CN107299254B - 一种高温含尘气体分离多孔材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温含尘气体分离多孔镍基合金材料的制备方法。本发明的制备方法主要是，（1）粉末配混：将质量百分数分别为53‑79.5、15‑25、5‑20和0.5‑2的高纯Ni、Cr、Al、Y元素粉末充分混合；（2）冷压成型：将混合粉料造粒、干燥，经冷压成型生坯；（3）将生坯在真空烧结炉中进行四阶段烧结。本发明采用元素粉末真空烧结反应合成制备的Ni‑Cr‑Al‑Y多孔合金，内部孔隙丰富均匀，开孔隙率高，过滤效率高，且具有优良的耐高温、抗氧化、抗热震和耐腐蚀性能，机械强度高、可焊接，加工方便。本发明在提高过滤精度和保证过滤稳定性的同时有效延长过滤元件的使用寿命。

Description

一种高温含尘气体分离多孔材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种多孔材料的制备方法，具体涉及通过元素粉末真空烧结反应合成一种高温含尘气体分离多孔镍基合金材料的制备方法，属于大气污染治理除尘技术领域。

背景技术

高温气体过滤除尘技术可以最大程度地利用气体的物理显热、化学潜热，提高能源利用率，简化工艺过程，节省设备投资；同时，也避免了对烟气进行冷却处理和再湿法除尘所带来的二次水污染。因此，合理利用该技术具有十分巨大的经济价值和社会效益。高温过滤器一般采用脉冲反吹清灰的方式来实现过滤元件的循环再生，必须要满足以下三方面的性能要求：(1)良好的抗热震性和机械强度。反吹清灰时由于反吹气体的温度要低于过滤气体的温度，过滤器承受急热急冷而产生的应力，故要求具有优良的抗热震性和机械强度。(2)滤过性能好。过滤器的压降主要取决于滤管的压降，故要求滤管具有良好的滤过性能。(3)良好的耐高温和耐腐蚀性能。过滤器一般在高温(800-1100℃)、高压(1.0-3.0MPa)、强酸、含水汽、含氧等环境下长期工作，其工况条件十分恶劣，故要求具有优良的耐高温和耐腐蚀性能。袋式除尘器因其高效除尘的特点而成为应用最广泛的过滤除尘器。如发明专利CN105080222A公布了一种布袋除尘器预除尘降温装置，该装置在预除尘器箱体内部设有降温水管，大大降低了烟气的温度，减少了大颗粒粉尘或石子进入布袋除尘器，在一定程度上延长了布袋的使用期限。然而，由于涤纶、纤维等布袋材质在强腐蚀性的含尘气体中容易发生热缩、降解、氧化等现象，造成过滤精度的降低并降低其使用寿命。随着工业技术的发展，气体过滤除尘技术面临更高的工作温度、更强的腐蚀介质、更快的过滤速度和更高的过滤效率，而市面上在用的过滤器大多存在抗高温氧化性能差、耐腐蚀性能不足、连接性能差、抗热震性差或机械强度低等问题，开发一种高过滤精度和使用寿命长的高温过滤器很有必要。

高温过滤器被公认为最具发展潜力的一种新型高温除尘技术。高温滤材主要有多孔金属和微孔陶瓷两类刚性过滤材料。发明专利CN102895809A公布了一种陶瓷过滤装置及其制备方法，其陶瓷过滤装置中的过滤材料是由松散的陶瓷微球颗粒构成，单个陶瓷微球颗粒具有相互连通的气孔结构，其球形的颗粒结构具有良好的结构稳定性，避免了现有多孔陶瓷材料机械强度不高、难以加工、容易产生裂纹的缺点。陶瓷过滤器可耐温至1000℃左右，并且耐腐蚀性能良好，但在其高温气体分离过程中需要周期性的反吹振动，陶瓷自身的热脆性加之抗热振性和压力冲击强度较差，无法保证多孔滤材在使用过程中的可靠性。

高温除尘技术开发研究必须以高起点求得化学工业及其它多种工业领域的高效益、低能耗和低/无三废的排放，达到节能，环保，并极大地简化工艺流程，减少粉尘对设备地磨损，从而延长设备寿命的目的。本发明利用元素粉末真空烧结反应合成制备的Ni-Cr-Al-Y多孔合金，内部孔隙丰富均匀，开孔隙率高，提高了过滤效率；耐高温、抗氧化、耐腐蚀等优良性能，保证了过滤的稳定性；抗热震性能良好、机械强度高、可焊接，加工方便。本发明在提高过滤精度和保证过滤稳定性的同时有效延长过滤元件的使用寿命。

