Обзор применения пенокерамических фильтров в литейном производстве за рубежом.

(Ю.С. Староверов, Ю.А. Чернов, НТИМ, ж. "Огнеупоры" №1, 1992 г.)

В последние годы за рубежом в литейном и сталеплавильном производстве на­ходят широкое применение пенокерамические фильтры (ПКФ) с пористостью до 90 % и размером пор 0,5-5,0 мм [1,2]. Использование пенокерамических фильтров повышает чистоту изделий и уменьшает количество брака, увеличивает выход металла и способствует экономии электроэнергии, повышает производительность литья с единицы площади формы, улучшает свойства и повышает качество металла. ПКФ, относящиеся к группе литейных фильт­ров с внутренней фильтрующей поверхностью, обладают комплексом свойств, необ­ходимых для фильтрации чугуна, стали и высокотемпературных сплавов: малой мас­сой, высокоэффективной поверхностью, извилистым путем потока металла, низкими потерями давления, приемлемыми термо- и механическими свойствами. Благодаря своей структуре, они, в отличие от двумерных фильтров (керамические сетки, стерж­ни, сетки из стекловолокна с различными покрытиями и другие), могут задерживать включения микронных размеров.

Известно, что из-за вязких магнезито-силикатных шлаков, которые являются побочным продуктом глобуляции графита, литниковая система и шлаковики для чугунов с шаровидным графитом длиннее и тяжеловеснее обычных на 50-100 %. Поэтому отношение массы отливки к массе металла в форме при литье чугуна с шаровидным графитом составляет всего 50-60 %. Даже при использовании сложных литниковых систем брак разливки за счет неметаллических включений может колебаться от 3 до 10 %, а в некоторых случаях достигать 35 % (например, при производстве деталей для автомобильной промышленности, где к отливкам предъявляются особенно высокие требования). При механической обработке выявляется дополнительный брак. Таким образом, общий выход годного литья в среднем составляет 45-55 %.

При разливке серого чугуна неметаллических включений меньше, но печной и ковшевые шлаки часто вместе с отливаемым металлом затягиваются в форму, уве­личивая количество брака.

Быстрое внедрение технологии фильтрации металлов в литейной промышлен­ности за рубежом обусловлено, прежде всего, значительным повышением качества от­ливок и увеличением производительности при относительно низких затратах. Приме­нение пенокерамических фильтров при получении чугунных отливок позволяет уменьшить размеры литниковой системы и шлаковиков, значительно снизить содержание неметаллических включений и повысить выход годного литья до 60-80 %.

Пенокерамические фильтры по внешнему виду напоминают губку, получают их методом пропитки органической пены (например, вспененного полиуретана) керамическим шликером, удалением за счет обжатия его излишка с последующей сушкой и выжиганием в печи органической основы. В большинстве случаев обжиг способствует спеканию керамики.

В настоящее время разработаны различные ПКФ со свойствами, удовлетво­ряющими требованиям литья большинства цветных металлов и сплавов. Для фильт­рации алюминия в течение многих лет в металлургическом производстве используют оксид алюминия на фосфатном связующем и материалы системы Cr₂O₃- AI₂O₃ [4]. В некоторых случаях для литья алюминиевых сплавов, обладающих высокой активно­стью, успешно применяли фильтры из спеченного оксида алюминия без связующего. Фильтры на фосфатном связующем также используют для фильтрации цветных метал­лов и их сплавов с низкой температурой плавления: латунь, бронза, цинк, олово, медь и др.

Черные металлы и их сплавы по сравнению с цветными металлами имеют более высокие химическую активность и температуру разливки, поэтому потребовались разработка технологии и создание новых высокотемпературных пенокерамических фильтров с повышенной химической стойкостью, в частности из карбида кремния. За рубежом при получении отливок из чугуна (особенно с шаровидным графитом) применяют ПКФ на основе кар­бида кремния марок Sedex ("Foseco International Ltd", Великобритания), Selee/Fe ("Selee AG Corp.", Швейцария), AmPorOh ("Astro Met Associates", США). Эти фильтры эф­фективно внедряют в литейных цехах автомобильной промышленности ряда стран при массовом производстве чугунных отливок ответственного назначения [5, 6].

