Шихта с формовочной глиной для получения пористого проницаемого каталитического материала

Изобретение относится к получению пористого проницаемого каталитического материала методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Материал может быть использован для изготовления фильтрующих элементов, пламегасителей, аэраторов и каталитических фильтров нейтрализаторов отработавших газов двигателей внутреннего сгорания. Шихта содержит 12,6 мас.% окалины легированной стали, 8,6-12,3 мас.% алюминия, 6,9 мас.% хрома, 12,4 мас.% никеля, 54,6-58,3 мас.% формовочной глины и 1,2 мас.% меди. Обеспечивается повышение качества каталитической очистки отработавших газов двигателей внутреннего сгорания изделиями, изготовленными из данной шихты. 1 табл.

 

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности, к составам шихты для получения пористого проницаемого материала методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), применяемого для изготовления фильтрующих элементов, пламегасителей, аэраторов и каталитических фильтров нейтрализаторов отработавших газов двигателей внутреннего сгорания.

Известна шихта для получения пористого проницаемого материала, содержащая железную окалину, оксид алюминия, алюминий и ферросилиций ФС-70 при следующем соотношении компонентов, мас. %: железная окалина - 41-43, оксид алюминия - 37-40, ферросилиций ФС-70 - 1-5, алюминий - остальное. Пористый проницаемый материал получают из порошковой шихты методом СВС. Материал имеет упорядоченную структуру порового пространства со средним размером пор 375 мкм, механическую прочность до 11 МПа (патент RU 2154550, МПК⁷ B22F 3/23, С22С 29/12).

Наиболее близким по технической сущности и достигнутому результату к предлагаемому изобретению (прототипом) является шихта для получения пористого проницаемого материала, содержащая железную окалину, оксид хрома (IV), хром, никель, алюминий, при следующем соотношении компонентов, мас. %: железная окалина - 45-50; алюминий - 12,5-27,5; оксид хрома (IV) - 17,5-18,5; хром - 5-9; никель - 5-20. Пористый проницаемый материал получают из порошковой шихты методом СВС. Материал имеет упорядоченную структуру порового пространства со средним размером пор 360 мкм, механическую прочность до 10.5 МПа (патент RU 1779681, МПК⁵ С04В 38/02, С04В 35/65).

Однако вышеописанные смеси имеют следующие общие недостатки:

- отсутствие обеспечения изделиями, изготовленными на основе получаемых пористых проницаемых материалов, каталитической очистки отработавших газов двигателей внутреннего сгорания и ограничение сферы применения получаемых пористых проницаемых материалов вследствие значительного среднего размера пор в пористых проницаемых материалах, не позволяющего организовать качественную очистку отработавших газов за счет каталитического эффекта и эффекта фильтрации;

- значительная материалоемкость изделий, изготовленных на основе получаемых пористых проницаемых материалов, изготовленных на основе получаемых пористых проницаемых материалов.

Техническая проблема, решение которой обеспечивается при осуществлении изобретения, заключается в разработке шихты, являющейся основой для создания изделий из получаемого пористого проницаемого материала, позволяющих производить качественную каталитическую очистку отработавших газов двигателей внутреннего сгорания, расширении сферы применения этого материала, снижении материалоемкости изделий, изготовленных на основе получаемых пористых проницаемых материалов.

Решение названной технической проблемы достигается тем, что шихта для получения пористого проницаемого каталитического материала, содержащая окалину легированной стали, алюминий, хром, никель, согласно изобретению дополнительно содержит формовочную глину и медь при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Окалина легированной стали	12,6
Алюминий	8,6-12,3
Хром	6,9
Никель	12,4
Формовочная глина	54,6-58,30
Медь	1,2

Качественная каталитическая очистка отработавших газов двигателей внутреннего сгорания изделиями, изготовленными на основе получаемого пористого проницаемого материала. расширение сферы применения этого материала и снижение материалоемкости изделий, изготовленных на основе получаемых пористых проницаемых материалов с соответствующим значением среднего размера пор в пористых проницаемых материалах (см. Таблицу), позволяющим организовать очистку отработавших газов от окислов углерода, азота, углеводородов, твердых частиц за счет каталитического эффекта, обусловленного использованием в составе шихты хрома, никеля и меди для получения в процессе СВС медно-хромокислых никелидов, являющихся катализаторами окисления продуктов неполного сгорания топлив, а также обусловленного введением в состав предложенной шихты формовочной глины.

