Показать меню Технической информации

Фильтрация металлов. Разновидности фильтров

(ж. "Библиотека литейщика" №3-4, 2001 г, приложение к ж. Литейное производство".)

Высокое качество металла во многом определяется низкой концентрацией неметаллических включений. Одним из способов снижения их количества является очистка расплавов пористыми фильтрами. Уменьшение концентрации газовых и твердых вклю­чений в отливке обеспечивает повышение механических и других свойств металла.

В качестве фильтрующих систем опробованы свободно насыпанные слои спе­ченных гранул, плетеные керамические и стекловолоконные сетки, прессованные фильтры из формовочных смесей, фильтры из сотовой керамики и пенокерамики. В по­следнее время часто применяют для очистки жидкого металла пенокерамические фильтры (ПКФ). Их преимущество обусловлено особенностями структуры пеноке­рамики и подтверждается сравнительным анализом ее свойств со свойствами других пористых материалов. Из высокопористых материалов пенокерамика обладает более высокими прочностью, проницаемостью и коэффициентом массообмена. Это обуслов­лено не только структурой, но и составом материала. Материал фильтра - керамика - обеспечивает его работоспособность при высоких температурах заливаемого металла и агрессивной среды.

Пористые проницаемые материалы подразделяют на две группы: с неорганизо­ванной и организованной микроструктурой. Первая группа состоит из пористых прони­цаемых порошковых материалов (ППМ) и проницаемых волоконных материалов (ПВМ). Микроструктура этих материалов образована случайным расположением по­рошков или волокон. Ко второй группе относятся высокопроницаемые сотовые (ВСМ) и ячеистые материалы (ВЯМ), а также проницаемые сетчатые материалы (ПСМ), мик­роструктура которых организована по заранее известному логарифму (рис.1).

ПСМ получают прессованием и спеканием заранее изготовленных сеток с воло­конными структурами. ВЯМ получают нанесением на ячеистые полимерные материалы керамических покрытий с последующим спеканием. ВСМ изготовляют экструдированием порошковых пластических масс через фильеру с последующими сушкой и спека­нием. Прочность пенокерамического фильтра зависит от их пористости (рис.2). С повышением пористости от­носительная прочность фильтров снижается.

Основные требования, предъявляемые к фильтрующим системам - высокая коррозионная стойкость при высоких температурах и контактная стойкость с жидким металлом, способность пропускать при нормальном давлении требуемое количество металла за короткое время (коэффициент проницаемости), высокая адгезионная способность к неметаллическим включениям, находящимся в жидком металле.

Практика использования пенокерамических фильтров показала, что при движении жидкого металла самотеком скорость линейной фильтрации составляет 0,05...0,1 м/с при высоте стояка 0,1...0,4 м. При вязкости металла (1 ...5) ·10^-3 Па·с коэффициент проницаемости порис­того материала должен находиться в интервале 10^-9... 10^-8 м². Чтобы исключить раз­рушение ПКФ в начальный момент, его предел прочности на изгиб должен составлять 0,05...0,1 МПа при температуре заливки металла или 1...5 МПа при нормальной темпе­ратуре.

Основная проблема очистки расплавов заключается не столько в задержке неметаллических включений, размер которых больше размера пор, сколько в задержке частиц, размер которых меньше размера пор фильтра. В последнем случае такая фильтрация реализуется в полной мере, когда режим движения жидкого металла в порах фильтра турбулентный, так как при нем вероятность столкновения не­металлических частиц с поверхностью каналов фильтра значительно выше, чем при ламинарном.

Рис.2 Зависимость механической прочности различных классов пористых проницаемых материалов пористости (/////// - реальная область сушествования, [ ] - гипотетическая область существования)

В каналах сотовой структуры даже при высоких скоростях потока (5... 10 м/с) Re=10²...10³ реализуется ламинарный режим течения. При ячеистой структуре турбулизация потока начинается уже со скорости 0,05 м/с.

