MX2011010000A - Metodo y substrato para curar una estructura de panal. - Google Patents

Abstract

La invención se refiere a un método para curar una estructura panal cerámica porosa en un substrato de cocción, dicha estructura incluyendo una pluralidad de canales continuos longitudinales que terminan en dos extremos de la estructura, en donde el extremo que se apoya sobre el substrato tiene una anchura máxima Ls, antes de la curación, a lo largo de un plano seccional longitudinal que atraviesa el eje principal de la estructura, dicho método caracterizándose porque el substrato tiene, a lo largo de dicho plano seccional longitudinal, un primer nivel correspondiente a una primera superficie de contacto que sirve como una superficie de apoyo para la estructura a ser curada, dicho nivel teniendo una anchura máxima L1, un segundo nivel, y separada lejos de dicha primer superficie de substrato por un espesor E1-2, dicho segundo nivel teniendo una anchura máxima L2, en donde la anchura L1 es mayor a o igual a Ls y la anchura L2 es menor a L1. La invención también se refiere al substrato arriba descrito.

Description

MÉTODO Y SUBSTRATO PARA CURAR UNA ESTRUCTURA DE PANAL La invención se refiere a un soporte de cocción, para las estructuras de panal de cocción, y al proceso para obtener dicho soporte. Tales estructuras pueden ser estructuras de filtro y/o estructuras catalíticas y se utilizan especialmente en un tubo de escape de un motor de combustión de interna del tipo diesel. La invención se refiere, más particularmente, a soportes de cocción para estructuras de filtro o para soportes de catalizador basados en cerámica oxida, y especialmente para filtros basados en titanato de aluminio, y también al proceso para obtener dichos soportes.

Para dar un ejemplo, los filtros catalíticos para el tratamiento de gases de escape y para la remoción de hollín que viene de un motor diesel, se conocen bien en la técnica anterior. Estas estructuras normalmente todas tienen una forma de panal, una de las caras de la estructura permitiendo la toma de gases de escape a ser tratados y la otra cara permitiendo la descarga de los gases de escape tratados. La estructura comprende, entre las caras de descarga y toma, un grupo de conductos o canales adyacentes de ejes mutuamente paralelos separados por paredes porosas. Los conductos alternativamente se cierran herméticamente en un uno u otro de los otros de sus extremos a fin de definir las cámaras de entrada que se abren sobre las cámaras de salida y la cara de toma abriéndose sobre la cara de descarga. Los canales se cierran herméticamente alternativamente en un orden que de tal manera los gases de escape, a medida que atraviesan el cuerpo de panal, son restringidos para atravesar las paredes laterales de los canales de entrada a fin de reunir los canales de salida. De esta manera, las macroparticulas o las partículas de hollín se depositan y se acumulan sobre las paredes porosas del cuerpo filtrante.

Como se sabe, durante su uso, un filtro de macroparticulas se somete a las fases de sucesión de filtración (acumulación de hollín) y regeneración (remoción de hollín) . Durante las fases de filtración, las partículas de hollín emitidas por el motor se retienen y se depositan dentro del filtro. Durante las fases de regeneración, las partículas de hollín se queman dentro del filtro, a fin de restaurar las propiedades de filtración de las mismas.

De manera particular, para incrementar el volumen de almacenamiento de macropart í culas o partículas de hollín, y el volumen de almacenamiento de los residuos que se dan como resultado de la combustión de estas partículas de hollín y de esta manera incrementar el tiempo entre dos regeneraciones, ya se han propuesto varias estructuras de filtro en la técnica anterior. En particular, las estructuras llamadas de aquí en adelante, estructuras "asimétricas" tienen, para un volumen de filtro constante, un volumen o una superficie de canal de entrada que es diferente de aquella de los canales de salida de dicho filtro. Por ejemplo, la solicitud de patente WO 05/016491 ha propuesto estructuras en las cuales los elementos de pared vienen uno después de otro, en sección transversal y a lo largo de una fila horizontal y/o vertical de canales, a fin de definir una forma ondulada o sinusoidal. Típicamente, los elementos de pared forman una onda con un período medio de sinusoide sobre la anchura de un canal. Tales configuraciones de canal hacen posible lograr una caída de baja presión y un volumen de alto almacenamiento de hollín. En otra construcción, la solicitud de patente EP 1 495 791 ha propuesto bloques de monolito caracterizados por un dispositivo octagonal de los canales de entrada internos (frecuentemente llamada una estructura "octocuadrada" en el campo) .

Normalmente, los filtros están hechos de una cerámica porosa, por ejemplo, cordierita o carburo de silicio o titanato de aluminio.

Los filtros de carburo de silicio producidos con estas estructuras se describen, por ejemplo en las solicitudes de patente EP 816 065, EP 1 142 619, EP 1 455 923, WO 2004/090294 y WO 2004/065088, a los cuales un experto en la materia por ejemplo podrán referirse para mayor explicación y detalles, tanto con relación a la descripción de filtros de acuerdo a la presente invención, como con relación al proceso para obtenerlos. De manera ventajosa, estos filtros poseen alta inertidad química alta hacia las partículas de hollín y a los gases calientes, pero un coeficiente de expansión térmica que es un poco alta, lo cual significa, para producir filtros de gran tamaño, tener que instalar varios monolitos en un bloque filtrante mediante una lechada de cemento o de juntas, a fin de reducir sus tensiones termomecánicas . Debido a la alta resistencia mecánica de los materiales de SiC recristalizado, es posible producir filtros con paredes filtrantes delgadas de alta porosidad, con una eficiencia de filtración muy satisfactoria .

Los filtros de cordierita también han sido utilizados por un largo tiempo debido a su bajo costo. Gracias al coeficiente de expansión térmica muy baja de este material, en el rango de temperatura de operación normal de un filtro, es posible producir filtros monolíticos de tamaño más grande.

