燒結金屬多孔濾材技術綜述

1　燒結金屬多孔材料及濾材特性
燒結金屬多孔材料及由該材料構成的濾材是一種運用廣泛的剛性過濾介質。它是用金屬粉末在高溫下燒結而成的多孔管材或板材,一般厚度為2~3mm;亦可用單層或多層金屬網與金屬粉末一起燒結制成。通過控制金屬絲的直徑與粉末的粒度,可使孔隙率控制在3~400μm。隨著真空燒結技術的發展,使得高溫易氧化的金屬多孔材料的工業化制備成為可能。
燒結金屬多孔材料具有以下特點:
(1)優良的透過性能,適于制作催化劑、流體的分布與滲透裝置等;
(2)金屬微孔孔徑與孔隙易于控制,用于過濾時的過濾精度高;
(3)比表面積大,可以為化學反應提供理想的大面積接觸材料;
(4)可有效地吸收、傳播能量;
(5)保持一定的金屬與合金本身的特性;
(6)燒結金屬多孔材料耐高溫、抗熱震、耐低溫,適宜在較高或超低的工作溫度和耐熱沖擊環境下長期工作;
(7)金屬微孔孔徑、空隙度、滲透性能可通過反吹、高溫熱處理、化學溶劑、燃燒和超聲波振動等多種途徑的清洗再生方式,洗滌性能好,從而延長了使用壽命;
(8)燒結金屬多孔材料具有較好的機械加工性,可進行較復雜的機械成型加工及焊接。
從制備工藝和結構特點方面考慮,可將燒結金屬多孔材料分為:燒結金屬絲網、燒結金屬氈、燒結金屬粉末、金屬膜。其結構如圖1所示。
按照燒結金屬的材質分,燒結金屬多孔材料包括:金、銀、銅、鎳、鋁、鎂、鈦、鉻、鉬、鎢不銹鋼、鐵基合金、鐵鎳基合金、鎳基合金、哈氏合金、錳乃爾合金、鎢鉬合金、鈀銀合金等20多類幾百種。
常用燒結金屬多孔濾材可通過材質的調整,使溫度由400℃提高到927℃。表1是常用燒結金屬材料燒結所適用的最高溫度。

按照孔徑分布范圍,燒結金屬材料可分為:毫米級、亞毫米級、微米級、亞微米級、納米級。由于金屬絲材、金屬纖維、金屬粉末原料制備工藝難度的差異,它所對應的最高過濾精度也有所不同,一般符合以下規律:
燒結金屬粉末濾材最高精度>燒結金屬氈濾材最高精度>燒結金屬絲網濾材最高精度根據燒結金屬濾材的應用特點,金屬燒結濾材可分為:微孔過濾、氣體分布、減鎮穩流、消聲降噪、阻燃防爆、傳質傳熱、反應物載體等多種功能材料的組件。按照過濾原理,燒結金屬多孔濾材可分為表面過濾濾材和深層過濾濾材兩類。本文僅對金屬燒結濾材的過濾性能進行描述[1~9]。
2　燒結金屬多孔材料的制備工藝
燒結金屬多孔材料制備工藝一般經過以下幾個階段:
(1)燒結金屬多孔材料結構設計;
(2)燒結金屬多孔材料原料制備(高精度精密絲網的編織、集束拉制金屬纖維、高等級金屬粉末的制備)。對金屬多孔材料的制備,要求原料具有很好的幾何物性,即對金屬纖維原料要求有一致的絲徑、長度;對金屬粉末原料要求有非常相近的幾何外形尺寸;
(3)金屬多孔材料的燒結復合制備技術,其中包括了金屬微孔結構設計;
(4)燒結金屬多孔材料過濾組件的成型,其中涉及到濾材的焊接成型。
3　燒結金屬多孔材料的功能結構特點
燒結金屬多孔濾材的微孔結構一般包括支撐層、工作層(過濾層)、保護層。在濾材過濾面工作層一般采用倒錐形微孔結構設計。采用這種結構可以完成多級過濾效果,使雜質顆粒不會過快地在濾材的攔截表面堆積,從而有利于提高濾材的容塵性,延長濾材的工作周期。倒錐形結構示意圖如圖2。