Грубые фильтры с пористостью 4 поры на 1 см используют, как правило, для литья чугуна с шаровидным графитом и получения отливок большой массы. Фильтры с пористостью 8 пор на 1 см рекомендуются для рафинирования серых чугунов и, на­конец, мелкие фильтры с пористостью 12 пор на 1 см - для литья ковкого чугуна [7].

При производстве коленчатых валов из серого и высокопрочного чугуна для автомобилей с использованием фильтров Sedex, например, количество отходов только в механических цехах снижается с 30-35 % до 0,3 % [6]. Другим преимуществом фильтрации является то, что за счет упрощения литниковой системы на той же площа­ди размещается большее количество моделей отливаемых деталей, что повышает производительность в среднем на 5-20 % [8].

Исследования и последующие испытания показали также, что при разливке чу­гуна с шаровидным графитом через пенокерамические фильтры марки Sedex повышается величина уста­лостного напряжения до разрушения, хотя значительного улучшения таких механиче­ских свойств, как предел прочности при растяжении и предел текучести, не наблюда­ется [9].

Однако литейные фильтры из карбида кремния не могут использоваться повторно, что делает их расход выше, чем расход керамических фильтров других типов. Кроме того, по сравнению с карбидом кремния пористая керамика из трансформационно-упрочненного оксида алюминия и частично стабилизированного диоксида циркония имеет более высокую термическую стойкость. Поэтому в США, ФРГ, Японии, Вели­кобритании и других странах при массовом производстве отливок из черных металлов применяют в основном ПКФ на основе оксида алюминия и диоксида циркония, а так­же муллита. Наиболее дешевыми в данном ряду (включая и карбид кремния) являются фильтры из оксида алюминия.

Фильтрация стали и сплавов черных металлов пока не получила такого широко­го распространения, как рафинирование цветных металлов и чугуна. Пенокерамические фильтры используют в основном для получения отливок ответственного назначения или при непрерывной разливке стали. В настоящее время осуществляется полупромышленное опробование фильтрования с помощью фильтров данного типа в сталеплавильном производстве. Для рафинирования стали в литейном производстве разработаны и внедряются ПКФ на основе диоксида циркония и оксида алюминия марок Stelex ("Foseco International Ltd", Великобритания), Selee/Fe Tm ("Selee AG Corp.", Швейцария), AmPanOh T ("As­tro Met Associates", США).

Исследована возможность рафинирования некоторых сплавов с помощью ПКФ на основе оксида алюминия, диоксида циркония и муллита при получении отливок массой до 45 кг [10]. Использовали фильтры диаметром 75-100 мм и пористостью 4-12 пор на 1 см. Наибольшей эффективностью обладали фильтры из частично стаби­лизированного диоксида циркония и из оксида алюминия, упрочненного диоксидом циркония, а наименьшей - муллитовые.

На фирме "Fischer Cast Steel Products", США успешно внедрена технология очи­стки жидкого металла при производстве стальных отливок ответственного назначения массой 147 кг. Заливаемый металл пропускали через два пенокерамических фильтра на основе оксида алю­миния размерами 100x100x25 мм с пористостью 14 пор на 1 см. Это, как и при изго­товлении изделий из чугуна [11], позволило избавиться от поверхностных дефектов, что привело к экономии нескольких часов, обычно затрачиваемых на их удаление, и обеспечило равномерную механическую обработку.

Показано [12], что ПКФ из материала системы ZrO₂- AI₂O₃ (Selee/Fe) эффек­тивны для удаления включений различных фаз из нержавеющей стали двух марок. Фильтры размещали в промежуточном ковше как для литья в слиток, так и при раз­ливке методом "Оспрей". Различные раскисляющие добавки использовали для изуче­ния влияния включений на эффективность фильтрации. Наивысшей эффективности достигали при раскислении стали алюминием. Раскисление стали металлами до полу­чения жидкого силиката марганца или сложных оксидов кальция, алюминия, марганца, кремния приводило к низкой эффективности фильтрации.

Отмечена также высокая эффективность пенокерамических фильтров в уменьшении общего содержа­ния кислорода в сталях, раскисленных алюминием, до уровней, прогнозированных ме­тодами равновесной термодинамики [13].