El titanato de aluminio también puede tener un coeficiente de expansión térmica baja y muestra tanto mejor refractariedad como mejor resistencia a la corrosión que la cordierita. De esta manera, el titanato de aluminio permite que se produzcan grandes filtros monolíticos, con la condición de que, sin embargo, la estabilidad térmica del titanato de aluminio se controle, especialmente durante las fases de regeneración de filtro. Los filtros monolíticos de esta manera se han descrito en la solicitud de patente WO 2004/011124 que proporciona estructuras con base al 60 a 90% en peso de titanato de aluminio reforzado con 10 a 40% en peso de mullita. De acuerdo a los autores, el filtro obtenido de esta manera es más durable. En otra interpretación, la solicitud de patente EP 1 741 684 describe un filtro que tiene un coeficiente de expansión baja y en el cual la fase principal de titanato de aluminio se estabiliza, por un lado, al sustituir una fracción de los átomos Al con átomos Mg en la red cristalina Al2Ti05 dentro de una solución sólida y, por el otro lado, al sustituir una fracción de los átomos Al sobre la superficie de dicha solución sólida con átomos Si, estos introduciéndose en la estructura por medió de una fase adicional intergranular del tipo de aluminosilicato de potasio y sodio, especialmente del tipo de feldespato.

Típicamente, estas estructuras monolíticas se extruyen y entonces, en el caso de una estructura de filtro, se cierran herméticamente en uno u otros de sus extremos a fin de definir las cámaras de entrada y las cámaras de salida, según se describe anteriormente. Estas estructuras se coceen de tal manera que el material que constituye la estructura se sinteriza o consolida mecánicamente. Resulta que, durante la fase de cocción, la estructura supera lo que se llama una deformación de "pata de elefante" ilustrada esquemáticamente en la figura 1. La Figura 1 muestra que la base 1 de la estructura 2 cercana a una cara 3 para apoyarse sobre el soporte de cocción 4 (parte inferior) tiene una anchura más grande que en la parte superior de la estructura. Típicamente, una diferencia dimensional mayor al 1% sobre la anchura del filtro, por una longitud de 100 mm de dicho filtro, se considera como que es inaceptable para la aplicación. La deformación es más pronunciada cuando la estructura extruida 2 es de tamaño grande. La expresión "tamaño grande" se entiende en particular a estructuras promedio con un diámetro mayor a 100 mm o con una sección transversal mayor a 75 cm2. El problema llega aún a ser critico para estructuras de longitud muy grande, por ejemplo una longitud mayor a 150 mm, y/o de diámetro muy grande, por ejemplo un diámetro mayor a 125 mm, o de sección transversal grande, es decir, igual a o mayor a 120 cm2. De igual forma, el obtener tal estructura plantea problemas si la contracción de post-cocción de la estructura, junto con su dimensión más grande, es igual a o mayor al 5%. El término "contracción" se entiende en el contexto de la presente descripción que significa la diferencia, expresada como un porcentaje, entre una dimensión característica de la estructura antes de la cocción y después de la cocción, dividida por dicha dimensión antes de la cocción. Típicamente, en el caso de una estructura extruida de sección transversal circular, la contracción podrá medirse ya sea sobre la longitud o sobre el diámetro de dicha estructura. La expresión "estructura antes de la cocción" se entiende que significa la estructura en el estado crudo seco, es decir, que tiene un contenido de humedad residual de menos de 1 % .

En el contexto de la presente descripción y en los siguientes ejemplos, la contracción se mide sobre una sección del filtro aproximadamente paralelo al plano formado por la superficie de apoyo de la estructura en contacto con su soporte de cocción pero lo suficientemente lejos de dicha superficie de apoyo a fin de circunvenir el efecto de "pata de elefante" anteriormente mencionado. En la práctica, la contracción se mide idealmente sobre el tercio superior de la altura de la estructura.

Para resolver el problema del efecto de "pata de elefante", una solución inicial consiste en extruir una estructura cruda de mayor longitud que la necesaria. La parte más deformada de la estructura en su base, es decir, que se ubica en la parte en la proximidad de su cara para apoyarse sobre el soporte de cocción, por lo tanto se corta después de la cocción. Finalmente, la estructura se tapa y después se recoce opcionalmente a fin de sinterizar el material - lO - que constituye los tapones. Esta solución supone una pérdida sustancial de material ya que los cortes pueden representar más del 15% de la masa total de la estructura. Además, la operación de taponamiento sobre una estructura cocida es difícil ya que los tapones son de impermeabilidad o refractariedad insuficiente si la estructura tapada no se recoce. Una segunda cocción, para cocer los tapones y obtener una estructura de filtro de suficiente eficiencia de filtración, representa una operación adicional y un costo adicional, algo que no podrá contemplarse económicamente.

La solicitud de patente EP 0 234 887 proporciona un soporte de cocción formado por un panal crudo o cocido que tiene, sobre su cara en contacto con la estructura a ser cocida, al menos una anchura más pequeña que la anchura de dicha estructura a ser cocida. Por ejemplo, este soporte de cocción puede tener un bisel o varias formas de cavidad. Esta solución, que tiene la ventaja de proporcionar la parte con buena estabilidad, también da como resultado una deformación vertical indeseable de la estructura a ser cocida, especialmente - li cuando la contracción de la parte es mayor al 5%. La estructura obtenida después de la cocción entonces tiene al final una mayor longitud a lo largo de los bordes, por lo tanto, requiriendo que la estructura experimente una operación de maquinado adicional y una operación de taponamiento adicional después de la cocción.

La solicitud de patente EP 1 808 423 describe un soporte crudo que forma una fase cristalina de la misma naturaleza como la estructura durante la cocción y tiene una rugosidad de superficie de 8 a 50 µ?? a fin de reducir la fricción entre el soporte de cocción y la estructura. A pesar de que esta solución es adecuada para eliminar la ocurrencia de fracturas o grandes fisuras en la estructura cocida, no resuelve el problema de la deformación de pata de elefante anteriormente descrita e ilustrada por la figura 1 anexa a la misma .

