties en poids, le liant devient lui-même exagérément poreux ce qui conduit, pour le matériau filtrant, à un manque de résistance mécanique.
Des températures de calcination de 1100 C ou plus sont nécessaires pour assurer la combustion complète des matières combustibles. La définition des matières combustibles utilisables pour réaliser le présent matériau est très large. En effet, pour convenir, il est suffisant que cette matière soit un solide pouvant s'éliminer par combustion lors de la calcination, c'est-à-dire être décomposé sous forme gazeuse de manière à provoquer la formation d'espaces vides dans le matériau filtrant. Pour autant qu'une matière puisse subir la décomposition ci-dessus, elle pourra être utilisée. Cependant, quoiqu'en théorie on puisse utiliser tout produit combustible susceptible de se décomposer, par calcination, en produits gazeux lavables lors d'une étape de fabrication ultérieure, un tel procédé se révélerait trop compliqué pour une application pratique.
En définitive, le choix du combustible, utilisé sous forme de particules de dimension convenable, est dicté principalement par des considérations économiques. Certaines restrictions évidentes pour l'homme de métier seront aussi à prendre en considération: dégradation intempestive ou réaction néfaste avec certains composants du matériau filtrant, etc.
Il est ainsi nécessaire que la composition chimique du liant inorganique soit convenablement choisie pour qu'à des températures de 1100' C, ou plus, il n'y ait pas réduction de sa viscosité et, pour cela, que la majeure partie de ce liant minéral soit constituée d'une substance non vitreuse.
A A l'échelle industrielle, on obtient des résultats satisfaisants si le diamètre des pores est d'environ 40 à 1000H de préférence de 150 à 600p, mieux, de 250 à 400u. On doit accepter un compromis entre la qualité du produit fini, c'est-à-dire de faibles variations de dimensions des pores (qu'on peut améliorer d'ailleurs en travaillant dans des conditions particulièrement bien contrôlées) et l'augmentation du prix de revient, fonction de cette amélioration.
On fabrique le matériau faisant l'objet de l'invention en mélangeant un liant minéral, un agrégat, une matière combustible et d'autres produits tels que de l'eau et une substance agglutinante, en moulant le tout en forme et en le calcinant. Le liant minéral peut être préparé en mélangeant au moins 70 parties en poids d'un produit non vitreux, naturel ou artificiel tel que le talc, l'argile gairome (voir le Dictionnaire des Céramiques , p. 35, publié par Maruzen Publishing Co., Ltd., Japon), l'alumine calcinée et l'alumine agglomérée (comme on le sait dans la pratique, l'alumine calcinée ou agglomérée est une alumine présentant une structure cristalline en plaquettes qu'on prépare en agglomérant celle-ci à des températures voisines de son point de fusion).
Un exemple typique d'un tel produit est l' alumine tabulaire fabriquée par Alcoa International S.A. et qui a les propriétés suivantes: A1203 99,5%; densité, sous forme de poudre en particules, passant à travers un tamis de 325 mesh; poids spécifique 3,65-3,8; porosité apparente 5%; absorption d'eau 1,5% (à titre comparatif, l'alumine fondue est de l'alumine fondue au four électrique d'aspect vitreux). On peut également utiliser l'hydroxyde d'aluminium, H3BO3, CaCO3, MgCO3, la wollastonite, le sable siliceux et les roches siliceuses. A cela, on ajoute une quantité ne dépassant pas 30 parties en poids d'une substance vitreuse qui peut être quelconque à condition de supporter la température de calcination et le contact avec le liquide à filtrer, par exemple l'aluminium fondu.
La liberté du choix de cette substance vitreuse provient du fait qu'on en utilise au plus 30%. En effet, si le liant minéral en contenait plus de 30%, on ne pourrait effectuer la calcination dans de bonnes conditions. Comme telle substance, on pourra employer un enduit fusible pour porcelaine de type commercial, la composition d'un tel enduit étant comprise entre les limites d'environ 10 à 50% en poids de SiO2 et d'environ 5 à 20% en poids de B203. Puis on pulvérise et mélange intimement ces composants dans un mélangeur-broyeur, par exemple un concasseur à boulets.
