Типы фильтров.

По словам проф. П.Ф.Визера из университета Кейз Уэстерн Ризерв выбор под­ходящего фильтра для каждого процесса литья чугуна или стали определяется величи­ной потери давления потока расплавленного металла на фильтре. "Эта величина поте­ри давления лежит в основе определения размера фильтра, требуемого для заполнения формы с заданной скоростью без преждевременной закупорки фильтра"- пояснил проф. Визер.

Основные типы фильтров, применяемые для литья чугуна и стали - это конст­рукции из пенокерамики и экструдированной ячеистой керамики. По сообщению проф. Визера, возможны и другие конструкции фильтров; они используются при литье цветных металлов. Ниже перечислены пять основных типов фильтров, описанных в работе D. Apelian.

Монолитные керамические фильтры. Фильтры из связанной или плавленой ке­рамики, изготовленные чаще всего методом экструзии, имеют часто расположенные прямые поры постоянного поперечного сучения; изготавливаются с долей открытых участков более 65%.

Фильтры из пенокерамики. Фильтры из связанной или плавленой керамики, изготовленные путем нанесения керамического шликера на вспененный полимер. Поли­мер выгорает в процессе обжига. В отличие от фильтров, изготовленных методом экс­трузии, фильтры из пенокерамики характеризуются случайным распределением разме­ров пор.

Фильтры из связанных керамических частиц. Фильтры этой категории изготавливаются путем связывания или сплавления отдельных керамических частиц. Связь осуществляется там, где встречаются частицы. Объем пор контролируется степенью уплотнения, т.е. распределением размеров частиц.

Фильтры из несвязанных керамических частиц. Структура таких фильтров по­добна структуре фильтров из связанных частиц, но применение несвязанных частиц требует субстрата для их закрепления и стенок, ограничивающих объем. Большая теп­лоемкость таких фильтров требует внешнего источника нагрева для предотвращения застывания металла.

Тканые фильтры из керамических волокон. Такие фильтры изготавливаются в виде грубой ткани из керамических волокон. Недостаточная прочность и стойкость к действию чугуна и стали при высоких температурах в большой степени ограничили их применение в цветной металлургии (это не относится к Европе - по сообщению Д. Гротеке из фирмы "Меткаст ассошиэйтс", там достигнуты значительные успехи в ра­боте с кремниевым волокнистым материалом, производимым в СССР и продаваемым по лицензии на Западе. Сообщается об очень хорошей работе этого технологического процесса, называемого Фирам, однако материал даже в СССР производится в очень малом количестве).

Размеры пор и пористость фильтра влияют на долю удаляемых включений. Раз­мер пор в фильтрах из экструдированной керамики обычно выражается величиной числа ячеек на единицу площади фильтра (по сообщению проф. Wieser ). В производ­стве чугуна и стали наиболее распространены величины 50-300 ячеек/дюйм² (8 - 47) ячеек/см².

Проф. Wieser пояснил, что следует учитывать и еще одну характеристику - удельную поверхность фильтра, т.е. отношение площади поверхности фильтра к его объему или массе. При фильтровании величина удельной поверхности важна для ха­рактеристики потока жидкости. Величина удельной поверхности оказывается различ­ной в зависимости от применяемой методики измерений.

По словам проф. Wieser, при работе с расплавленным металлом следует дополнительно учитывать потери тепла при соприкосновении металла с фильтром, температура которого ниже температуры жидкого металла. Эти потери тепла могут при­вести к застыванию металла на входной поверхности фильтра или внутри пор. Однако, проблемы такого типа легко решаются при непрерывной разливке или кокильном ли­тье, поскольку при этом имеется доступ к фильтру и можно организовать его предва­рительный подогрев. Напротив, при обычном литье в формы для облегчения вхожде­ния потока в фильтр требуется нагрев до более высоких температур и большие разме­ры пор.

Кроме того, жидкости при про­хождении через фильтр теряют энергию. Величина этих потерь, по словам проф. Wieser, зависит от свойств фильтра и жидкости, а также от скорости потока жидкости. Когда происходит захват включений, каналы фильтра перекры­ваются, а это ведет к увеличению поте­ри давления и, соответственно, к сниже­нию скорости потока металла.

Рис.2 Зависимость скорости течения металла через фильтр от времени.

По сообщению Д. Гротеке это может увеличить вероятность получе­ния бракованных отливок при пере­менном уровне содержания включений, однако, с этим явлением можно бороться, либо используя устанавливаемый в литниковой системе фильтр с большей удельной по­верхностью, либо подавая в литниковый канал металл, однородный по качеству.

Конструкция литниковой системы.

По сообщению X. Кинда из фирмы "Фосеко", керамический фильтр, установ­ленный в литниковой системе, способен эффективно извлекать из потока расплавлен­ного металла шлак, дросс и другие неметаллические включения. По его словам, "это может значительно снизить количество связанных с включениями дефектов, обнару­живаемых как до, так и после механической обработки. Кроме того, удаление не­металлических включений из расплавленного металла может позволить уменьшить размеры литниковой системы и сделать ее менее сложной, что привело бы к повыше­нию производительности и высвобождению места на модельной плите."

X. Кинд добавил, что обычный подход к предупреждению появления дефектов, связанных с включениями, предполагает использование литниковых систем для отде­ления неметаллических включений от расплавленного металла. "К сожалению, - сказал он - обычный подход к конструированию литниковых систем не всегда обеспечивает должное качество литья и часто вынуждает жертвовать производительностью".

