一种核工业用外光型金属过滤膜管的制备方法

摘要

本发明提供了一种核工业用外光型金属过滤膜管的制备方法，其制备过程为：将金属粉末在特定模具（双刚套、双胶套）中装料，经冷等静压机压制后脱模，将脱模后的金属过滤膜管生坯与内表面经过特殊处理的三瓣式外部刚套一起放到真空炉或气氛炉中进行烧结，烧结气氛为真空或还原性及惰性气体，冷却出炉后将三瓣式刚套与金属多孔过滤管进行分离，便制得外光型金属过滤膜管。利用发明中所涉及的双刚套、双胶套模具，通过二次压制工艺同样可以制备出外光型非对称外壁或内壁金属过滤膜管。该方法所制备的外光型金属过滤膜管不仅适用于核工业，同样也适用于石油、化工、煤化工、多晶硅以及精细化工等过程工业的过滤、分离、布气、限流等领域。

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属过滤管的制备方法，具体涉及一种核工业用外光型金属过滤膜管的制备方法。

背景技术

膜分离技术是二十一世纪的六大高新技术之一，是典型的绿色高新技术，对食品饮料、医药卫生、生物技术、石油化工、冶金、环境工程、新型能源等领域发展具有重要作用。随着现代工业技术的快速发展和节能环保的迫切要求，对超细颗粒（粒径≤2μm）的过滤分离日益重要，微孔金属分离膜因其耐高温、化学稳定性好、机械强度大、分离效率高等优点在石油化工（己内酰胺、双氧水生产线过滤分离）、煤化工（飞灰过滤、甲醇的净化）、生物制药（维生素E生产用钯碳催化剂的过滤）、核工业（乏燃料处理）、食品饮料（果汁净化过滤）、水处理（远洋轮船仓压载水净化）等工业过程中的液/固、气/固分离上具有广泛的应用，市场容量超过百亿元且需求量逐年递增，前景非常广阔。因此，微孔金属分离膜及其过滤分离系统是一个新兴的高科技产业。

随着现代工业的快速发展，对过滤材料性能的要求也越来越高。以核工业乏燃料处理行业的过滤工序为例，工程师们希望使用的金属滤芯具有颗粒不易黏附、容易反吹、易清洗再生、使用寿命长及连续使用周期长等优点，而现用类型的金属滤芯（烧结丝网或烧结金属粉末）都存在一定的缺点及问题。

众所周知，在实际的过滤过程中，压力损失随滤材上积累的粉尘量的增加而增大，且在常速过滤时压差的增加与粉尘量的增大呈线性关系。滤材表面形成滤饼时，高渗透系数的材料表面形成疏松的滤饼，而低渗透系数的材料表面会形成较致密的滤饼。因此，当发生滤饼过滤时，由于滤饼的快速形成，压差迅速增大，系统过滤效率降低，也直接增加了过滤系统的运行能耗，使系统长期在高能耗状态下工作。

烧结金属过滤元件目前是靠酸洗或碱洗工艺来进行重生操作。因粉末烧结过滤元件及金属丝网过滤元件的孔结构特点，多次的清洗会严重损伤（腐蚀）粉末与粉末之间的烧结颈，进而影响烧结金属粉末过滤元件的强度，造成元件在使用过程中出现断裂等问题。此外，现用金属粉末过滤元件粗糙外表面的结构不利于清洗，且外表面大孔道内的细小颗粒也很难被清洗出来。多数粉末滤芯皆因清洗后不能达到使用的透过量要求而失效。

针对现用滤芯产品存在的诸多问题，本发明所涉及的一种核工业用外光型金属过滤膜管的制备方法可以制备一种新型滤芯，使其同时具有颗粒不易黏附、容易反吹、易清洗再生、使用寿命长等优点：

现用的金属粉末烧结滤芯外表面粗糙、内壁光滑：在制备过程中，内壁金属粉末受到内壁刚性模的挤压而发生变形，内壁变光滑，内壁金属粉末表面孔道孔径变小；而外壁金属粉末受到软性膜的作用发生的变形很小，外表面粗糙，外表面孔道的孔径尺寸减小程度相对较小。外光型金属粉末烧结滤芯制备过程与其相反，结构外表面光滑、内壁粗糙：在制备过程中，内壁金属粉末受到内壁软性模的挤压而发生变形，内壁粗糙，内壁金属粉末表面孔道的孔径尺寸减小程度相对较小；而外壁金属粉末受到刚性膜的作用发生的变形较大，外表面光滑，外表面孔道的孔径尺寸减小。压制后的滤芯生坯经后续加工处理，再进行烧结；烧结后再进行机加工处理，便得到镜面般光滑的粉末滤芯。

相对于核工业现用金属过滤元件，新产品具有以下优点：

（1）光滑外表面的金属颗粒在制备成型过程中发生较大形变，该滤芯外表面相对于内表面具有更小的孔道，因此固体颗粒进入通孔内的几率更低，系统压差增加慢，进而相对延长了滤芯的使用寿命；