Les particules du liant inorganique ainsi préparé sont généralement capables de traverser un tamis Tyler de 200 mesh
Puis, on mélange environ 5 à 18 parties en poids du liant inorganique en poudre fine et environ 3 à 15 parties en poids d'une matière combustible, telle que la farine de riz, la farine de blé, la poudre de charbon, de polystyrène ou de résine polyurée avec 100 parties en poids de poudres (en particules passant à travers des tamis de 7 à 80 mesh ) d'au moins un agrégat choisi parmi l'alumine fondue, l'alumine agglomérée, le carbure de silicium et le nitrure de silicium dont les dimensions sont, de préférence, conformes à celles mentionnées plus haut, et on malaxe le mélange avec de faibles quantités d'eau et un produit agglutinant, tel que la dextrine,
les liqueurs sulfitiques résiduelles de traitement de la pulpe de bois et l'alcool polyvinylique, puis on moule le produit en forme et on le sèche selon les méthodes usuelles (le séchage est effectué simplement en chauffant à des températures non susceptibles de détériorer le matériau filtrant moulé; le fendillement de celui-ci constitue les problèmes des plus sérieux pouvant se poser au cours de cette opération). Le mélange séché est ensuite calciné à une température d'environ 1100 C ou plus.
On utilise en général de 1 à 10 parties en poids d'eau et de produit agglutinant respectivement pour 100 parties en poids de l'agrégat. Cependant ces proportions ne sont pas critiques et peuvent être modifiées librement selon les besoins.
Des produits agglutinants typiques sont mentionnés dans le brevet US N 3524548, colonne 2, lignes 59-69. On peut, dans ce domaine de la technique, choisir librement le produit agglutinant.
La structure du matériau filtrant obtenu par le procédé selon l'invention est maintenue sans contrôle grâce au produit combustible qu'on y a mélangé et. ainsi, on peut obtenir facilement un matériau doté d'un grand nombre de pores perméables à l'air. Ce matériau filtrant permet d'augmenter le taux de filtration par rapport aux filtres connus. En particulier lorsqu'on utilise le présent matériau pour filtrer de l'aluminium fondu, on peut augmenter de 30% à 100% le taux d'écoulement du liquide par rapport aux filtres habituels car le nombre des passages pratiqués dans le matériau est notablement plus grand. Comme on peut agir à volonté sur le nombre et la dimension des pores perméables à l'air du présent matériau, on pourra utiliser celui-ci pour la filtration accélérée d'autres métaux fondus, de gaz ou d'eau, pour autant que ces produits n'attaquent pas le filtre.
De plus, comme le liant du présent matériau n'est pas une substance vitreuse, ce qui permet d'effectuer la calcination à une température supérieure à celles généralement appropriées à ce genre d'opération, le présent matériau filtrant présente une très bonne résistance à la chaleur et à l'effrittement.
De ce qui précède, on comprendra que l'utilisation du mot environ pour définir les gammes de compositions entrant dans la préparation du présent matériau indique que les limites de ces gammes ne sont pas critiques. Cependant, celles-ci ont été déterminées par des essais répétés et, en les respectant, on obtient les meilleurs résultats. Pour ces raisons, l'interprétation du mot environ se fera en fonction de la description qui précède.
La présente invention est illustrée par les exemples qui suivent.
Dans ces exemples, les liants minéraux utilisés ont les compositions chimiques (poids) indiquées ci-dessous. On n'utilise pas tous les ingrédients dans chaque exemple et, en raison d'erreur d'analyse, les totaux peuvent ne pas toujours donner 100%.
