直孔陶瓷过滤器.pdf

本发明涉及一种铸钢用直孔陶瓷过滤器，包含60%‐80%的Al2O3、10%‐25%的SiO2、5‐15%的ZrO2和不超过1.0%的其它碱金属氧化物。优选地，其晶相组成为锆莫来刚玉，主晶相为莫来石，次晶相为四方相氧化锆、刚玉相及少量单斜相氧化锆；其中氧化锆，5‐15%；莫来石，40%‐75%；刚玉，5%‐50%；玻璃相≤5%。该直孔陶瓷过滤器可耐1700℃高温钢水急（直）冲而不破碎，达到钢水净化的效果。

权利要求书
1.  一种铸钢用直孔陶瓷过滤器，其特征是，所述直孔过滤器化学成分为：


2.  如权利要求1所述的铸钢及高温合金用直孔陶瓷过滤器，其特征是，所述的直孔陶瓷过滤器晶相组成如下：


3.  如权利要求1所述的铸钢用直孔陶瓷过滤器，其中，氧化锆源自锆刚玉砖的抛光下脚料，或者块状有缺陷的锆刚玉砖经破碎后形成的锆刚玉粉体。

4.  如权利要求3所述的铸钢用直孔陶瓷过滤器，其中，原料选自锆刚玉砖的抛光下脚料、刚玉粉、高岭土、莫来石粉中的两种或多种。

5.  如权利要求4所述的铸钢及高温合金用直孔陶瓷过滤器，其特征是，采用的原材料质量百分比为：
ZrO2含量≥5%的锆刚玉砖抛光下脚料   45%‐100%
Al2O3含量≥98%的刚玉粉             0%‐50%
Al2O3含量≥30%的高岭土             0%‐10%
其中至少包含锆刚玉砖抛光下脚料、高岭土和刚玉粉中的两种或多种，并且各原料成分之和为100%。

