Фильтрующие материалы и их применение

(T.J. Castledine, ж. "Foundry Trade Journal" №17, 1985 г.)

В настоящее время существует два мнения относительно использования литейных фильт­ров в литниковых системах - одни литейщики их применение считают необходимым, другие утверждают, что при получении из плавильных печей чистого металла и со­блюдении технологии они являются элементами, увеличивающими себестоимость от­ливок. В то же время повышение потребности в чугуне с шаровидным графитом раз­работка новых способов его производства и повышение требований к качеству отливок увеличивают потребность в использовании фильтров.

В последнее время кроме традиционных керамических фильтров в качестве фильтров используют фильтрующие огнеупорные сетки, вспененную керамику и тонкостенную ячеистую керамику. Провести сравнение этих фильтрующих материалов затруднительно, так как в каждом случае эффективность фильтрации зависит от многих факторов - вида чугуна, чистоты выплавленного металла, температур заливки, расположения фильтра в литниковой системе и т.д.

Керамические фильтрующие стержни в настоящее время являются всё eщё наиболее распространенным видом литейных фильтров и выпускаются в широком диапазоне форм и размеров. Традиционное место установки стержней - сверху стояка, непосредственно под литниковой чашей, и в основании стояка. В последнее время их стали устанавливать под шлакоотделяющими центробежными бобышками, особенно при производстве отливок из чугуна с шаровидным графитом, получаемым, например, внутриформенным модифицированием (рис.1). Фильтрующий стержень, устанавливаемый под литниковой чашей, исключает эффект закручивания струи металла в стояке, который приводит к захвату металлом шлака и неметаллических включений; это в свою очередь приводит к улучшению условий всплывания шлака в литниковой чаше. Фильтрующий стержень, устанавливаемый в основании стояка по плоскости разъёма, служит как добавочное сопротивление, кото­рое обеспечивает быстрое заполнение стояка и литниковой чаши. В то же время имеется опыт изготовления "мягких", более пористых фильтрующих стержней, которые могут захватывать частицы шлака.

При производстве отливок из чугуна с шаровидным графитом наиболее важными факторами, не считая металлургических, яв­ляются турбулентность потока металла в литниковой системе и температура жидкого ме­талла. Чем больше турбулентность потока металла в литниковой системе, тем большее количество шлака образуется. При снижении температуры металла частицы шлака соединятся между собой, образуя вязкую пастообразную массу. С этих позиций применение фильтрующих стержней обладает своими преимуществами и недостатками.

Преимущество заключается в том, что создаётся добавочное сопротивление, способствующее быстрому заполнению литниковой системы. При оптимальном соотношении площади поперечного сечения литниковой системы, скорости металла, геометрии литниковой системы, количество шлака, образующегося перед фильтром, может быть сведено к минимуму. В некоторых случаях образовавшийся шлак может быть отфильтрован, с повышением же температуры металла фильтрация усложняется из-за увеличения дисперсности шлака.

Рис.1. Керамический фильтр в литниковой системе: 1 - керамический фильтр; 2 - дроссель; 3 - тангенциальный вход литника в бобышку.

Недостатком фильтрующих стержней является то, что при прохождении металла через фильтр значительно увеличивается местная турбулентность потока. При всей сложности процесса фильтрации можно выделить несколько факторов, повы­шающих эффективность фильтрации. Из рис.1 следует, что литниковый канал, выпол­ненный по плоскости разъёма, тангенциально входит в фильтрующее устройство, со­держащее фильтрующий стержень по плоскости разъёма, центробежную бобышку над ним и зумпф снизу; выход из зумпфа выполнен в виде дросселя. Центробежное движе­ние металла в бобышке увеличивает эффективность фильтрации. Наличие дросселя после фильтра приводит к быстрому заполнению бобышки, исключает возможность образования в ней шлака и прохождения его через фильтр. При внутриформенном мо­дифицировании разделение металла на отдельные струи обеспечивает более эффек­тивную обработку его парами магния.

Установлено, что чем меньше диаметр отверстий в фильтрующем стержне, тем эффективнее его действие, при этом общая площадь стержня должна быть минималь­ной, т.е. отверстия должны отстоять друг от друга на расстоянии, равном половине диаметра отверстия.

