RU2075370C1 - Способ получения композиционных фильтроэлементов - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к способам изготовления устройств для очистки жидкостей и газов, а именно, к получению композиционных фильтроэлементов, которые могут быть использованы в дисковых цилиндрических фильтрах в различных отраслях народного хозяйства, где к жидкостям или газам предъявляются специальные требования по чистоте. Сущность изобретения. Способ получения композиционных фильтроэлементов включает изготовления опорного каркаса из высокопористого ячеистого материала, нанесение на его поверхность фильтрующего слоя из порошка и спекание заготовки. Новым в способе является то, что перед спеканием готовят пастообразный шликер с содержанием твердой фазы 33 - 50 об. %, после нанесения на поверхность шликер внедряют в опорный каркас на глубину 0,3 - 2,5 мм, сушат на воздухе и спекают. Внедрение шликера на внутренних поверхностях сквозных отверстий опорного каркаса, имеющих постоянное сечение, производят с помощью конусного поршня, который перемещают вдоль оси отверстий с зазором 0,1 - 2,0 мм от его внутренней поверхности. Предлагаемый способ получения композиционных фильтроэлементов позволяет расширить технологические возможности производства фильтров, повысить прочность соединения фильтрующего слоя с опорным каркасом, расширить номенклатуру используемых порошков для получения фильтрующего слоя, увеличить срок службы фильтроэлементов. 1 з.п. ф-лы.

Description

Изобретение относится к способам изготовления устройств для очистки жидкостей и газов, а именно, к получению композиционных фильтроэлементов, которые могут быть использованы в дисковых цилиндрических фильтрах в различных отраслях народного хозяйства, где к жидкостям или газам предъявляются специальные требования по чистоте.

Известен способ изготовления металлических фильтроэлементов чечевицеобразной формы [1] имеющих внутренний опорный каркас, на который с двух сторон накладываются листы из фильтровальной ленты. Средний размер пор фильтрующего слоя может варьироваться от 9,7 до 29,2 мкм, проницаемость по воздуху от 1,0•10^-13 до 5,5•10^-13 м² при изменении пористости от 29 до 42% Способ изготовления фильтроэлемента включает вырубку из пористой фильтровальной ленты двух дисковых элементов с запасом под зажим краев, вырубку из жести и штамповку под требуемый профиль опорного каркаса, наружного и внутренних обжимных колец; сбоку конструкции и опрессовку внутреннего и наружного краев фильтроэлемента.

Недостатками способа являются большие отходы материалов, возникающие при вырубке из пористой ленты и листовой жести элементов круглой формы с внутренними отверстиями; применение сложного штампового оборудования. Использование пористых фильтровальных лент в качестве фильтрующих слоев снижает проницаемость фильтров и позволяет изменять диаметр пор фильтрующего слоя только в узком диапазоне, что ограничивает область применения таких фильтров. Кроме того наличие обжимных колец из жести существенно снижает площадь фильтрации фильтроэлементов.

Известен способ получения композиционных фильтроэлементов, включающий изготовление опорного каркаса из высокопористого проницаемого ячеистого материала (ВПЯМ), создание слоя из равномерно насыпанного мелкодисперсного бронзового порошка заданной толщины, укладку на него опорного каркаса и жидкофазное спекание опорного и фильтрующего слоев под нагрузкой 200 400 Па. Опорный каркас имеет пористость порядка 90% размер ячейки ВПЯМ (0,8±0,1) мм. Средний размер пор фильтрующего слоя может варьироваться от 15 до 100 мкм, пористость от 40 до 50%
Недостатком данного способа является невозможность получения фильтров сложной выпукло-вогнутой конфигурации. Припекание свободно насыпанного порошка к сетчато-ячеистому материалу не обеспечивает высокой прочности соединения между опорным каркасом и фильтрующим слоем при использовании порошков, в которых процессы жидкофазного спекания отсутствуют (например, меди, никеля, нержавеющей стали), что снижает срок службы таких фильтров. Кроме того порошки на основе бронзы имеют высокую стоимость.

Предлагаемый способ получения композиционных фильтроэлементов позволяет расширить технологические возможности производства фильтров, повысить прочность соединения фильтрующего слоя с опорным каркасом, расширить номенклатуру используемых порошков для получения фильтрующего слоя, увеличить срок службы фильтроэлементов.