6.  如权利要求1所述的铸钢用直孔陶瓷过滤器，其特征是选用锆刚玉砖抛光下脚料作为锆源，其中锆刚玉砖抛光下脚料中含氧化锆、氧化铝及二氧化硅。

7.  如权利要求1所述的铸钢用直孔陶瓷过滤器，其特征是，坯体厚度15‐25mm，过滤器的筋厚为0.8‐1.3mm。

说明书直孔陶瓷过滤器
技术领域
本法明所属于硅酸盐材料、工业陶瓷领域，特别涉及一种铸造工艺中过滤钢水中杂质的直孔陶瓷过滤器。
背景技术
金属液的净化对提高铸件的力学性能起到重要作用，因此，过滤技术在金属液净化方面尤为重要。目前用于金属液净化的过滤装置为陶瓷过滤器，可有效截获金属液中的有害杂质并使金属液由紊流变为层流，起到净化和均质作用。陶瓷过滤器按照结构可分为泡沫陶瓷过滤器和直孔陶瓷过滤器。目前的用于铸钢的过滤器全部是泡沫陶瓷过滤器，而且用于铸钢的泡沫过滤器的制备全部依赖于氧化锆。由于氧化锆是一种稀有金属氧化物，虽然过滤效果好，但高昂的价格严重限制其在铸钢过滤领域中的广泛应用，只是用于特种钢或者高附加值的钢或合金的铸造。
陆续有氧化锆之外的其他材料的泡沫过滤器的研究报道，如氧化锆增韧莫来石体系、氧化锆增韧刚玉体系及刚玉体系的泡沫陶瓷过滤器应用于铸钢及高温合金的研究报道，但是迄今为止，铸钢与高温合金用过滤器目前还是氧化锆基泡沫陶瓷过滤器，其它材料体系均未成功批量生产用于铸钢和高温合金的过滤。美国Selee公司先后报道了氧化锆增韧莫来石体系（75Al2O3·17ZrO2·8SiO2）和氧化锆增韧刚玉体系（65PSZ·35Al2O3）的泡沫陶瓷过滤器用于钢水的过滤净化；美国Hi‐Tech公司报道了氧化锆增韧刚玉体系（79Al2O3·21ZrO2）和刚玉体系（98Al2O3·2SiO2）的泡沫陶瓷过滤器用于钢水的过滤净化；英国Foseco公司推出氧化锆增韧刚玉（ZTA）体系泡沫陶瓷过滤器用于钢水的过滤净化。铸造用泡沫陶瓷过滤器在国内的发展始于80年代初，哈尔滨理工大学于80年代中后期开发出用于1650℃以内的钢水过滤的泡沫陶瓷过滤器，其体系为氧化锆增韧刚玉体系（60Al2O3·11ZrO2·28SiO2·0.8TiO2），其中氧化锆粉体为增韧剂，二氧化钛剂耐火粘土为助烧剂，磷酸二氢铝为粘结剂；80年代后期湖北机电研究设计院先后推出了ZMF（氧化锆增韧莫来石体系）和ZAF（氧化锆增韧刚玉体系）的泡沫陶瓷过滤器用于低于1650℃以内的钢水过滤。综上所述，用于钢水过滤的泡沫陶瓷过滤器为含锆体系，氧化 锆含量大多在15wt%以上，且氧化锆以纯氧化锆粉体形式引入，价格昂贵，且使用温度大多低于1650℃。迄今为止，尚无铸钢用金属液过滤的直孔陶瓷过滤器的相关报道。
直孔陶瓷过滤器是近年来开发出的新型陶瓷过滤器，具有外观规整度好、冷热态强度高、抗热震性能好、生产成本较低等特点，但目前直孔陶瓷过滤器主要应用于铁水、铝合金、铜及其合金等低熔点金属液的杂质过滤，在铸钢等高温金属液的过滤应用尚未有相关产品问世。中国专利200810182753.3中公开了一种直孔陶瓷过滤器的制造方法及制造系统。该直孔陶瓷过滤器采用模压方法成型，仅限于过滤铸铁等低温金属液。中国专利申请号201110271813.0介绍了一种蜂窝陶瓷成型技术制备的铸铁用直孔陶瓷过滤器。
本领域需要一种成本低廉的可以有效过滤铸钢液的工业化应用的直孔陶瓷过滤器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低成本的氧化锆增韧莫来石刚玉体系直孔陶瓷过滤器。该直孔陶瓷过滤器成本低廉，氧化锆的引入通过锆刚玉砖抛光下脚料的形式引入，原材料成本低廉，通过模压成型技术或者利用蜂窝陶瓷挤出成型技术成型，经高温一次合成，可耐1700℃高温钢水急（直）冲而不破碎，达到钢水净化效果。
本发明的铸钢及高温合金用直孔陶瓷过滤器具有以下化学成分：

在一种具体实施方式中，该直孔陶瓷过滤器的晶相组成如下：


在进一步的实施方式中，过滤器采用的原材料质量百分比为：
ZrO2含量≥5%的锆刚玉砖抛光下脚料   45%‐100%
Al2O3含量≥98%的刚玉粉             0%‐50%
Al2O3含量≥30%的高岭土             0%‐10%
其中至少包含锆刚玉砖抛光下脚料、高岭土、刚玉粉中的两种或多种，并且各原料成分之和为100%。
作为对前述各种方案的改进，所用原料中，锆刚玉砖抛光下脚料的粒径大于1000目；高岭土的粒径大于500目；氧化铝的粒径大于325目。
作为对前述各种方案的改进，直孔陶瓷过滤器坯体厚度根据外形尺寸大小变化范围为15‐25mm。
作为对前述各种方案的改进，过滤器的筋厚为0.8‐1.3mm，更优选为0.9‐1.2mm之间。
本发明首次获得氧化锆增韧莫来石刚玉的直孔陶瓷过滤器，该过滤器可以耐受1700℃或者更高温度的钢水冲击而不破碎，具有很好的抗热震性，而且，该过滤器具有良好的过滤功能，可以滤除钢水中70%以上的杂质。
具体实施方式
除非另有说明，否则本发明的上下文中所用的术语具有下面给出的含义。本文没有具体给出含义的其他术语具有其在本领域中通常的含义。本发明中所称的原料是无机材料的总称，不包含制作工艺中添加的有机助剂。根据本发明提供的直孔过滤器以重量计由以下成分组成：