La presente invención se refiere, de acuerdo a un primer aspecto, a un proceso para cocer una estructura de panal, posiblemente una estructura de filtro, usando un soporte de cocción de tipo novedoso, lo cual hace posible para todos los requisitos anteriormente mencionados, sean cumplidos eficazmente, en particular : la calidad de los filtros se mejora, en particular al evitar la apariencia de fisuras y/o deformaciones de la estructura durante la cocción, a fin de obtener una estructura de filtro de eficiencia de filtración satisfactoria; la estructura a ser cocida sobre su soporte y el soporte por si mismo, son lo suficientemente estables; y la remoción de aglutinante y la cocción (o si terizacion) son más rápidas sin el riesgo de degradar la calidad de las estructuras obtenidas, a fin de obtener una alta productividad.

En su forma más general y de acuerdo a un primer aspecto, la presente invención se refiere a un proceso para cocer una estructura cerámica porosa del tipo panal sobre un soporte de cocción, dicha estructura comprendiendo una pluralidad de canales continuos longitudinales que terminan en dos extremos de la estructura, el extremo apoyándose sobre el soporte que tiene una anchura máxima Ls antes de la cocción, en un plano seccional longitudinal que atraviesa el eje principal de la estructura. En el proceso de acuerdo a la invención, dicho soporte tiene, en dicho plano seccional longitudinal : un primer nivel correspondiente a una primera cara del soporte que sirve como una superficie de apoyo para la estructura a ser cocida, dicho primer nivel teniendo una anchura máxima Li; un segundo nivel, separado lejos de dicha primer cara del soporte por un espesor Ei_ 2, dicho segundo nivel teniendo una anchura máxima L2/ la anchura Li siendo igual a o mayor a Ls; y la anchura L2 siendo menor a Li .

El eje principal de la estructura de panal se define convencionalmente de acuerdo a la invención como el eje principal de simetría de la estructura, paralela a los canales continuos. Dicho eje, por supuesto, se define de acuerdo c la forma de la estructura y en particular su sección transversal. Para dar un ejemplo, es el eje de revolución en el caso de una estructura cilindrica o el eje central de una estructura ovoide o paralelepípedo. En particular, el eje principal se muestra en las vistas esquemáticas en las figuras 3 y 6. De esta manera, para una estructura de panal que tiene una sección transversal de forma dada en su extremo inferior (es decir, sobre su cara de apoyo), por ejemplo una sección transversal cuadrada, oval o redonda, el soporte utilizado de acuerdo a la invención preferentemente tiene una forma global generalmente similar, es decir, una forma sus tanc i a lmente oval, redonda o cuadrada, respectivamente, en particular las dimensiones de las cuales son de tal manera que Li se encuentra entre Ls y 1.1. x Ls en cualquier plano longitudinal que atraviesa el eje principal de la estructura a ser cocida.

Los métodos particulares para implementar tal proceso, se describen especialmente abajo: la anchura Li se encuentra entre Ls y 1.1 x Ls ; la diferencia relativa (Li-L2)/Li entre las dos anchuras Li y L2 es igual a o mayor a aproximadamente 5%; el extremo de la estructura y aquella cara del soporte que sirve como la cara de apoyo del mismo, tienen sus tancialment e la misma forma y/o sustancialmente la misma geometría ; el soporte es del tipo panal y comprende una pluralidad de canales continuos longitudinales que se abren sobre dos extremos, el extremo superior del soporte constituyendo dicho primer nivel; el soporte tiene una porosidad igualada a la porosidad del material que constituye las paredes del filtro. El soporte tiene en general entre 20 y 65%, preferentemente entre 30 y 50%, el tamaño promedio de los poros siendo idealmente entre 10 y 20 mieras. Sin embargo, una porosidad demasiado alta da como resultado una resistencia mecánica que es demasiado baja para soportar el filtro. Una porosidad demasiada bajar puede ser nociva para el filtro ya que la contracción del soporte puede no acompañar la contracción del filtro de manera suficiente durante su cocción; el espesor de pared del soporte de panal se encuentra venta osamente entre 0.2 y 1.0 mm, preferentemente entre 0.2 y 0.5 mm . El número de canales en los elementos filtrantes se encuentra preferentemente entre 7.75 y 62 por cm2 , dichos canales teniendo una sección transversal variando de aproximadamente 0.5 mm2 a 9 mm2 ; el primer nivel correspondiente a una primera cara del soporte sirviendo como soporte para que la estructura a ser cocida sea un plano; el tercer nivel correspondiente a la segunda cara en la base del soporte sirviendo como soporte para el soporte en el dispositivo de cocción (vehículo o piso del horno, por ejemplo) es preferentemente un plano, tal plano permitiendo que se logre mejor estabilidad; la expansión térmica del material que constituye el soporte varía por un máximo de 2% de la expansión térmica del material que constituye la estructura dentro del rango de temperatura de la cocción; la contracción en la cocción del material que constituye el soporte varia por un máximo de 2% de la contracción en la cocción del material que constituye la estructura dentro del rango de temperatura de la cocción; el soporte tiene una forma trapezoidal, dicho segundo nivel correspondiente a la segunda cara del soporte; y dicho soporte tiene un tercer nivel correspondiente a la segunda cara del soporte, teniendo una anchura L3, la anchura L3 siendo igual a o mayor a la anchura L2 y al menos igual a 3/5 de la anchura Ls .

El proceso de cocción, según se describe anteriormente, puede utilizarse especialmente de manera ventajosa en un proceso para obtener una estructura de filtro de panal, en la cual los canales continuos longitudinales de la estructura se bloquean alternativamente de antemano en sus extremos.

La invención también se refiere al soporte adecuado para cocción de una estructura cerámica porosa del tipo panal, según se describe anteriormente, cuyo soporte en particular comprende, en un plano seccional que atraviesa su eje principal: un primer nivel correspondiente a una primera cara del soporte sirviendo como superficie de apoyo para la estructura a ser cocida, dicho nivel teniendo una anchura máxima Li; un segundo nivel, separado lejos de dicha primer cara del soporte por un espesor Ei_ 2, dicho segundo nivel teniendo una anchura máxima L2; - la anchura L2 siendo menor a Li .