Получены обнадеживающие результаты при проведении исследований фирмой "Electric Steel Casting Company" США [14]. При разливке стали под давлением в линиковую систему фильтры удаляли неметаллические включения, выдерживая терми­ческие и механические напряжения потока расплавленной стали.

Проводимые научно-исследовательские работы направлены на создание кера­мики с более высокими вязкостью разрушения, термостойкостью, инертностью в кон­такте с расплавленным металлом. Определенный интерес представляет разработка ке­рамических фильтров с покрытием толщиной 50 нм - 1 мкм из неорганического ма­териала (Пат. 8707442, Бразилия). Поверхность фильтра с покрытием из диоксида кремния легко смачивается расплавленным металлом, в результате чего избыточный напор металла или очень большой нагрев не требуются. Такие фильтры можно использовать в основном для фильтрации расплавленных металлов с плохой текучестью, например, стали. Изготов­лены они могут быть быстро и дешево. Очень важно, что покрытия не влияют на про­цесс фильтрации и свойства металлической отливки.

Описан фильтр из оксида алюминия с покрытием из оксида кремния толщиной 10² -10³ нм (Пат. 901422, США). По сравнению с 11,3 кг стали, фильтрующейся через фильтр без покры­тия, через фильтр с покрытием фильтровалось 76,6 кг металла, в результате чего полу­чали очищенную отливку без включений шлака.

Предложен ПКФ, содержащий 5-35 % (массовые доли) диоксида циркония и 65-95 % оксида алюминия (Пат. 62/269724, Япония). Фильтр, содержащий ZrO₂ и AI₂O₃ в соотношении 2 : 8 и имеющий кажущуюся плотность 0,60, был испытан в процессе фильтрации расплав­ленной стали. В результате экспериментов было установлено, что температура размяг­чения пенокерамического фильтра данного состава, имеющего температурный коэффициент линейного рас­ширения 7,78·10^-6 °С^-1 , была выше, чем у ПКФ из диоксида циркония - соответст­венно 1630 и 1430 °С (температурный коэффициент линейного расширения последнего 9,03 ·10^-6 °С^-1 ).

Фильтры с кажущейся плотностью 0,6-1,5 г/см³ для удаления включений из расплава стали получали из смеси, содержащей 50-70 частей муллита и 30-50 час­тей оксида алюминия (Пат. 62/244415, Япония). При фильтрации 300 кг стали со скоростью 10 м/с потери дав­ления составляли 1,3 • 10³ Па по сравнению с 4,0 • 10³ Па для фильтра из оксида алю­миния.

Предложен состав керамического фильтра, содержащего до 20 % электропроводящей керамики, например, 40 % диборида циркония и 60 % диоксида циркония (Пат. 61/74611, Япония). На­грев фильтра в течение 0,5 ч пропусканием электрического тока силой 100 А при на­пряжении 50 В до температуры 1200-1400 °С позволил воспрепятствовать его блоки­ровке вследствие отверждения металла.

Исследования возможности применения ПКФ для удаления неметаллических включений из нержавеющей стали при непрерывной разливке показали, что эффек­тивность фильтрации (уменьшение количества включений) составляет приблизительно 20% [15].

Изучали также влияние ПКФ на повышение качества аустенитных нержавею­щих сталей при непрерывной разливке металла [16]. В экспериментах фильтры из ок­сида алюминия и диоксида циркония с различным размером пор помещали в промежу­точном ковше. Было установлено, что при использовании пенокерамических фильтров возможно уменьшение содержания неметаллических включений в заготовке примерно на 20 %, что подтвер­ждают выводы, сделанные ранее [15]. Неметаллические включения при фильтрации стали марки SUS 321, адсорбированные на поверхности фильтра, состояли в основном из шпинели состава AI₂MgO₄ , а также из оксидов алюминия, кальция, кремния, мар­ганца и соединений титана.

Исследовали эффективность фильтрации ПКФ марки Selee/Fe при литье низкоуглеродистых и нержавеющих сталей CF-3M, раскисленных алюминием [17]. Отмечено, что для достижения необходимого времени заполнения площадь поперечного сечения фильтра должна в 4-8 раз превышать площадь поперечного сечения литника. Для стали, содержащей 0,019 % углерода, 0,17 % марганца, 0,8 % хрома и 0,02 % алю­миния, уменьшение содержания включений оксида алюминия составило 50-60 %.