上述其它碱金属氧化物并非出于特定目的而引入，是由于主原料中含有少量碱金属氧化物的原因。本发明排除了含有其他成分的技术方案。发明人发现，具有上述组成的直孔陶瓷过滤器其耐火度远高于1750℃，且具有较低的热膨胀系数、高抗热震性和较强的常温、高温机械强度，可以耐受1700℃高温钢水液急（直）冲而不破裂。本发明的一个特点在于包含不低于60％的氧化铝，过低的氧化铝含量会使产品玻璃相较多，导致产品耐火度下降；过高的氧化铝含量将影响莫来石的转化，热膨胀系数升高，抗热震性能降低，高温使用性能下降。另外，具有该配方的直孔过滤器具有可接受的成本，有利于在国内的铸钢企业大规模使用。
作为一种优选实施方式，本发明的直孔陶瓷过滤器具有以下的相组成：

在本发明中，玻璃相总是存在，由于原料总是含有碱性金属氧化物，它们会和不定形二氧化硅形成低共熔化合物而以玻璃相的形式存在，但是玻璃相含量不超过5%。
在本发明的产品中，主晶相为莫来石，莫来石具有良好的高温力学以及高温热力学性能，具有高温强度高、高温蠕变率低、热膨胀系数低、抗化学侵蚀性强、抗热震性能高等特点；次晶相为四方相氧化锆、刚玉相及少量单斜相氧化锆。其中，刚玉具有冷热态强度高、抗化学侵蚀性强等特点；氧化锆发生马氏体相变时伴随着体积和形状的变化，吸收能量，减缓裂纹尖端应力集中，阻止裂纹的扩展，从而提高产品的韧性。
在进一步优选的实施方式中，氧化锆以锆刚玉砖抛光下脚料的形式引入。在平板玻璃等领域，锆刚玉砖制备时需对表面抛光处理，混杂部分研磨材料，由此产生大量的超细粉末形成下脚料，其粒径往往在1000目以上，本专利不排除由有缺陷及废弃锆刚玉砖破碎形成的其他粉体。将该下脚料用于本发明具有以下优势，由于粉体粒径细小，其中的氧化硅易与氧化铝反应，在低温下合成莫来石，同时由于氧化锆颗粒的存在抑制了 晶粒异常长大。以该锆刚玉砖抛光下脚料、刚玉粉及耐火粘土为原料，通过模压成型或挤出成型方式制备坯体，经高温烧结合成氧化锆增韧莫来石刚玉质的直孔陶瓷过滤器，该直孔陶瓷过滤器组成为氧化锆增韧莫来石（ZTM）和ZTA（氧化锆增韧刚玉）。具有耐骤冷骤热，冷热态机械强度高，抗热冲击力强，抗渣性强，荷重转化点高，并具有极高的化学稳定性和极强的抗化学腐蚀性等特点。
在其他实施方式中，制备直孔过滤器的原料除了锆刚玉砖抛光下脚料之外，还可以使用其它形式的锆刚玉废砖的球磨粉体，其氧化锆含量及纯度远高于抛光下脚料；或由锆英砂、二氧化硅、高岭土、刚玉粉、莫来石粉等制成，可以按照成分含量的需要对上述原料进行组配。
在本发明的优选实施方式中，锆刚玉砖抛光下脚料为ZrO2含量≥5%的泥浆沉淀物；氧化铝为Al2O3含量≥98%、刚玉相含量≥95%的高温煅烧氧化铝；高岭土为Al2O3含量≥30%的粘土矿物，如紫目节、高岭土等，可任意选用其中的一种或两种。
在本发明典型的实施方式中，所用原料包含下列成分，其中至少包含锆刚玉砖抛光下脚料、高岭土及刚玉粉中的两种或多种，并且各原料成分之和为100%：
ZrO2含量≥15‐17%%的锆刚玉砖抛光下脚料   45%‐100%
Al2O3含量≥98%的刚玉粉             0%‐50%
Al2O3含量≥30%的高岭土          0%‐10%。
在本发明的另一个典型实施例中，以锆刚玉砖抛光下脚料、氧化铝、粘土主要原料，其中以锆刚玉抛光下脚料提供组成所需的锆源，并提供相应的氧化铝和二氧化硅，粘土提供氧化铝及二氧化硅，在烧结过程中合成氧化锆增韧莫来石陶瓷和氧化锆增韧刚玉陶瓷。
