高溫氣固分離碳化硅陶瓷支撐體成型壓力研究

倫文山 徐澤躍 朱軍 陸麗芳 郭文飛 蔣鑫焱

摘 要：本文在保持顯氣孔率>35%的前提條件下，研究了等靜壓成型的成型壓力對高溫氣固分離碳化硅多孔陶瓷支撐體的強度、孔隙率和過濾壓降的影響，同時研究了造孔劑含量與所需成型壓力的關(guān)系。結(jié)果表明，在滿足孔隙率的前提下，隨著造孔劑含量的變化，成型壓力也需相應(yīng)地變化。當(dāng)造孔劑含量為 3 wt%、成型壓力為40 MPa時，成型后坯體的強度、燒成后制品的強度和過濾壓降均較理想。

關(guān)鍵詞：成型壓力；造孔劑；孔隙率；強度；過濾壓降；碳化硅

1 引言

目前，我國電力工業(yè)是以火力發(fā)電為主，但高溫?zé)煔鈨艋讲桓撸粌H污染環(huán)境，而且浪費掉大量的熱能和有用資源。高溫氣體除塵技術(shù)是21世紀(jì)一種先進(jìn)的高效節(jié)能技術(shù)，該項技術(shù)的應(yīng)用可以促進(jìn)協(xié)調(diào)我國資源、經(jīng)濟與環(huán)境，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。高溫氣體除塵技術(shù)的關(guān)鍵是在高溫下直接將煙氣實現(xiàn)氣固凈化分離，并使排出的煙氣符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。

要想去除高溫?zé)煔庵械膲m粒，要求所選陶瓷材料必須能承受高溫（500～900℃）、高壓（1.0～3.0 MPa）以及脈沖反吹時因溫度差突變而引起的熱應(yīng)力變化。因此，研發(fā)一種具有優(yōu)異性能的高溫陶瓷過濾材料很有必要。

采用碳化硅材料制備的多孔陶瓷支撐體的最大優(yōu)點是抗熱沖擊性好、高溫強度高和耐腐蝕性好，在嚴(yán)酷的條件下可以保持良好的穩(wěn)定性；同時，碳化硅陶瓷具有良好的抗彎強度，抗彎強度的大小直接影響到多孔陶瓷支撐體的使用壽命。因此，碳化硅多孔陶瓷支撐體是一種優(yōu)良的高溫氣固分離材料。

等靜壓成型工藝是目前一種較為先進(jìn)的成型工藝，具有組織結(jié)構(gòu)均勻、不易變形、燒成收縮率小、模具成本低、生產(chǎn)效率高、可成型形狀復(fù)雜和精密尺寸制品等突出優(yōu)點，應(yīng)用前景非常廣泛。

本文主要根據(jù)等靜壓成型的特點和碳化硅的特性研究如何制備出高孔隙率和高折強度的碳化硅陶瓷支撐體，使其工業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化，在高溫氣固分離行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。

2 試驗過程

2.1 試驗原料及設(shè)備

試驗原料：碳化硅（60目），復(fù)合陶瓷粉體，造孔劑（木纖維）和粘結(jié)劑（PVA溶液）。

主要設(shè)備：冷等靜壓機，電動抗折試驗機，高溫?zé)Y(jié)爐，顯氣孔體密測定儀等。

2.2 試樣的制備

以碳化硅顆粒為骨料搭建骨架，利用細(xì)粉作為陶瓷結(jié)合劑，將混合均勻的復(fù)合陶瓷粉體緩緩加入骨料中混合均勻，然后將造孔劑加入到骨料中，在轉(zhuǎn)動的混煉機中碾壓均勻，之后陳化24 h。在等靜壓模具中等壓成型，尺寸為Φ60 mm ×Φ40 mm × 750 mm；將成型后的試樣放入恒溫烘箱中進(jìn)行低溫烘干處理，在1330℃下燒成，保溫時間為4 h。

3 結(jié)果與討論

3.1 成型壓力對碳化硅陶瓷支撐體孔隙率、抗折強度的影響

成型壓力的大小對陶瓷坯體的致密度、燒成后制品的強度和孔隙率有直接的影響。成型壓力高，坯體強度高，脫模時不易破碎，燒成后制品的強度高，孔隙率小；成型壓力低，坯體強度低，脫模時易損壞，燒成后制品的強度低，孔隙率高。因此合適的成型壓力是制備出優(yōu)異的陶瓷制品關(guān)鍵因素之一。