Pertes
AkO3 SiO2 CaO MgO B203 Fe203 par combustion*
Talc .. ..................¯...¯----¯ 1,30 59,85 0,86 28,85 ¯ 3,10 5,21 Carbonate de calcium............ calcium ¯ ¯ 54,89 0,93 - ¯ 43,72
Argile gairome .............. 32,19 48,83 0,80 0,06 ¯ 1,39 16,40
Alumine calcinée 99,20 0,02 - ¯ . . . . . . . . . . . . 99,20 0,02 - - - 0,03
Acide borique ................... - - - - 56,40 - 43,52
Wollastonite ....................... - 51,32 48,01 - Glaçure commerciale pour porcelaine 8,08 43,45 3,89 18,74 25,85
* Simplement pour raisons analytiques sans importance sur l'utilité des produits.
Exemple 1:
(Dans cet exemple et ceux qui suivent, les parties sont en poids.)
On a mélangé et broyé 48 h dans un moulin à boulets 23 parties en poids de talc, 23 parties en poids d'alumine calcinée, 20 parties en poids d'argile gairome, 7 parties en poids de CaCO3 et 15 parties d'un enduit commercial à glacer la porcelaine jusqu'à obtention d'une poudre en particules traversant un tamis Tyler de 200 mesh . La composition chimique du mélange (% en poids) était la suivante:
Al2O3 32,15; SiO2 30,05; CaO 4,78; MgO 9,52; B203 10,63; pertes par combustion 12,27.
On a mélangé 9 parties en poids du produit en poudre cidessus et 6 parties en poids de farine de blé avec 100 parties en poids d'alumine fondue du commerce en particules d'environ 0,70 mm, pflis on a malaxé le tout avec 2,5 parties en poids de dextrine et 4 parties en poids d'eau.
La pâte ainsi obtenue a été moulée dans un tube de 900 mm de long ouvert aux deux bouts ayant des diamètres intérieurs et extérieurs de 60 et 100 mm respectivement; puis le cylindre moulé a été retiré, séché et calciné 8 h à 1350' C dans une flamme de brûleur à mazout. Le produit fini avait une densité moyenne de 2,08, une porosité apparente de 45,0, une résistance à la compression de 230 kg/cm2 et, dans l'échelle de perméabilité de matériaux de filtrage, l'indice 48. Le taux de filtration de l'aluminium fondu à travers cet article tubulaire était de 1,45 fois celui mesuré avec un filtre usuel. Lors de l'immersion du matériau calciné dans un alliage d'aluminium (635) fondu à 770 C, on n'a observé aucun changement après 20 jours de contact.
Exemple 2:
On a broyé et mélangé 48 h dans un moulin à boulets 20 parties d'alumine calcinée, 20 parties d'argile gairome, 17 parties de wollastonite, 15 parties de talc et 8 parties d'acide borique (toutes ces parties en poids) jusqu'à obtention de particules traversant un tamis Tyler de 200 mesh . La composition chimique de ce mélange était la suivante (en %):
Au203 28,09; SiO2 36,17; CaO 9,24; MgO 8,09; B203 9,67; la perte par combustion était de 7,54.
On a mélangé 13 parties de la poudre ci-dessus avec 10 parties de son de riz et 100 parties d'alumine fondue du commerce en particules d'environ 0,59 mm et on a malaxé le tout avec 5 parties d'une liqueur sulfitique cellulosique résiduelle (qu'on peut obtenir d'une quelconque fabrique de papier) comme produit agglutinant et 2 parties d'eau. La pâte ainsi obtenue a été moulée dans un tube identique à celui décrit dans l'exemple 1. Après séchage, le cylindre moulé a été calciné 10 h à 1300 dans la flamme d'un brûleur à mazout. Le produit résultant présentait les propriétés suivantes: densité moyenne 1,98; porosité apparente 47,7; résistance à la compression 195 kg/cm2; indice de perméabilité 54.
En filtrant de l'aluminium fondu à travers ce matériau, on a mesuré un taux de passage égal à 1,7 fois celui obtenu d'un matériau filtrant habituel.
On n'a pas constaté de modification de ce matériau aprés 20 jours d'immersion dans une fonte d'alliage d'aluminium 635 à 770 C.