发明内容

本发明公开了一种高温含尘气体分离多孔材料的制备方法，其具体制备方法包括以下步骤：

(1)粉末配制：将Ni、Cr、Al、Y四种元素粉末按一定比例配好，其中Cr、Al、Y粉共占总含量的20.5-47wt％；

(2)粉末处理：将配制好的粉末放在V型混粉机上匀速混合8-14h后，加入粉末总质量1-3％的硬脂酸，再在35-55℃普通干燥箱中干燥6-12h；

(3)压力成型：将混合均匀的粉料在50-150MPa的压力下保压10-90s后压制成型，得到生坯；

(4)生坯烧结：将步骤(3)所制生坯置于真空烧结炉中进行烧结，真空度为1×10^-2-1×10^-3Pa；烧结工艺为：将生坯置于真空炉中，保持5-10℃/min的升温速度从室温升至60-100℃，保温90-120min；接着以3-6℃/min的升温速度升温至300-400℃，保温90-120min；然后以1-5℃/min的升温速度升温至550-650℃，保温180-240min；最后以5-10℃/min的升温速度升温至1100-1300℃，保温120-180min；随炉冷却至室温，即得到所发明的高温含尘气体分离多孔材料。

优选地，步骤(1)中所述Ni粉的粉末粒径为150-350目，百分比为53-79.5wt％，纯度为99.5％以上。

优选地，步骤(1)中所述Cr粉的粉末粒径为150-350目，百分比为15-25wt％，纯度为99.5％以上。

优选地，步骤(1)中所述Al粉的粉末粒径为150-350目，百分比为5-20wt％，纯度为99.5％以上。

优选地，步骤(1)中所述Y粉的粉末粒径为200-300目，百分比为0.5-2wt％，纯度为99.5％以上。

本发明采用上述技术方案的优点在于：

(1)本发明利用元素粉末真空烧结反应合成制备多孔Ni-Cr-Al-Y合金，其造孔机理为压制过程中粉末颗粒间隙孔、Al熔点附近的Ni/Al之间的剧烈扩散造孔以及高温烧结阶段的Ni与中间相扩散造孔。本发明可以通过控制原始粉末粒度、压制压力、烧结工艺，实现高温含尘气体分离过滤元件的孔隙可控，针对不同粒度的烟道气中的尘粒定向过滤，保证过滤精度。

(2)本发明的多孔材料选用本身具有优异耐腐蚀性能的镍作为合金基体，添加了较高含量的Cr和Al，使合金表面能够形成良好的Al₂O₃和Cr₂O₃氧化薄膜，进一步阻止氧气对基体的氧化作用，使合金获得保护，防止因内氧化的生成而导致的合金高温氧化加速、基体性能恶化；添加微量的Y，促进Al₂O₃和Cr₂O₃薄膜的选择性氧化；降低Al₂O₃或Cr₂O₃的生长速度；改善Al₂O₃或Cr₂O₃膜的抗剥落性能。在保证抗腐蚀性能的基础上，有效提高了抗高温氧化性能，保证了过滤的稳定性。

(3)本发明制备多孔Ni-Cr-Al-Y合金，具有优异的抗热震性能、较高的机械强度、可焊接，不仅加工方便，而且有效延长过滤元件使用寿命。

(4)本发明采用近净成型，原材料利用率高、制备成本低、工艺简短可控，并且生产过程中没有工业废水和废气的产生，经济环保，适合工业化规模生产。

附图说明

图1为实施例1中制备的Ni-Cr-Al-Y多孔材料的表面形貌图。

图2为实施例1中制备的Ni-Cr-Al-Y多孔材料在800℃下氧化增重随氧化时间t的变化曲线。

图3为实施例1中制备的Ni-Cr-Al-Y多孔材料在800℃下(Δm/m₀)²与氧化时间t的关系图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的描述。

实施例1

将Ni、Cr、Al、Y四种粉末按比例配好，其中Ni含量为79.5wt％，粉末粒径为350目；Cr含量为15wt％，粉末粒径为350目；Al含量为5wt％，粉末粒径为350目；Y含量为0.5wt％，粉末粒径为300目。将配制好的粉末放在V型混粉机上匀速混合8h后加入粉末总质量3％的硬脂酸，再在35℃普通干燥箱中干燥12h，以50MPa的压力冷压成形，保压时间约为90s；将压坯置于真空烧结炉中进行烧结，真空度为5×10^-3Pa；烧结工艺为：保持5℃/min的升温速度从室温升至60℃，保温120min；接着以3℃/min的升温速度升温至300℃，保温120min；然后以1℃/min的升温速度升温至550℃，保温240min；最后以5℃/min的升温速度升温至1100℃，保温180min；随炉冷却至室温，即得到所发明的高温含尘气体分离多孔材料。

所得材料的微观表面形貌图如图1所示，Ni-Cr-Al-Y多孔材料具有丰富的联通孔隙，且孔隙分布均匀；其最大孔径为10μm，开孔隙率为42.5％，透气性为450m³m^-2KP^-1h^-1。