Предлагаемый способ получения композиционных фильтроэлементов, включающий изготовление опорного каркаса из высокопористого ячеистого материала, нанесение на него поверхность фильтрующего слоя из порошка и спекание заготовки, отличается тем, что из порошка предварительно готовят пастообразный шликер с содержанием твердой фазы 33 50 об. после нанесения на поверхность шликер внедряют в опорный каркас на глубину 0,3 2,5 мм и сушат на воздухе, затем проводят спекание. Внедрение шликера на внутренних поверхностях сквозных отверстий опорного каркаса, имеющих постоянное сечение, производят с помощью конусного поршня, который перемещают вдоль оси отверстия на расстоянии 0,1 2,0 мм от его поверхности.

Применение шликера пастообразной консистенции дает возможность легко наносить его на поверхность опорного каркаса любой формы, имеющего открытые поры самого широкого диапазона размеров, а для облегчения задачи нанесения шликера на внутренние труднодоступные поверхности, к примеру, цилиндрической формы, используется металлический конусный поршень. Спекание материала обеспечивает полное удаление связующего вещества из нанесенного шликера и прочное соединение фильтрующего слоя с опорным каркасом.

Предлагаемый способ получения композиционных фильтроэлементов осуществляется следующим образом.

На изготовленный из ВПЯМ опорный каркас требуемой формы наносят шликер пастообразной консистенции на основе порошка и связующего вещества, причем шликер внедряется в поверхностный слой сетчато-ячеистого материала либо с помощью кисти, либо конусным поршнем в зависимости от формы поверхности подложки. Нанесенное покрытие сушат в потоке воздуха, после чего проводят спекание изделия.

Применение шликера для получения фильтрующих слоев лает ряд преимуществ при производстве композиционных фильтров. Вязкость шликера, а именно, соотношение его твердой и жидкой фаз легко варьируется, благодаря чему можно регулировать толщину покрытия, т.к. вязкость определяет глубину проникновения шликера в поверхностный слой сетчато-ячеистого материала. Для получения требуемой пастообразной консистенции готовят шликер с содержанием твердой фазы 33 50 об. Такой интервал обусловлен тем, что при содержании твердой фазы менее 33 об. шликер приобретает высокую жидкотекучесть и происходит неконтролируемое проникновение шликера в объем сетчато-ячеистого материала. При содержании порошка более 50 об. шликер имеет очень густую консистенцию и плохо внедряется в ячейки ВПЯМ, что приводит к снижению прочности соединения покрытия и подложки.

Подбором дисперсности частиц порошка в шликере можно в широком диапазоне изменять размер пор покрытия, т.к. известно, что средний диаметр образующихся пор примерно соответствует среднему размеру частиц порошка в шликере. В соответствии с изменением среднего диаметра пор меняется и проницаемость фильтрующего слоя и, следовательно, рабочие характеристики фильтра.

При получении фильтрующих слоев может использоваться широкая номенклатура порошков, хорошо спекающихся при нагреве, например, Cu, Fe, Ni, Co, Cr и их сплавов.

Использование ВПЯМ в качестве опорного каркаса позволяет получать фильтроэлементы самой разнообразной формы и размеров с высокими расходными характеристиками, так как сетчато-ячеистые материалы обладают достаточно высокой жесткостью и прочностью и имеют гидравлическое сопротивление на два-три порядка, чем у фильтрующих слоев из порошков.

Предлагаемый способ дает возможность не просто наносить порошок на поверхность сетчато-ячеистого материала, а внедрять его на глубину, равную 1^oC2 диаметрам ячейки ВПЯМ, что составляет 0,3 2,5 мм. Это значительно повышает прочность соединения опорного каркаса и фильтрующего слоя после спекания за счет припекания и механического заклинивания покрытия в ячейках сетчато-ячеистого материала. При внедрении шликера на глубину менее 0,3 мм прочность соединения покрытия с опорным каркасом может резко снизиться за счет уменьшения механического зацепления спеченного шликера с ячейками ВПЯМ. Внедрение шликера на глубину более 2,5 мм не увеличивает прочности соединения, но при этом возрастает расход шликера, ухудшается проницаемость фильтрующего слоя.

