陶瓷濾器

如前所述,近二十年來,經(jīng)過鑄造工作者的努力,泡沫陶瓷過濾器及其在液態(tài)鑄造合金過濾領域的應用已得到了長足的發(fā)展。據(jù)不完全統(tǒng)計,國內迄今已有近十條泡沫陶瓷過濾器生產線投入生產,年生產總量已達數(shù)百萬片。因此,在新的世紀,泡沫陶瓷過濾器的研究、生產和應用推廣工作尚需繼續(xù)加強,而且工作重點應放在以下幾個方面:

(1)開發(fā)生產燒結溫度低、燒結時間短的新型低成本泡沫陶瓷過濾器;

(2)開發(fā)生產適用于各種活性合金、高溫物理化學性能穩(wěn)定的新型泡沫陶瓷過濾器;

(3)開發(fā)生產適用于熔模鑄造、金屬型鑄造等特種鑄造工藝的異形泡沫陶瓷過濾器;

(4)深入研究泡沫陶瓷過濾器的過濾凈化機制和對金屬凝固過程的影響機制;

(5)系統(tǒng)研究泡沫陶瓷過濾器的應用技術,包括孔徑和厚度的選擇、安放方式和澆鑄系統(tǒng)的設計、澆鑄溫度和速度及金屬液壓頭的控制等;

(6)開展泡沫陶瓷過濾器的系列化和標準化工作。 2100433B

在鑄造生產中,由于非金屬夾雜物等鑄造缺陷導致的鑄件廢品一般占廢品總數(shù)的50%～ 60%。采用金屬液過濾技術可以有效地減少或消除其中的各種非金屬夾雜物,凈化液態(tài)鑄造合金。

泡沫陶瓷過濾器分為粘結型和燒結型:前者依靠粘結劑將陶瓷微細顆粒粘結在一起;后者是依靠在高溫下保溫,使較純的陶瓷微細顆粒燒結熔合起來。泡沫陶瓷過濾器所具有的獨特的三維連通曲孔網(wǎng)狀骨架結構,使其具有高達80%～ 90%的開口氣孔率,并通過3種過濾凈化機制,即機械攔截、整流浮渣和深層吸附,可高效地濾除金屬液中的大塊夾雜物和大部分小至數(shù)十微米的微小懸浮夾雜物,克服了耐火纖維質兩維結構型內過濾網(wǎng)和直孔芯型陶瓷過濾器、耐火顆粒過濾器、直孔型蜂窩陶瓷過濾器等的過濾效率低、耐火度和強度低、金屬液過流率低等問題。

哈爾濱工業(yè)大學對鋁青銅的試驗表明:泡沫陶瓷過濾器的過濾效率高達95%,而雙層纖維過濾網(wǎng)僅為67%,從而顯著降低鑄件廢品率和焊補率。此外,還能簡化澆鑄系統(tǒng),改善材料金相組織,從而提高鑄件工藝出品率和生產率,改善鑄件內部質量、工作性能以及機加工性能。因此,泡沫陶瓷過濾器在國內外得到迅速發(fā)展。

陶瓷過濾的研究主要集中于兩個方面：一是陶瓷過濾器的材質，包括陶瓷過濾器的制造工藝及性能；二是陶瓷過濾器的結構，包括過濾器的形狀、安放位置、過濾機制及過濾效果。

選擇過濾器材質要根據(jù)過濾所要去除的夾雜物的類型來進行選擇，同時也要考慮材料的抗蠕變及抗熱振性。大量的實驗結果表明，材質、孔隙度和陶瓷過濾器的內表面粗糙度影響過濾效果。

陶瓷過濾器的結構是由其材質決定的，根據(jù)材質的不同，可以把陶瓷過濾器分為泡沫陶瓷過濾器和顆粒陶瓷過濾器兩大類。

陶瓷過濾器過濾器

泡沫陶瓷過濾器的開孔體積為75%～90%，通常是按每英寸線上的孔數(shù)（ppi）來進行分類。如10 ppi的泡沫陶瓷過濾器，其孔徑為1778 μm，范圍為584～3708 μm；30 ppi的泡沫陶瓷過濾器，其孔徑為711 μm，范圍為229～1422 μm。泡沫陶瓷過濾器的厚度一般為25 mm。在澆注系統(tǒng)中有直立安放的，也有水平安放的，其結構根據(jù)具體的使用情況來設計。