Снижение материалоемкости изделий, изготовленных на основе получаемого пористого проницаемого материала, обеспечивается использованием в качестве основного компонента формовочной глины, являющейся отходом литейного производства.

Исходя из условий существования устойчивого горения, систем была определена концентрация каждою из компонентов предложенной шихты для получения пористого проницаемого каталитического материала.

Железо как легирующий элемент обеспечивает твердорастворное упрочнение матрицы. Железная окалина легированной стали является отходом горячей обработки металлов - ковки, штамповки - и представляет собой нестехиометрический оксид железа со следами легирующих элементов. При проведении исследований использовалась окалина стали 18ХНВА, имеющая высокую реакционную способность. Содержание в шихте окалины легированной стали в количестве 12,6 мас. % является оптимальным, так как при уменьшении в составе шихты количества окалины легированной стали менее 12,6 мас. % в системе появляется жидкая фаза, а при увеличении в составе шихты количества железной окалины более 12,6 мас. % шихта сгорает не полностью.

Содержание в шихте алюминия в количестве 8.6-12.3 мас. % является оптимальным, так как при уменьшении в составе шихты содержания алюминия менее 8,6 мас. % в системе появляется жидкая фаза, а при увеличении в составе шихты содержания алюминия более 12,3 мас. % шихта сгорает не полностью.

Хром является катализатором в процессах окисления углеводородов и от его содержания в шихте во многом зависят каталитические свойства пористых проницаемых материалов, полученных методом СВС. Хром введен в шихту, с одной стороны, для стабилизации растекания расплава реактивов в процессе взаимодействия, с другой - для повышения коррозионной стойкости материала к парам серной и азотной кислот, присутствующих в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания, и так же как катализатор, способствующий снижению энергии активации в окислительных и восстановительных процессах очистки газов в нейтрализаторах отработавших газов двигателей внутреннего сгорания. Содержание хрома в количестве 6,9 мас. % является оптимальным, так как при этом обеспечивается необходимая степень очистки отработавших газов двигателей внутреннего сгорания от вредных веществ. При содержании в шихте хрома в количестве менее 6,9 мас. % происходит снижение механической прочности за счет ухудшения условий растекания расплавов реагентов в процессе изготовления пористых проницаемых материалов, полученных методом СВС, а при содержании в шихте хрома в количестве более 6,9 мас. % приводит к образованию раковин и свищей.

Никель является катализатором в процессах доокисления продуктов неполного сгорания и восстановления оксидов азота. Введение никеля в состав шихты для получения пористого проницаемого каталитического материала значительно влияет на состав отработавших газов двигателей внутреннего сгорания. Содержание никеля в шихте в количестве 12,4% по массе является оптимальным, так как снижение содержания этого компонента в шихте менее 12,4 мас. % не обеспечивает необходимое качество очистки выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, а увеличение содержания никеля в шихте более 12,4 мас. % принципиально не сказывается на качестве очистки выхлопных газов, но приводит к значительному удорожанию катализатора.

Формовочные глины, как и пески, относятся к осадочным горным породам. Они состоят из мельчайших частиц водных алюмосиликатов с размерами <0,022 мм. Введение в состав шихты формовочной глины, позволяющей повысить температуру процесса СВС и увеличить объем жидкой фазы за счет дополнительных оксидов, содержащихся в глине, приводит и к увеличению средних размеров пор, обеспечивая лучшую степень очистки отработавших газов от вредных веществ. Использование в состав шихты формовочной глины, являющейся отходом литейного производства, с невысокой стоимостью повышает экономичность получаемого пористого материала. Добавление в шихту формовочной глины повышает температуру горения смеси за счет присутствия в глине большого количества оксидов и соединений алюминия и железа, что влечет за собой увеличение объема жидкой фазы за счет образования упорядоченной структуры пористого проницаемого материала, повышение прочности этого материала на сжатие и увеличение среднего размера пор. Присутствие в глине оксида кремни (SiO₂) ведет к раскислению продуктов реакции и к образованию более прочного скелета получаемого пористого материала. Содержание в шихте формовочной глины в количестве 54,6-58,3 мас. % является оптимальным, так как именно это количество формовочной глины в составе шихты обеспечивает заданную пористость, извилистость пор, ударную вязкость, а также необходимую степень очистки отработавших газов от вредных веществ (см. Таблицу). Снижение в составе шихты количества формовочной глины меньше 54,6 мас. % не дает возможности обеспечить требуемую пористость получаемого материала и извилистость пор, что не позволяет эффективно осуществлять процесс каталитической очистки отработавших газов двигателя внутреннего сгорания. Увеличение содержания формовочной глины в шихте более 58,3 мас. % приводит к снижению механической прочности при сжатии и при изгибе.