（2）进行气固过滤时，搭桥拦截和惯性碰撞是主要的颗粒捕集形式。当颗粒或搭桥颗粒团在光滑滤材表面富集时，由于固体颗粒与光滑外表面的结合力很小，颗粒的惯性碰撞会促使颗粒沉积层（滤饼）发生重力沉降，流体的扰动效应发挥作用，进而对滤饼的形成产生抑制或延缓作用，在一定程度上推迟了滤饼的形成，延长了反吹间隔时间，提高了系统效率，间接降低了系统能耗；

（3）固体颗粒与光滑外表面的结合力很小，在进行反吹操作时，滤饼层极易被吹落，所需反吹时间短。

（4）表面光滑更容易清洗再生。

发明内容

本发明的目的是提供一种适合规模化生产的外光型金属过滤膜管的制备方法。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案主要涉及一种核工业用外光型对称金属过滤膜管的制备方法，其特征在于制备过程为：

（1）根据对外光型金属多孔膜管过滤精度及透气度的要求，级配（筛分、混粉）好要用的金属粉末；

（2）固定好三瓣式刚性外套成型模具及其外胶套，安装好芯部刚性内套及胶套；

（3）称取步骤（1）中一定质量的金属粉末，然后装料成形。在装料过程中须保证所装粉末被振实，以保证模具内粉末压制后金属膜管生坯厚度的均匀性。根据实际工况可以设计内胶套与刚性外套之间的合理距离，以保证外光型金属膜管厚度的精度；

（4）将（3）中得到的外光型金属过滤膜管半成品放到冷等静压机中压制成型，压制压力为60～200 MPa；

（5）将（4）最终得到的外光型金属过滤膜管生坯进行脱模，但保留三瓣式外部刚套；

（6）将（5）得到的带有三瓣式外部刚套的外光型金属过滤膜管生坯一起放到真空炉中进行烧结，烧结气氛为真空，或在氢气炉中烧结，烧结气氛为氢气或惰性气体。升温速率为2～10℃/min，烧结温度为900～1450℃，保温1～4小时，冷却后将三瓣式刚套取下，即制得外光型金属过滤膜管。

本发明所涉及的一种核工业用外光型金属过滤膜管的制备方法，同样可以用于制备外光型非对称金属过滤膜管，其特征在于制备过程为：

（1）根据对外光型金属多孔膜管过滤精度及透气度的要求，级配（筛分、混粉）粉末粒度不同的粗、细两种金属粉末；

（2）固定好三瓣式刚性外套成型模具及其外胶套，安装好芯部刚性内套及胶套；

（3）此制备方法可用来制备外光型非对称外壁金属膜管和外光型非对称内壁金属膜管：

a. 非对称外壁膜管

(i) 称取步骤（1）中一定质量的细金属粉末，然后装料成形。在装料过程中须保证所装粉末被振实，以保证模具内粉末压制后金属膜管精度控制层厚度的均匀性。根据实际工况可以设计内胶套与刚性外套之间的合理距离，以保证外光型非对称外壁金属膜管精度控制层的厚度，一般膜层厚度控制在0.1-0.5mm之间；

(ii) 将(i)得到的过滤管膜层半成品放到冷等静压机中压制成型，压制压力为60～200 MPa；

(iii) 将(ii)中得到的膜层生坯进行刚性内套及内胶套更换，以保证外光型非对称外壁金属膜管基体层的厚度；

(iv) 向更换后的(iii)中的成型模具中装入基体层粉末（粗粉），然后放到冷等静压机中压制成型，压制压力为60～200 MPa；根据实际工况可以设计内胶套与外缸套之间的合理距离，以保证外光型非对称外壁金属膜管基体层的强度，一般基体层厚度控制在1.0-5mm之间；

b. 非对称内壁膜管

(i) 称取步骤（1）中一定质量的粗金属粉末，然后装料成形。在装料过程中须保证所装粉末被振实，以保证模具内粉末压制后金属膜管基体层厚度的均匀性。根据实际工况可以设计内胶套与刚性外套之间的合理距离，以保证外光型非对称外壁金属膜管基体层的厚度，一般膜层厚度控制在1.0-5mm之间；

(ii) 将(i)得到的过滤管膜层半成品放到冷等静压机中压制成型，压制压力为60～200 MPa；

(iii) 取下（ii）中成型模具一端的胶塞，向模具内胶套和膜管基体层生坯之间的空腔内装入精度控制层（膜层）细粉末，塞上胶塞，然后放到冷等静压机中压制成型，压制压力为60～200 MPa；

（iv）根据实际工况可以设计膜管基体层生坯的压制压力（P1），通常情况下该压力P1小于精度控制层的压力（P2），以控制膜管基体层生坯与模具内胶套之间的空腔大小，进而确保外光型非对称内壁金属膜管精度控制层的厚度，一般精度控制层厚度控制在0.1-0.5mm之间。