泡沫陶瓷過濾器曾經(jīng)選用過的材質有NCL-Mullite，ZrO₂，Zr-SiO₄與Al₂O₃等。采用Al₂O₃泡沫陶瓷，在操作時不易碎，其抗熱振崩裂性能好，在1700℃高溫金屬液流動下，抗蠕變變形能力強。因為開孔的孔隙度高（75%～90%）和孔壁很薄，所以泡沫陶瓷過濾器在與金屬液接觸前不需要預熱。

陶瓷過濾器顆粒陶瓷

顆粒陶瓷過濾器的結構為上下有孔的支撐板，中間為顆粒填充物，在顆粒上鍍有一層活性吸附材料，見圖3。支撐板的厚度一般為12 mm，孔直徑為4.5～13 mm。

顆粒陶瓷過濾器選用MgO或Al₂O₃作為填充物，根據(jù)要過濾夾雜物的類別選用活性吸附劑。對于用稀土金屬處理過的高溫合金，選用稀土金屬為活化劑，當使用氧化鈣顆粒時要解決防水化問題。

CaO耐火材料是很好的顆粒陶瓷過濾器的填充材料，它不僅可以依靠物理吸附原理，而且還可以通過化學反應去除夾雜物。但有兩個原因限制了其大量應用：一是需極高的燒結溫度（高于1800℃）才能獲得必需的致密度和機械強度。二是在常溫和大氣下易水化。

CaO耐火材料的優(yōu)點是耐火度高，堿度高，鋼液過濾性好，資源極為豐富。提高鋼液過濾用CaO耐火材料抗水化性能的途徑是大力提高CaO耐火材料的燒結度，大結晶粒度，采用超高煅燒或電熔石灰；在CaO表面形成一層保護膜；在CaO燒成品上浸上焦油或有機樹脂薄膜作為中間過渡措施；在CaO中加入少量的化學添加劑，其作用是降低CaO的燒結溫度，并在燒結后期使燒結體內部產生部分液相，促進CaO晶粒的長大。

陶瓷過濾器是使用比較廣的一種過濾器，它采用剛性的微孔材料作為過濾元件。它包括陶瓷、剛玉、碳化硅、砂芯片等一系列的過濾器，如圖1所示。因過大的氣流可使灰塵黏附在過濾器上，造成堵塞，為了防止過大的氣流直接吹射陶瓷杯，因此在陶瓷杯的外面加上一個防護罩，使氣流繞過過濾器的下部，再進入過濾器。為了減小無效的體積，使過濾器的底部為錐形，同時增加了一個分路接頭。一方面可以把灰塵吹走；另一方面，由于氣體不斷流動而加速了氣體交換，減小了滯后時間。為便于更換和清理過濾器，設計了陶瓷過濾器系統(tǒng)。當一個過濾器發(fā)生堵塞時，可轉動兩個四通換向閥，把樣氣通入另一個過濾器，堵塞的過濾器則可通過高壓空氣進行反吹，使黏附在陶瓷濾杯上的灰塵除掉。這樣兩個過濾器輪換工作。它適用于較重要的分析系統(tǒng)，以及容易發(fā)生堵塞的含塵量較高的取樣系統(tǒng)。

陶瓷過濾器過濾特性

過濾特性中最主要的是上述的收塵效率，其次還有過濾容量、氣孔堵塞問題等。

陶瓷過濾器過濾容量

對于潔凈的流體，通過陶瓷過濾器層的流體滲透量與面積、壓力差成正比，與板厚、粘性系數(shù)成反比。將過濾（器）層看作毛細管的集合，通過毛細管的流體流量，可用下式表示：

