Показать меню Технической информации

Применение керамических фильтров для фильтрации алюминиевых сплавов

(Гауклер Л. Дж., Вебер М.М., Конти К, Жакоб-Дюльер М., ж. "Джорнел оф металз", IX-1985 г.)

Были проведены исследования по использованию пенокерамических фильтров для фильтрации алюминиевых сплавов в промышленности. Результаты сопоставлялись с лабораторными опытами и производственными экспериментами.

Анализировались структурные характеристики фильтрующей среды, наиболее важные параметры фильтра для использования в промышленности и его эффектив­ность.

Растущее использование алюминиевых сплавов для изготовления сложных изде­лий - таких, как детали самолетов, требует чрезвычайно низкой концентрации загряз­нений в жидком металле. Чаще всего твердые включения представляют собой оксидные шарики в сплавах и оксидные пленки. Размер дисперсных включений составляет не­сколько микрон (мкм), а оксидные пленки могут достигать нескольких миллиметров.

Твердые включения размером порядка нескольких мкм не дают возможности достигать высокого качества обработки поверхности, а также производить детали не­большой толщины для работы в режиме высоких скоростей деформации. Поэтому не­обходимы эффективные методы очистки расплавленного металла, удовлетво­ряющие современным стандартам качества, особенно в связи с ростом использова­ния вторичного алюминия.

Неметаллические включения в алюминиевых сплавах представляют собой окси­ды:   А1₂ O₃, MgO, MgAI₂0₄, Si02; карбиды: А1₄С₃, SiC; нитриды: AIN и бориды: SiB₂, А1В₂ в форме частиц, пленок и агрегатов.

Имеются различные методы удаления неметаллических включений из расплавов металлов. Они основаны на седиментации, флотации или фильтрации.

Седиментация осуществляется при длительной обработке металла в печи. Фло­тация происходит в отдельных агрегатах, аналогичных небольшим печам переменного объема и емкостью в несколько тонн. В большинстве случаев эти агрегаты снабжают системой подогрева. Исключением является система MINT малого объема, которую можно опорожнить после каждого литья. Ряд агрегатов для фильтрации твердых частиц являются одноразовыми, например, керамические фильтры.

Фильтрация.

Рис. 1 Фильтрация в глубоком слое

В процессах фильтрации частицы отделяются  фильтрующей средой тремя различными способами, в зависимости от их размера и величины отверстий среды. На поверхности фильтрующей среды проис­ходит просеивание, в результате которого образует­ся фильтровальная лепешка, состоящая из частиц, диаметр которых больше отверстий среды. Величи­на диаметра частиц того же порядка, что и размер отверстий, либо превышает его. Обычно таким же образом производится работа фильтров из тканых материалов. Фильтрация в глубоком слое происхо­дит внутри зернистой или пенообразной фильтрующей среды - на ее внутренней поверхности. Частицы из расплавленного металла мо­гут быть задержаны на внутренней поверхности каждой поры (рис.1). В этом случае размер частицы меньше, чем размер минимального отверстия - "окна". Имеется ряд причин, по которым частицы соприкасаются с внутренней макроскопической поверхностью фильтра. С. Conti (проф. Бельгийского политехнического института) принял сле­дующий механизм расчета эффективности фильтрации алюминия.

Прямой захват. Частица ударяется о поверхность фильтра при движении по своей траектории.

Гравитационные силы. Микроскопическое движение возникает в результате бомбардировки молекулами частиц в жидкости. Этот эффект, повидимому, имеет зна­чение только для частиц размером менее 1 мкм.

Инерционные силы. Возникают в частицах значительного веса, которые выпа­дают при внезапных изменениях траектории и ударяется о внутреннюю фильтрующую поверхность.

Гидродинамические воздействия. Возникают вследствие различия скоростей в ячейках фильтра. В зависимости от формы частицы она вращается и перемещается в поле потока.

В случае фильтрации алюминия через пенокерамику наиболее значительными силами являются прямой захват, инерционные и гидродинамические силы.

