Введение к работе
Актуальность работы. Развитие технологии фильтрации и разделения, экологического и гетерогенного катализа требуют совершенствования технологии проницаемой керамики для фильтров и носителей катализаторов. Для эффективной эксплуатации и регенфации эти матфиалы должны обладать регулируемым распределением пор по размерам, высокой проницаемостью, прочностью, химической и термической стойкостью.
Принципы создания проницаемой керамики с регулируемой структурой и свойствами изложены в работах Беркмана А.С., Гузмана ИЛ., Адушкина Л. Е., Черепанова Б.С, Анциферова В.Н и др. Ими показано, что корундовые и карбидкремниевые материалы обеспечивают высокие эксплуатационные свойства изделий. Обычно технология таких изделий включает обжиг при темпфатурах 1600 - 2000С, что повышает стоимость изделий на их основе. Снижение себестоимости их производства возможно за счет снижения темпфатуры обжига до 1350-1450С при введении в состав керамики упрочняющих компонентов. В настоящее время в прикладных исследованиях преобладает эмпирический метод разработки составов и технологии, связанный с большими затратами энфгии, матфиалов и рабочего времени. Использование теоретических расчетных методов позволит оценить влияние технологических факторов на структуру и свойства керамики и сократить объем эксперимента.
Целью работы являлась разработка прочной проницаемой корундовой и карбид-кремниевой кфамики с регулируемой структурой и свойствами при темпфатуре обжига не выше 1450С для микрофильтрующих элементов и высокопористых ячеистых носителей катализаторов (ВПЯНК) для блочных катализаторов.
Для достижения поставленной цели решали следующие задачи:
-
Разработка методики расчета прочности при изгибе пористых многофазных кфами-ческих материалов зернистого строения на основе теоретических представлений о связи прочности матфиала с его структурой и фазовым составом.
-
Разработка составов упрочняющих компонентов, образующих керамические связки при пониженной темпфатуре обжига, и изучение их влияния на микроструктуру и свойства матфиалов.
-
Создание методики моделирования текстуры и свойств матфиалов, позволяющей изготавливать материалы с заданным уровнем свойств и снизить объем эксперимента.
4. Определение оптимальных технологических параметров изготовления фильтрующих элементов и носителей катализаторов. Научная новизна заключается в следующем:
-
Разработана методика расчета прочности при изгибе пористой зернистой керамики с упрочняющими связками. Для этого в модели Ребиндера-Щукина-Марголис и Зимона-Андрианова расчета прочности однофазных материалов ввели дополнение, учитывающее взаиморасположение связки и наполнителя в многофазной керамике: в качестве единичных рассматривали контакты между частицами связки и наполнителя, учитывали их объемные доли и удельные поверхности.
-
Рассчитаны значения параметров предложенного уравнения и на примере материалов со связками А1203, А12Оз с добавкой в системе MgO-Y203-ZrO2, MgOSiCb и 9А12Оз-2В203 и их комбинаций показана возможность прогноза и регулирования прочности пористой керамики на основе узко- и полидисперсных наполнителей.
-
Изучены некоторые закономерности фазо- и структурообразования контактов в материалах со связками в системах MgO-Al203-Si02 и А12Оз-В2Оз в областях, близким к соединениям MgOSi02 и 9А12Оз-2В2Оз. Показано, что прочность этих материалов связана с объемным эффектом реакций при образовании связки. Выявлены оптимальные составы и содержание связок в материале. Установлено, что в корундовой керамике со связкой в системе MgO-Si02 плотность прессовки определяет вид и соотношение кристаллических и стеклообразных фаз, образующихся при обжиге. В материалах, содержащих 9А12Оз-2В2Оз, прочность зависит от соотношения и способа смешивания компонентов добавки, образующей при обжиге связку.
-
С использованием теоретических расчетов разработаны составы пористой корундовой и карбидкремниевой керамики со связками в системе MgO-Al203-B203-Si02 с температурами обжига не выше 1450С.
-
Выявлено, что прочность ВПЯНК из зернистой керамики нескольких составов определяется в большей степени размерами перемычек, чем прочностью материала. Установлены количественные зависимости между объемной концентрацией твердой фазы шликера и поперечным размером перемычек, открытой пористостью и прочностью при сжатии ВПЯНК.
Практическая значимость работы: 1. Разработана технология карбидкремниевых и корундовых фильтрующих элементов с различными связками с проницаемой пористостью 35 - 45% и прочностью при изгибе
40 - 65 МПа с температурой обжига 1350 - 1400С. Эффективность фильтрации газообразных веществ от твердых частиц размером 0,21 мкм составила 99,70 - 99,99%.
-
Изделия из разработанной керамики успешно использованы в РНЦ «Курчатовский институт» для микрофильтрапии хлорсодержащих газов от твердых включений, и при электролитическом нанесении алмазных покрытий на инструменты сосудистой хирургии в ЗАО «Штурман Кардиолоджи Системе». Результаты испытаний подтверждены актами.
-
Предложена методика моделирования текстуры и свойств керамики для ВПЯНК с помощью образцов, условия формования и обжига которых подобны условиям изготовления изделий. Это позволило уменьшить объем эксперимента и разработать составы керамики на основе зернистых наполнителей и связками из электрофарфора и в системах MgO-Al20:HSiO2 и ZnO-Ti02.
-
На основе этой методики разработана технология безусадочных кислотостойких керамических ВПЯНК для никелевых блочных катализаторов с температурой обжига не выше 1450С. На ОАО «Гжельский электроизолятор» выпущены опытно-промышленные партии этих изделий.
-
Блочные никелевые катализаторы на основе разработанных ВПЯНК использованы в промышленных реакторах для производства анилина на ГУЛ «Завод им. Я.М.Свердлова». Это позволило увеличить срок службы катализатора с 24 до 960 ч, исключить загрязнение продукта пылевидными фракциями, снизить количество катализатора в 2 раза по сравнению с использованием гранулированных носителей.
На защиту выносятся: -методика и результаты расчета прочности пористых керамических материалов на основе зернистых наполнителей со связками в системах А1203, MgO-AkOr-Y2O3-Z1O2, MgO - Si02, Al2Oj - B203 и их комбинаций;
-результаты изучения фазообразования в корундовых и карбидкремниевых материалах со связками MgO-Si02 и 9А1203 2В20з и влияние объемных эффектов при их образовании на свойства пористых керамических материалов;
- способ изготовления прочных пористых керамических фильтрующих элементов; -методика моделирования текстуры и свойств перемычек высокопористых керамических материалов ячеистого строения;
-результаты изучения влияния параметров формования на размеры перемычек и свойства ВПЯНК;
- способ изготовления высокопористых ячеистых носителей катализаторов; - результаты испытаний разработанных материалов.
Апробация работы: Результаты работы доложены на ХП Международной конференции молодых ученых «Успехи в химии и химической технологии» (г. Москва, 1999 г) и научно-практической конференции «Керамические материалы: производство и применение» (г. Москва, 2000 г.).
Публикации: По теме работы опубликовано 8 печатных работ.
Объем работы: Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов по работе,
списка использованной литературы, включающего 169 наименований, и приложе
ний. Работа изложена на страницах и включает _42_ рисунка и 24 таблицы.