为了研究高温含尘气体分离多孔Ni-Cr-Al-Y合金材料的在实际工作环境中抗高温氧化性能。将烧制形成的样品置于丙酮溶液中经超声波清洗仪器清洗并将刚玉坩埚放在高温炉内进行长时间高温加热除杂，清洗后的样品充分干燥后测量其原始重量，然后将样品放于刚玉坩埚中置于快速升温炉中于800℃的温度下循环氧化480h。氧化过程中每隔一定的时间取出样品进行称重，每次取三个样品进行称重取平均值，以得到材料的氧化动力学曲线图2和图3。如图2所示，Ni-Cr-Al-Y多孔材料的质量最初增加较快，随着时间的增长呈缓慢增加的趋势。如图3所示，由氧化动力学方程(Δm/m₀)²＝K_pt，(其中Δm为氧化增加的质量，m₀为样品的原始质量，K_p为氧化速率)计算得出800℃下Ni-Cr-Al-Y的氧化速率为9.97×10^-7％²/h。

实施例2

将Ni、Cr、Al、Y四种粉末按比例配好，其中Ni含量为53wt％，粉末粒径为150目；Cr含量为25wt％，粉末粒径为150目；Al含量为20wt％，粉末粒径为150目；Y含量为2wt％，粉末粒径为200目。将配制好的粉末放在V型混粉机上匀速混合14h后加入粉末总质量2％的硬脂酸，再在55℃普通干燥箱中干燥6h，以150MPa的压力冷压成形，保压时间约为30s；将压坯置于真空烧结炉中进行烧结，真空度为1×10^-2Pa；烧结工艺为：保持7℃/min的升温速度从室温升至100℃，保温100min；接着以4℃/min的升温速度升温至400℃，保温100min；然后以3℃/min的升温速度升温至650℃，保温180min；最后以7℃/min的升温速度升温至1300℃，保温120min；随炉冷却至室温，即得到所发明的高温含尘气体分离多孔材料。按照实施例1中的方法进行相同实验，得到与实施实例1中相似的结果。

实施例3

将Ni、Cr、Al、Y四种粉末按比例配好，其中Ni含量为69wt％，粉末粒径为275目；Cr含量为20wt％，粉末粒径为275目；Al含量为10wt％，粉末粒径为275目；Y含量为1wt％，粉末粒径为250目。将配制好的粉末放在V型混粉机上匀速混合10h后加入粉末总质量1％的硬脂酸，再在50℃普通干燥箱中干燥8h，以100MPa的压力冷压成形，保压时间约为50s；将压坯置于真空烧结炉中进行烧结，真空度为8×10^-3Pa；烧结工艺为：保持10℃/min的升温速度从室温升至80℃，保温90min；接着以6℃/min的升温速度升温至350℃，保温90min；然后以5℃/min的升温速度升温至600℃，保温200min；最后以10℃/min的升温速度升温至1200℃，保温140min；随炉冷却至室温，即得到所发明的高温含尘气体分离多孔材料。按照实施例1中的方法进行相同实验，得到与实施实例1中相似的结果。

实施例4

将Ni、Cr、Al、Y四种粉末按比例配好，其中Ni含量为65.5wt％，粉末粒径为200目；Cr含量为18wt％，粉末粒径为200目；Al含量为15wt％，粉末粒径为200目；Y含量为1.5wt％，粉末粒径为200目。将配制好的粉末放在V型混粉机上匀速混合12h后加入粉末总质量2.5％的硬脂酸，再在40℃普通干燥箱中干燥10h，以150MPa的压力冷压成形，保压时间约为10s；将压坯置于真空烧结炉中进行烧结，真空度为1×10^-3Pa；烧结工艺为：保持8℃/min的升温速度从室温升至90℃，保温90min；接着以5℃/min的升温速度升温至370℃，保温110min；然后以2℃/min的升温速度升温至620℃，保温220min；最后以8℃/min的升温速度升温至1250℃，保温150min；随炉冷却至室温，即得到所发明的高温含尘气体分离多孔材料。按照实施例1中的方法进行相同实验，得到与实施实例1中相似的结果。

以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (2)

1.一种高温含尘气体分离多孔镍基合金材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）粉末配制：将Ni、Cr、Al、Y四种纯度在99.5%以上的元素粉末按一定比例配好，其中Ni，53-79.5wt%；Cr，15-25wt%；Al，5-20wt%；Y，0.5-2wt%；

（2）粉末处理：将配制好的粉末放在V型混粉机上匀速混合8-14h后，加入粉末总质量1-3%的硬脂酸，再在35-55℃普通干燥箱中干燥6-12h；

（3）压力成型：将混合均匀的粉料在50-150MPa的压力下保压10-90s后压制成型，得到生坯；

（4）生坯烧结：将步骤（3）所制生坯置于真空烧结炉中进行烧结，真空度为1×10^-2-1×10^-3Pa；烧结工艺为：将生坯置于真空炉中，保持5-10℃/min的升温速度从室温升至60-100℃，保温90-120min；接着以3-6℃/min的升温速度升温至300-400℃，保温90-120min；然后以1-5℃/min的升温速度升温至550-650℃，保温180-240min；最后以5-10℃/min的升温速度升温至1100-1300℃，保温120-180min；随炉冷却至室温，即得到高温含尘气体分离多孔材料。

2.由权利要求1所述的高温含尘气体分离多孔材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述元素粉末的粒度如下：Ni，150-350目；Cr，150-350目；Al，150-350目；Y，200-300目。