способ изготовления пористого проницаемого фильтра из отходов производства в режиме твердого горения с применением самораспространяющегося высокотемпературного синтеза для очистки жидких сред от механических примесей

Формула изобретения

Способ изготовления пористого проницаемого фильтра из отходов производства в режиме твердого горения с применением самораспространяющегося высокотемпературного синтеза для очистки жидких сред от механических примесей, включающий смешивание порошков металлосодержащих компонентов, загрузку в металлическую форму и плавление в режиме твердого горения с использованием самораспространяющегося высокотемпературного синтеза для получения конфигурации фильтра, отличающийся тем, что перед плавлением производят виброуплотнение смеси с амплитудой колебаний 2-5 мм и частотой 10-500 двойных ходов в минуту, причем включают в смесь порошков металлосодержащих компонентов 50-55 мас.% отходов машиностроительного и химического производств, а при смешивании вводят порошки железной окалины, являющейся отходом термической обработки стали 18Х2Н4М, в количестве 49-53 мас.%, оксида хрома (IV), являющегося отходом химического производства, в количестве 4-6 мас.%, металлического хрома в количестве 4-6 мас.%, корунда в количестве 23-29 мас.% и алюминия - остальное.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению пористых проницаемых фильтров для фильтрации жидких сред от механических примесей, преимущественно для очистки сточных вод гальванических ванн.

Известен способ получения пористого проницаемого фильтра из материала на основе керметов, состоящих из оксидных соединений и металла, заключающийся в смешивании порошков оксидных соединений и металла, загрузке в металлическую форму, прессовании и последующем спекании в печи при температуре более 1000°С для получения конфигурации фильтра (Иванов В.Н. Словарь-справочник по литейному производству. / В.Н.Иванов. - М.: Машиностроение, 1990. - С.116).

Однако процесс получения фильтра на основе керметов является достаточно энергоемким, так как осуществляется с применением дорогостоящей оснастки, прессового оборудования и высокотемпературного спекания в печах.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению (прототипом) является способ изготовления пористого проницаемого фильтра в режиме твердого горения с применением самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), включающий смешивание порошков металлосодержащих компонентов, а именно загрузку в металлическую форму и плавление в режиме твердого горения с использованием самораспространяющегося высокотемпературного синтеза для получения конфигурации фильтра. Фильтр, изготовленный в соответствии с этим способом, имеет упорядоченную структуру порового пространства, коррозионную стойкость - 10-17%, прочность на сжатие - 6,2 МПа, средний размер пор - 360 мкм (Итин В.И., Найбороденко Ю.С. Высокотемпературный синтез интерметаллических соединений. / В.И.Итин, Ю.С.Найбороденко. - Томск, 1989. - С.131-147).

Вышеописанный способ изготовления пористого проницаемого фильтра в режиме твердого горения с применением СВС обладает следующими недостатками:

- пониженная устойчивость к динамическим и статическим нагрузкам фильтров, реализующих способ, вследствие повышенной хрупкости;

- значительная материалоемкость при жестких технологических требованиях к прочности фильтров, изготовленных на основе данного способа, вследствие их невысокой прочности;

- высокая стоимость фильтров, изготовленных на основе данного способа, вследствие дефицитности вводимого металлосодержащего компонента - порошка никеля;

- узкая сфера применения фильтров, реализующих способ, вследствие отсутствия возможности использования для очистки сточных вод гальванических ванн и агрессивных сред.

Задачей настоящего изобретения является повышение устойчивости к динамическим и статическим нагрузкам, значительное снижение материалоемкости и стоимости фильтров, изготовленных на основе предложенного способа, а также расширение сферы применения этих фильтров.

Это задача решается тем, что в способе изготовления пористого проницаемого фильтра из отходов производства в режиме твердого горения с применением СВС для очистки жидких сред от механических примесей, включающем смешивание порошков металлосодержащих компонентов, загрузку в металлическую форму и плавление в режиме твердого горения с использованием самораспространяющегося высокотемпературного синтеза для получения конфигурации фильтра, согласно изобретению перед плавлением производят виброуплотнение смеси с амплитудой колебаний 2-5 мм и частотой 10-500 двойных ходов в минуту, причем включают в смесь порошков металлосодержащих компонентов 50-55 мас.% отходов машиностроительного и химического производств, а при смешивании вводят порошки железной окалины, являющейся отходом термической обработки стали 18Х2Н4М, в количестве 49-53 мас.%, оксида хрома (IV), являющегося отходом химического производства, в количестве 4-6 мас.%, металлического хрома в количестве 4-6 мас.%, корунда в количестве 23-29 мас.% и алюминия - остальное.

