泡沫陶瓷过滤器过滤净化液态金属的机制-上海联兵环保免费电话：400-600-5030

摘要:本文对采用泡沫陶瓷过滤器的浇注系统过滤机制进行了分析,并确定了过滤效率的方程式。对泡沫陶瓷过滤器过滤液态铸造合金的净化效果进行了验证,同时也论述了泡沫陶瓷过滤器在浇注系统中克服阻力的工艺方法。
关键词:泡沫陶瓷过滤器;过滤机制;金属液;净化
中图分类号:TF111·33; TG21+1　文献标识码:A　文章编号:1001-4977 (2001) 08-0482-03
泡沫陶瓷过滤器自20世纪70年代末问世以来,一直以其经济效益好,除杂功能强而广泛应用于铸造生产中。泡沫陶瓷过滤器可以有效地拦截液态金属中的夹杂物,从而提高铸件品质。研究泡沫陶瓷过滤器净化液态金属的机制,为过滤器的完善及应用提供理论依据。
1　泡沫陶瓷过滤器对金属液的三种物理化学作用
泡沫陶瓷过滤器通过三种物理化学作用,分离液态铸造合金中的夹杂物,达到净化金属液的效果。
滤饼机制:复杂的泡沫陶瓷结构,可以高效率地机械挡渣,当金属液通过结构复杂的泡沫陶瓷过滤器时,通过过滤介质的机械分离作用,把大于过滤器表面孔眼的夹杂物滤除,并使之沉积在过滤器液态金属流入端,成为过滤器的一个组成部分。随着夹杂物在过滤器表面上堆积数量的增多,逐渐形成了一层“滤饼”,使金属液流道进一步变细,因而新增的过滤介质表面可以滤除更为细小的夹杂物。与此同时,介质内部也有过滤作用,在贯穿于陶瓷体的众多小孔中,有的呈现微小狭缝,有的存在死角,这些变化不同的区域都是截获夹杂物的可能位置,过滤器内部也存在“滤饼”效应〔1〕。过滤前后ZG310-570金属液中夹杂物的分布情况见图1。

表面效应:当金属液流经结构复杂的陶瓷体时,被分割成许多细小的流股,增大了金属液中夹杂物与过滤介质的接触面积及接触几率,由于过滤器表面是极微小的凸凹面,凹块尺寸约1~10μm,对夹杂物有静电吸附和粘附截流作用。过滤前后1Cr18Ni9Ti合金金相试样探针照片见图2,分析数据见表1。


整流效应:金属液流过泡沫陶瓷过滤器时,被分割成许多细小单元的流股,其直径较小,从而使雷诺数(Re=vd/r)变小,使液流趋于层流运动。当金属液处于层流状态时,由于熔融金属液的密度远大于夹杂物的密度,因而使夹杂物有充分的时间上浮除去,也即泡沫陶瓷过滤器能辅助横浇道挡渣。浇注系统中放置过滤器后,金属液流动的阻力增加,在横浇道中流动的金属液容易形成充满流动,并使流速降低,有利于夹杂物上浮,并滞留在横浇道顶面。
2　泡沫陶瓷过滤器对液态铸造合金净化效果的验证
为了精确地评价泡沫陶瓷过滤器对液态铸造合金的净化效果,英国原子能委员会的Harwell研究所与FOSECO公司合作进行了一系列的试验〔2〕。表2是Al脱氧碳素钢经过泡沫陶瓷过滤器过滤前后钢液中含Al量的变化。脱氧期间,在钢液包中加入少许放射性的镧140,试块的浇注温度为1600℃。
通过对放射性镧140的γ射线放射量的测量表明,金属液经过过滤后,在金属液中被溶解的镧和镧的硫化夹杂物都明显减少。过滤器后面的镧的辐射线基本上是由金属溶解的镧放射的。过滤器内部的射线最强烈,说明过滤器内部镧的硫化夹杂物含量最高。
笔者认为,这是由于过滤器的放置方式的作用,使大多数的夹杂物都被截留到过滤器的进入口一方。当过滤器水平放置时,夹杂物同样也被抑制,截留到过滤器的进入口一方。在高合金钢中,上述二种过滤系统都有十分相似的良好的过滤效果。

在铸造生产实践中,可以采用过滤效率来评价泡沫陶瓷过滤器对液态铸造合金的净化效果。在同一炉次或同一包金属液所浇注的每个铸件的顶部和底部分别取样,测定过滤铸件和未过滤铸件的洁净度。将每个试样熔化后滴进一个半球形的水冷铜型中,非金属夹杂物就会漂浮到铜型中的金属液表面。这样,可以用光学显微镜和扫描电子显微镜对夹杂物集结区进行分析〔3~5〕。
用图像分析仪确定夹杂物的形状、大小和尺寸分布,用萃取和重量分析法对夹杂物的浓度进行定量分析。考虑用集渣氧化物的面积作为评价试样洁净度的尺寸,铸造合金的洁净度即为单位重量试样的集渣氧化物的面积比值,单位为cm2/kg,过滤效率为过滤前后单位重量试样的氧化物表面积差值与过滤前试样的氧化物表面积之比的百分数〔3〕。过滤效率E则采用以下关系式确定:

3　过滤器对浇注系统中金属液的阻力
在浇注系统中安放过滤器后,过滤器对液态铸造合金产生一种综合阻力。这种阻力主要包括:热阻———高温金属液与过滤器温度差造成的阻力;力阻———在过滤器的入口处,由于大股的金属液被分流成很多小股的流动金属液,所产生的冲击流动阻力和金属液通过过滤器时产生的摩擦力。
热阻和力阻同时又受到与液态铸造合金对陶瓷的润湿特性有关的表面张力效应的影响。为了使过滤器能够顺利地“启动”,必须克服上述阻力。克服热阻的措施是保证液态铸造合金有足够的过热度。利用金属液的热量将过滤器加热到接近金属液的温度,这样,当金属液临近过滤器时仍能保持液态。
创造为穿透泡沫陶瓷过滤器所需要的足够的压差,克服机械阻力,这样,过滤器对金属液的最初约束就会解除。为了达到上述目的,必须正确选择过滤器的尺寸、过滤器的入口截面积、横浇道截面积和金属液的静压头。
过滤器的设置既要达到最佳的过滤效果,同时又要使金属液保持适当的流动速度,为此,应按比例关系选择横浇道和过滤器安放位置处的面积比。
通过试验验证,在一定的浇注工艺条件下,只要采用合适的最大横浇道截面积与过滤器的截面积比,就可以克服过滤器对金属液的约束,也就避免了过滤器的阻塞。一般浇注系统各部分的面积比为:


对于一些粘度低的液态铸造合金,可以选择浇道比的下限。但是,如果浇道比过小将会过分强化浇注系统的节流作用,限制了粗大熔渣的移动,造成过滤器过早阻塞,以致铸件出现浇不足缺陷。
4　结束语
(1)泡沫陶瓷过滤器通过滤饼机制、表面效应及整流效应,能够有效去除液态铸造合金中的夹杂物,提高铸造合金的力学性能。
 

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