При ламинарном течении Re = 4,4...6,2, а при турбулентном 15,4...26,9, то есть в 3,5-4,3 выше. Во столько же раз можно ожидать улуч­шения фильтровальных свойств ППМ при турбулентном режиме течения жидкого металла по сравнению с ла­минарным.

Тот или иной режим течения жидкости определяется нижним кри­тическим числом - Re . При Re<Re_K реализуется сначала переходный, а за­тем турбулентный режим. При литье жидких металлов Re = 30. ..250 и зави­сит от вязкости и плотности металла, поэтому в ВЯМ с пористостью 70...80% будет турбулентный режим (Re_Kp - 5... 7), а в ВСМ - ламинарный (Re_Kp- 300...700).

Приведенные расчеты под­тверждают, что арочнолабиринтная структура предопределяет более вы­сокую вероятность столкновения неметаллических включений с поверхностью фильтра, чем с прямоточными каналами ВСМ. Следовательно, увеличение коэффициента массообмена не только повышает эффективность фильтра, но позволяет уменьшить его объем (уменьшить стоимость материала без снижения производительности процесса).

После фильтра поток металла должен быть ламинарным. В противном случае может быть вымывание частиц формы и образование пены, что увеличит концентрацию неметаллических частиц в отливке. Уменьшение скорости металла на выходе из фильт­ра и увеличение Re_Кр в питателе способствуют установлению в питателе ламинарного движения.

По механическим и гидродинамическим свойствам ВЯМ и ВСМ одинаковы, но по фильтровальным свойствам ВЯМ имеют значительное преимущество перед ВСМ.

В последнее время в литейном производстве пенокерамические фильтры изго­товляют из различных огнеупорных материалов: Al₂O₃, Al₂O₃SiO₂, Al₂O₃ZrO₂, SiC, ZrSiO₄ и др. Их производят фирмы Foseco (Англия), Drache (Германия), Hi-Tech (США) и др.

Технология получения таких фильтров основана на воспроизведении структуры ячеистого пенополиуретана. Первоначально его нарезают, затем приготовляют керамическую суспензию с одним из перечисленных огнеупоров и пропитывают пенополиуре­таном. Излишки суспензии удаляют отжимом в валках или центрифугированием. Под­готовленные пенокерамические фильтры сушат и спекают.

Особенно эффективно использование пенокерамических фильтров при отливке тонкостенных изделий. В промышленно развитых странах, где требования к качеству отливок очень жесткие, пенокерамические фильтры используют на формовочных линиях по производству таких отливок, как головки блоков цилиндров, крышек, картеров коробок передач, выпускных коллекторов ав­томобилей и др. Их использование позволило сократить расход металла на литниковую систему, поскольку стала возможна заливка металла в форму через прибыли.

Внедрение пенокерамических фильтров удорожает процесс. Однако современные условия выхода на мировые рынки с их традиционно высокими требованиями к качеству продукции рано или поздно вынудят российских литейщиков всерьез заняться использованием пенокерамических фильтров.

Опытное производство НИИ порошковой металлургии (г.Минск) изготовляет серийно пенокерамические фильтры, которые осваиваются МТЗ, МАЗ, ОАО «МЗОО» и др. предприятиями для отливки деталей из СЧ и А1-сплавов. Результаты испытаний показали, что оптимально размещать пенокерамические фильтры как можно ближе к рабочей полости формы: засор чугунных отливок сократился в 3 раза; наилучший размер пор 15...20 ppi (число пор на линейный дюйм). Очистка А1-сплава АК12ММгН при переливе из плавильной печи в раздаточные позво­лила добиться снижения газовой пористости с 3 до 1 балла и уменьшения загрязнения включениями по Добаткину с 0,25 до 0,05 мм²/см². Прочность металла на растяжение повысилась со 145 до 170 МПа. Этот же сплав использовали без рафинирования для от­ливки поршней в кокиле. Пористость была 1 -2 балла и содержание неметаллических включений до 0,1 мм²/см². Фильтр был установлен в прибыли.