Exemple 3:
On a mélangé 100 parties d'alumine fondue en particules d'environ 0,50 mm avec 16 parties du mélange pulvérisé décrit à l'exemple 1 et 13,5 parties de farine de blé: on a malaxé ce mélange avec 3 parties de dextrine et 6 parties d'eau (toutes ces parties en poids) et le mélange a été moulé dans un tube similaire à celui de l'exemple 1. Après séchage le cylindre moulé a été calciné 10 h à 1350 C. Les propriétés du produit calciné étaient les suivantes: densité moyenne 1,89; porosité apparente 50%: résistance à la compression 152 kg/cm2: indice de perméabilité 72.
Le taux de filtrage de l'aluminium fondu à travers ce matériau était 1,9 fois le taux obtenu au moyen des matériaux usuels.
L'indice de perméabilité est exprimé par le nombre de mètres cubes d'air passant par minute à travers une surface d'un mètre carré du matériau filtrant sous une pression de 6,8. 10-2 atm.
Les propriétés les plus marquantes du matériau filtrant de la présente invention sont les suivantes:
On peut lui donner un indice de perméabilité d'environ 30
à 90, de préférence de 45 à 48, une densité d'environ 1,70 à 2,27,
de préférence 1,80 à 2,26, mieux, 2,00 à 2,25; et une porosité
apparente d'environ 39,0 à 51,0, de préférence 41,0 à 48,0, mieux
de 42,0 à 46,0.
The present invention relates to a process for the preparation of a filter material and to the filter material obtained, the latter making it possible to improve and accelerate the filtration of liquids.
Among the usual filtration processes, and more particularly molten aluminum, there is a process involving a glass fiber or aluminum sieve, a process using a fixed mass of alumina and a process using a rigid filter medium. According to the latter method, an apparatus is used comprising a filtering tank provided with an inlet and an outlet of liquid aluminum, a heating cover containing a heating element, and a thermocouple. In this process, the molten aluminum passes by gravity, due to the differences in level between the inlet and the outlet of the filter, a rigid tubular filter medium. This method is superior to others in the quality of filtration, its adaptability to work in the field, etc.
In general, a filter medium such as a rigid filter medium should have the following properties: 1) It should contain a sufficient number of pores permeable to
the air of suitable dimensions and very uniform.
2) It must resist attack from the liquid to be filtered.
3) It must resist heat and crumbling.
4) The particles of the aggregate it contains must be solid
linked to each other and not cause any fault in
filtration.
5) It must have a mechanical resistance exceeding a level
given.
A means has already been described for making a filter material, such as a rigid filter material, using an agglomerated material and a sintered glassy binder. For example, the filter medium based on vitreous binder material described in United States Patent USP N 3524548 has excellent resistance to corrosion by molten aluminum and allows regular filtration.
However, with the vitreous binder material used according to this US patent, it is difficult to obtain a well-defined structure of this filter medium, comprising agglomerated material, a binder and air permeable pores. In fact, one cannot, with such a material, increase the filtration efficiency by multiplying the number of air permeable pores of uniform size.
When the binder is vitreous, one has to face the following disadvantages:
1) As the viscosity of the binder gradually decreases with
increase in calcination temperature, it is difficult to increase
lie the distance separating the particles of
chipboard and to lengthen the connecting bridges made up of
binder.
2) If, together with the binder, a combustible material is used
tible in order to increase the proportion of pores permeable to
air in the filter material, the carbonized combustible material
if it is inside the binder will remain enclosed in the product
glassy which will cause a decrease in its resistance
mechanical and, often, filtering faults.
Thus, when a vitreous material is used as a binder, a filtering medium is obtained, the filtering structure of which depends only on the nature of the agglomerated particles. Although the pore size can be controlled by varying the particle size of the aggregate, it is difficult to control the number of such pores in the filter medium.