成型壓力與抗折強度和孔隙率的關(guān)系見圖1，隨著成型壓力的提高，碳化硅支撐體的抗折強度隨之升高，孔隙率下降，且下降幅度較大。而研究制備的碳化硅多孔陶瓷材料，需要保持一定的孔隙率（≥35%），因此不能只單一考慮碳化硅陶瓷強度來選取成型壓力。由圖1可知，成型壓力在40 mPa的時，測得孔隙率>35%，抗折強度>22 Mpa；成型壓力超過45 mPa時，孔隙率低于35%，此時氣體通過碳化硅支撐體的的阻力偏大，影響支撐體的使用效率。

3.2 造孔劑與所需成型壓力的關(guān)系

引入的造孔劑需滿足兩個條件：一是不能和陶瓷基體進(jìn)行反應(yīng)；二是燒結(jié)過程中易排除，不會留下影響多孔陶瓷性能的殘留物質(zhì)。在多孔陶瓷材料中，造孔劑有很多種，如活性炭粉、石墨、淀粉、聚乙烯醇、纖維素等。

造孔劑與所需成型壓力的關(guān)系見圖2，在保持空隙率>35%的前提下，隨著造孔劑含量的提高，所需成型壓力大致呈線性升高，但是造孔劑添加過量后使得坯體成型以及燒成時收縮變大，燒成后的坯體易產(chǎn)生微裂紋等缺陷，制品的力學(xué)性能大幅度下降。相關(guān)研究結(jié)果顯示，造孔劑的含量選取3 wt%較為合適，此時需要的成型壓力為40 MPa，孔隙率為36.8%。

3.3 成型壓力對碳化硅陶瓷支撐體過濾壓降的影響

表征碳化硅陶瓷支撐體使用性能的主要參數(shù)之一是過濾壓降，過濾壓降的大小直接影響碳化硅陶瓷支撐體使用過程中的煙氣過濾效率。過濾壓降越小，煙氣過濾效率越高，制品的性能越好。

成型壓力與過濾壓降的關(guān)系見圖3。由圖3所示，隨著成型壓力的不斷提高，過濾壓降也隨之大幅度提高，兩者基本呈線性關(guān)系；加入造孔劑木纖維后，在相同的成型壓力下，陶瓷支撐體的過濾壓降明顯低于未加造孔劑的陶瓷支撐體的過濾壓降。為了降低過濾壓降，有兩種方式：一是繼續(xù)降低成型壓力；二是添加造孔劑以提高碳化硅陶瓷支撐體的孔隙率。若成型壓力過低，成型后的坯體強度低、極易開裂、斷裂、碳化硅顆粒易剝落、不易成型，燒成后制品的強度會大幅度下降，嚴(yán)重影響使用壽命。因此選取合適的成型壓力是技術(shù)關(guān)鍵之一。

4 結(jié)論

本文對碳化硅陶瓷支撐體的等靜壓成型進(jìn)行了研究，綜合試驗結(jié)果，所得出結(jié)論如下：

（1）當(dāng)成型壓力為40 MPa時，碳化硅陶瓷支撐體的抗折強度和孔隙率的性能較為理想，此時的孔隙率為36.8%，抗折強度約為23.5 MPa。

（2）對成型壓力、造孔劑含量和過濾壓降的研究發(fā)現(xiàn)，三者基本呈線性關(guān)系。成型壓力的選取至關(guān)重要。

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Study on the Forming Pressure of SiC Porous Ceramics Materials for

High Temperature Gas Solid Separation

LUN Wen-shan 1，XU Ze-yue 2 ，ZHUJun 1，LU Li-fang 1，GUO Wen-fei 2， JIANG Xin-yan2

（1 Jiangsu Jiuwu High-Tech co.， LTD， Nanjing 210000；

2 Jiangsu province ceramics research institute co.， LTD， Yixing 214221）

Abstract： In this paper， the effects of pressure on the strength， void fraction and pressure drop of high temperature gas solid separation silicon carbide porous ceramic supports were studied under the condition of keeping the porosity rate > 35%. The influence of pore forming agent content on the forming pressure and the pressure drop were studied. Through the research， it was found that when the pore forming agent content was 3 wt%， the pressure was 40 MPa， the strength and the pressure drop of product is ideal.

Keywords： Forming pressure；Pore forming agent；Void fraction；Strength； Pressure drop