烧结金属多孔滤材技术综述

1　烧结金属多孔材料及滤材特性
烧结金属多孔材料及由该材料构成的滤材是一种运用广泛的刚性过滤介质。它是用金属粉末在高温下烧结而成的多孔管材或板材,一般厚度为2~3mm;亦可用单层或多层金属网与金属粉末一起烧结制成。通过控制金属丝的直径与粉末的粒度,可使孔隙率控制在3~400μm。随着真空烧结技术的发展,使得高温易氧化的金属多孔材料的工业化制备成为可能。
烧结金属多孔材料具有以下特点:
(1)优良的透过性能,适于制作催化剂、流体的分布与渗透装置等;
(2)金属微孔孔径与孔隙易于控制,用于过滤时的过滤精度高;
(3)比表面积大,可以为化学反应提供理想的大面积接触材料;
(4)可有效地吸收、传播能量;
(5)保持一定的金属与合金本身的特性;
(6)烧结金属多孔材料耐高温、抗热震、耐低温,适宜在较高或超低的工作温度和耐热冲击环境下长期工作;
(7)金属微孔孔径、空隙度、渗透性能可通过反吹、高温热处理、化学溶剂、燃烧和超声波振动等多种途径的清洗再生方式,洗涤性能好,从而延长了使用寿命;
(8)烧结金属多孔材料具有较好的机械加工性,可进行较复杂的机械成型加工及焊接。
从制备工艺和结构特点方面考虑,可将烧结金属多孔材料分为:烧结金属丝网、烧结金属毡、烧结金属粉末、金属膜。其结构如图1所示。
按照烧结金属的材质分,烧结金属多孔材料包括:金、银、铜、镍、铝、镁、钛、铬、钼、钨不锈钢、铁基合金、铁镍基合金、镍基合金、哈氏合金、锰乃尔合金、钨钼合金、钯银合金等20多类几百种。
常用烧结金属多孔滤材可通过材质的调整,使温度由400℃提高到927℃。表1是常用烧结金属材料烧结所适用的最高温度。

按照孔径分布范围,烧结金属材料可分为:毫米级、亚毫米级、微米级、亚微米级、纳米级。由于金属丝材、金属纤维、金属粉末原料制备工艺难度的差异,它所对应的最高过滤精度也有所不同,一般符合以下规律:
烧结金属粉末滤材最高精度>烧结金属毡滤材最高精度>烧结金属丝网滤材最高精度根据烧结金属滤材的应用特点,金属烧结滤材可分为:微孔过滤、气体分布、减镇稳流、消声降噪、阻燃防爆、传质传热、反应物载体等多种功能材料的组件。按照过滤原理,烧结金属多孔滤材可分为表面过滤滤材和深层过滤滤材两类。本文仅对金属烧结滤材的过滤性能进行描述[1~9]。
2　烧结金属多孔材料的制备工艺
烧结金属多孔材料制备工艺一般经过以下几个阶段:
(1)烧结金属多孔材料结构设计;
(2)烧结金属多孔材料原料制备(高精度精密丝网的编织、集束拉制金属纤维、高等级金属粉末的制备)。对金属多孔材料的制备,要求原料具有很好的几何物性,即对金属纤维原料要求有一致的丝径、长度;对金属粉末原料要求有非常相近的几何外形尺寸;
(3)金属多孔材料的烧结复合制备技术,其中包括了金属微孔结构设计;
(4)烧结金属多孔材料过滤组件的成型,其中涉及到滤材的焊接成型。
3　烧结金属多孔材料的功能结构特点
烧结金属多孔滤材的微孔结构一般包括支撑层、工作层(过滤层)、保护层。在滤材过滤面工作层一般采用倒锥形微孔结构设计。采用这种结构可以完成多级过滤效果,使杂质颗粒不会过快地在滤材的拦截表面堆积,从而有利于提高滤材的容尘性,延长滤材的工作周期。倒锥形结构示意图如图2。

