陶瓷濾器

如前所述,近二十年來(lái),經(jīng)過(guò)鑄造工作者的努力,泡沫陶瓷過(guò)濾器及其在液態(tài)鑄造合金過(guò)濾領(lǐng)域的應(yīng)用已得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),國(guó)內(nèi)迄今已有近十條泡沫陶瓷過(guò)濾器生產(chǎn)線投入生產(chǎn),年生產(chǎn)總量已達(dá)數(shù)百萬(wàn)片。因此,在新的世紀(jì),泡沫陶瓷過(guò)濾器的研究、生產(chǎn)和應(yīng)用推廣工作尚需繼續(xù)加強(qiáng),而且工作重點(diǎn)應(yīng)放在以下幾個(gè)方面:

(1)開(kāi)發(fā)生產(chǎn)燒結(jié)溫度低、燒結(jié)時(shí)間短的新型低成本泡沫陶瓷過(guò)濾器;

(2)開(kāi)發(fā)生產(chǎn)適用于各種活性合金、高溫物理化學(xué)性能穩(wěn)定的新型泡沫陶瓷過(guò)濾器;

(3)開(kāi)發(fā)生產(chǎn)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(guò)濾器;

(4)深入研究泡沫陶瓷過(guò)濾器的過(guò)濾凈化機(jī)制和對(duì)金屬凝固過(guò)程的影響機(jī)制;

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

(6)開(kāi)展泡沫陶瓷過(guò)濾器的系列化和標(biāo)準(zhǔn)化工作。 2100433B

在鑄造生產(chǎn)中,由于非金屬夾雜物等鑄造缺陷導(dǎo)致的鑄件廢品一般占廢品總數(shù)的50%～ 60%。采用金屬液過(guò)濾技術(shù)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(guò)濾器分為粘結(jié)型和燒結(jié)型:前者依靠粘結(jié)劑將陶瓷微細(xì)顆粒粘結(jié)在一起;后者是依靠在高溫下保溫,使較純的陶瓷微細(xì)顆粒燒結(jié)熔合起來(lái)。泡沫陶瓷過(guò)濾器所具有的獨(dú)特的三維連通曲孔網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu),使其具有高達(dá)80%～ 90%的開(kāi)口氣孔率,并通過(guò)3種過(guò)濾凈化機(jī)制,即機(jī)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(zhì)兩維結(jié)構(gòu)型內(nèi)過(guò)濾網(wǎng)和直孔芯型陶瓷過(guò)濾器、耐火顆粒過(guò)濾器、直孔型蜂窩陶瓷過(guò)濾器等的過(guò)濾效率低、耐火度和強(qiáng)度低、金屬液過(guò)流率低等問(wèn)題。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)對(duì)鋁青銅的試驗(yàn)表明:泡沫陶瓷過(guò)濾器的過(guò)濾效率高達(dá)95%,而雙層纖維過(guò)濾網(wǎng)僅為67%,從而顯著降低鑄件廢品率和焊補(bǔ)率。此外,還能簡(jiǎn)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(chǎn)率,改善鑄件內(nèi)部質(zhì)量、工作性能以及機(jī)加工性能。因此,泡沫陶瓷過(guò)濾器在國(guó)內(nèi)外得到迅速發(fā)展。

陶瓷過(guò)濾的研究主要集中于兩個(gè)方面：一是陶瓷過(guò)濾器的材質(zhì)，包括陶瓷過(guò)濾器的制造工藝及性能；二是陶瓷過(guò)濾器的結(jié)構(gòu)，包括過(guò)濾器的形狀、安放位置、過(guò)濾機(jī)制及過(guò)濾效果。

選擇過(guò)濾器材質(zhì)要根據(jù)過(guò)濾所要去除的夾雜物的類型來(lái)進(jìn)行選擇，同時(shí)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(guò)濾器的內(nèi)表面粗糙度影響過(guò)濾效果。

陶瓷過(guò)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(guò)濾器分為泡沫陶瓷過(guò)濾器和顆粒陶瓷過(guò)濾器兩大類。

陶瓷過(guò)濾器過(guò)濾器

泡沫陶瓷過(guò)濾器的開(kāi)孔體積為75%～90%，通常是按每英寸線上的孔數(shù)（ppi）來(lái)進(jìn)行分類。如10 ppi的泡沫陶瓷過(guò)濾器，其孔徑為1778 μm，范圍為584～3708 μm；30 ppi的泡沫陶瓷過(guò)濾器，其孔徑為711 μm，范圍為229～1422 μm。泡沫陶瓷過(guò)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(lái)設(shè)計(jì)。

泡沫陶瓷過(guò)濾器曾經(jīng)選用過(guò)的材質(zhì)有NCL-Mullite，ZrO₂，Zr-SiO₄與Al₂O₃等。采用Al₂O₃泡沫陶瓷，在操作時(shí)不易碎，其抗熱振崩裂性能好，在1700℃高溫金屬液流動(dòng)下，抗蠕變變形能力強(qiáng)。因?yàn)殚_(kāi)孔的孔隙度高（75%～90%）和孔壁很薄，所以泡沫陶瓷過(guò)濾器在與金屬液接觸前不需要預(yù)熱。