De acuerdo a otros aspectos posibles de dicho soporte: la anchura Li se encuentra entre Ls y 1.1 x Ls; la diferencia relativa (Li-L2)/Li entre las dos anchuras Li y L2 es igual a o mayor a aproximadamente 5%; dicho soporte de cocción, del tipo panal, comprende una pluralidad de canales continuos longitudinales que se abren sobre dos extremos, el extremo superior del soporte constituyendo dicho primer nivel; dicho soporte tiene una forma trapezoidal, dicho segundo nivel correspondiente a su segunda cara; y dicho soporte tiene un tercer nivel correspondiente a su segunda cara, que tiene una anchura máxima L3, la anchura L3 siendo igual a o mayor a la anchura L2.

Más precisamente, los mejores resultados se han obtenido de acuerdo a la invención cuando el material que constituye el soporte se elige de tal manera que su expansión térmica es cercana a aquella del material que constituye la estructura a ser cocida. En el contexto de la presente descripción, la expansión térmica medida a una temperatura T corresponde a la variación de porcentaje en longitud de un espécimen del material sujeto a una variación de temperatura hasta la temperatura T (temperatura final de la cocción) en relación a su longitud inicial a la temperatura ambiente (20°C) tomada como referencia. La expansión térmica se mide convencionalmente por la dilatometria diferencial de acuerdo a la norma NFB40-308 proporcionada para este propósito. De acuerdo a la presente invención, la expansión del espécimen de material que constituye el soporte o la estructura a ser cocida se mide en un plano paralelo al plano formado por la cara 3 para apoyarse sobre el soporte de cocción 4, según se indica anteriormente en la figura 1. Una expansión térmica del soporte en el rango de temperatura de cocción es cercana a aquella de la estructura dentro del contexto de la presente invención si es igual a aquella de la estructura más o menos un 2%, y preferentemente más o menos un 1%, con independencia de la temperatura en el rango en cuestión (20°C-T) .

Preferentemente, de acuerdo a la invención, el soporte es crudo a fin de acompañar mejor las variaciones dimensionales de la estructura mientras que se está cociendo. Ventajosamente, el material del soporte se elige de tal manera que su contracción después del tratamiento térmico para cocción, la estructura es igual a aquella de la estructura más o menos un 2%, preferentemente más o menos un 1 % .

El soporte de acuerdo a la invención podrá utilizarse en diversas formas, algunas de las cuales se ilustran abajo. Por supuesto, la invención, en ninguno de los aspectos descritos, se limita a estas modalidades.

La Figura 3 ilustra un soporte 4 en una primera configuración de acuerdo a la invención, en un plano seccional longitudinal de la estructura, el eje principal 5 de la cual se muestra. El soporte de acuerdo a la invención tiene una anchura Li entre Ls y 1.1 x Ls · Para una estructura que tiene una cara de apoyo de forma dada, por ejemplo una forma oval, redonda o cuadrada, el soporte utilizado de acuerdo a la invención preferentemente tiene una forma generalmente similar, es decir, una forma oval, redonda o cuadrada respectivamente, las dimensiones de las cuales son de tal manera que Li se encuentra entre Ls y 1.1 x L= en cualquier plano longitudinal que atraviese el eje principal de la estructura a ser cocida. Ventajosamente, tal configuración impide la deformación vertical de la estructura, la dirección vertical aquí entendiéndose como la dirección perpendicular al plano formado por aquella superficie de la estructura a ser cocida que se apoya sobre el soporte. De acuerdo a la invención, el soporte tiene una anchura L2 más pequeña que Li a fin de acompañar la deformación horizontal de la estructura mientras que se está cociendo. Preferentemente, la diferencia relativa entre las dos anchuras ( (Li~L2)/Li) como un porcentaje es igual o mayor a aproximadamente 5%, preferentemente igual a o mayor a aproximadamente 10%, y aún más preferentemente igual a o mayor a aproximadamente 15%. En general, esta diferencia sin embargo permanece menor al 50%, preferentemente menor a 40% o aún menor a 30%.

El soporte mostrado en la Figura 3 también tiene una anchura L3 medida sobre una segunda cara, o cara de reposo, del soporte en el lado opuesto de la cara 3 según se indica en la figura 1, a fin de asegurar suficiente estabilidad del ensamble de soporte/estructura, esta segunda cara encontrándose en contacto, durante el proceso de cocción, con por ejemplo el piso del horno de cocción o el dispositivo de cocción.

El soporte tiene un espesor suficiente Ei_2 entre el nivel Li en contacto con la estructura a ser cocida y el nivel L2 del soporte. Los valores de anchura L2 y espesor Ei_2 de acuerdo a la invención, dependen de y varían de acuerdo a la naturaleza del material que constituye el soporte, su geometría interna (especialmente dependiendo de la presencia de canales, sobre el espesor de pared, etc.) y las condiciones de tratamiento térmico contemplado (en particular, la temperatura final, la velocidad de incremento de temperatura y el tiempo de cocción a la temperatura máxima) .

Típicamente, el espesor óptimo E1-2 podrá determinarse y ajustarse experimentalmente .

Para determinar tal espesor óptimo, se considerarán varios parámetros, entre los cuales se encuentran los siguientes: la anchura Ls de la estructura a ser cocida, por ejemplo, el diámetro exterior de la estructura si esta es de sección transversal cilindrica; y la altura h o la longitud de la estructura a ser cocida.

Preferentemente, el espesor E1-2 y la anchura L2 se ajustan experimentalmente, por ejemplo, por iteraciones sucesivas, a fin de tener resistencia óptima al arrastre o resistencia al hundimiento bajo la carga de la estructura a ser cocida.

Preferentemente, E1-2, Li y L2 se eligen de tal manera que el ánguloa, según se muestra en la figura 3, es mayor a 15°, preferentemente mayor a 45°.