A first object of the present invention, obviating the aforementioned drawbacks, consists of a process for the preparation of a filter material making it possible to accelerate and improve the filtration of liquids and having a permeability index of between 30 and 90, a average density between 1.70 and 2.27 and an apparent porosity between 39.0 and 51.0%, characterized in that 100 parts by weight of particles to be agglomerated comprising at least one product chosen from among molten alumina, agglomerated alumina, silicon carbide and silicon nitride, 5 to 18 parts by weight of an inorganic binder comprising 10 to 50% by weight of SiO2 and 5 to 20% by weight of Bu03 , at least 70% by weight of this binder being a non-vitreous substance, and 3 to 15 parts by weight of a solid powdered fuel,
and by the fact that the mixture thus obtained is kneaded with an agglomerating agent and water, that this kneaded mixture is molded, dried, and then calcined at a temperature of minus 1100'C.
In addition, a second object of this invention is a filter material obtained by carrying out the above process.
As the predominant amount of the binder is constituted by a non-vitreous substance, the decrease in the viscosity of the binder product is very small after aggregation, and the length of the bridges or distance separating, one from the other, the bound particles of the chipboard, can be kept large enough. We can describe the microscopic structure of the present filter medium as being composed of agglomerated particles bound together by the mineral binder and leaving, between them, voids (which were formed by decomposition and disappearance of the combustible material), the length of the bridges represents the distance between the particles of the aggregate.
Thus, the size of the air permeable pores can be freely chosen by mixing a suitable amount of combustible material and suitably choosing the size of the particles to be agglomerated. The increase in the number of pores does not cause a sufficient reduction in the mechanical strength of the filtering material to risk causing difficulties in use, since the degree of agglomeration is, despite everything, sufficient; filtering faults therefore cannot occur.
The expression mineral binder containing a major amount of non-vitreous substance refers to a binder containing at least one natural or synthetic non-vitreous substance in powder form, such as talc, gairome clay (mixture of oxides comprising 31-35% by weight Al2O3; 47-51% SiO2; 0.5-1% CaO; 0.05-0.1% MgO; and 1-2% MgO; with a water loss on calcination of 14- 17% by weight) calcined alumina, and boric acid. Tests have shown that if the chemical composition of this mineral binder does not include more than about 50% by weight of SiO2 and not less than about 5% by weight of B2 03, the latter has sufficient resistance to attack on molten aluminum when it is used for the manufacture of a filter medium.
The inorganic binder product contains at least 70% by weight of non-vitreous material, preferably 72-85% by weight of this material.
The composition below is a typical example of such a product: 10-50% Siq 32.8
5-20% B202 13.3 20-60% Al203 38.2
2-10% CaO 4.5
2-20% MgO 9.8
EMI1.1
98.6% of other substances, such as Na2O, K20, Fe203, etc., which may be present in trace amounts.
The non-vitreous materials which are preferably used for the preparation of the present filter material essentially comprise 10-50% by weight of a substance of the formula RO2, i.e. an oxide of a tetravalent metal such as SiO2, TiO2. , Geq and ZrO2; from 25 to 80% by weight of a material of formula R2 03, that is to say an oxide of a trivalent metal such as AI203, B203 (the limit of 5 to 20% of B203 in the mineral binder final being however respected) and Fe203; and from 4 to 30% by weight of a material of formula RO, i.e. an oxide of a divalent metal such as
CaO, MgO, ZnO, etc. The presence of traces of products of formula R2O, for example Nua20, K2O, etc., can be tolerated without inconvenience for the non-vitreous material.
If, on the other hand, the SiO2 content of the binder is less than about 10% by weight and the B203 content greater than about 20% by weight, the viscosity of the binder product decreases sharply even if the calcination temperature is about It is 00 C or more, and it is not possible to ensure sufficient length of the bonding bridges of the binder.
Although the minimum temperatures for performing the calcination are of great importance, the operation will generally be carried out without exceeding a maximum of about 2000 C, that is to say the melting point of alumina, and, preferably, at- below about 1700 C. (In the examples, the calcination is carried out at 1380 ° C.) It is not necessary, to do this, to operate under the protection of an inert gas and one works willingly in a tube traversed by a hot gas.