Фильтрация расплава нержавеющей стали полностью устранила необходимость в уда­лении поверхностных включений, состоящих из силикатов марганца или хрома или хроматов марганца, на что затрачивалось в среднем 4 ч.

Имеются сведения, что уже сейчас для предотвращения включений оксида, шлака, газа широко используют фильтры марки Udicell различных форм и размеров, изготовленные фирмой "Hi-Tech Ceramics (НТС)", США [18]. Отмечается, что ПКФ, помещенные на дно литниковой чаши, выдерживают поток металла, нагретого до 1300-1700 °С и падающего в литниковую систему с высоты, достигающей 1,8 м. Ско­рость истечения этих расплавов обычно составляет 11-15 кг/с. Керамические фильт­ры Udicell эффективно используются при первичном производстве и вторичном пере­плаве заготовок. Как и при литье в кокиль, они должны выдерживать более жесткие условия в течение длительного времени по сравнению с литьем по выплавляемым моделям. Эти фильтры обычно применяют для фильтрации суперсплавов при массе до 22 т и продолжительности литья до 60 мин. Успешно продемонстрирована способ­ность к фильтрации 120 т нержавеющей стали со временем литья до 90 мин.

В Японии проведены промышленные эксперименты по использованию фильт­рации в промежуточных ковшах MHЛ3 [3]. На одном из заводов фирмы "NiKon Steel" в перегородку промежуточного ковша вместимостью 15т были встроены ПКФ с разме­ром пор 3 мм. Степень чистоты заготовок из коррозионностойкой стали повысилась примерно на 15 %, распределение включений размером не более 6 мкм улучшилось. Скорость течения стали через фильтр составляла 0,5-1 см/с и возрастала с увеличени­ем уровня заполнения металлом промежуточного ковша и температуры перегрева ста­ли. Результаты расчета механизма фильтрации показали, что процесс может быть осу­ществлен при более высоких скоростях течения металла при КПД 40-50 %.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК:

1. Pedersen Т., Balhiser R. С., Bates D. A. et al.// Wire J. 1979. V. 12. № 6. Р. 74-77.

2. Luchinger J., Wi 1 1 e m i n G.// Revie de 1'aluminium. 1981. № 502. P. 10-12.

3. Хаммершмид П., Я н к е Д. // Черные металлы. 1988. № 5. С. 16-25.

4. Brockmeyer J. W., Aubrey L. S. // Ceram. Eng. Sci. Proc. 1987. V. 8.-№ 1-2. P. 63-74.

5. Naito K.//Aru. 1978. № 143. P. 58-61.

6. Broome A. J.//Casting. 1985. V. 31. № 7-8. P. 30-38.

7. Huskonen W. H. // Foundry Management and Technology. 1987. V. 5. P. 40-46.

8. Menk W., Simmоns W., Wise M. L. H. // Foundry Practice. 1986. № 212. P. 2-1.

9. Foundry Management and Technology. 1985. V. 113. № 12.

10. Wieser P. F., Heine H. J. // Foundry Management and Technology. 1985. V. 113. № 4. P. 98-102.

11. Simmons W.// FWPJ. 1986. V. 26. № l.P. 1-23.

12. Сummings M. A., Jones S. C., McPher-sоn S. C. et al. // Proceeding 45-th electric furnace conference. 1988. V. 45. P. 273-283.

13. Aubгeу L. A., Brockmeyer J. W., M a u h // Steelmaking Proceeding. 1986. V. 69. P. 911-991.

14. Вaker W. F. // Transactions of the American Foundry-men's Society. 1986. V. 94. P. 215-218.

15. Коmai Т., Кakeuсhi H., Nuгi Y. et al. // Steelmaking Proceeding. 1986. V. 69. P. 977-991.

16. Yam ad a K., Watanabe Т., Fukuda K. // Transactions ISIJ. 1987. V. 27. P. 873-877.

17. Aubгeу L. A., Brockmeyer J. W, // Trans. Amer. Foundrymen's Soc.. 1985. V. 93. P. 177-182.

18. Gоris J. // Die Casting Engineer. 1988. № 2. P. 40.

Вернуться в раздел "Техническая информация"