Preferentemente, Ei_2/ Li y L2 se eligen de tal manera que el ángulo a es menor a 85°.

De acuerdo a otra modalidad ilustrada en la figura 4, el soporte de acuerdo a la invención tiene una configuración de tal manera que los parámetros L2 y L3 anteriormente descritos, son sust ancialmente idénticos, es deci r , L2=L3.

De acuerdo a esta modalidad, el soporte tiene un espesor constante E2-3 entre el nivel L2 y el nivel L3 en la base del soporte que se encuentra en contacto con el piso del horno o con el dispositivo de cocción. De acuerdo a una modalidad posible dando resultados satisfactorios, E2-3 es preferentemente menor a 5Ls/3.

En una modalidad preferida, ilustrada en la figura 5, el soporte de acuerdo a la invención es de forma sus tancialmente trapezoidal, correspondiente al caso extremo en el cual E2-3=0.

De acuerdo a otras posibles modalidades (no ilustradas por las figuras en la presente descripción) , el soporte de acuerdo a la invención puede tener otras formas entre los niveles L2 y L con la condición de que la distancia L2 permanezca inferior a la distancia Li, en particular, podrá tener curvas o perímetros redondos de superficie cóncava o convexa .

El soporte de acuerdo a la invención también puede tener ventajosamente una o más de las siguientes características opcionales: a) el soporte preferentemente tiene una rugosidad adecuada, por ejemplo, según se describe en la solicitud de patente EP 1 808 423, sin embargo, sin ser esto necesario para lograr las ventajas del soporte de acuerdo a la presente invención. Al depositar los granos o un lecho de polvo, por ejemplo de alumina u óxido de aluminio globular, podrá ser posible impedir cualquier unión al soporte mientras que se llenan las irregularidades de superficie del soporte; b) el soporte es crudo y su composición de tamaño de partícula y química mineralógica es similar o incluso idéntica a aquella de la estructura a ser cocida. Los experimentos llevados a cabo en el contexto de la presente invención han demostrado que tal configuración actualmente reduce las tensiones mecánicas sobre la estructura durante la cocción, especialmente si la contracción es alta, en particular si la contracción es mayor a aproximadamente 7%. La expresión "composición mineralógica similar" se entiende que significa una composición que tiene las mismas fases y/o un volumen muy cercano o casi idéntico o distribución de masa de las fases cristalinas presentes después de que la estructura se ha cocido ; c) el soporte es poroso. En particular, preferentemente tiene una porosidad abierta cercana a aquella de la estructura a ser cocida. Después de la cocción, la porosidad del soporte se encuentra típicamente entre 10% y 80% y preferentemente entre 30% y 70%. En particular, en la aplicación de filtro de macropart í culas , una porosidad demasiado baja conduce a una caída de presión demasiado alta, mientras que una porosidad demasiado alta corresponde a una resistencia mecánica demasiado baja. El diámetro medio d5o por volumen de los poros que constituyen la porosidad del soporte después de la cocción, se encuentra preferentemente entre 5 y 30 mieras, más preferentemente entre 8 y 25 mieras; y d) el soporte está formado por si mismo de canales, según se muestra en la figura 6, a fin de permitir que los gases, emitidos por o al reaccionar con la estructura, fluyan libremente durante la remoción de aglutinante y la cocción de dicha estructura, dichos canales orientándose en la misma dirección durante la cocción. En particular, el soporte puede tener la misma macroest ructura de panal interna como la estructura a ser cocida. De esta manera, cuando la estructura 2 a ser cocida es del tipo panal, el soporte 4 es preferentemente del tipo panal de acuerdo a un dispositivo según se muestra en la figura 6 en la cual también se han mostrado los tapones 6 que cierran herméticamente los canales. Las características dimensionales de los canales de soporte (densidad de canal, espesor de pared, forma de canal en particular) entonces se aproximan preferentemente a aquellas de la estructura a ser cocida, o incluso idénticas a las mismas. El soporte podrá adaptarse de tal manera que sus canales tengan la misma área de superficie abierta como aquella de la estructura de frente sobre la cara de apoyo a ser cocida. Tal modalidad puede ser particularmente ventajosa óptimamente para las estructuras de cocción del tipo "asimétrico", es decir, las estructuras en las cuales la superficie de algunos de los canales de entrada es diferente y preferentemente mayor a aquella de algunos de los canales de salida, según se ilustra por la solicitud de patente anteriormente mencionada WO 05/016491. Tal dispositivo al final es favorable para la buena integridad de la estructura de filtro y, en particular, impide la apariencia de fisuras o deformación de la estructura durante la cocción.

Un ejemplo de un proceso para fabricar una estructura de panal, en el cual un soporte de acuerdo a la invención podrá utilizarse venta osamente, típicamente comprende las siguientes etapas principales: a) preparación de una composición basada en el material constituyente de la estructura y formación, especialmente por extrusión a través de un troquel, de dicho material y corte a fin de obtener una estructura de panal; b) preparación de una composición de un material de taponamiento y sellado de dicha estructura cruda en algunos de los canales por dicha composición antes y/o después del secado antes y/o después de la cocción de acuerdo a la etapa d) a fin de obtener una estructura de filtro después de la cocción; c) opcionalmente , secar al aire utilizar una técnica elegida de secado por aire caliente, secado por microondas y 1 i o f i 1 i z a ci ón a una temperatura por debajo de 130°C, o una combinación de dichas técnicas; y d) cocción de dicha estructura en un soporte de acuerdo a la invención, opcionalmente incluyendo una etapa de remoción de aglutinante inicial.

Típicamente, la etapa de cocción d) se lleva a cabo a una temperatura dependiente del material constituyente de la estructura.

Los inventores han observado que el soporte de acuerdo a la invención, es particularmente ventajoso para la cocción de las estructuras de filtro crudas que ya se han tapado, de este modo haciendo posible evitar una etapa de cocción adicional para la s interi zación de los tapones. De esta manera, el uso de soportes de acuerdo a la invención hace más fácil al final, obtener las estructuras de filtro de cohesión mejorada entre los tapones y las paredes.