The size and number of the air permeable pores present in the filter material obtained by the process according to the invention can be controlled by suitably choosing the amounts of binder and of combustible material. It is therefore not necessary to rely solely on the size of the particles to be agglomerated in order to determine the size of the pores, as is the case in the manufacture of filter materials using vitreous binders. The choice of particle size is relatively unimportant; however, particles will preferably be chosen which pass through sieves of 7 to 80 mesh (mesh size of approximately 2.79 to 0.18 mm) and this in order to prevent deformation of the filter material during calcination and in order to obtain good filtering efficiency of molten aluminum and other similar products.
Preferably, particles passing through sieves of 12 to 40, more preferably 16 to 30 mesh (numbers according to the ASTM Sieve Standard numbering) will be chosen.
The particle size of the inorganic binder and that of the particles of the combustible material can also vary within wide limits. Good results are obtained with particles of mineral binder less than 400u (microns), preferably between 40 and 100 #: it will be advantageous to use particles of combustible material less than 560u, preferably less than 400H even better, included between 50 and 30011.
To 100 parts by weight of particles to be agglomerated, 5 to 18 parts by weight of inorganic binder and 3 to 15 parts by weight of combustible material are added. If the amount of the inorganic binder is less than 5 parts by weight, the distance separating the particles from the aggregate is too small and the average pore diameter becomes too small. This tendency would be contrary to the aims of the present invention. On the other hand, if the amount of inorganic binder greatly exceeds 18 parts by weight, the particles of the aggregate are too far apart from each other which causes deformation of the filter material during calcination, which can become sufficient to render it unusable.
If the quantity of combustible material in the mixture is much less than 3 parts by weight, the pore size is insufficient and, if it greatly exceeds 15 parts by weight, the binder itself becomes excessively porous which leads, for the filter material , a lack of mechanical resistance.
Calcination temperatures of 1100 C or higher are required to ensure complete combustion of the combustible materials. The definition of the combustible materials that can be used to make the present material is very broad. Indeed, to be suitable, it is sufficient that this material is a solid which can be eliminated by combustion during calcination, that is to say to be decomposed in gaseous form so as to cause the formation of empty spaces in the filter material. As long as a material can undergo the above decomposition, it can be used. However, although in theory one could use any combustible product capable of decomposing, by calcination, into washable gaseous products during a subsequent manufacturing step, such a process would prove to be too complicated for a practical application.
Ultimately, the choice of fuel, used in the form of particles of suitable size, is dictated mainly by economic considerations. Certain restrictions obvious to those skilled in the art will also have to be taken into consideration: untimely degradation or adverse reaction with certain components of the filtering material, etc.
It is thus necessary that the chemical composition of the inorganic binder is suitably chosen so that at temperatures of 1100 ° C. or more, there is no reduction in its viscosity and, for this, that the major part of this binder mineral consists of a non-vitreous substance.
On an industrial scale, satisfactory results are obtained if the pore diameter is about 40 to 1000 H, preferably 150 to 600 μ, better still 250 to 400 μ. We must accept a compromise between the quality of the finished product, i.e. small variations in the size of the pores (which can be improved by working under particularly well-controlled conditions) and the increase in price. cost, depending on this improvement.
The material which is the subject of the invention is produced by mixing an inorganic binder, an aggregate, a combustible material and other products such as water and an agglutinating substance, molding the whole into shape and calcining it. . The mineral binder can be prepared by mixing at least 70 parts by weight of a non-vitreous, natural or artificial product such as talc, gairome clay (see Dictionary of Ceramics, p. 35, published by Maruzen Publishing Co. , Ltd., Japan), calcined alumina and agglomerated alumina (as is known in practice, calcined or agglomerated alumina is an alumina having a crystalline structure in platelets which is prepared by agglomerating the latter with temperatures close to its melting point).
