碳化硅陶瓷過濾器

鄒艷莉、高洪躍、劉仁軍等。

萍鄉(xiāng)龐泰實(shí)業(yè)有限公司、江西省工業(yè)陶瓷質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站、山東工業(yè)陶瓷研究設(shè)計院有限公司。

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(zhì)，包括陶瓷過濾器的制造工藝及性能；二是陶瓷過濾器的結(jié)構(gòu)，包括過濾器的形狀、安放位置、過濾機(jī)制及過濾效果。

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

陶瓷過濾器的結(jié)構(gòu)是由其材質(zhì)決定的，根據(jù)材質(zhì)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(jìn)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(jié)構(gòu)根據(jù)具體的使用情況來設(shè)計。

泡沫陶瓷過濾器曾經(jīng)選用過的材質(zhì)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(qiáng)。因?yàn)殚_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(yù)熱。

陶瓷過濾器顆粒陶瓷

顆粒陶瓷過濾器的結(jié)構(gòu)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(dāng)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(xué)反應(yīng)去除夾雜物。但有兩個原因限制了其大量應(yīng)用：一是需極高的燒結(jié)溫度（高于1800℃）才能獲得必需的致密度和機(jī)械強(qiáng)度。二是在常溫和大氣下易水化。

CaO耐火材料的優(yōu)點(diǎn)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(jié)度，大結(jié)晶粒度，采用超高煅燒或電熔石灰；在CaO表面形成一層保護(hù)膜；在CaO燒成品上浸上焦油或有機(jī)樹脂薄膜作為中間過渡措施；在CaO中加入少量的化學(xué)添加劑，其作用是降低CaO的燒結(jié)溫度，并在燒結(jié)后期使燒結(jié)體內(nèi)部產(chǎn)生部分液相，促進(jìn)CaO晶粒的長大。

碳化硅（SiC）是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑為原料通過電阻爐高溫冶煉而成。碳化硅在大自然也存在罕見的礦物，莫桑石。

碳化硅又稱碳硅石。在當(dāng)代C、N、B等非氧化物高技術(shù)耐火原料中，碳化硅為應(yīng)用最廣泛、最經(jīng)濟(jì)的一種?？梢苑Q為金鋼砂或耐火砂。

碳化硅是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑(生產(chǎn)綠色碳化硅時需要加食鹽)等原料在電阻爐內(nèi)經(jīng)高溫冶煉而成。我國工業(yè)生產(chǎn)的碳化硅分為黑色碳化硅和綠色碳化硅兩種，均為六方晶體，比重為3.20～3.25，顯微硬度為2840～3320kg/mm2。

包括黑碳化硅和綠碳化硅，其中：綠碳化硅是以石油焦和優(yōu)質(zhì)硅石為主要原料,添加食鹽作為添加劑，通過電阻爐高溫冶煉而成。其硬度介于剛玉和金剛石之間,機(jī)械強(qiáng)度高于剛玉。 常用的碳化硅磨料有兩種不同的晶體，一種是綠碳化硅，含SiC 97%以上，主要用于磨硬質(zhì)含金工具。另一種是黑碳化硅，有金屬光澤，含SiC 95%以上，強(qiáng)度比綠碳化硅大，但硬度較低，主要用于磨鑄鐵和非金屬材料。

分子式為SiC，其硬度介于剛玉和金剛石之間，機(jī)械強(qiáng)度高于剛玉，可作為磨料和其他某些工業(yè)材料使用。工業(yè)用碳化硅于1891年研制成功，是最早的人造磨料。在隕石和地殼中雖有少量碳化硅存在，但迄今尚未找到可供開采的礦源。

純碳化硅是無色透明的晶體。工業(yè)碳化硅因所含雜質(zhì)的種類和含量不同，而呈淺黃、綠、藍(lán)乃至黑色，透明度隨其純度不同而異。碳化硅晶體結(jié)構(gòu)分為六方或菱面體的 α-SiC和立方體的β-SiC(稱立方碳化硅)。α-SiC由于其晶體結(jié)構(gòu)中碳和硅原子的堆垛序列不同而構(gòu)成許多不同變體，已發(fā)現(xiàn)70余種。β-SiC于2100℃以上時轉(zhuǎn)變?yōu)棣?SiC。

碳化硅的工業(yè)制法是用優(yōu)質(zhì)石英砂和石油焦在電阻爐內(nèi)煉制。煉得的碳化硅塊，經(jīng)破碎、酸堿洗、磁選和篩分或水選而制成各種粒度的產(chǎn)品。

碳化硅有黑碳化硅和綠碳化硅兩個常用的基本品種，都屬α-SiC。①黑碳化硅含SiC約98.5%，其韌性高于綠碳化硅，大多用于加工抗張強(qiáng)度低的材料，如玻璃、陶瓷、石材、耐火材料、鑄鐵和有色金屬等。②綠碳化硅含SiC99%以上，自銳性好，大多用于加工硬質(zhì)合金、鈦合金和光學(xué)玻璃，也用于珩磨汽缸套和精磨高速鋼刀具。此外還有立方碳化硅，它是以特殊工藝制取的黃綠色晶體，用以制作的磨具適于軸承的超精加工，可使表面粗糙度從Ra32～0.16微米一次加工到Ra0.04～0.02微米。