3.1　烧结金属丝网的结构特点
金属微孔工作网层是烧结金属丝网滤材的关键结构,它直接影响着金属滤材的的分离及整体运行效果。选择滤网本身要比表面看起来复杂得多,这涉及多种金属丝尺寸、孔隙尺寸、空洞面积、织造工艺和组织设计等方面。
Dutch编织网:经向金属丝比纬向金属丝粗,使纬向金属丝被拉得非常直,从而产生紧密、坚实的织物。织物孔隙趋向于楔型而非方型,这就有助于滤饼的形成。该结构滤网经常被使用在过滤器中[10]。

3.2　烧结金属纤维毡的性能
烧结金属毡工艺技术的发展以及高精密度滤材的研制是随着集束拉丝工艺的成功应用而发展起来的。因为这方面的论述较多,本文不再详述,这里引用Bekaert的相关数据以供参考。

3.3　烧结金属粉末
20世纪60年代开始,在不同的应用领域和应用环境下,出现了耐盐酸镍基合金、铬镍铁合金、钛、不锈钢等抗腐蚀、耐高温的烧结粉末多孔滤材。发展到现在,大量生产与应用的烧结粉末多孔滤材主要包括青铜、不锈钢、镍及镍合金、钛等[11]。
国外烧结金属毡滤材公司的典型工艺是:结构设计———原料加工准备(集束拉拔、纤维切削)———金属纤维叠层(布毡)———烧结———机械焊接(元件制备)———清洗———检测———最终清洗———成品发货。
我国目前已经形成了颇具规模的烧结金属多孔滤材生产能力。据不完全统计,我国年产青铜过滤元件已超过100万件,不锈钢过滤元件的有效过滤面积超过4万平方米,镍及镍合金过滤元件接近1万件,烧结钛过滤元件超过2万件[12,13]。烧结金属粉末的过滤性能参数如表4、5所示。

4　烧结金属多孔材料的主要性能指标
同其它多孔材料一样,对烧结金属多孔材料的性能评价主要参照ISO4002、ISO4572、ISO4003等标准。
烧结金属丝网、烧结金属毡和烧结金属粉末具有不同的孔径分布特点,从图3可以看出烧结金属丝网微孔孔径分布范围较集中,而烧结金属粉末和烧结金属毡的孔径分布则较分散。
图4为日本精线公司生产的烧结金属多孔滤材性能对比情况。
通过上述烧结金属多孔滤材的比较可以看出:烧结金属毡具有非常好的耐污能力;烧结金属丝网在20μm以上过滤系统应用中,滤材的综合性能非常突出;烧结金属粉末在超高精度净化方面的发展潜力巨大[14]。