Preferentemente, la estructura de filtro es monolítica y las paredes filtrantes se basan en un material de óxido inorgánico, en particular con base a titanato de aluminio o cordierita o mullita, o un compuesto basado en estos materiales. La expresión "basada en" se entiende que significa que dichas paredes comprenden al menos 50% en peso, preferentemente al menos 70% en peso, o al menos 90% en peso o incluso 98% en peso de dicho material.

En una primera modalidad posible de acuerdo a la invención, las paredes porosas de la estructura de filtro están hechas de un material basado en titanato de aluminio. En general, la composición de la cerámica porosa basada en titanato de aluminio puede tener todos los aditivos conocidos para estabilizar la fase de titanato de aluminio. La expresión "estabilidad de temperatura alta" se entiende que significa la capacidad del material basado en titanato de aluminio de no descomponerse en dos fases, principalmente óxido de titanio Ti02 y óxido de aluminio AI2O3, bajo las condiciones de operación normales de un filtro de macroparticulas. Convencionalmente, esta propiedad se mide de acuerdo a la invención mediante una prueba de estabilidad que consiste en determinar las fases presentes en el material, típicamente por difracción de rayos X, y después al someterlo a un tratamiento térmico a 1100°C por diez horas y revisando, utilizando el mismo método de análisis de difracción de rayos X y bajo las mismas condiciones, por la apariencia de las fases de óxido de titanio y alumina en el umbral de detección del equipo.

En otra posible modalidad de acuerdo a la invención, las paredes porosas de la estructura de filtro están hechas de un material a base de Sic y una matriz aglutinante vitrea y/o cerámica, dicha matriz vitrea posiblemente comprendiendo Si02. El término "matriz aglutinante cerámica" se entiende que significa una estructura continua entre los granos, típicamente con un diámetro o tamaño promedio entre 1 y 100 mieras y preferentemente entre 10 y 100 mieras, y obtenidos por cocción o sinterizacion a fin de consolidar el material que constituye dicha matriz. La expresión "matriz vitrea" se entiende en particular, que significa una matriz formada por un material no cristalino o ligeramente cristalino que comprende al menos 30% de sílice (Si02) .

En otra posible modalidad de acuerdo a la invención, las paredes porosas de la estructura de filtro están hechas de un material a base de alumina.

En otra posible modalidad de acuerdo a la invención, las paredes porosas de la estructura de filtro están hechas de un material a base de cordierita.

En una posible modalidad, el filtro consiste en un ensamble de monolitos filtrantes, la sección transversal de un monolito que constituye la estructura ensamblada es preferentemente cuadrada, la anchura del monolito siendo entre 30 mm y 50 mm . El material de juntas aquí se entiende que significa una composición moldeable formada por una mezcla de fibras y/o partículas, ya sea seca o húmeda, capaz de fraguarse y de tener una resistencia mecánica suficiente a temperatura ambiente o después de secado y/o tratamiento térmico, la temperatura que define la refractariedad, elegida de no óxidos, tales como SiC, nitruro de silicio y/o aluminio y oxinitruro de aluminio, o de óxidos, especialmente comprendiendo AI2O3, Si02, MgO, Ti02, Zr02, Cr203 o cualquier mezcla de los mi smos .

El filtro, ya sea ensamblado o no, preferentemente tiene un cemento de revestimiento sujeto al filtro ensamblado, especialmente de la misma composición mineral como el material de juntas a fin de reducir las tensiones t e rmome cán i ca s .

La estructura de filtro obtenida mediante el proceso de acuerdo a la invención, puede además incluir una fase catalítica activa, soportada o preferentemente no soportada, comprendiendo típicamente al menos un metal precioso tal como Pt y/o Rh y/o Pd y posiblemente un óxido tal como Ce02, Zr02 o Ce02-Zr02.

La invención y sus ventajas, se entenderán mejor a la lectura de los siguientes ejemplos no limitantes proporcionados únicamente para demostrar las ventajas asociadas con el uso del soporte de acuerdo a la invención. En los ejemplos, todos los porcentajes se dan en peso.

Ejemplos : a) producción de un polvo obtenido de titanato de aluminio colado por fusión: En todos los ejemplos, los porcentajes se dan en peso. En una etapa preliminar, el titanato de aluminio se preparó de las siguientes materias primas: aproximadamente 40% de alumina en peso, con un nivel de pureza de AI2O3 mayor a 99.5% y un diámetro medio d50 de 90 µta, vendida bajo la referencia AR75® por Pechiney; - aproximadamente 50% de óxido de titanio en peso, en forma de rutilo, comprendiendo más de 95% de Ti02 y aproximadamente 1% de zirconia y teniendo un diámetro medio d50 de aproximadamente 120 µ??, vendida por Europe Minerals; aproximadamente 5% de sílice en peso, con un nivel de pureza de Si02 mayor a 99.5% y un diámetro medio dso de aproximadamente 210 µp?, vendida por SIFRACO; y aproximadamente 4% en peso de un polvo de magnesia con un nivel de pureza de MgO mayor a 98%, más de 80% de las partículas de las cuales teniendo un diámetro entre 0.25 y 1 mm, vendida por Nedmag.

La mezcla inicial de óxidos reactivos, se fundió en un horno de arco eléctrico, en aire, bajo operación eléctrica oxidante. La mezcla fundida después se coló en un molde CS a fin de lograr el rápido enfriamiento. El producto obtenido se trituró y se tamizó a fin de obtener polvos de diversas fracciones de tamaño de partícula. Más precisamente, las operaciones de tamizado y trituración se llevaron a cabo bajo condiciones para obtener al final las siguientes dos fracciones de tamaño de partícula: una fracción de tamaño de partícula caracterizada por un diámetro medio d50 sus tancialmente igual a 50 mieras, señalada por el término fracción "gruesa" de acuerdo a la presente invención; y una fracción de tamaño de partícula caracterizada por un diámetro medio d5o sustancialmente igual a 1.5 mieras, señalada por el término fracción "fina" de acuerdo a la presente invención.