v=（π·d⁴·ΔP）/（128η·l）=（π·d⁴·ΔP）/（128α·η·L）

此外，氣扎率ε和單位面積的毛細管數(shù)N、毛細管直徑d的關系可用下式表示：

ε=（π/4）d²·N

從而滲透量V可用下式表示：

V=N·v=（d²·ε·ΔP）/（32α·η·L）

式中 V——單位時間單位面積的滲透量（厘米³/厘米²·秒）；

ΔP——壓力差（達因/厘米²）；

η——粘性系數(shù)（達因·秒/厘米²）；

L——過濾（器）層的厚度（厘米）；

d——毛細管直徑（厘米）；

l——毛細管長度（厘米）；

α——彎曲度（1～3）。

也就是說，通過陶瓷過濾（器）層的流體滲透量與過濾器的氣孔率及毛細管的直徑平方成正比。增加粘結劑的量，擴大顆粒直徑分布范圍等使氣孔率ε下降，流體的滲透量降低，因此，粘結劑的量和顆粒直徑分布應作為過濾器的制造條件。陶瓷過濾器的氣孔率為33±2%，減小厚度，增大氣孔直徑雖可增加滲透量，但收塵效率反而下降。另外，還要考慮強度等因素，然后選定各種條件。

陶瓷過濾器堵塞

陶瓷過濾器收集的固體堆積在過濾（器）層外面或過濾（器）層內部，堵塞過濾器的氣孔，過濾容量就會下降。這種堵塞狀態(tài)可表現(xiàn)為幾種形式，如表面收集固體；固體進入過濾器內層；還有在表面堆積的固體形成粗糙的表層（好象是過濾層那樣），在這些情況下，雖過濾容量都逐漸下降，但下降程度是各不相同的。

陶瓷過濾器強度

由于陶瓷過濾器本身受到內壓、外壓、壓縮、拉伸等作用力，因而強度是重要特性之一。另外，在高溫下（700～1000℃）使用時，過濾器受熱后并不引起軟化和強度下降山是非常重要的特性。雖然強度受骨料質量、骨料顆粒大小、粘結劑質量和混合比等很多因素影響，但是主要與骨料強度、粘結層強度有關。例如，通常用作骨（集）料顆粒的各種材料的強度順序為：

SiC，Al₂O₃>莫來石>陶瓷顆粒>硅砂，碳粒

雖然粘結層的強度主要取決于粘結劑和燒成條件（溫度和氣氛），但是調整粘結劑和骨（集）料的熱膨脹系數(shù)，確保粘結劑和骨料的粘結力也是很重要的（即熱膨脹系數(shù)和粘結力也是影響粘結層強度的重要因素）。

陶瓷過濾器耐腐蝕性

陶瓷過濾器通常具有極其優(yōu)良的耐酸性，在高溫條件下，對于氟酸以外的所有酸仍是穩(wěn)定的。耐酸性受粘結劑的配合、燒成條件、骨料質量等因素影響。為了獲得耐堿性、耐蒸氣特性優(yōu)良的過濾器，需采用特別配制的粘結劑。碳質過濾器具有優(yōu)良的耐堿性。

陶瓷過濾器耐污染性

在精密過濾場合（作為特殊的情況），為防止污染液體，不允許有微量的溶出物，采用陶瓷過濾器時，通常沒有溶出物，而且按食品衛(wèi)生法來檢驗，也是合格的，因此可在禽品工業(yè)領域采用

陶瓷過濾器抗熱震性

雖然陶瓷過濾器可用于其它多孔體不能達到的高溫區(qū)域，但是在過濾燃燒廢氣、熔融金屬時，以及處于氣體吹入高溫爐內的噴口等場合，最好用于1000℃以下的高溫區(qū)域。為適應更高的溫度區(qū)域，考慮了使用粘結劑非常少的，骨料彼此以自相結合的方式構成的過濾器。

在700～1000℃高溫區(qū)域，抗熱震性優(yōu)良的碳化硅陶瓷過濾器顯示出良好的效果。其次是氧化鋁陶瓷過濾器。下圖2所示出以碳化硅為骨（集）料，采用特殊配制的陶瓷粘結劑的過濾器的高溫強度的變化。由圖2可見，在粘結劑開始軟化的溫度以下，出現(xiàn)了高溫強度高于常溫強度的傾向。

現(xiàn)以碳化硅陶瓷過濾器來探討陶瓷過濾器的抗熱震性。當流體為氣體時，從制品形狀來講，能耐溫差達400～700℃的急冷急熱。氧化鋁陶瓷過濾器能耐溫差達300～400℃的急冷急熱。這種過濾器所以具有這樣高的抗熱震性，是由于陶瓷具有多孔性，能吸收熱變形所致。