A typical example of such a product is tabular alumina manufactured by Alcoa International S.A. which has the following properties: A1203 99.5%; density, as a particulate powder passing through a 325 mesh screen; specific gravity 3.65-3.8; apparent porosity 5%; water absorption 1.5% (by way of comparison, the molten alumina is alumina molten in an electric furnace with a glassy appearance). Aluminum hydroxide, H3BO3, CaCO3, MgCO3, wollastonite, silica sand and siliceous rocks can also be used. To this is added an amount not exceeding 30 parts by weight of a vitreous substance which can be any provided to withstand the calcination temperature and contact with the liquid to be filtered, for example molten aluminum.
The freedom to choose this vitreous substance comes from the fact that at most 30% of it is used. Indeed, if the inorganic binder contained more than 30%, it would not be possible to perform the calcination under good conditions. As such a substance, a meltable porcelain coating of commercial type can be employed, the composition of such a coating being between the limits of about 10 to 50% by weight of SiO2 and of about 5 to 20% by weight of SiO2. B203. These components are then pulverized and intimately mixed in a mixer-mill, for example a ball crusher.
The particles of the inorganic binder thus prepared are generally able to pass through a 200 mesh Tyler sieve.
Then, about 5 to 18 parts by weight of the fine powdered inorganic binder and about 3 to 15 parts by weight of a combustible material, such as rice flour, wheat flour, charcoal powder, polystyrene are mixed. or polyurea resin with 100 parts by weight of powders (in particles passing through sieves of 7 to 80 mesh) of at least one aggregate selected from molten alumina, agglomerated alumina, silicon carbide and nitride of silicon, the dimensions of which are preferably in accordance with those mentioned above, and the mixture is kneaded with small amounts of water and an agglutinating product, such as dextrin,
the residual sulphite liquors from the treatment of the wood pulp and polyvinyl alcohol, then the product is molded into shape and dried according to the usual methods (the drying is carried out simply by heating to temperatures not liable to damage the filter material molded; cracking is the most serious problem that can arise during this operation). The dried mixture is then calcined at a temperature of about 1100 C or higher.
In general, 1 to 10 parts by weight of water and of agglutinating product are used per 100 parts by weight of the aggregate. However, these proportions are not critical and can be freely modified as needed.
Typical agglutinants are mentioned in US Patent No. 3,524,548, column 2, lines 59-69. In this field of the technique, it is possible to freely choose the agglutinating product.
The structure of the filter material obtained by the process according to the invention is maintained without control thanks to the combustible product which has been mixed therein and. thus, a material having a large number of air permeable pores can be easily obtained. This filter material makes it possible to increase the filtration rate compared to known filters. Particularly when the present material is used to filter molten aluminum, the flow rate of the liquid can be increased from 30% to 100% compared to the usual filters because the number of passages made in the material is considerably more. tall. Since the number and size of the air-permeable pores of the present material can be adjusted at will, it can be used for the accelerated filtration of other molten metals, gas or water, provided that these products do not attack the filter.
In addition, as the binder of the present material is not a vitreous substance, which makes it possible to carry out the calcination at a temperature higher than those generally suitable for this type of operation, the present filter material exhibits very good resistance to heat and crumbling.
From the foregoing, it will be understood that the use of the word about to define the ranges of compositions going into the preparation of the present material indicates that the limits of these ranges are not critical. However, these have been determined by repeated trials and, if they are observed, the best results are obtained. For these reasons, the interpretation of the word environ will be based on the above description.
The present invention is illustrated by the examples which follow.
In these examples, the inorganic binders used have the chemical compositions (weight) indicated below. Not all ingredients are used in every example, and due to analytical error, totals may not always add up to 100%.
Losses
AkO3 SiO2 CaO MgO B203 Fe203 by combustion *
Talc .. .................. ¯ ... ¯ ---- ¯ 1.30 59.85 0.86 28.85 ¯ 3.10 5.21 Calcium carbonate ............ calcium ¯ ¯ 54.89 0.93 - ¯ 43.72
Gairome clay .............. 32.19 48.83 0.80 0.06 ¯ 1.39 16.40
Calcined alumina 99.20 0.02 - ¯. . . . . . . . . . . . 99.20 0.02 - - - 0.03
Boric acid ................... - - - - 56.40 - 43.52
Wollastonite ....................... - 51.32 48.01 - Commercial glaze for porcelain 8.08 43.45 3.89 18.74 25, 85
* Simply for analytical reasons without importance on the usefulness of the products.