Повышение устойчивости к динамическим и статическим нагрузкам фильтров, изготовленных по предложенному способу, обусловлено повышением прочности на сжатие до 10,8-12,2 МПа вследствие введения в смесь металлосодержащих компонентов порошков оксида хрома (IV) и порошка металлического хрома. При реакции СВС увеличивается температура горения системы, увеличивается также объем жидкой фазы, за счет этого повышается прочность скелета, образующего материал, увеличивается средний размер пор и, как следствие, уменьшаются потери механической энергии проходящих через его структуру потоков.

Снижение материалоемкости фильтров, изготовленных по предложенному способу, обусловлено повышением прочности на сжатие и позволяет использовать тонкостенные фильтры вместо толстостенных при жестких технологических требованиях к их необходимой механической прочности.

Снижение стоимости фильтров, изготовленных на основе предложенного способа, обусловлено введением распространенных отходов машиностроительного и химического производства в качестве исходных порошков металлосодержащих компонентов - железной окалины, являющейся отходом термической обработки стали 18Х2Н4М, и оксида хрома (IV), являющегося отходом химического производства.

Расширение сферы применения фильтров, получаемых по предложенному способу, обусловлено обеспечением возможности их использования для очистки сточных вод гальванических ванн и агрессивных сред вследствие повышенной прочности на сжатие и увеличения среднего размера пор (см. таблицу).

Диапазон амплитуды колебаний при виброуплотнении смеси, составляющий 2-5 мм, является оптимальным с точки зрения инерционности колебательной системы.

Частота колебаний при виброуплотнении смеси, составляющая 10-500 двойных ходов в минуту, является оптимальной, потому что частота колебаний менее 10 двойных ходов в минуту приводит к отсутствию виброуплотнения, а частота колебаний более 500 двойных ходов в минуту нецелесообразна, так как, во-первых, степень виброуплотнения должна обеспечить пористость фильтра, которая зависит от зернистости компонентов, а во-вторых, при такой частоте колебаний появляется эффект расслоения порошков металлосодержащих компонентов по массе.

Включение в смесь порошков металлосодержащих компонентов 50-55 мас.% отходов машиностроительного и химического производств необходимо потому, что при включении в смесь порошков металлосодержащих компонентов менее 50 мас.%, отходов машиностроительного и химического производств реакция горения может не произойти, а при включении в смесь порошков металлосодержащих компонентов более 55 мас.%. отходов машиностроительного и химического производств происходит оплавление пор.

Содержание в материале фильтра оксида хрома СrO₂ и порошка хрома увеличивает температуру горения системы, увеличивает объем жидкой фазы, что влечет к упорядочению структуры пористого проницаемого материала, повышение прочности на сжатии и увеличение среднего размера пор.

Введение в смесь металлосодержащих компонентов порошка железной окалины, являющейся отходом термической обработки стали 18Х2Н4М, в количестве 49-53 мас.% является оптимальным, так как при введении железной окалины в количестве, меньшем 49 мас.%, реакция горения может не произойти, а при введении железной окалины более 53 мас.% плавление в режиме твердого горения СВС происходит оплавление пор.

Введение в смесь металлосодержащих компонентов порошков оксида хрома (IV), являющегося отходом химического производства, в количестве 4-6 мас.% и металлического хрома в количестве 4-6 мас.% является оптимальным, так как при введении хрома и оксида хрома в количестве, меньшем 4,0 мас.%., не достигается эффекта укрупнения пор, а при введении хрома и оксида хрома в количестве, большем 6,0 мас.%., происходит бурное течение реакции и частичное оплавление пор.

Введение в смесь металлосодержащих компонентов порошков корунда в количестве 23-29 мас.% является оптимальным, так как введение корунда в количестве менее 23 мас.% приводит к оплавлению пор и частичному сплавлению компонентов порошковой смеси, а при содержании корунда в количестве более 29 мас.% плавление в режиме твердого горения СВС не происходит.

Предлагаемое изобретение поясняется таблицей, в которой приведены физико-механические свойства образцов пористого проницаемого фильтра, полученного на основе предлагаемого способа изготовления пористого проницаемого фильтра из отходов производства в режиме твердого горения с применением СВС для очистки жидких сред от механических примесей, и образцов пористого проницаемого фильтра, полученного на основе способа, выбранного в качестве прототипа.

Способ изготовления пористого проницаемого фильтра из отходов производства в режиме твердого горения с применением СВС для очистки жидких сред от механических примесей осуществляется следующим образом. Для получения смеси порошков металлосодержащих компонентов используют 50-55 мас.% отходов машиностроительного и химического производств. Производят дозирование и смешивание в смесителе порошков металлосодержащих компонентов, в качестве которых используют порошки железной окалины, являющейся отходом термической обработки стали 18Х2Н4М, в количестве 49-53 мас.%, оксида хрома (IV), являющегося отходом химического производства, в количестве 4-6 мас.%, металлического хрома в количестве 4-6 мас.%, корунда в количестве 23-29 мас.% и алюминия - остальное. Затем эту смесь загружают в металлическую форму и подвергают в форме виброуплотнению с амплитудой колебаний 2-5 мм и частотой 10-500 двойных ходов в минуту. Инициируют начало реакции и плавление в режиме твердого горения с использованием СВС для получения конфигурации фильтра. После плавления пористый проницаемый фильтр извлекают из формы.