Частицы, которые коснулись внутренней фильтровальной поверхности, удержи­ваются на ней под действием сил Ван-дер-Ваальса. Частицы или конгломераты частиц могут быть удалены с поверхности фильтра путем повышения сдвигающих сил ( в ре­зультате внезапного роста скорости потока, промывки фильтра обратной струей или ко­лебаний прокачки, а также внезапных перемещений самой фильтрующей среды).

Структура открытых пор пенокерамики.

Рис 2.Соотношение между размерами ячеек и "окон"

Информация о структуре фильт­рующей среды является определяющей при анализе характеристик потока жидкости. Для характеристики микро­структуры пенокерамики были исполь­зованы методы стереологии.

Структура пенокерамики пред­ставляет собой закругленные много­гранники диаметром ρ, соединенные между собой отверстиями ("окнами")  диаметром φ. Ориентировочной ха­рактеристикой является число пор на один дюйм - ppi. Общую пористость обозначим f, и внутреннюю поверхность ячеек -S_v. Расстояние между центрами двух ячеек - S.

Структура пенокерамики анизотропна в плоскости поверхности фильтра, ячейки сферические со средним размером р сферические со средним размером р. В направлении, перпен­дикулярном к поверхности фильт­ра, ячейки являются удлиненными с несколько большим средним раз­мером pi. В пенокерамических фильтрах с размерами, определяю­щими проницаемость и параметры потока жидкости, являются сред­ние размеры ячеек и окон. На рис. 2 показано соотношение этих двух параметров.

При значениях ppi от 55 до 24 средний размер ячейки в направлении, перпендикулярном направлению потока, воз­растает от 0,9 до 2,2 мм. Средний рамер "окна" увеличивается от 0,6 до 1,45 мм. Общая макропористость отверстий в пенокерамике растет от 75 % (30ppi) до 83 % (24 ppi).

Рис. 3 Макроскопическая внутренняя поверхность пеноке­рамических фильтров.

В процессе фильтрации внутренняя поверхность пор контактирует с расплавлен­ным металлом. Из-за поверхностного натяжения расплавленного металла поры меньше, чем 0,1 мм, повидимому, не могут быть включены в площадь внутренней поверхности, т.к. давление в жидком металле, которое обычно используют при фильтрации, не пре­вышает давления столба алюминия высотой 500-1000 мм. На рис. 3 показана величина внутренней поверхности в зависимости от среднего размера "окон". Она понижается от 0,4 до 1,0 м²/м³ для фильтров с ppi до 24.

Величина эффективности фильтрации, ко­торая составляет от 75 до 95 % для частиц разме­ром 30 мкм при низких скоростях расплава пада­ет до 15-35 % при более высоких скоростях и меньших размерах частиц (рис.4).

Снижение эффективности фильтрации при увеличении скорости расплава обусловлено рос­том турбулентности в зонах конвергенции ячеек, а также уменьшением вероятности седиментации при высоких скоростях расплава.

Эффективность фильтрации повышается с увеличением размеров частиц. На рис. 5 приве­дены данные для плотности частиц 4,5 г/см³ и скорости расплава 1,0 см/с. Из расплава были выделены более 80% частиц всех размером более 40 мкм. При размерах частиц порядка 30 мкм эф­фективность фильтрации составила от 30 до 65 % при более тонком фильтре

Рис.4. Зависимость эффективности фильтрации в начале процесса от скорости расплава

Если частицы тяжелее, чем жидкость, влияние седиментации становится более зна­чительным. Соответственно в зоне конверген­ции ячейки задерживается большая часть частиц. Эффективность фильтрации растет с увеличением плотности частиц. Это явление более резко выражено в случае грубых фильтров (30 ppi ) и менее резко - в случае тонких (55 ppi).

Лабораторные исследования.

При исследовании эффективности фильтров различного типа на ранних стадиях процесса в качестве индикаторов в расплаве алюминия были использованы частицы ди- борида титана. Фильтр был помещен на дно литого чугунного тигля внутри печи сопро­тивления. Был использован алюминий с содержанием основного вещества 99,85 % и диборид титана (основной сплав А1 - Ti 5% /В 1 %). Частицы TiB₂ имели диаметр от I до 10 мкм. Концентрация определялась спектрографическим анализом с использо­ванием определителей бора и титана.