Получение фильтрующего слоя на наружных поверхностях опорного каркаса достигается нанесением пастообразного шликера с последующим его разравниванием, за счет чего происходит равномерное внедрение шликера в поверхностный слой сетчато-ячеистого материала. Затем проводят сушку и спекание изделия.

Для получения фильтрующих слоев на внутренних поверхностях опорного каркаса, являющихся сквозными отверстиями постоянного сечения, после нанесения шликера его внедрение в поверхностный слой и разрывание производят с помощью конусного поршня, затем проводят сушку и спекание. Применение конусного поршня позволяет получать фильтрующие слои равномерной толщины и с гладкой поверхностью по всей площади. В зависимости от формы внутренней поверхности опорного каркаса конусный поршень может иметь поперечное сечение самой разнообразной формы, например, в виде эллипса или квадрата, что не оказывает существенного влияния на получение однородного и равномерного по толщине фильтрующего слоя. Наружный размер конусного поршня выбирают с таким расчетом, чтобы между ним и внутренней поверхностью опорного каркаса, на которую наносится покрытие, оставался зазор величиной 0,1 2,0 мм, так как при зазоре менее 0,1 мм возникает трение между конусным поршнем и опорным каркасом, а при зазоре более 2,0 мм сложнее получить ровную поверхность фильтрующего слоя и хуже происходит внедрение шликера в поверхность ВПЯМ.

Спекание фильтроэлементов может проводится в восстановительной, окислительной или инертной среде в зависимости от состава шликера, в результате чего достигается полное удаление связующего вещества из нанесенного покрытия и образуется прочная связь между частицами порошка фильтрующего слоя и структурными элементами сетчато-ячеистого опорного каркаса.

Способ позволяет почти полностью внедрять фильтрующий слой в поверхность опорного каркаса из ВПЯМ, благодаря чему их прочность сцепления возрастает и зависит уже не только от качества припекания двух материалов, но и от их прочностных характеристик. При этом увеличивается срок службы фильтра, поскольку такие фильтроэлементы лучше переносят очистку, механические и гидравлические нагрузки.

Для очистки фильтроэлементов, получаемых данных способом, может применяться большинство известных сейчас методов, причем такие фильтры могут хорошо переносить многократную очистку.

Способ дает возможность наносить покрытия практически на любые поверхности опорных каркасов из ВПЯМ, что позволяет создавать фильтроэлементы сложной формы с максимальной площадью фильтрации.

При одинаковых исходных составах порошков фильтрующие слои, получаемые методами шликерной технологии, имеют пористость, проницаемость и средний размер пор выше, чем у порошковых слоев, изготовленных другими методами, например, прессованием, прокаткой или спеканием в свободной насыпке. Это объясняет тем, что во время спекания при деструкции связующего вещества образуются сквозные газовые каналы, и кроме того наносимый шликер неизбежно содержит газовые включения.

Варьируя составы исходных порошков, виды связующих веществ, толщину покрытий и режимы спекания можно изменять пористость материала фильтрующих слоев от 25 до 85% средний диаметр пор от 1 до 100 мкм, коэффициент проницаемости от 1•10^-11 до 3•10^-15 м².

Определение пористости проницаемых материалов и изделий проводили согласно ГОСТ 25281-82 (СТ СЭВ 2291-80), определение проницаемости согласно ГОСТ 25283-82 (СТ СЭВ 2291-80). Распределение пор по размерам определяли методом вытеснения жидкости из пор.

С целью уменьшения расхода ВПЯМ при производстве опорных каркасов возможно изготовление из пенополиуретана заготовок требуемой формы и размеров, из которых после нанесения покрытия и спекания можно получать готовые опорные каркасы без дополнительной механической обработки [2]
Предлагаемый способ технологически не сложен и позволяет наладить массовое производство таких фильтроэлементов.

Способ поясняется следующими примерами конкретного выполнения.

Пример 1.

Из медно-никелевого ВПЯМ изготовляли диск с наружным диаметром 100 мм, внутренним диаметром 43 мм и толщиной 5 мм. Шликер готовили смешиванием подкисленного медного порошка марки ПМС-1 и 7% водного раствора поливинилового спирта. Готовый шликер имел пастообразную консистенцию с содержанием твердой фазы 35 об. Для нанесения шликера на все наружные поверхности диска из сетчато-ячеистого металла использовался метод окунания с последующим выравниванием покрытия кистью. Шликер при этом внедрялся в поверхностный слой ВПЯМ на глубину 1 мм. Заготовку сушили в потоке воздуха при комнатной температуре. Спекание проводили в окислительно-восстановительном режиме при 750^oC.