Пример конкретного выполнения способа изготовления пористого проницаемого фильтра из отходов производства в режиме твердого горения с применением СВС для очистки жидких сред от механических примесей.

Для экспериментальной проверки предлагаемого технического решения изготавливали образцы пористого проницаемого фильтра, полученного на основе заявляемого способа, и образцы пористого проницаемого фильтра, полученного на основе способа, выбранного в качестве прототипа.

Для изготовления образцов пористого проницаемого фильтра, полученного на основе заявляемого способа, использовались порошок железной окалины, являющейся отходом термической обработки стали 18Х2Н4М, в количестве 49-53 мас.%, порошок оксида хрома (CrO₂), являющегося отходом химического производства, в количестве 4-6 мас.%, порошок хрома Пх-1, ТУ 882-76, в количестве 4-6 мас.%, порошок корунда (АL₂О₃) MP, ТУ-6-09 2046-644, в количестве 23-29 мас.% и порошок алюминия АСД-1, ТУ48-5-1226-87 - остальное.

Указанные порошки металлосодержащих компонентов дозировали в заданных соотношениях на аналитических весах с точностью до 0,001 г и смешивали всухую в атмосфере воздуха в лабораторном смесителе типа «пьяная бочка» партиями по 200 г в течение одного часа. При этом учитывали включение в смесь порошков металлосодержащих компонентов 50-55 мас.% отходов машиностроительного и химического производств.

Приготовленную смесь засыпали в металлические формы и подвергали в этих формах виброуплотнению на рабочем вибрационном столе с амплитудой колебаний 2-5 мм и частотой 10-500 двойных ходов вибрационного стола в минуту. Инициировали начало реакции и плавление в режиме твердого горения с использованием СВС для получения конфигурации образцов пористого проницаемого фильтра, которые в дальнейшем использовались для исследования физико-механических свойств. После плавления образцы пористого проницаемого фильтра извлекали из форм.

Для изготовления образцов пористого проницаемого фильтра, полученного на основе способа, выбранного в качестве прототипа, использовались порошок никеля в количестве 75-85 мас.% и порошок алюминия в количестве 25-15 мас.%. Эти порошки также дозировали в заданных соотношениях на аналитических весах с точностью до 0,001 г и смешивали всухую в атмосфере воздуха в лабораторном смесителе типа «пьяная бочка» партиями по 200 г в течение одного часа. Приготовленную смесь засыпали в металлические формы и инициировали начало реакции и плавление в режиме твердого горения с использованием СВС для получения конфигурации образцов пористого проницаемого фильтра, которые применялись для исследования физико-механических свойств. После плавления образцы пористого проницаемого фильтра извлекали из форм.

Все образцы фильтра для исследования физико-механических свойств имели вид цилиндров с диаметром 50 мм и высотой 50 мм. Металлографически оценивался средний размер пор образцов, а воздействием на образцы нагрузкой определялась их прочность на сжатие.

По результатам, представленным в таблице, видно, что образцы пористого проницаемого фильтра, изготовленные посредством предлагаемого способа, имеют прочность на сжатие в среднем на 60% выше по сравнению с прочностью на сжатие образцов пористого проницаемого фильтра, изготовленных на основе способа, выбранного в качестве прототипа. Кроме того, предлагаемый способ позволяет изготавливать фильтры с размером пор в среднем на 12,3% выше по сравнению с размерами пор фильтров, изготовленных в соответствии со способом, выбранным в качестве прототипа. Таким образцом, применение предлагаемого способа по сравнению со способом, выбранным в качестве прототипа, позволяет производить пористые проницаемые фильтры меньшей материалоемкости при большей прочности на сжатие. Благодаря таким физико-механическим свойствам фильтров, как средний размер пор, составляющий в среднем 444 мкм, и прочность на сжатие, составляющая в среднем 11,5 МПа, изготовленным в соответствии с предлагаемым способом, их можно применять для очистки сточных вод гальванических ванн.

Использование предлагаемого способа изготовления пористого проницаемого фильтра из отходов производства в режиме твердого горения с применением самораспространяющегося высокотемпературного синтеза для очистки жидких сред от механических примесей позволяет обеспечить повышенную устойчивость к динамическим и статическим нагрузкам, пониженную материалоемкость и невысокую стоимость фильтров, изготовленных на основе предложенного способа, а также расширение сферы применения этих фильтров.