Показать меню Технической информации

Требования к фильтрам для фильтрации металлических расплавов

(J.W. Brockmaeyer, L.S. Obrey, из статьи в ж. "Ceramic Engineering Science Proceedings", 1987 г.)

Общие требования

Эффективность очистки не является единственным требованием к фильтру для металлического расплава; хороший фильтр должен, кроме того, выдерживать термиче­ские и механические нагрузки, возникающие до и во время заливки, а также противо­стоять коррозии вследствие взаимодействия металл-шлак-фильтр и эрозии под влияни­ем сил, действующих на фильтр при литье.

Учет воздействия на фильтр комбинированных механических и термических на­пряжений заставляет нас при выборе материала для фильтра исключить из рассмотре­ния в случае большинства известных расплавов практически все материалы за вычетом керамических. Если фильтр предназначен для эффективной очистки расплава от мел­ких частиц примеси, нам придется ограничиться пористыми слоистыми фильтрами. К числу их относятся агрегатные слои со связанной или несвязанной структурой, а также пенокерамика.

При заданных размерах агрегатные или шаровые фильтры обладают большей массой и меньшей пористостью по сравнению с пенокерамическими фильтрами. Если у первых приемлемая для фильтрации пористость составляет 40%, то у последних она часто превышает 80%. Большая масса слоистых фильтров может создать трудности при заливке, а низкая пористость неблагоприятно сказывается на их долговечности. Эффек­тивность фильтрования обоих типов фильтров примерно одинакова. Однако в эксплуа­тации пенокерамические фильтры более экономичны и более надежны. Поэтому в дальнейшем мы ограничимся рассмотрением лишь фильтров этого типа.

Требования, обусловленные особенностями заливки.

Как уже отмечалось, фильтр, предназначенный для металлических расплавов, должен выдерживать значительные термические и механические напряжения, возни­кающие при заливке, и не быть чрезмерно теплоемким, чтобы при литье металл не за­твердевал на его поверхности или в недрах структуры. Размер пор должен быть доста­точно большим для осуществления заливки, а структура фильтра должна обеспечивать течение сквозь нее расплава с заданной скоростью при разумных значениях металлостатического напора. Возможность заливки жидких расплавов при температурах значительно выше ликвидуса обусловлена размером пор и величиной поверхностного натя­жения. Для менее текучих расплавов и при температурах вблизи ликвидуса на поверх­ности фильтра может образоваться тормозящая расплав застывшая пленка, которая по­требует переплавления путем заливки дополнительной порции металла.

В любом случае фильтр начинает испытывать термические и механические на­грузки. Существует несколько моделей, описывающих распределение термических напряжений при неустановившемся нагревании.

Локальная структура пенокерамического фильтра обладает тем преимуществом, что нити пенокерамики имеют внутреннюю полость, а малое поперечное сечение пре­пятствует теплопереносу. Физические свойства этих материалов (прочность, коэффи­циент Пуассона и коэффициент термического расширения) удачно согласуются с дру­гими требованиями, предъявляемыми к таким параметрам, как жаропрочность, стой­кость по отношению к коррозии и эрозии, экономичность для специальных примене­ний. Температурный градиент в некоторых случаях может быть выровнен за счет пред­варительного нагрева фильтра.

В дополнение к термическим нагрузкам механические напряжения возникают при заливке благодаря кинетической энергии падающего на фильтр расплава и вслед­ствие роста металлостатического напора. Несмотря на то, что фильтрующий элемент может располагаться под любым углом к потоку металла и иметь самые разнообразные размеры и форму, механическое напряжение при заливке в просто поддерживаемый плоский пластинчатый фильтр обычной толщины при обычной нагрузке может дости­гать значительных величин.

Рост толщины фильтра влечет за собой уменьшение напряжения, но увеличивает потери давления. К тому же при значениях толщины, больших некоторого оптимально­го, экономичность фильтра резко падает. Уменьшая поддерживаемую поверхность фильтра, например, разбивая его на несколько меньших по размеру элементов, можно добиться некоторого эффекта, однако сложность установки фильтра при этом возрастет. В конечном счете все указанные параметры должны быть согласованы с характеристиками материалов, из которых изготовлен фильтр. Одновременно следует учесть любые возможные потери прочности вследствие теплового растрескивания.

Требования к фильтру в процессе литья.

После окончания заливки фильтр, предназначенный для металлического распла­ва, должен прослужить еще столько, сколько потребуется для полного завершения про­цесса литья. Подвергшись коррозии, фильтр может деградировать или разрушиться, что в целом приведет к нежелательному загрязнению расплава. Деформационная ползу­честь может способствовать протеканию расплава в обход фильтра или разрушению последнего. Эрозия может послужить причиной увлечения инородных частиц распла­вом и также разрушения фильтра. Тщательный выбор материала для фильтра, мини­мально взаимодействующего с расплавом и со шлаком, а также специальные методы установки элемента позволяют продлить его активное существование. Продолжитель­ность процесса литья может варьироваться от нескольких секунд на некоторых литей­ных установках до нескольких часов и даже дней на установках непрерывного литья. При литье под давлением это время может достигать даже месяцев.

В процессе литья может произойти некоторое перемешивание шлака с металлом, вследствие чего образуется очень сложная, химически активная среда, или, если фильтр загружен не полностью, металл может подвергнуться агрессивному воздействию со стороны шлака. Коррозия фильтра в результате взаимодействия его с расплавом воз­можна также и в отсутствие шлака. Поскольку шлак в общем случае наиболее агресси­вен по линии металла, фильтр предпочтительно заливать полностью, что снижает тер­мические нагрузки. Максимальное уменьшение пористости стенок нитей пенокерамического фильтра способствует сокращению доступной коррозии поверхности. Наконец, по возможности, фильтрующий композит должен быть несмачиваемым как для металла, так и для шлака.

Используемая пенокерамика должна характеризоваться минимальной ползуче­стью в процессе литья, чтобы не допустить протекания расплава или разрушения фильтра. Механизмы ползучести при высоких температурах являются предметом про­водимых в настоящее время исследований, однако величину ее, как правило, удается свести к нулю, используя высокочистое сырье и избегая образования легкоплавких вто­ричных фаз.

Скорость течения расплава через фильтр определяется требованиями к очистке. Тогда эрозией фильтра можно управлять путем выбора для него соответствующего ма­териала, а также путем его надлежащей установки. При этом опять же желательно, что­бы фильтр был полностью погружен в расплав, а его поверхность насколько возможно предохранялась от прямого падения на нее потока жидкого металла.

Требования к очистке.