优选对上述原料的粒径加以选择，例如：锆刚玉砖抛光下脚料的粒径大于1000目；高岭土的粒径大于500目；氧化铝的粒径大于325目。采用上述粒径的物料进行配比，可以促进产品烧结过程中的莫来石化，提高产品的高温使用性能。
可以采用中国发明专利200810182753.3中披露的模压成型工艺制备本发明的过滤器，制备原料中可以还包含适量的减水剂、粘结剂及脱模剂等。减水剂为腐殖酸钠、三 聚磷酸钠、六偏磷酸钠中的一种或多种；粘结剂为聚乙烯醇、甲基纤维素中的一种或多种；脱模剂为硬质酸盐、乳化油、乳化石蜡中的一种或多种。将矿物原料及添加剂按比例投放于球磨机中湿法球磨后于喷雾造粒塔中造粒，采用专利200810182753.3中介绍的成型系统成型后在一定温度下烧结即得直孔陶瓷过滤器。
还可以采用中国发明专利申请201110271813.0披露的蜂窝陶瓷挤出成型工艺制备本发明的过滤器，制备原料中还应包含适量的粘结剂、增塑剂、润滑剂等。常用的粘结剂包括羟丙基甲基纤维素、甲基纤维素或桐油中的一种或多种，但是本发明不限于此，粘结剂的引入量通常为原料的3%‐11%之间；常用的增塑剂包括PVA、桐油、大豆油、液压油中的一种或多种，但是本发明不限于此，加入量通常为原料的3%‐8%；常用的润滑剂包括大豆油、菜油、液压油中的一种或多种，但是本发明不限于此，引入量为3%‐8%。为了制备本发明的产品，按照习知的方法，将各矿物按所需的要求分别球磨过筛，再按一定预定比例和适量粘结剂配料，经混料后，加入适量润滑剂和14%‐22%的水进行捏合。捏合后的泥料经粗练、陈腐、精练、成型、箱式微波定型、箱式烘房循环暖风干燥、切割、吹灰、烧成即得。
在本发明中，坯体厚度15‐25mm，优选厚度20‐25mm，典型厚度为22和25ｍｍ。本发明的过滤器优选筋厚0.8‐1.3mm，更优选0.9‐1.2mm之间。足够的厚度使得产品能承受1700℃高温钢水直冲而不破碎。
将成型后的坯体码放在高温燃气式隧道窑中，在1450‐1550℃的温度下烧制。
模压式直孔陶瓷过滤器的孔型为圆孔，挤出式直孔陶瓷过滤器的孔型为圆孔、方孔、六方孔。过滤器截面形状、孔型、孔径（宽）、筋厚等参数可根据客户需要组合设计。
实施例1：
备料：锆刚玉砖抛光下脚料（1000目，氧化锆含量≥12%，氧化铝含量≥60%）170公斤，刚玉粉（325目，氧化铝含量≥99%，刚玉相含量≥95%）20公斤，苏州高岭土（500目，氧化铝含量≥30%，二氧化硅含量≥45%）10公斤，聚乙烯醇（PVA含量≥6%）水溶液10公斤，乳化石蜡（市售工业级）1.5公斤，三聚磷酸钠（市售工业级）0.7公斤，加水120公斤，球磨6小时，制备成料浆；
压力喷雾造粒：采用专利200810182753.3介绍的压力喷雾造粒设备，喷雾压力控 制在1.2MPa，喷嘴直径1.2mm，所得造粒料水分控制在2～4%，造粒料的堆积密度在0.95～1.1g／cm3;
模压成型：将上述粉料装入Φ50mm，孔型圆孔，孔径2.8mm的模具型腔内，以JT-5型液压成型机压制成型，成型压力4吨，压制后的半成品坯体密度达1.55g／cm3以上；
烧结：采用间歇式燃气梭式窑烧成，最高温1450℃/2h烧成即得锆莫来石刚玉质直孔陶瓷过滤器；
验证：该过滤器通过500mm浇注压头1650℃高温碳钢水100Kg过滤测试，过滤器未破损。通过对浇注前后钢水成分分析及微观结构分析，杂质含量减少70‐80%。该样品的电竞扫描照片见图1。
实施例2:
直孔陶瓷过滤器为尺寸为75mm*75mm*20mm，孔型为3.0mm*3.0mm方孔，筋厚1.0mm。将球磨过筛后的锆刚玉砖抛光下脚料（粒径小于1000目）、氧化铝（粒径小于325目）、苏州高岭土（粒径小于500目）重量配比为85:10:5的原料混合成200Kg，外加原料重量4%的羟丙基甲基纤维素，混料2小时，过100目筛后，加入原料总重量18%的水、3%的桐油和3%的菜油，在捏合机中捏合20min，经练泥机练泥3遍后密封陈腐18‐24小时，陈腐后的泥料经真空练泥后，选用上述过滤器相应模具挤出成型。挤出坯体经箱式微波炉定型后在60℃‐120℃箱式烘房中进行循环暖风干燥，干燥后的坯体切割成相应厚度，吹灰后于推板窑中1480℃/2h烧成即得75mm*75mm*20mm（3.0mm*3.0mm）锆莫来石刚玉质直孔陶瓷过滤器。该过滤器通过500mm浇注压头1650℃高温碳钢水300Kg过滤测试，过滤器未破损。通过对浇注前后钢水成分分析及微观结构分析，杂质含量减少70‐80%。该样品的电竞扫描照片见图2。
实施例3：
备料：锆刚玉砖抛光下脚料（1000目，氧化锆含量≥12%，氧化铝含量≥60%）190公斤，，苏州高岭土（500目，氧化铝含量≥30%，二氧化硅含量≥45%）10公斤，聚乙烯醇（PVA含量≥6%）水溶液10公斤，乳化石蜡（市售工业级）1.5公斤，三聚磷酸钠（市售工业级）0.7公斤，加水120公斤，球磨6小时，制备成料浆；
压力喷雾造粒：采用专利200810182753.3介绍的压力喷雾造粒设备，喷雾压力控 制在1.2MPa，喷嘴直径1.2mm，所得造粒料水分控制在2～4%，造粒料的堆积密度在0.95～1.1g／cm3;
模压成型：将上述粉料装入100mm*60*22mm，孔型圆孔，孔径3.0mm的模具型腔内，以JT-5型液压成型机压制成型，成型压力4吨，压制后的半成品坯体密度达1.55g／cm3以上；
烧结：采用间歇式燃气梭式窑烧成，最高温1480℃/2h烧成即得锆莫来石刚玉质直孔陶瓷过滤器；
验证：该过滤器通过500mm浇注压头1650℃高温碳钢水300Kg过滤测试，过滤器未破损。通过对浇注前后钢水成分分析及微观结构分析，杂质含量减少70‐80%。该样品的电竞扫描照片见图3。
实施例4：
直孔陶瓷过滤器为100mm*100mm*25mm，孔型为3.3mm圆孔，筋厚1.2mm。采用锆刚玉砖抛光下脚料（1000目，氧化锆含量≥12%，氧化铝含量≥60%）、苏州高岭土（粒径小于500目）重量配比为95:5的原料混合成200Kg，外加原料重量4%的羟丙基甲基纤维素，球磨2小时，过100目筛后，加入原料总重量18%的水、6%的大豆油，在捏合机中捏合20min，经练泥机练泥3遍后密封陈腐18‐24小时，陈腐后的泥料经真空练泥后，选用上述过滤器相应模具挤出成型。挤出坯体经箱式微波炉定型后在60℃‐120℃箱式烘房中进行循环暖风干燥，干燥后的坯体切割成相应厚度，吹灰后于推板窑中1500℃/2h烧成即得锆莫来石刚玉质直孔陶瓷过滤器。该过滤器通过500mm浇注压头1700℃高温碳钢水650Kg过滤测试，过滤器未破损。通过对浇注前后钢水成分分析及微观结构分析，杂质含量减少70‐80%。该样品的电竞扫描照片见图4。
尽管本文中披露以典型的原料和典型的制备方式制备出若干样品，并取得了预期效果，但是本领域技术人员可以预期，采用其他的原料也可能制备出本发明产品含量所保护范围之内，甚至取得了优于本发明的技术效果，这些均涵盖在权利要求书所限定的范围之内。