En el contexto de la presente descripción, el diámetro medio dso señala el diámetro de partículas, medida por sedigrafía, debajo de la cual 50% en volumen de la población se sitúa.

El análisis por microsonda demostró que todos los granos de la fase fundida obtenidos de esta manera, tienen la siguiente composición, en porcentajes en peso de los óxidos de abajo (Tabla 1) : Tabla 1 b) fabricación de monolitos crudos En primer lugar, una serie de monolitos crudos secos se sintetizó en la manera de aba j o : Los polvos de acuerdo a la siguiente composición se mezclaron en una mezcladora: 100% de una mezcla de dos polvos de titanato de aluminio producidos de antemano por colado por fusión, principalmente aproximadamente 75% de un primer polvo con un diámetro medio de 50 y 25% de un segundo polvo con un diámetro medio de 1.5 µ?? .

Enseguida, se agregaron los siguientes, en relación a la masa total de la mezcla: 4% en peso de un aglutinante orgánico del tipo de celulosa; 15% en peso de un agente formador de poros; 5% de un pías t i f ican t e derivado de etilenglicol; 2% de un lubricante (aceite); 0.1% de un agente tensoactivo; y aproximadamente 20% de agua a fin de obtener, utilizando las técnicas de la técnica anterior, una pasta homogénea después del mezclado, la plasticidad de la cual permitió que una estructura de panal se extruyera a través de un troquel, cuya estructura, después de cocerse, tuvo las características dimensionales como en la Tabla 2.

Enseguida, los monolitos crudos obtenidos se secaron mediante secado por microondas por un tiempo suficiente para traer el contenido de agua químicamente sin unir a menos de 1% en peso.

Los canales de ambos extremos de los monolitos se taparon utilizando las técnicas bien conocidas, por ejemplo, aquellas descritas en la patente EE.UU 4 557 773 , con una mezcla que cumple la siguiente formulación: 100% de una mezcla de dos polvos de titanato de aluminio producidos de antemano mediante colación por fusión, principalmente aproximadamente 66% de un primer polvo con un diámetro medio de 50 µp? y 34% de un segundo polvo con un diámetro medio de 1.5 µ??; 1.5% de un aglutinante orgánico del tipo de celulosa; 21.4% de un agente formador de poros; 0.8% de un dispersante a base de un ácido carboxílico; y aproximadamente 55% de agua a fin de obtener una mezcla capaz de obturar los monolitos en cada otro canal.

Las características de los monolitos, después de la cocción progresiva en aire hasta que se alcanzó una temperatura de 1450 °C, la cual se mantuvo por 4 horas, se dan en las Tabla 2 de abajo: Tabla 2 Ej emplo 1 Material Esencia lmente fase de titanato de aluminio Características de la estructura después de la cocción : forma de monolito Cilindrica sección transversal de celda Cuadrada longitud 200 mm diámetro 150 mm espesor de pared 350 µp? Diámetro de poro medio 13 µp? Porosidad de mercurio 44 % Contracción promedio del filtro 8% que se está cociendo Las características de porosidad se midieron mediante el análisis de porosimetría de mercurio a alta presión llevado a cabo utilizando un porosímetro Micromeri t ics 9500. La contracción se midió por la relación de porcentaje de la diferencia entre el diámetro (en mm) del monolito después de la cocción y aquella del monolito crudo seco dividida por el diámetro (en mm) del monolito crudo seco. El diámetro se midió en la parte superior del filtro, es decir, cercana a la cara opuesta a aquella que se encuentra directamente en contacto con el soporte de cocción, a fin de ignorar cualquier deformación de "pata de elefante" en la base del filtro. El valor de contracción indicado en la Tabla 2 corresponde a un promedio obtenido de las mediciones hechas sobre una población de 10 monolitos.

En el caso de Ejemplo 1 (un ejemplo comparativo), los monolitos se cocieron sobre un soporte de panal crudo que tiene la misma estructura y el mismo tamaño de partícula y la composición química mineralógica como los monolitos. Las características dimensionales del soporte, la forma general del cual se ilustra en la figura 2, se dan en la Tabla 3. De acuerdo a este ejemplo, el soporte de cocción también tiene una forma cilindrica y un diámetro idéntico a aquel de la estructura a ser cocida .

A diferencia del ejemplo previo, los monolitos obtenidos de acuerdo al Ejemplo 2 (también ejemplo comparativo) se cocieron en un soporte que tiene una geometría idéntica a aquella en la figura 7 de la patente EP 0 234 887. Las dimensiones de este soporte se dan en la Tabla 3. La figura 7 anexa muestra esquemáticamente la forma del soporte, la longitud a y el ángulo d caracterizando el soporte descrito en esta técnica anterior.

A diferencia de los ejemplos comparativos anteriores, los monolitos de los Ejemplos 3, 4 y 5 de acuerdo a la invención se cocieron en un soporte de panal crudo que tiene la forma ilustrada en la figura 5, las dimensiones de dicho soporte dándose en la Tabla 3 de abajo. El soporte consistió en esta ocasión de dos niveles circulares de diámetro respectivo Li (1er nivel) y L2 ( 2 ° nivel), el diámetro L2 siendo, de acuerdo con la invención, pequeño que el diámetro Tabla 3 La anchura Ls se midió sobre la estructura en el estado crudo seco en la base del monolito. Las dimensiones Li, L2, L3, Ei_2, Ei-3 a y H y los ángulos a y d se midieron sobre el soporte crudo seco.

La deformación horizontal ("pata de elefante")/ que se dice es la deformación paralela al plano formado por la superficie del soporte en contacto con la parte a ser cocida, se midió sobre cada filtro monolítico después de la cocción. El porcentaje de deformación expresado en la Tabla 3, es un porcentaje promedio medido sobre una muestra de 10 filtros. Se determinó al medir la diferencia en el diámetro exterior en la parte superior y en la base del filtro en contacto con el soporte de cocción y al dividir esta diferencia por el diámetro promedio del filtro y al multiplicarse por 100. Una deformación horizontal mayor a 2% se considera como no satisfactoria para la aplicación .

