沈阳理工大学材料科学与工程分院(110016) 赵海涛 屈非 贾薇
【摘要】简述了泡沫陶瓷过滤器的过滤机理,详细介绍了泡沫陶瓷过滤器的应用,最后简述了本实验室的一些相关工作。
关键词 泡沫陶瓷 过滤器 过滤机理
在铸造生产中,由于非金属夹杂物等铸造缺陷导致的铸件废品一般占废品总数的50%～60%。采用金属液过滤器技术可以有效地减少或消除其中的各种非金属夹杂物,净化液态铸造合金[1]。
泡沫陶瓷过滤器(ＣＦＦ,即ＣｅｒａｍｉｃＦｏａｍＦｉｌ ｔｅｒ)是采用聚氨酯泡沫塑料为载体,经过水解后将他浸入到由陶瓷粉末、黏结剂、助烧结剂、悬浮剂等制成的涂料中,然后挤掉多余涂料,使陶瓷涂料均匀涂敷于载体骨架成为坯体,再把坯体烘干并经高温焙烧而成[2 3]。
1 过滤机理
泡沫陶瓷过滤器通过对金属液的3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[4 5]。
1)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,并使之沉淀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。
2)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,凹块尺寸约为1～10μｍ,对夹杂物有静电吸附和黏附截流作用。
3)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,金属液流动的助力增加,在横浇道中流动的金属液容易形成充满运动,并使流速降低,有利于夹杂物上浮,并滞留在横浇道顶面。
2 泡沫陶瓷的应用
2.1 铝合金铸造过滤
铝合金在熔化和形成铸件的过程中,容易吸收气体和混入非金属杂物,从而降低了铸件的使用性能和加工性能。目前研制成功的泡沫陶瓷过滤片为铝合金铸件生产提供了一种新型的、高效率的过滤器。不同于通常的单层钻孔筛板和玻璃纤维筛网,而是有着多层网络和弯曲的通孔,能充分地滤除铝合金熔体中的细小非金属夹杂物,从而提高了铸件的质量。泡沫陶瓷过滤片用于铝合金熔体的过滤,通常选用堇青石质,网眼尺寸为0.8～1.0ｍｍ。西安飞机制造公司采用(90ｍｍ×80ｍｍ×20ｍｍ)泡沫陶瓷滤片,使油泵弯管头、离合器壳、变扭器壳体等铸件的合格率提高了40%～70%,仅此一项,就为该公司每年新增产值200万元,实现利税30万元。
2.2 铜合金铸造过滤
有色金属熔体(黄铜、青铜、锌、锡)在铸造过程中,同样也会产生氧化和非金属杂物,出现大量的废品,若采用泡沫陶瓷滤片可大大降低废品率。过滤铜合金熔体通常选用堇青石质,网眼尺寸为1.0～1.2ｍｍ。
2.3 钢铁铸造过滤
泡沫陶瓷同样适用于球磨铸铁、合金钢、不锈钢等高温合金的铸造过滤。钢铁合金比重较大,熔点高,要求泡沫陶瓷的高温强度、软化温度以及抗热冲击性都要比过滤铝、铜高。通常选用氧化铝和碳化硅质的泡沫陶瓷过滤片,滤片的网眼尺寸为2～3ｍｍ。
2.4 汽车尾气净化处理器催化剂载
体随着我国汽车行业的不断发展,汽车尾气排放已成为环境污染的主要来源。由于泡沫陶瓷具有比表面积高、热稳定性好、耐磨、不易中毒、低密度,已广泛作为汽车尾气催化净化器载体使用。将泡沫陶瓷汽车尾气催化净化器安装在汽油车排气管中,可以使汽油车排出的ＣＯ,ＨＣ,ＮＯｘ有害气体转化成ＣＯ2,Ｈ2Ｏ,Ｎ2,转化率可达90%以上;用在柴油车上,碳粒净化率在50%以上。当泡沫陶瓷滤芯积满碳粒时,可以采用催化氧化法或电控燃烧法再生,不断消除沉积的碳粒,达到长期使用的目的。
2.5 其他应用
在高温条件下,泡沫陶瓷具有优良的热辐射特性,被用于强化传热和多孔介质的燃烧技术中,效果显著。
泡沫陶瓷还可以做成光触媒载体,在泡沫陶瓷载体上涂覆纳米二氧化钛,受紫外线激发,具有强烈的光催化氧化降解特性,可催化降解有机物和微生物,从而净化空气。泡沫陶瓷还可以做成化工塔填料,布气材料,煤气灶节能燃烧板等。综上所述,泡沫陶瓷的应用将会给现代工业和现代生活带来极大的经济和社会效益。
由于泡沫陶瓷使用方便、价格便宜、制造工艺简单,通过材质的选择和工艺控制,可以制成适合于不同用途的泡沫陶瓷产品。具有优良特性的泡沫陶瓷已被越来越多的人所认识,他将广泛应用于冶金、化工、环保、节能、医学、电子等领域,前景十分广阔。
3 试验结果
在泡沫陶瓷材料方面,本试验室也开展了一些研究工艺。主要是通过试验验证各种工艺参数对泡沫陶瓷过滤器性能的影响,找出更加合理的、完善的工艺参数,以提高过滤器性能和生产出过滤温度更高的、过滤钢液及高温合金的氧化锆基泡沫陶瓷过滤器。试验结果表明:
1)ＺｒＯ2基泡沫陶瓷过滤器的制备应选用80%的磷酸二氢铝水溶液作黏结剂;
2)ＺｒＯ2基泡沫陶瓷过滤器(烧结助剂为Ａｌ2Ｏ3)的陶瓷粉料最佳比例为:ｗ(ＺｒＯ2)=80%,ｗ(Ａｌ2Ｏ
3)=20%;3)泡沫陶瓷的抗压强度随Ａｌ2Ｏ3含量的增加而增大,但当Ａｌ2Ｏ3含量达到10%时抗压强度增长缓慢;
4)泡沫陶瓷的抗弯强度随Ａｌ2Ｏ3含量的增加而增大,但当Ａｌ2Ｏ3含量达到20%时抗弯强度出现峰值,之后随Ａｌ2Ｏ3含量的增加而减小;
5)烧结过程中的升温制度是关键,应采用慢速升温制度。烧结速率如下:500℃以下1～2℃/ｍｉｎ;500℃以上为3℃/ｍｉｎ。
4 泡沫陶瓷过滤器的发展趋势
如前所述,近20年来,经过铸造工作者的努力,泡沫陶瓷过滤器及其在液态铸造合金过滤领域的应用已得到了长足的发展。据不完全统计,国内迄今已有近10条泡沫陶瓷过滤器生产线投入生产,年生产总量已达数百万片。但据测算,我国铸造行业的潜在年需求量约1亿片左右。因此,在新的世纪,泡沫陶瓷过滤器的研究、生产和应用推广工作尚需继续加强,而且工作重点应放在以下几个方面:
1)开发生产烧结温度低、烧结时间短的新型低成本泡沫陶瓷过滤器;
2)开发生产适用于各种活性合金、高温物理化学性能稳定的新型泡沫陶瓷过滤器;
3)开发生产适用于熔模铸造、金属型铸造等特种铸造工艺的异形泡沫陶瓷过滤器;
4)深入研究泡沫陶瓷过滤器的过滤净化机制和对金属凝固过程的影响机制;
5)系统研究泡沫陶瓷过滤器的应用技术,包括孔径和厚度的选择、安放方式和浇铸系统的设计、浇铸温度和速度及金属液压头的控制等;
6)开展泡沫陶瓷过滤器的系列化和标准化工作。