Полученный фильтроэлемент имел фильтрующий слой толщиной 1 мм пористостью 80% при среднем размере пор порядка 50 мкм. Диаметр ячеек опорного каркаса из медно-никелевого ВПЯМ составлял 0,8±0,1 мм при пористости 90% Коэффициент проницаемости фильтрующего слоя k= 6,1•10^-12 м²; скорость фильтрации воздуха таким фильтроэлементом при перепаде давлений 770 Па 0,23 м/с.

Пример 2.

Из медного ВПЯМ изготовляли втулку с наружным диаметром 60 мм, внутренним диаметром 30 мм и длиной 100 мм. Шликер готовили смешиванием подкисленного медного порошка с размером частиц порядка 10 мкм и 7% водного раствора поливинилового спирта. Шликер имел пастообразную консистенцию с содержанием твердой фазы 33 об. Для нанесения шликера на внутреннюю поверхность втулки из сетчато-ячеистого металла использовали конусный поршень диаметром 29,8 мм, длиной 130 мм и с двусторонней конусностью по 60^o. Операция нанесения шликера проводилась следующим образом. Втулка-подложка ставилась вертикально и снизу в нее вводилась конусная часть поршня. Сверху втулка наполнялась пастообразным шликером из расчета 1,2 от объема фильтрующего слоя, который необходимо получить. Затем конусный поршень 3 4 раза перемещали вверх и вниз вдоль оси втулки для гарантированного заполнения пор сетчато-ячеистого опорного слоя шликером и получения гладкого и равномерного покрытия. Излишки шликера удалялись. Глубина внедрения шликера в поверхностный слой ВПЯМ составляла ≈2,5 мм.

Заготовку сушили в потоке воздуха при комнатной температуре. Спекание проводили в окислительно-восстановительном режиме при 600^oC.

Полученный медный композиционный фильтр имел фильтрующий слой толщиной 2,5 мм пористостью 50% со средним размером пор 4 5 мкм. Диаметр ячеек опорного слоя из сетчато-ячеистого металла составлял 0,8±0,1 мм, пористость 90% Коэффициент проницаемости фильтрующего слоя k 10^-13 м².

Пример 3.

Из ВПЯМ состава Х18Н9 изготовляли втулку с наружным диаметром 60 мм, внутренним диаметром 30 мм и длиной 100 мм. Шликер готовили смешиванием порошка марки ПХ18Н15 фракции 0 50 мкм и 7% водного раствора поливинилового спирта. Готовый шликер имел пастообразную консистенцию с содержанием твердой фазы 50 об. На внутреннюю поверхность втулки шликер наносили с помощью конусного поршня диаметром 29,8 мм аналогично примеру 2. Глубина внедрения шликера в поверхностный слой ВПЯМ составляла примерно 0,3 мм.

Заготовку сушили в потоке воздуха при комнатной температуре. Спекание проводили в среде осушенного водорода при температуре 1200^oC.

Полученный композиционный фильтр из нержавеющей стали имел фильтрующий слой толщиной ≈0,3 мм при пористости 52% и среднем размере пор 16 мкм. Диаметр ячеек опорного слоя из коррозионностойкого ВПЯМ составлял 1±0,1 мм, пористость 90% Коэффициент проницаемости k 2•10^-12 м².

Таким образом заявляемый способ позволяет получать фильтроэлементы различной формы и размеров с высокими расходными характеристиками.

Claims (2)

1. Способ получения композиционных фильтроэлементов, включающий изготовление каркаса, нанесение на его поверхность фильтрующего слоя из порошка и спекание заготовки, отличающийся тем, что каркас изготавливают из высокопористого ячеистого материала, а из порошка предварительно готовят пастообразный шликер с содержанием твердой фазы 33 50 об. и после нанесения шликер внедряют в опорный каркас на глубину 0,3 2,5 мм и сушат на воздухе.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при изготовлении фильтроэлементов с сквозными отверстиями постоянного сечения внедрение шликера в опорный каркас производят на внутренней поверхности отверстий при перемещении конусного поршня вдоль оси отверстия с зазором 0,1 2,0 мм между поверхностями поршня и отверстия.