Example 1:
(In this example and those that follow, parts are by weight.)
23 parts by weight of talc, 23 parts by weight of calcined alumina, 20 parts by weight of gairome clay, 7 parts by weight of CaCO3 and 15 parts of a coating were mixed and ground for 48 hours in a ball mill. commercial porcelain glaze until a particulate powder is obtained which passes through a 200 mesh Tyler sieve. The chemical composition of the mixture (% by weight) was as follows:
Al2O3 32.15; SiO2 30.05; CaO 4.78; MgO 9.52; B203 10.63; combustion losses 12.27.
9 parts by weight of the above powdered product and 6 parts by weight of wheat flour were mixed with 100 parts by weight of commercial molten alumina in particles of about 0.70 mm, and the whole was kneaded with 2 , 5 parts by weight of dextrin and 4 parts by weight of water.
The paste thus obtained was molded into a tube 900 mm long open at both ends having inner and outer diameters of 60 and 100 mm respectively; then the molded cylinder was removed, dried and calcined for 8 hours at 1350 ° C in an oil burner flame. The finished product had an average density of 2.08, an apparent porosity of 45.0, a compressive strength of 230 kg / cm2 and, in the filter material permeability scale, the index 48. The rate filtration of molten aluminum through this tubular article was 1.45 times that measured with a conventional filter. When immersing the calcined material in an aluminum alloy (635) molten at 770 C, no change was observed after 20 days of contact.
Example 2:
20 parts of calcined alumina, 20 parts of gairome clay, 17 parts of wollastonite, 15 parts of talc and 8 parts of boric acid (all such parts by weight) were ground and mixed for 48 hours in a ball mill. 'to obtain particles passing through a Tyler screen of 200 mesh. The chemical composition of this mixture was as follows (in%):
Au203 28.09; SiO2 36.17; CaO 9.24; MgO 8.09; B203 9.67; the combustion loss was 7.54.
13 parts of the above powder were mixed with 10 parts of rice bran and 100 parts of commercial molten alumina in particles of about 0.59 mm and kneaded with 5 parts of a sulphite liquor. residual cellulose (obtainable from any paper mill) as a binder and 2 parts water. The paste thus obtained was molded in a tube identical to that described in Example 1. After drying, the molded cylinder was calcined for 10 h at 1300 in the flame of an oil burner. The resulting product exhibited the following properties: average density 1.98; apparent porosity 47.7; compressive strength 195 kg / cm2; permeability index 54.
By filtering molten aluminum through this material, a pass rate equal to 1.7 times that obtained from a usual filter material was measured.
No modification of this material was observed after 20 days of immersion in a cast aluminum alloy 635 at 770 C.
Example 3:
100 parts of molten alumina in particles of about 0.50 mm were mixed with 16 parts of the pulverized mixture described in Example 1 and 13.5 parts of wheat flour: this mixture was kneaded with 3 parts of dextrin and 6 parts water (all such parts by weight) and the mixture was molded into a tube similar to that of Example 1. After drying the molded cylinder was calcined for 10 h at 1350 C. The properties of the calcined product were as follows: mean density 1.89; apparent porosity 50%: compressive strength 152 kg / cm2: permeability index 72.
The rate of filtering molten aluminum through this material was 1.9 times the rate obtained using conventional materials.
The permeability index is expressed as the number of cubic meters of air passing per minute through an area of one square meter of the filter material under a pressure of 6.8. 10-2 atm.
The most striking properties of the filter material of the present invention are as follows:
We can give it a permeability index of about 30
at 90, preferably 45 to 48, a density of about 1.70 to 2.27,
preferably 1.80 to 2.26, more preferably 2.00 to 2.25; and porosity
apparent from about 39.0 to 51.0, preferably 41.0 to 48.0, more preferably
from 42.0 to 46.0.