3.1　燒結金屬絲網的結構特點
金屬微孔工作網層是燒結金屬絲網濾材的關鍵結構,它直接影響著金屬濾材的的分離及整體運行效果。選擇濾網本身要比表面看起來復雜得多,這涉及多種金屬絲尺寸、孔隙尺寸、空洞面積、織造工藝和組織設計等方面。
Dutch編織網:經向金屬絲比緯向金屬絲粗,使緯向金屬絲被拉得非常直,從而產生緊密、堅實的織物。織物孔隙趨向于楔型而非方型,這就有助于濾餅的形成。該結構濾網經常被使用在過濾器中[10]。

3.2　燒結金屬纖維氈的性能
燒結金屬氈工藝技術的發展以及高精密度濾材的研制是隨著集束拉絲工藝的成功應用而發展起來的。因為這方面的論述較多,本文不再詳述,這里引用Bekaert的相關數據以供參考。

3.3　燒結金屬粉末
20世紀60年代開始,在不同的應用領域和應用環境下,出現了耐鹽酸鎳基合金、鉻鎳鐵合金、鈦、不銹鋼等抗腐蝕、耐高溫的燒結粉末多孔濾材。發展到現在,大量生產與應用的燒結粉末多孔濾材主要包括青銅、不銹鋼、鎳及鎳合金、鈦等[11]。
國外燒結金屬氈濾材公司的典型工藝是:結構設計———原料加工準備(集束拉拔、纖維切削)———金屬纖維疊層(布氈)———燒結———機械焊接(元件制備)———清洗———檢測———最終清洗———成品發貨。
我國目前已經形成了頗具規模的燒結金屬多孔濾材生產能力。據不完全統計,我國年產青銅過濾元件已超過100萬件,不銹鋼過濾元件的有效過濾面積超過4萬平方米,鎳及鎳合金過濾元件接近1萬件,燒結鈦過濾元件超過2萬件[12,13]。燒結金屬粉末的過濾性能參數如表4、5所示。

4　燒結金屬多孔材料的主要性能指標
同其它多孔材料一樣,對燒結金屬多孔材料的性能評價主要參照ISO4002、ISO4572、ISO4003等標準。
燒結金屬絲網、燒結金屬氈和燒結金屬粉末具有不同的孔徑分布特點,從圖3可以看出燒結金屬絲網微孔孔徑分布范圍較集中,而燒結金屬粉末和燒結金屬氈的孔徑分布則較分散。
圖4為日本精線公司生產的燒結金屬多孔濾材性能對比情況。
通過上述燒結金屬多孔濾材的比較可以看出:燒結金屬氈具有非常好的耐污能力;燒結金屬絲網在20μm以上過濾系統應用中,濾材的綜合性能非常突出;燒結金屬粉末在超高精度凈化方面的發展潛力巨大[14]。