陶瓷過(guò)濾器顆粒陶瓷

顆粒陶瓷過(guò)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(jiàn)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(guò)濾器選用MgO或Al₂O₃作為填充物，根據(jù)要過(guò)濾夾雜物的類別選用活性吸附劑。對(duì)于用稀土金屬處理過(guò)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(shí)要解決防水化問(wèn)題。

CaO耐火材料是很好的顆粒陶瓷過(guò)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(guò)化學(xué)反應(yīng)去除夾雜物。但有兩個(gè)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(guò)濾性好，資源極為豐富。提高鋼液過(guò)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(shù)脂薄膜作為中間過(guò)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(zhǎng)大。

陶瓷過(guò)濾器是使用比較廣的一種過(guò)濾器，它采用剛性的微孔材料作為過(guò)濾元件。它包括陶瓷、剛玉、碳化硅、砂芯片等一系列的過(guò)濾器，如圖1所示。因過(guò)大的氣流可使灰塵黏附在過(guò)濾器上，造成堵塞，為了防止過(guò)大的氣流直接吹射陶瓷杯，因此在陶瓷杯的外面加上一個(gè)防護(hù)罩，使氣流繞過(guò)過(guò)濾器的下部，再進(jìn)入過(guò)濾器。為了減小無(wú)效的體積，使過(guò)濾器的底部為錐形，同時(shí)增加了一個(gè)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(dòng)而加速了氣體交換，減小了滯后時(shí)間。為便于更換和清理過(guò)濾器，設(shè)計(jì)了陶瓷過(guò)濾器系統(tǒng)。當(dāng)一個(gè)過(guò)濾器發(fā)生堵塞時(shí)，可轉(zhuǎn)動(dòng)兩個(gè)四通換向閥，把樣氣通入另一個(gè)過(guò)濾器，堵塞的過(guò)濾器則可通過(guò)高壓空氣進(jìn)行反吹，使黏附在陶瓷濾杯上的灰塵除掉。這樣兩個(gè)過(guò)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(guò)濾器過(guò)濾特性

過(guò)濾特性中最主要的是上述的收塵效率，其次還有過(guò)濾容量、氣孔堵塞問(wèn)題等。

陶瓷過(guò)濾器過(guò)濾容量

對(duì)于潔凈的流體，通過(guò)陶瓷過(guò)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(guò)濾（器）層看作毛細(xì)管的集合，通過(guò)毛細(xì)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(xì)管數(shù)N、毛細(xì)管直徑d的關(guān)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(shí)間單位面積的滲透量（厘米³/厘米²·秒）；

ΔP——壓力差（達(dá)因/厘米²）；

η——粘性系數(shù)（達(dá)因·秒/厘米²）；

L——過(guò)濾（器）層的厚度（厘米）；

d——毛細(xì)管直徑（厘米）；

l——毛細(xì)管長(zhǎng)度（厘米）；

α——彎曲度（1～3）。

也就是說(shuō)，通過(guò)陶瓷過(guò)濾（器）層的流體滲透量與過(guò)濾器的氣孔率及毛細(xì)管的直徑平方成正比。增加粘結(jié)劑的量，擴(kuò)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(jié)劑的量和顆粒直徑分布應(yīng)作為過(guò)濾器的制造條件。陶瓷過(guò)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(qiáng)度等因素，然后選定各種條件。

陶瓷過(guò)濾器堵塞

陶瓷過(guò)濾器收集的固體堆積在過(guò)濾（器）層外面或過(guò)濾（器）層內(nèi)部，堵塞過(guò)濾器的氣孔，過(guò)濾容量就會(huì)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(jìn)入過(guò)濾器內(nèi)層；還有在表面堆積的固體形成粗糙的表層（好象是過(guò)濾層那樣），在這些情況下，雖過(guò)濾容量都逐漸下降，但下降程度是各不相同的。

陶瓷過(guò)濾器強(qiáng)度

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

SiC，Al₂O₃>莫來(lái)石>陶瓷顆粒>硅砂，碳粒

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

陶瓷過(guò)濾器耐腐蝕性

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

陶瓷過(guò)濾器耐污染性

在精密過(guò)濾場(chǎng)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(guò)濾器時(shí)，通常沒(méi)有溶出物，而且按食品衛(wèi)生法來(lái)檢驗(yàn)，也是合格的，因此可在禽品工業(yè)領(lǐng)域采用

陶瓷過(guò)濾器抗熱震性

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

在700～1000℃高溫區(qū)域，抗熱震性優(yōu)良的碳化硅陶瓷過(guò)濾器顯示出良好的效果。其次是氧化鋁陶瓷過(guò)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(jié)劑的過(guò)濾器的高溫強(qiáng)度的變化。由圖2可見(jiàn)，在粘結(jié)劑開(kāi)始軟化的溫度以下，出現(xiàn)了高溫強(qiáng)度高于常溫強(qiáng)度的傾向。

現(xiàn)以碳化硅陶瓷過(guò)濾器來(lái)探討陶瓷過(guò)濾器的抗熱震性。當(dāng)流體為氣體時(shí)，從制品形狀來(lái)講，能耐溫差達(dá)400～700℃的急冷急熱。氧化鋁陶瓷過(guò)濾器能耐溫差達(dá)300～400℃的急冷急熱。這種過(guò)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。