Фильтрация расплавленного металла с использованием керамических фильтров

(Фрагмент статьи из ж. "FOUNDRY М&Т" №12, 1987 г.)

Неметаллические включения в литье вызывают как косметические, так и функциональные проблемы, которые могут приводить к дорогим исправлениям дефектов или к полной отбраковке. До недавнего времени удаление включений было почти не­возможным делом. Сегодня на рынке имеются фильтры, которые показали свою способность к эффективному уда­лению неметаллических включений как из сплавов на же­лезной основе, так и из цветных сплавов. Попытки вос­препятствовать проникновению нежелательных неметаллических включений в полость формы с расплавленным металлом исторически сосредотачивались на трех участ­ках: 1) плавка и рафинирование; 2) разливка металла из ковша и заливка; 3) литниковая система.

Стандартные методы для плавки и рафинирования, также как и для разливки металла из ковша и заливки, предполагают минимизацию образования включений таких, как продукты раскисления - эндогенные, и воспрепятствование увеличению инородных частиц, например, шлака и огнеупорного материала - экзогенные, и предна­значаются также для контроля за их смесями.

В литниковой системе особое значение придается улавливанию неметаллических включений, которые происходят от предшествующих операций. Вместе с тем, литниковая система предполагает уменьшение повторно­го окисления и минимизацию эррозии формовочной смеси.

Разъеденная при заливке формовочная смесь была бы внесена в полость формы и привела бы к песчаным включениям. Существуют разнообразные литниковые систе­мы с большим числом специальных элементов для увеличения эффективности литни­ковой системы в улавливании неметаллических включений. Сюда относятся такие элементы, как грубые фильтры и шлакоуловители. Фильтрация предлагает новый под­ход в воспрепятствовании попаданию нежелательных инородных частиц в полость формы. Эффективное фильтрование, связанное с оперативным размещением фильтров в литниковой системе, приносит три выгоды - литье, свободное от включений, не­большие размеры литниковой системы и повышенный выход годного.

Как работает фильтр.

Существует три основных механизма процесса фильтрации, при помощи кото­рых фильтр удаляет включения из расплавленного металла:

Фильтрация происходит через комбинацию трех механизмов: фильтрация просеиванием, фильтрация за счет наращивания кека, фильтрация с глубокой постелью.

Просеивание является механизмом, с помощью которого частицы остаются на поверхности фильтра, так как они больше, чем отверстия фильтра.

Кековая фильтрация происходит, когда частицы включения отделяются от расплавленного металла за счет развития слоя или кека (предварительно отложенных час­тиц). Кек становится толще в процессе фильтрации, заставляя поток металла замед­ляться и со временем остановиться совсем.

В фильтрации с глубокой постелью удерживаемые твердые частицы значитель­но меньше по размерам, чем поры фильтра. Поверхностные силы заставляют частицы присоединяться к поверхности фильтра. Этот механизм особенно эффективен с пенокерамическими фильтрами вследствие извилистой траектории течения через фильтр.

Свойства и области применения пенофильтров.

Необходимые свойства.

Очевидно, что фильтр должен эффективно удалять частицы включений, но не оказывать чрезмерного сопротивления потоку металла. Чтобы работать успешно, фильтр должен также выдерживать тепловые и механические нагрузки, которые про­исходят во время заливки в форму. Фильтр не должен коррелировать вследствие взаимодействий металл-шлак-фильтр и не разъедаться вследствие сил, действующих на фильтр во время течения металла.

Типы фильтров.

Коммерчески производимые фильтры имеют либо 1) прямые поры с пос­тоянным поперечным сечением (сотовые), либо 2) связанные поры с многочисленны­ми изменениями направления и поперечного сечения, полученные вспениванием. Тре­тий тип фильтров имеет воронкообразную форму с узкими прорезями в воронкообраз­ном теле. Наиболее часто применяемыми огнеупорными материалами являются глино­зем, двуокись циркония, шпинель двуокиси циркония, карбид кремния и смеси этих материалов.

Размер поры (ячейки) и пористость.

Сотовые (пористые) и пенокерамические фильтры производятся в определенном диапазоне размеров пор. Для сотовых фильтров размер поры обычно выражается соотношением ячеек на квадратный дюйм. Для пенофильтров размер пор обычно выражается соот­ношением числа пор, пересеченных прямой линией - пор на дюйм.

Размер пор прессованных (выдавливанием) фильтров обычно колеблется от 64 до 121 и 240 пор на квадратный дюйм. Для пенофильтров наиболее распространенны­ми размерами пор являются 10, 20 и 30 пор на дюйм. Для чугунного и стального литья предпочитаются более крупные размеры пор, чтобы обеспечить достаточные скорости заполнения формы. Более маленькие размеры пор могут быть использованы, когда сплавы отливаются с очень большим перегревом, и в литье по выплавляемым моде­лям, в котором фильтр подогревается вместе с формой.

Фактические размеры пор и площадь поверхности быстро определяются для прессованных сотовых фильтров. Геометрия пор пенофильтров является несравнимо более сложной. Пенокерамические фильтры представляют собой округленные ячейки, которые свя­зываются с помощью нескольких "окон". Диаметр этих ячеек определяет внутреннюю поверхность пенокерамического фильтра. Размер окна представляет диаметр ограничивающего кана­ла для прохода жидкого металла.

Размещение фильтра.

Фильтры помещаются горизонтально в отпечаток в нижней части формы, кото­рый позволяет расплавленному металлу проходить через открытую поверхность фильтра. Металл быстро закрывает поверхность фильтра, тем самым уменьшая какие-либо термические градиенты в структуре фильтра. Эта система предохраняет от удара, который был бы результатом набегания потока металла на фильтр, уменьшая вероят­ность выхода из строя фильтра.

Фильтры также успешно работают в вертикальном положении, хотя в этом слу­чае их более трудно устанавливать на место. Круглые фильтры легче размещаются вертикально, чем квадратные.

Справочная таблица по применению пенофильтров.

Вернуться в раздел "Техническая информация"