5　在應用過程中的高效系統匹配
燒結金屬多孔材料作為一類特殊的功能材料,可廣泛應用于氣體和液體的凈化過濾,該濾材具有過濾精度高、流通能力大、阻力損失小、承壓強度高、孔道均勻穩定等特點。它具有較好的反沖洗再生能力,可長期使用,適于連續自動化操作。此類濾材在石油、化工、紡織、食品、制藥、環保、液壓機械和電力等眾多工業領域獲得廣泛應用。
在燒結金屬多孔濾材的應用過程中,要考慮過濾系統的高效匹配問題。通常需要考慮以下三個因素:
(1)作為性能價格比十分突出的燒結金屬多孔濾材,其有效工作面積的設計和系統匹配十分重要,要明確凈化條件以及物料的特殊性質;
(2)對于過濾設計這類半經驗學科,要強調理論計算與系統模擬中試相結合的設計途徑;
(3)特殊濾材的制作手段要與實際應用緊密結合。
綜上所述,燒結多孔金屬濾材的過濾設計工作涉及機械、儀表、能源、化學、材料、環保等多種學科,該項工作的有效開展,需要眾多學科的支持。
6　燒結金屬多孔濾材市場現狀
6.1　國內外燒結金屬多孔濾材市場概況
目前,全球生產金屬多孔材料的廠家主要集中在美國、德國和日本[15]。較具代表性的有比利時Bekaert的燒結金屬纖維氈、美國Mott公司和德國GKN公司的燒結金屬粉末微孔材料。另外還有美國的Pall公司,德國的GKD公司,日本的Fu-jifilter、Nichidia、N-seisen公司,瑞典的BOPP公司。
這些公司一年銷售燒結金屬多孔濾材的總額超過15億美元,其中僅美國PALL公司過濾系統的年銷售額就超過了7億美元(燒結金屬多孔濾材占了相當大的比例);美國MOTT公司2000年燒結金屬粉末微孔制品的年銷售達到3·3億美元,比1999年增長20%[8];比利時Bekaert公司燒結金屬纖維濾材,年銷售超過3億美元;日本精線公司燒結金屬多孔濾材和瑞典BOPP公司年銷售均超過1億美元。我國燒結金屬多孔濾材的年需求量大約5億人民幣。目前,我國高精度、高性能的金屬微孔濾材市場大多被上述國外公司所控制,國內能參與競爭的生產燒結金屬濾材的公司不多。
對于綜合性能要求不高的金屬濾材市場,則主要被十幾家規模較小,生產技術含量相對不高的國內公司所搶占。
隨著國家在石化、環保等行業支持力度的加大,國外各大金屬濾材制備公司紛紛看好中國市場。具有30多年燒結金屬多孔材料研制經驗的鋼鐵研究總院、西北有色院也在積極進行著產業化工作。燒結金屬多孔濾材的市場競爭將日趨激烈,包括:降低成本、提高質量、過濾系統配套與工藝完善、售后過濾技術服務等都正在成為各投資發展公司所追求的目標[16]。
6.2　燒結金屬多孔濾材研發熱點
由于凈化分離難度的增大,金屬多孔濾材在應用過程中出現了濾材與應用系統不匹配的矛盾,表現在過濾精度低、流通性小、濾材再生性差等多方面問題。要解決濾材與應用系統不匹配的矛盾,就必須采用多種先進的制備工藝手段,研制性能價格比更好的高精度、大流量、易再生的復合濾材。
比利時Bekaert公司發揮自身在金屬纖維制品方面的領先技術,開發出“冷等靜壓與燒結316L不銹鋼纖維微米過濾管”。該尖端產品在2000年MPIF的設計競賽中獲獎。該濾材的過濾精度達到亞微米水平,相對氣體的流通能力大于3×10-3L/min·cm²,相當于同樣精度的多孔陶瓷濾材的20倍[17]。

美國MOTT公司已可研制出0.003微米過濾精度的不銹鋼燒結金屬粉末濾材[8、18]。德國GKN公司近年開發出多種規格的燒結金屬粉末異型微孔濾材,在濾材抗腐蝕方面擁有哈氏合金、錳乃爾合金等耐蝕濾芯。日本NICHADIA公司擁有世界上一流的高精度燒結金屬絲網濾材,濾材有效過濾等級接近0.2μm。俄羅斯近幾年研制出了高效、經濟型金屬多孔材料與陶瓷微孔膜復合新型濾材。

我國在燒結金屬多孔材料方面的研究也有近40年的歷史,特別是在鈦材、不銹鋼的粉末燒結微孔制備和精密絲網微孔燒結技術方面,處于先進行列。由北京鋼鐵研究總院研制的金屬膜可實現“鈾235分離”,同時在微電子超凈間凈化水平達到10萬級,在菌類凈化、氣溶膠凈化等多方面都取得過理想的應用效果。隨著納米技術的發展,清華大學的科研人員已經提出了金屬微孔納米過濾技術的研發方向。
7　發展我國燒結金屬多孔濾材產業的建議金屬多孔濾材的性能評價目前基本沿用國外凈化技術的標準。隨著應用水平的不斷提高,原有的標準已經不適應過濾技術工程應用的實際要求,同時國外過濾標準已開始重新制訂。為更好地通過技術發展規范引導市場,保護我國金屬多孔材料制備企業的合理利益,我國應盡早制定金屬多孔濾材標準,與國際水平靠攏。
在燒結金屬多孔濾材的研究和凈化系統應用研究方面,要大力開展深層次工作,發揮我國原材料成本相對較低的優勢,同時依靠行業間、企業間的優勢更好地為用戶服務,形成完善的過濾凈化產業,形成參與全球市場競爭的綜合技術實力。