5　在应用过程中的高效系统匹配
烧结金属多孔材料作为一类特殊的功能材料,可广泛应用于气体和液体的净化过滤,该滤材具有过滤精度高、流通能力大、阻力损失小、承压强度高、孔道均匀稳定等特点。它具有较好的反冲洗再生能力,可长期使用,适于连续自动化操作。此类滤材在石油、化工、纺织、食品、制药、环保、液压机械和电力等众多工业领域获得广泛应用。
在烧结金属多孔滤材的应用过程中,要考虑过滤系统的高效匹配问题。通常需要考虑以下三个因素:
(1)作为性能价格比十分突出的烧结金属多孔滤材,其有效工作面积的设计和系统匹配十分重要,要明确净化条件以及物料的特殊性质;
(2)对于过滤设计这类半经验学科,要强调理论计算与系统模拟中试相结合的设计途径;
(3)特殊滤材的制作手段要与实际应用紧密结合。
综上所述,烧结多孔金属滤材的过滤设计工作涉及机械、仪表、能源、化学、材料、环保等多种学科,该项工作的有效开展,需要众多学科的支持。
6　烧结金属多孔滤材市场现状
6.1　国内外烧结金属多孔滤材市场概况
目前,全球生产金属多孔材料的厂家主要集中在美国、德国和日本[15]。较具代表性的有比利时Bekaert的烧结金属纤维毡、美国Mott公司和德国GKN公司的烧结金属粉末微孔材料。另外还有美国的Pall公司,德国的GKD公司,日本的Fu-jifilter、Nichidia、N-seisen公司,瑞典的BOPP公司。
这些公司一年销售烧结金属多孔滤材的总额超过15亿美元,其中仅美国PALL公司过滤系统的年销售额就超过了7亿美元(烧结金属多孔滤材占了相当大的比例);美国MOTT公司2000年烧结金属粉末微孔制品的年销售达到3·3亿美元,比1999年增长20%[8];比利时Bekaert公司烧结金属纤维滤材,年销售超过3亿美元;日本精线公司烧结金属多孔滤材和瑞典BOPP公司年销售均超过1亿美元。我国烧结金属多孔滤材的年需求量大约5亿人民币。目前,我国高精度、高性能的金属微孔滤材市场大多被上述国外公司所控制,国内能参与竞争的生产烧结金属滤材的公司不多。
对于综合性能要求不高的金属滤材市场,则主要被十几家规模较小,生产技术含量相对不高的国内公司所抢占。
随着国家在石化、环保等行业支持力度的加大,国外各大金属滤材制备公司纷纷看好中国市场。具有30多年烧结金属多孔材料研制经验的钢铁研究总院、西北有色院也在积极进行着产业化工作。烧结金属多孔滤材的市场竞争将日趋激烈,包括:降低成本、提高质量、过滤系统配套与工艺完善、售后过滤技术服务等都正在成为各投资发展公司所追求的目标[16]。
6.2　烧结金属多孔滤材研发热点
由于净化分离难度的增大,金属多孔滤材在应用过程中出现了滤材与应用系统不匹配的矛盾,表现在过滤精度低、流通性小、滤材再生性差等多方面问题。要解决滤材与应用系统不匹配的矛盾,就必须采用多种先进的制备工艺手段,研制性能价格比更好的高精度、大流量、易再生的复合滤材。
比利时Bekaert公司发挥自身在金属纤维制品方面的领先技术,开发出“冷等静压与烧结316L不锈钢纤维微米过滤管”。该尖端产品在2000年MPIF的设计竞赛中获奖。该滤材的过滤精度达到亚微米水平,相对气体的流通能力大于3×10-3L/min·cm²,相当于同样精度的多孔陶瓷滤材的20倍[17]。

美国MOTT公司已可研制出0.003微米过滤精度的不锈钢烧结金属粉末滤材[8、18]。德国GKN公司近年开发出多种规格的烧结金属粉末异型微孔滤材,在滤材抗腐蚀方面拥有哈氏合金、锰乃尔合金等耐蚀滤芯。日本NICHADIA公司拥有世界上一流的高精度烧结金属丝网滤材,滤材有效过滤等级接近0.2μm。俄罗斯近几年研制出了高效、经济型金属多孔材料与陶瓷微孔膜复合新型滤材。

我国在烧结金属多孔材料方面的研究也有近40年的历史,特别是在钛材、不锈钢的粉末烧结微孔制备和精密丝网微孔烧结技术方面,处于先进行列。由北京钢铁研究总院研制的金属膜可实现“铀235分离”,同时在微电子超净间净化水平达到10万级,在菌类净化、气溶胶净化等多方面都取得过理想的应用效果。随着纳米技术的发展,清华大学的科研人员已经提出了金属微孔纳米过滤技术的研发方向。
7　发展我国烧结金属多孔滤材产业的建议金属多孔滤材的性能评价目前基本沿用国外净化技术的标准。随着应用水平的不断提高,原有的标准已经不适应过滤技术工程应用的实际要求,同时国外过滤标准已开始重新制订。为更好地通过技术发展规范引导市场,保护我国金属多孔材料制备企业的合理利益,我国应尽早制定金属多孔滤材标准,与国际水平靠拢。
在烧结金属多孔滤材的研究和净化系统应用研究方面,要大力开展深层次工作,发挥我国原材料成本相对较低的优势,同时依靠行业间、企业间的优势更好地为用户服务,形成完善的过滤净化产业,形成参与全球市场竞争的综合技术实力。