Для определения концентрации индикаторов на входе и выходе из фильтра при каждом пропуске было проведено по три анализа. При расчете эффективности фильтра­ции для двух фильтров размером I дюйм (25,4 мм) были использованы средние данные.

Рис.5. Зависимость расчетной величины эффек­тивности фильтрации от размера частиц.

По мере понижения скорости распла­ва эффективность фильтрации возрастает. Большая эффективность соответствует более тонким фильтрам (55 ppi) с высокой внут­ренней поверхностью , меньшая - более крупным фильтрам (30 ppi).

Эксперимент в цехе алюминиевого литья

Наиболее рационально использовать керамические фильтры в линиях между пе­чью и разливочной машиной. Перед литьем фильтры подогревали. Разность уровней ме­тала h, является той силой, под дейст­вием которой жидкость течет через фильтр.

Перед началом фильтрации фильтр должен быть заполнен алюминием под дав­лением столба металла h_p более высоким, чем используемое в процессе фильтрации. Потеря напора после заполнения представляет собой разность уровней металла на вхо­де и выходе, которая требуется для поддержания непрерывности потока через пористую среду.

Рис. 6. Зависимость величины  первичного напора металла для различных фильтров от размера «окон»

В продолжение фильтрации с постоянной скоростью уровень металла возрастает на величину разности  h за время  t в связи с осаждением включений на поверх­ность фильтра или внутри него. Разность уровней металла возраста­ет почти линейно в продолжение фазы II фильтрации. Во время этой фазы включения в основном накап­ливаются внутри фильтра, а также на его поверхности, образуя фильт­ровальную лепешку, которая под­вергается прессованию в фазе III. После этого фильтр забивается и зависимость разности уровней металла h от времени круто возрастает. В момент начала фазы III фильтрацию металла необходимо закон­чить.

Величина напора металла в начале процесса для фильтров различных типов при­ведена на рис.6.

Первичный напор металла в основном определяется размером "окон" фильтров. Экспериментальные данные соответствуют расчетным.

Рабочий напор металла h.

В начале процесса фильтрации после заполнения фильтра рабочий напор металла определяется удельным сопротивлением фильтра, его размером и скоростью потока. Рекомендуемые скорости потока и типы фильтров приведены на рис.7. Величина рабочего напора для фильтров рекомендуемого диапазона обычно составляет от 5 до 50 мм. Помимо упомянутых параметров величину рабочего напора металла также определяет степень загрязнения первой партии металла, поступающего на фильтр.

Предварительная очистка первой партии металла путем удаления больших ок­сидных пленок предотвращает заби­вание поверхности фильтра. Результа­том этого является низкий рабочий напор металла и увеличение продол­жительности работы фильтра.

Рис.7 Расход жидкости для различных пенокерамиче­ских фильтров

Общая величина перепада дав­ления, определяющая критическое время до начала забивания фильтра, зависит от степени загрязнения рас­плава. Увеличение рабочего уровня металла за единицу времени можно измерить и использовать в качестве характеристики как качества расплава, так и продолжительности работы фильтра.

Эффективность фильтрации.

Эффективность фильтрации в условиях литейного цеха оценивалась путем проведения анализов типа и количеств включений в пробных отливках. Разность концентраций включений до и после фильт­рации приведена на рис. 8. Данные, приведенные на рис.8, основаны на анализах 54 проб сечением 100 см² из 10 различ­ных отливок при расходе ме­талла 13 т/ч, суммарное коли­чество - 21 т. Частицы включе­ний размером менее 20 мкм не учитывались. Общее число включений в образцах металла, взятого до фильтра, составляло 80, после фильтра - 23. Было установлено, что около 80% включений - это оксидные час­тицы или пленки. Остальные представляли собой соли и бориды. Общая эффективность фильтрации составила 71%.

Рис. 8. Распределение включений по размерам частиц