По мнению X Кинда возможно успешное применение фильтров в обычных конструкциях литниковых систем, однако это не всегда дает лучшие результаты. Опыт применения керамических фильтров показывает, что максимальный технический и экономический выигрыш достигается в случае, когда литниковая система сконструи­рована специально в расчете на применение фильтров.

Рекомендации по применению.

По мнению X. Кинда правильно сконструированная литниковая система, рас­считанная на применение керамического фильтра, должна обеспечивать простоту ус­тановки фильтра, достаточную продолжительность заполнения формы, оптимальную эффективность фильтрования и иметь минимальные размеры.

"Чтобы удовлетворить этим требованиям, необходимо в каждом случае опреде­лить требуемые размеры и число фильтров и разместить их в правильно сконструиро­ванной литниковой системе".

Требуемые в каждом конкретном случае размеры и число фильтров определя­ются скоростью литья и общим объемом металла, который должен пройти через фильтры. Определены значения соотношения между доступной для прохождения ме­талла площадью фильтра (фронтальная площадь фильтра) и площадью наименьшего поперечного сечения питателя литниковой системы, при которых фильтр не вызывает нарушений в скорости заливки. Для серого чугуна/ковкого чугуна рекомендуется со­отношение 4:1, для чугуна с шаровидным графитом - 6:1.

Конструкция литниковой системы для применения с керамическим фильтром отличается от обычной; она должна отражать особенности применения фильтра, его влияние и задачи. X. Кинд выделил, чем отличается рекомендуемая конструкция лит­никовой системы от обычной:

1. Применение фильтров сводит к минимуму необходимость снижения скорости потока металла для отделения неметаллических материалов при фильтровании. Это позволяет уменьшить длину литниковых систем, в которых используются фильтры, и исключить из них шлакоотделители, шлакоуловители и вихревые шлаковики. Литни­ковые системы для работы с фильтрами должны быть как можно проще и компактнее, чтобы свести к минимуму эрозию формы и достичь максимальной производительно­сти.

2. Для достижения оптимальных результатов следует свести к минимуму турбулентность и вовлечение воздуха в литниковую систему за фильтром. Поскольку керамический фильтр способен отделять только неметаллические включения, присутствующие в потоке металла до фильтра, оказывается невозможно предотвратить окисление реакционноспособных материалов в потоке металла (например, магния, присутствующего в чугуне с шаровидным графитом) за фильтром, после попадания в по­лость формы. Наилучшие результаты получаются, если конструкция литниковой сис­темы рассчитана на полное заполнение до того, как металл войдет в полость формы.

3. Наиболее эффективная работа керамических фильтров имеет место, когда исключено вовлечение воздуха через фильтр. Литниковая система с фильтром должна заполняться как можно быстрее, чтобы фильтр был окружен металлом.

Рис.3 Схема литниковой системы с фильтром

Закупорку фильтра также следует учитывать при определении размеров и числа фильтров для конкретного случая применения. По словам X. Кинда, поскольку кера­мические фильтры захватывают шлак, дросс и другие неметаллические включения, при недостаточной площади фильтра возможна его полная закупорка.

При работе с чугуном с шаровидным графитом закупорка фильтров происходит чаще и оказывается более существен­ной, чем для серого и ковкого чугуна; по мнению X. Кинда, это связано с продуктами реакции, появляющимися из-за добавления магния, в той или иной форме участвующего в образова­нии шаровидного графита.

Рис.4 Закупорка фильтра из пенокерамики 10 ppi после прохода через него 0,07 кг/см2 ЧШГ

Применение фильтров при литье стали.

Применение фильтров в про­цессе литья чугуна может быть успеш­ным, если они должным образом встроены в литниковую систему и правильно используются. Первые попытки применения фильтров из ячеистой керами­ки при литье стали также указывают на возможность успеха.

Т. В. Стоун из фирмы "Фосеко" сказал: "Первые попытки показывают, что ус­пех применения керамических фильтров для литья стали зависит от понимания взаи­мосвязи между фильтруемым сплавом, текучестью сплава и применяемым типом фильтра. Понимание этих связей поможет литейщикам разработать литниковые систе­мы и технику литья, позволяющие эффективно использовать существующие фильтры".

Работы по фильтрованию расплавленной стали показали, что ячеистая керамика способна удалять неметаллические включения из потока металла и снижать или ис­ключать появление связанных с включениями дефектов в стальных отливках. По мне­нию Т.В.Стоуна, необходимо более точно определить величины минимально необхо­димого дополнительного нагрева и предпочтительные технологии раскисления и обра­ботки металла, а также предпочтительные конструкции литниковых систем для литья стали.

По словам Т.В. Стоуна в настоящее время перед литейным производством сто­ит задача определения этих параметров и экономически эффективного применения техники фильтрования для повышения качества литья.

Поскольку литейщики стремятся к получению отливок без включений, конкурентоспособных по цене, фильтровальные системы для черных металлов могут стать обычным элементом в большинстве литейных производств, работающих с чугуном и сталью. Хотя сохраняется необходимость в дальнейших разработках в области фильт­рования, сделанное к настоящему времени уже вызвало благожелательный отклик у литейщиков, специализирующихся на черных металлах. Должным образом сконструи­рованные фильтровальные системы при правильном их использовании способны по­высить качество литья при снижении количества скрапа и возврата. Это со временем может позволить литейным предприятиям предупреждать появление включений вме­сто того, чтобы выявлять включения в своей продукции.