Огнеупорные фильтрующие сетки из волокнистого силиконового материала производятся в СССР и продаются по лицензии на Западе как основа для "Фирам-процесса". Материал производится в трех видах - мягком, полужестком (за счет пропитки смолой) и жестком. Первые два вида применяются во многих литейных це­хах Европы для чугунов с пластинчатым и шаровидным графитом. Обычно сетки ус­танавливают по плоскости разъёма формы, но они могут устанавливаться и в других местах формы, например под литниковой чашей, в литнике или шейке прибыли, непосредственно в полости прибыли по плоскости разъёма (рис.2). Полужёст­кой сетке может быть придана дополнительная жесткость за счет нагрева ее в течение 3 мин, до температуры 250 - 300 °С. Сетка обычно поставляется в виде рулонов шири­ной 0,9 м и может быть разрезана на куски любой формы и площади. В отличие от ке­рамических фильтров в сетке трудно определить дейст­вительную суммарную площадь отверстий, так как сетка деформируется под действием металла. По этой причине она не может быть расчетным сопротивлением в литни­ковой системе аналогично керамическому фильтру. В то же время керамические фильтры, действуя только как дополнительные сопротивления, непосредственно не очищают металл от шлаковых включений; сетка же за счёт ворсистости волокон задерживает, например, суль­фидные включения. Размер ячеек сетки составляет 1,5x1,5 мм (2,25 мм²), поэтому при использовании мно­гослойной сетки резко увеличивается фильтрующий эффект. Установлено, что для эффективного действия сетки суммарная площадь её отверстий должна быть в четыре раза больше площади литника для чугуна с пластинчатым графитом и в восемь раз - для чугуна с шаровидным графитом. Для исключения значительного провисания сетки рекомендуется литниковый канал выполнять шириной не больше 30 мм. Установлено, что в некоторых случаях при за­ливке крупных отливок со скоростью заливки 20 кг/с сетка не выдерживает воздейст­вия металла, разрывается под действием его потока.

Рис 2. Прямая заливка металла на огнеупорную жесткую сетку: 1 - огнеупорная сетка.

Гарантируемое в лицензии на "Фирам-процесс" улучшение механических свойств металла было проверено в литейном цехе компании "Mechanite". Образцы для испытаний заливались с сеткой, установленной под небольшой литниковой чашей. Использовался модифицированный и немодифицированный металл. Для модифициро­ванного чугуна были получены следующие данные (в результате трех испытаний): в образцах без использования сетки предел прочности на растяжение составил 230, 249, 249 Н/мм², твердость НВ - 179, 179, 179; в образцах с сеткой - 246, 262, 262 Н/мм² и НВ - 187, 187, 187 соответственно. Для модифицированного чугуна были получены следующие данные: в образцах без использования сетки предел прочности на растя­жение составил 255, 245, 260 Н/мм², твердость НВ - 196, 187, 187; в образцах с сеткой - 277, 277, 280 Н/мм², НВ - 196, 207, 207 соответственно. При использовании сетки од­новременно с увеличением механических свойств чугуна увеличивается его склонность к отбелу, что было проверено на клиновой пробе на отбел. Дальнейшая проверка "Фирам-процесса" при заливке образцов из одного ковша показала, что предел прочности на растяжение возрос в среднем на 5%. Металлографическое исследова­ние микроструктуры металла в свою очередь показало видимое различие размера зерна, формы графита, количества графита в чугунах, залитых с сеткой и без нее.

Фильтры из керамического вспененного материала являются относительно но­выми, хотя они уже в течение нескольких лет применяются при производстве алюминиевого литья, особенно в США. В настоящее время имеется мало сведений об эффек­тивности их применения, исследования же автора данной работы дали различные ре­зультаты. При их использовании так же, как и в случае применения других фильтрую­щих материалов, основной задачей было увеличение сопротивления в литниковой сис­теме и уменьшение скорости заливки, которые зависят от свойств материала, в первую очередь от количества отверстий на дюйм (10-30).

Керамический вспененный материал получают пропиткой вспененного полиуретана керамическим составом, преимущественно AI₂O₃ (излишек состава выдавливается из полиуретана). Пропитанный полиуретан подвергают сушке, обжигу при определенной температуре. В результате полиуретан удаляется и остается керами­ческий материал. Проблемой при использовании данного материала является его склонность к разрушению с образованием мелкой крошки, что при взаимодействии с металлом приводит к захвату частиц потоком металла.

В целом применение различных фильтрующих материалов даёт возможность повысить качество отливок, однако при возникновении потребности в использовании фильтров необходимо предварительно проводить анализ состояния и качества процес­са плавки, обработки металла в ковше и т.д.

Вернуться в раздел "Техническая информация"