La deformación vertical se midió sobre un filtro o monolito después de la cocción por la diferencia en longitud del filtro en el centro y en la periferia del filtro, dividiendo esta por la longitud en el centro del filtro y multiplicándose por 100. Una deformación vertical mayor a 0.1% necesita una operación de maquinado adicional llevada a cabo sobre la parte obtenida, por esta razón, se considera que no es satisfactoria.

Los resultados presentados en la Tabla 3 muestran de esta manera que los soportes de acuerdo a la invención hacen posible obtener un filtro que tiene las deformaciones más pequeñas tanto en el plano horizontal como en el plano vertical. En particular, el uso del soporte de acuerdo a la invención da como resultado estructuras para las cuales ningún ajuste, corte o maquinado después de la cocción, parece que sea necesario. Además, en el caso de una estructura de filtro, los tapones podrán ajustarse sin ninguna deficiencia antes de la etapa de cocción de la estructura. Esto hace posible para la homegeneidad y la resistencia de los filtros obtenidos ser significativamente mejoradas, especialmente para uso como un filtro de macroparticulas en un tubo de escape de un vehículo de motor.

Claims (16)

REIVINDICACIONES

1. Un proceso para cocción de una estructura cerámica porosa del tipo panal sobre un soporte de cocción, dicha estructura comprendiendo una pluralidad de canales continuos longitudinales que terminan en dos extremos de la estructura, el extremo que se apoya sobre el soporte teniendo una anchura máxima Ls antes de la cocción, en un plano seccional longitudinal que atraviesa el eje principal de la estructura, dicho proceso caracterizándose porque el soporte tiene, en dicho plano seccional longitudinal: un primer nivel correspondiente a una primera cara del soporte que sirve como superficie de apoyo para la estructura a ser cocida, dicho nivel teniendo una anchura máxima Li; un segundo nivel, separado lejos de dicha primer cara del soporte por un espesor ??-2, dicho segundo nivel teniendo una anchura máxima L2; la anchura Li siendo igual a o mayor a Ls; y, la anchura L2 siendo menor a Li.

2. El proceso de cocción según se reclama en la reivindicación 1, en la cual la anchura Li se encuentra entre Ls y 1.1 x Ls .

3. El proceso de cocción según se reclama en cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en la cual la diferencia relativa (Li-L2)/Li entre las dos anchuras Li y L2 es igual o mayor a aproximadamente 5%.

4. El proceso según se reclama en una de las reivindicaciones precedentes, en la cual el extremo de la estructura y aquella cara del soporte que sirve como cara de apoyo de la misma, tienen sustancialmente la misma forma y/o sustancialmente la misma geometría.

5. El proceso de cocción según se reclama en una de las reivindicaciones precedentes, en la cual el soporte es de un tipo panal y comprende una pluralidad de canales continuos longitudinales que se abren en dos extremos, el extremo superior del soporte cons ituyendo dicho primer nivel.

6. El proceso de cocción según se reclama en una de las reivindicaciones precedentes, en la cual la expansión térmica del material que constituye el soporte, varía por un máximo de 2% de la expansión térmica del material que constituye la estructura dentro del rango de temperatura de la cocción.

7. El proceso de cocción según se reclama en una de las reivindicaciones precedentes, en la cual la contracción en la cocción del material que constituye el soporte, varia por un máximo de 2% de la contracción en la cocción del material que constituye la estructura dentro del rango de temperatura de la cocción .

8. El proceso de cocción según se reclama en una de las reivindicaciones precedentes, en la cual el soporte tiene una forma trapezoidal, dicho segundo nivel correspondiente a la segunda cara del soporte.

9. El proceso de cocción según se reclama en una de las reivindicaciones 1 a 7, en la cual dicho soporte tiene un tercer nivel correspondiente a la segunda cara del soporte, teniendo una anchura L.3, la anchura L3 siendo igual o mayor a la anchura L2 y al menos igual a 3/5 de la anchura Ls.

10. El proceso de cocción según se reclama en una de las reivindicaciones precedentes, en un proceso para obtener una estructura de filtro de panal, en la cual los canales continuos longitudinales de la estructura alternati amente se bloquean de antemano en sus extremos.

11. Un soporte de cocción adecuado para cocer una estructura cerámica porosa del tipo panal, caracterizado porque comprende, en un plano seccional que atraviesa su eje principal: - un primer nivel correspondiente a una primera cara del soporte a fin de servir como superficie de apoyo para la estructura a ser cocida, dicho nivel teniendo una anchura máxima Li/ - un segundo nivel, separado lejos de dicha primer cara del soporte por un espesor Ei_ 2, dicho segundo nivel teniendo una anchura máxima L2; - la anchura L2 siendo menor a Lx .

12. El soporte de cocción según se reclama en la reivindicación 11, en la cual la anchura Li se encuentra entre Ls y 1.1 x Ls-

13. El soporte de cocción según se reclama ya sea en la reivindicación 11 o 12, en la cual la diferencia relativa (Li-L2)/Li entre las dos anchuras Li y L2 es igual a o mayor a aproximadamente 5%.

14. El soporte de cocción según se reclama en una de las reivindicaciones 11 a 13, del tipo panal, comprendiendo una pluralidad de canales continuos longitudinales que se abren en dos extremos, el extremo superior del soporte constituyendo dicho primer nivel.

15. El soporte de cocción según se reclama en una de las reivindicaciones 11 a 14, teniendo una forma trapezoidal, dicho segundo nivel correspondiente a la segunda cara del soporte .

16. El soporte de cocción según se reclama en una de las reivindicaciones 11 a 14, teniendo un tercer nivel correspondiente a la segunda cara del soporte, teniendo una anchura L3, la anchura L3 siendo igual o mayor a la anchura L2.