Содержание в шихте меди в количестве 1,2 мас. % является оптимальным, так как именно такое количество данного компонента в составе шихты обеспечивает каталитическую очистку отработавших газов двигателей внутреннего сгорания, реализуется способность окисления и нейтрализации токсических компонентов отработавших газов и уменьшается дымность двигателей внутреннего сгорания, при этом могут быть использованы более тонкостенные фильтрующие элементы вследствие повышения механической прочности на сжатие до 8,1 МПа. Снижение в составе шихты количества меди менее 1,2 мас. % шихта сгорает не полностью, а повышение в составе шихты количества меди более 1.2 мас. % в системе появляется жидкая фаза.

При проведении исследований по определению влияния содержания формовочной глины на состав шихты для получения пористого проницаемого каталитического материала изменялось и содержание алюминия. При этом изменились и физические характеристики получаемого материала. Изменение содержания окалины стали, хрома, никеля и алюминия, по сравнению с содержанием тех же компонентов в шихте, выбранной в качестве прототипа, приводит к уменьшению среднего приведенного диаметра пор, снижению механической прочности при сжатии и увеличению коррозионной стойкости.

Изобретение поясняется таблицей, в которой приведены состав, физические характеристики, физико-механические и функциональные свойства образцов пористого проницаемого каталитического материала, полученного на основе предложенной шихты путем СВС, а также образцов пористого проницаемого материала, полученного на основе шихты, выбранной в качестве прототипа, путем СВС.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется нижеследующим примером.

Для экспериментальной проверки заявляемого технического решения были приготовлены образцы шихты различного состава согласно изобретению, а также образец шихты-прототипа. Для изготовления образцов использовались размол окалины легированной стали 18Х2Н4МА, алюминий АСД-1 по ТУ 485-22-87, хром ПХ-1 по ТУ 882-76, никель ПНК-ОТ-1 по ГОСТ 9722-79, формовочная глина и медь (отход машиностроения). 13 качестве окалины легированной стали можно использовать также окалину стали 18ХНВА, или стали 18ХНМА, или стали 40ХНМА. Компоненты дозировались в заданных соотношениях на аналитических весах с точностью до 0,001 г и смешивались в сухую в лабораторном смесителе типа «пьяная бочка» партиями по 200 г в течение 1 часа. Приготовленная шихта засыпалась в металлические формы и после инициирования реакции СВС компонентов получали образцы пористого проницаемого материала, которые в дальнейшем использовались для испытаний.

Образцы для испытаний имели вид полых цилиндров длиной 100 мм, с внешним диаметром 40 мм и внутренним диаметром 30 мм. Результаты испытаний приведены в таблице.

Экспериментальная оценка физико-механических, каталитических и эксплуатационных свойств пористых проницаемых каталитических материалов проведена на образцах, полученных при идентичных технологических условиях с различными свойствами шихты. На основании результатов, представленных в таблице, выявлена зависимость среднего диаметр пор от соотношения компонентов в составе шихты: с увеличением содержания в шихте формовочной глины пористость материала уменьшается. Формирование структуры пористого проницаемого каталитического материала происходит на основе процесса горения смеси, в которую входит d-элементы периодической системы элементов, а именно: железо, никель, хром, медь и ряд других. Как следует из данных таблицы, шихта с заявленным составом компонентов позволяет уменьшить средний размер пор в синтезируемом материале до 52% по сравнению с прототипом.

Таким образом, использование предлагаемой шихты по сравнению с применением шихты-прототипа позволяет обеспечить изделиями, изготовленными на основе получаемого пористого проницаемого материала, качественную каталитическую очистку отработавших газов двигателей внутреннего сгорания, снизить материалоемкость этих изделий и расширить сферу применения полученного пористого проницаемого каталитического материала, что обусловлено уменьшением среднего размера пор получаемого материала.

Шихта для получения пористого проницаемого каталитического материала, содержащая окалину легированной стали, алюминий, хром, никель, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит формовочную глину и медь при следующем соотношении компонентов, мас.%:

окалина легированной стали	12,6
алюминий	8,6-12,3
хром	6,9
никель	12,4
формовочная глина	54,6-58,30
медь	1,2