（4）将（3）最终得到的外光型非对称金属过滤膜管生坯进行脱模，但保留三瓣式外部刚套；

（5）将（4）得到的外光型非对称金属过滤膜管生坯连同三瓣式外部刚套一起放到真空炉中进行烧结，烧结气氛为真空，或在氢气炉中烧结，烧结气氛为氢气或惰性气体。升温速率为1～10℃/min，烧结温度为900～1450℃，保温1～4小时，冷却后将三瓣式刚套取下，即制得外光型非对称金属过滤膜管。

现用的粉末烧结滤芯外表面粗糙、内壁光滑，而外光型粉末烧结滤芯制备过程与其相反，结构外表面光滑、内壁粗糙，在过滤过程中这一结构有助于延迟滤饼的形成时间，进而延长系统反吹时间间隔，间接提高了系统的运行效率、降低了系统运行能耗。在本发明所涉及的制备过程中，技术关键是引入特殊设计的双刚套、双胶套模具，外胶套确保等静压过程中模具中不会因进入液体而影响膜管生坯质量；模具中的三瓣式刚性外套内表面经特殊处理，喷涂有陶瓷膜层（陶瓷材质可以是氧化铝、氧化锆等），保证三瓣式刚套同膜管生坯一起烧结时不会发生粘结；一起烧结后的三瓣式刚套同膜管可以轻松分离，分离后便得到镜面般光滑的粉末滤芯。

针对实际应用中不同工况对金属过滤膜管过滤性能的要求，本发明可通过选择不同粒度分级的金属粉末，通过二次压制，分别制备外光型非对称外壁过滤膜管和外光型非对称内壁过滤膜管；通过调节基体层与精度控制层的相对厚度来实现对过滤性能进行调节。相对于对称金属过滤膜管，在同等过滤精度条件下，提高了非对称金属过滤膜管的透气系数；制备的非对称金属过滤膜管是一次烧结成型，所需成本低于具有金属膜或陶瓷膜为过滤精度控制层的非对称不锈钢过滤膜管的制备成本。

下面通过附图和实施例，对本发明做进一步的详细描述。

附图说明

图1为外光型金属过滤膜管及其成型模具的轴向剖面结构示意图。

图2为本发明所涉及的模具中有压力传递孔的内部刚套剖面结构示意图。

图3为外光型金属过滤膜管及其成型模具的径向剖面结构示意图。

图4为本发明所涉及的模具中外部三瓣式刚套径向剖面结构示意图。。

其中：1- 外部胶套；2- 三瓣式外部刚套；3- 内部胶套；4- 带压力传递孔的内部刚套；5-金属粉末（生坯）；6-胶塞。

具体实施方式

固定好三瓣式刚性外套成型模具及其外胶套，安装好芯部刚性内套及胶套，在2(外部刚套)与3(内部胶套)之间的空腔内装入-180-320目的蒙乃尔400粉末(见图1、3)；将装完料的粉末连同模具放进冷等静压机中压制成型，然后取出脱模；在气氛炉中对此带有三瓣式刚套的外光型金属过滤膜管生坯进行烧结，烧结温度为1150℃，烧结气氛为氢气，烧结时在特定温度范围内进行低速升温以防止样品开裂；最后得到外光型蒙乃尔过滤膜管。

实施例2

固定好三瓣式刚性外套成型模具及其外胶套，安装好芯部刚性内套及胶套，在2(外部刚套)与3(内部胶套)之间的空腔内装入-400目的316L不锈钢粉末(见图1、3)；将装完料的粉末连同模具放进冷等静压机中压制成型，然后取出内胶套(3)及内刚套(4)，再装入用于压制基体层的内刚套及内胶套；在膜管精度控制层生坯与3(内部胶套)之间的空腔内装入-200-300目的316L不锈钢粉末；将装完料的粉末连同模具放进冷等静压机中压制成型，然后取出脱模；在真空炉中对此带有三瓣式刚套的外光型非对称外壁金属过滤膜管生坯进行烧结，烧结温度为1180℃，烧结气氛为真空，烧结时在特定温度范围内进行低速升温以防止样品开裂；最后得到外光型非对称外壁金属过滤膜管。

实施例3

固定好三瓣式刚性外套成型模具及其外胶套，安装好芯部刚性内套及胶套，在2（外部刚套）与3（内部胶套）之间的空腔内装入-200-300目的316L不锈钢粉末（见图1、3）；将装完料的粉末连同模具放进冷等静压机中压制成型，压制压力为P1；在膜管基体层生坯与3（内部胶套）之间的空腔内装入-400目的316L不锈钢粉末；将装完料的粉末连同模具放进冷等静压机中压制成型，压制压力为P2，其中P2≥P1，然后取出脱模；在真空炉中对此带有三瓣式刚套的外光型非对称内壁金属过滤膜管生坯进行烧结，烧结温度为1180℃，烧结气氛为真空，烧结时在特定温度范围内进行低速升温以防止样品开裂；最后得到外光型非对称内壁金属过滤膜管。